基于FPGA的多功能空調(diào)控制器設(shè)計(jì)

　1 引言

　　今年八月，以格力“睡夢(mèng)寶”臥室空調(diào)為代表的一批性能卓越，設(shè)計(jì)人性化的空調(diào)一經(jīng)上市，就吸引了大批消費(fèi)者的目光，但其居高不下的價(jià)格卻也讓很多普通的消費(fèi)者望而卻步。
       空調(diào)市場(chǎng)的高價(jià)位，除了商家基于利潤的考慮之外，一個(gè)很重要的原因，就是在空調(diào)的研發(fā)過程中所投入的巨額經(jīng)費(fèi)。以格蘭仕為例，公司每年拿出的科研獎(jiǎng)勵(lì)基金就高達(dá)1000萬元[1]，其投入的研發(fā)經(jīng)費(fèi)之巨也就不難想象。如何降低設(shè)計(jì)成本，縮短研發(fā)周期，規(guī)避前期風(fēng)險(xiǎn)投資已成為空調(diào)產(chǎn)業(yè)發(fā)展所面臨的一個(gè)重要課題。

　　基于對(duì)上述問題的思索，本文以一個(gè)小型多功能家用空調(diào)控制器的設(shè)計(jì)作為實(shí)例，介紹一種設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便，性能優(yōu)秀且能有效控制成本的FPGA解決方案。

　　2 設(shè)計(jì)指標(biāo)

　　本設(shè)計(jì)的任務(wù)是一個(gè)具有多種工作模式和多級(jí)風(fēng)速可供選擇的小型家用空調(diào)控制器。其基本設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：

　　1.系統(tǒng)上電后，默認(rèn)工作于標(biāo)準(zhǔn)模式，風(fēng)速為1級(jí)，自設(shè)溫度為22℃，定時(shí)功能關(guān)，工作狀態(tài)指示燈亮。

　　2.系統(tǒng)有四種工作模式：

　　標(biāo)準(zhǔn)模式：系統(tǒng)根據(jù)用戶自設(shè)溫度與室內(nèi)溫度進(jìn)行對(duì)比判斷，驅(qū)動(dòng)響應(yīng)設(shè)備工作。

　　自動(dòng)模式：系統(tǒng)根據(jù)室內(nèi)溫度與系統(tǒng)內(nèi)預(yù)設(shè)溫

度閾值進(jìn)行對(duì)比判斷，驅(qū)動(dòng)響應(yīng)設(shè)備工作。

　　睡眠模式：除具有標(biāo)準(zhǔn)模式的功能外，在該模式下系統(tǒng)能根據(jù)人體睡眠特點(diǎn)和夜間溫度變化情況，自動(dòng)進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。

　　除濕模式：?jiǎn)⒂迷撃Ｊ胶?，將?qū)動(dòng)響應(yīng)設(shè)備對(duì)室內(nèi)進(jìn)行除濕操作。

　　3.此外系統(tǒng)還提供四級(jí)風(fēng)速供用戶選擇，方便的溫度設(shè)定輸入，定時(shí)，工作狀態(tài)指示等功能。

　　3 FPGA方案的引入

　　長期以來，對(duì)于這類家用空調(diào)控制器的設(shè)計(jì)，多采用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，其特點(diǎn)是成本較低，性能一般。但普通單片機(jī)的集成度通常較低，如Intel公司的AT89S51僅128字節(jié)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，32根可編程I/O口線，5個(gè)中斷源。顯然，要想完成較為復(fù)雜的運(yùn)算和控制功能，就必須對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展，而外部硬件電路所帶來的延時(shí)等不可預(yù)知風(fēng)險(xiǎn)，使得擴(kuò)展必須以犧牲整機(jī)性能作為代價(jià)。而且這種設(shè)計(jì)方法受制于硬件電路，開發(fā)難度較大。而一些商家研發(fā)的空調(diào)專用芯片，也多因技術(shù)上的壁壘，在通用性，升級(jí)和價(jià)格方面不具優(yōu)勢(shì)。

　　FPGA作為一種新興的可編程技術(shù)，是進(jìn)行原型設(shè)計(jì)最理想的載體[2]，其精確的可測(cè)試性和目前已達(dá)到的深亞微米級(jí)工藝，能較好的解決傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中的諸多難題。其豐富的編程資源和靈活的編程特性，能將許多原本需要借助外部硬件實(shí)現(xiàn)的功能，轉(zhuǎn)化為軟件編程來完成，使升級(jí)改進(jìn)更為靈活。而且這種設(shè)計(jì)方法能在軟件階段就對(duì)設(shè)計(jì)做出準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)和評(píng)估，從而能極大地提高開發(fā)效率，有效規(guī)避前期的風(fēng)險(xiǎn)投資?，F(xiàn)代先進(jìn)的FPGA工藝技術(shù)，使得FPGA在功耗和價(jià)格方面都大為降低，以工作電壓為3.3V的EPCS1SI8芯片為例，其目前的市場(chǎng)價(jià)格僅在10元左右。

