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，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)行對比判斷，驅(qū)動響應(yīng)設(shè)備工作。

　　自動模式：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)行對比判斷，驅(qū)動響應(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，自動進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。

　　除濕模式：啟用該模式后，將驅(qū)動響應(yīng)設(shè)備對室內(nèi)進(jìn)行除濕操作。

　　3.此外系統(tǒng)還提供四級風(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，升級和價(jià)格方面不具優(yōu)勢。

　　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]，其精確的可測試性和目前已達(dá)到的深亞微米級工藝，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設(shè)計(jì)做出準(zhǔn)確的預(yù)測和評估，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，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，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，通過按鍵從NORMAL開始循環(huán)切換，驅(qū)動各模式正常工作。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