基于FPGA的多功能空調控制器設計

1 引言

　　今年八月，以格力“睡夢寶”臥室空調為代表的一批性能卓越，設計人性化的空調一經上市，就吸引了大批消費者的目光，但其居高不下的價格卻也讓很多普通的消費者望而卻步。

　　空調市場的高價位，除了商家基于利潤的考慮之外，一個很重要的原因，就是在空調的研發(fā)過程中所投入的巨額經費。以格蘭仕為例，公司每年拿出的科研獎勵基金就高達1000萬元，其投入的研發(fā)經費之巨也就不難想象。如何降低設計成本，縮短研發(fā)周期，規(guī)避前期風險投資已成為空調產業(yè)發(fā)展所面臨的一個重要課題。

　　基于對上述問題的思索，本文以一個小型多功能家用空調控制器的設計作為實例，介紹一種設計簡便，性能優(yōu)秀且能有效控制成本的FPGA解決方案。

　　2 設計指標

　　本設計的任務是一個具有多種工作模式和多級風速可供選擇的小型家用空調控制器。其基本設計指標如下：

　　1.系統(tǒng)上電后，默認工作于標準模式，風速為1級，自設溫度為22℃，定時功能關，工作狀態(tài)指示燈亮。

　　2.系統(tǒng)有四種工作模式：

　　標準模式：系統(tǒng)根據用戶自設溫度與室內溫度進行對比判斷，驅動響應設備工作。

　　自動模式：系統(tǒng)根據室內溫度與系統(tǒng)內預設溫

　　度閾值進行對比判斷，驅動響應設備工作。

　　睡眠模式：除具有標準模式的功能外，在該模式下系統(tǒng)能根據人體睡眠特點和夜間溫度變化情況，自動進行溫度調節(jié)。

　　除濕模式：啟用該模式后，將驅動響應設備對室內進行除濕操作。

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

　　3 FPGA方案的引入

　　長期以來，對于這類家用空調控制器的設計，多采用單片機來實現，其特點是成本較低，性能一般。但普通單片機的集成度通常較低，如Intel公司的AT89S51僅128字節(jié)片內數據存儲器，32根可編程I/O口線，5個中斷源。顯然，要想完成較為復雜的運算和控制功能，就必須對其進行擴展，而外部硬件電路所帶來的延時等不可預知風險，使得擴展必須以犧牲整機性能作為代價。而且這種設計方法受制于硬件電路，開發(fā)難度較大。而一些商家研發(fā)的空調專用芯片，也多因技術上的壁壘，在通用性，升級和價格方面不具優(yōu)勢。

　　FPGA作為一種新興的可編程技術，是進行原型設計最理想的載體，其精確的可測試性和目前已達到的深亞微米級工藝，能較好的解決傳統(tǒng)設計方法中的諸多難題。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現的功能，轉化為軟件編程來完成，使升級改進更為靈活。而且這種設計方法能在軟件階段就對設計做出準確的預測和*估，從而能極大地提高開發(fā)效率，有效規(guī)避前期的風險投資?，F代先進的FPGA工藝技術，使得FPGA在功耗和價格方面都大為降低，以工作電壓為3.3V的EPCS1SI8芯片為例，其目前的市場價格僅在10元左右。

　　4 系統(tǒng)劃分

　　FPGA技術的一個巨大優(yōu)勢，就是采用自頂向下的設計思想，將設計模塊化處理。為完成控制器各項功能，設計被劃分為多個模塊進行。整個控制器的組成及各模塊之間控制關系如圖1所示。

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圖1 控制器結構圖

　　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），風速選擇，室溫設定，定時，設備驅動等模塊構成。且在各模塊之間，存在明確的控制關系。

　　5 設計實現

　　由系統(tǒng)劃分可知，控制器的各項功能由各模塊協同完成。其中模式選擇，室溫設定，定時三個模塊都要接受來自外部的按鍵輸入，經硬件實測，設計選用了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)機設計作為進行高效率高可靠邏輯控制的重要途徑[3]，設計中也多次運用了這一設計方法。以下分別闡釋各模塊及模塊間控制關系的設計思想和工作流程。

　　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，驅動各模式正常工作。該部分被設計為一個具有四種工作狀態(tài)的字符型有限狀態(tài)機，其狀態(tài)轉換控制關系如圖2所示。

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圖2 選擇控制狀態(tài)轉換圖

　　標準模式：該模塊將外部采集的室溫與用戶自設溫度值進行對比判斷，確定當前室溫狀況（冷、熱或適宜），并將該狀態(tài)信息送入驅動模塊處理。

　　自動模式：該模塊將外部采集的室溫與系統(tǒng)內預設溫度閾值（此處設定為[17℃-26℃]）進行對比判斷，若外部采集的溫度超出該閾值，則有相應狀態(tài)信號向驅動模塊發(fā)出。

　　睡眠模式：該模塊除具有標準模式的功能外，為了營造一個舒適的睡眠環(huán)境，系統(tǒng)每隔1小時，會向自設溫度模塊發(fā)出自增1℃的請求信號，5小時后向設備驅動模塊發(fā)出關機請求。睡眠模式程序設計流程如圖3所示。

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圖3 睡眠模式設計流程圖

　　除濕模式：該模式下除濕請求自動向設備驅動模塊發(fā)出。

　　5. 2 風速選擇

　　風速選擇模塊由設備驅動提供選通信號，該部分由一個具有五種工作狀態(tài)的字符型有限狀態(tài)機來實現，通過按鍵從ST0到ST3進行循環(huán)切換。當設備驅動模塊無設備請求輸出時，風速自動切換到ST4狀態(tài)，禁止風機工作；當設備驅動恢復設備請求后，風速將重新切換到原來的狀態(tài)。風速選擇模塊狀態(tài)轉換控制關系如圖4所示。

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圖4 風速切換狀態(tài)轉換圖