　　4 系統(tǒng)劃分

　　FPGA技術(shù)的一個(gè)巨大優(yōu)勢(shì)，就是采用自頂向下的設(shè)計(jì)思想，將設(shè)計(jì)模塊化處理。為完成控制器各項(xiàng)功能，設(shè)計(jì)被劃分為多個(gè)模塊進(jìn)行。整個(gè)控制器的組成及各模塊之間控制關(guān)系如圖1所示。

　　圖1 控制器結(jié)構(gòu)圖

　　由圖1可知，控制器由工作模式（含模式選擇和四種工作模式），風(fēng)速選擇，室溫設(shè)定，定時(shí)，設(shè)備驅(qū)動(dòng)等模塊構(gòu)成。且在各模塊之間，存在明確的控制關(guān)系。

　　5 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

　　由系統(tǒng)劃分可知，控制器的各項(xiàng)功能由各模塊協(xié)同完成。其中模式選擇，室溫設(shè)定，定時(shí)三個(gè)模塊都要接受來自外部的按鍵輸入，經(jīng)硬件實(shí)測(cè)，設(shè)計(jì)選用了4HZ的系統(tǒng)頻率來減少按鍵輸入過程中的抖動(dòng)干擾。另外，有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)作為進(jìn)行高效率高可靠邏輯控制的重要途徑[3]，設(shè)計(jì)中也多次運(yùn)用了這一設(shè)計(jì)方法。以下分別闡釋各模塊及模塊間控制關(guān)系的設(shè)計(jì)思想和工作流程。

　　5.1 工作模式

　　模式選擇由選擇控制和四種工作模式構(gòu)成。

　　選擇控制：該模塊為四種工作模式提供選通信號(hào)，通過按鍵從NORMAL開始循環(huán)切換，驅(qū)動(dòng)各模式正常工作。該部分被設(shè)計(jì)為一個(gè)具有四種工作狀態(tài)的字符型有限狀態(tài)機(jī)，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制關(guān)系如圖2所示。

　　圖2 選擇控制狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

　　標(biāo)準(zhǔn)模式：該模塊將外部采集的室溫與用戶自設(shè)溫度值進(jìn)行對(duì)比判斷，確定當(dāng)前室溫狀況（冷、熱或適宜），并將該狀態(tài)信息送入驅(qū)動(dòng)模塊處理。

　　自動(dòng)模式：該模塊將外部采集的室溫與系統(tǒng)內(nèi)預(yù)設(shè)溫度閾值（此處設(shè)定為[17℃-26℃]）進(jìn)行對(duì)比判斷，若外部采集的溫度超出該閾值，則有相應(yīng)狀態(tài)信號(hào)向驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)出。

　　睡眠模式：該模塊除具有標(biāo)準(zhǔn)模式的功能外，為了營造一個(gè)舒適的睡眠環(huán)境，系統(tǒng)每隔1小時(shí)，會(huì)向自設(shè)溫度模塊發(fā)出自增1℃的請(qǐng)求信號(hào)，5小時(shí)后向設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)出關(guān)機(jī)請(qǐng)求。睡眠模式程序設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

　　圖3 睡眠模式設(shè)計(jì)流程圖

　　除濕模式：該模式下除濕請(qǐng)求自動(dòng)向設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)出。

　　5. 2 風(fēng)速選擇

　　風(fēng)速選擇模塊由設(shè)備驅(qū)動(dòng)提供選通信號(hào)，該部分由一個(gè)具有五種工作狀態(tài)的字符型有限狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)，通過按鍵從ST0到ST3進(jìn)行循環(huán)切換。當(dāng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊無設(shè)備請(qǐng)求輸出時(shí)，風(fēng)速自動(dòng)切換到ST4狀態(tài)，禁止風(fēng)機(jī)工作；當(dāng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)恢復(fù)設(shè)備請(qǐng)求后，風(fēng)速將重新切換到原來的狀態(tài)。風(fēng)速選擇模塊狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制關(guān)系如圖4所示。

　　圖4 風(fēng)速切換狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

　　5.3 定時(shí)

　　在該模塊中，通過按鍵預(yù)置關(guān)機(jī)時(shí)間（最長可設(shè)置270min），并將關(guān)機(jī)時(shí)間送出實(shí)時(shí)顯示，在關(guān)機(jī)時(shí)會(huì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)指示燈進(jìn)行閃爍提示。為方便用戶輸入，節(jié)約按鍵和顯示所用硬件資源，程序采用了映射輸入和映射顯示的設(shè)計(jì)方法，即將用戶每次按鍵以一個(gè)特定步長值（此處設(shè)為30min）在程序中替換，并將倒計(jì)時(shí)按步長區(qū)間進(jìn)行反替換輸出顯示。該部分程序設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

　　 
圖5 定時(shí)模塊設(shè)計(jì)流程圖

　　5.4 室溫設(shè)定

　　室溫設(shè)定模塊，由一對(duì)加減按鍵循環(huán)進(jìn)行輸入，同時(shí)也接收來自睡眠模塊的調(diào)溫請(qǐng)求，溫度可調(diào)區(qū)間設(shè)為[10℃-35℃]。在程序設(shè)計(jì)中，利用VHDL不完整IF語句保持原值的特性，可很容易地實(shí)現(xiàn)自設(shè)溫度的增減功能。該模塊僅在系統(tǒng)工作于標(biāo)準(zhǔn)模式或睡眠模式時(shí)，溫度可被設(shè)置，其余情況則將溫度復(fù)位到初始值22℃。

　　5.5 設(shè)備驅(qū)動(dòng)

　　設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊接收來自四種工作模式的室內(nèi)狀況信號(hào)，經(jīng)分類處理后，向后續(xù)設(shè)備發(fā)出響應(yīng)請(qǐng)求。該部分采用了一個(gè)具有四種工作狀態(tài)（采暖、制冷、除濕和無操作）的字符型有限狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)。另外，為保護(hù)后續(xù)設(shè)備，在狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)中引入了異常輸入的保護(hù)機(jī)制,即當(dāng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊判定為異常輸入時(shí)（如同時(shí)出現(xiàn)冷熱兩種室內(nèi)狀況），則立即將所有設(shè)備請(qǐng)求禁止。設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊的狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制關(guān)系如圖6所示。

　　圖6 輸出驅(qū)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

　　6 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

　　設(shè)計(jì)采用了具有良好可移植特性的VHDL語言進(jìn)行描述，通過Altera公司的MAX+PLUSII工具軟件，以其FPGA/ACEX1K /EP1K30TC144-3芯片作為測(cè)試載體，進(jìn)行了編譯測(cè)試和硬件驗(yàn)證。

　　6.1 仿真測(cè)試

　　控制器整體仿真測(cè)試結(jié)果如下：

　　圖7 控制器仿真波形1
 

圖8 控制器仿真波形2

　　圖7為控制器按鍵輸入的響應(yīng)情況，如圖所示，隨著按鍵的按下，各種輸出正常。圖8為控制器工作于睡眠模式，風(fēng)速為4級(jí)，定時(shí)兩小時(shí)的波形圖，從圖中可以清晰地看到，在關(guān)機(jī)到來時(shí)，STATE信號(hào)進(jìn)行了閃爍提示，自設(shè)溫度值也隨著時(shí)間由21℃自增為23℃。綜合以上分析可以看出，軟件仿真達(dá)到了預(yù)期的性能指標(biāo)。

　　6.2 資源使用狀況

　　FPGA具有精確的可測(cè)試性，借助功能強(qiáng)大的分析軟件可以在軟件設(shè)計(jì)階段就對(duì)設(shè)計(jì)做出準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)和評(píng)估。由MAX+PLUSII軟件分析可知，設(shè)計(jì)中關(guān)鍵路徑的最大延時(shí)不超過20個(gè)納秒，這是一般的設(shè)計(jì)方法所不能達(dá)到的?？刂破鞯馁Y源使用情況如表1所示。

　　表1 控制器資源使用狀況

　　輸入引腳數(shù) 輸出引腳數(shù) 邏輯單元數(shù)

　　15                 32                230

　　6.3 硬件測(cè)試

　　設(shè)計(jì)已于零七年十月在樂山師范學(xué)院EDA技術(shù)開發(fā)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上通過硬件測(cè)試，控制器各項(xiàng)功能工作正常，整機(jī)運(yùn)行良好，性能穩(wěn)定，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)指標(biāo)。

　　7 結(jié)束語

　　FPGA技術(shù)的引入，使得設(shè)計(jì)擺脫了硬件電路的束縛，設(shè)計(jì)者只需將更多的精力致力于軟件的設(shè)計(jì)和優(yōu)化上，從而極大地提高了設(shè)計(jì)效率。本設(shè)計(jì)從任務(wù)提出到最終完成硬件測(cè)試僅歷時(shí)兩個(gè)多月，這在一定程度上也證明了在空調(diào)控制器的設(shè)計(jì)中引入現(xiàn)代FPGA技術(shù)的可行性和巨大潛力。隨著FPGA技術(shù)及其制作工藝的不斷進(jìn)步，將現(xiàn)代FPGA技術(shù)融入該類控制器的研發(fā)和生產(chǎn)之中必將大有可為。    
 

      [參考文獻(xiàn)]

　　[1]http://xk.cn.yahoo.com/articles/070814/1/2a52_2.html. 雅虎數(shù)碼.

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　　[3] 潘松,黃繼業(yè).EDA技術(shù)與VHDL[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

　　[4] 周啟,冀兆良.家用空調(diào)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].山西建筑，2007，（3）：159-160.