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(mèng)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(jīng)上市，就吸引了大批消費者的目光，但其居高不下的價(jià)格卻也讓很多普通的消費者望而卻步。
空調市場(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，就是在空調的研發(fā)過(guò)程中所投入的巨額經(jīng)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(wàn)元[1]，其投入的研發(fā)經(jīng)費之巨也就不難想象。如何降低設計成本，縮短研發(fā)周期，規避前期風(fēng)險投資已成為空調產(chǎn)業(yè)發(fā)展所面臨的一個(gè)重要課題。

　　基于對上述問(wèn)題的思索，本文以一個(gè)小型多功能家用空調控制器的設計作為實(shí)例，介紹一種設計簡(jiǎn)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(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控制器。其基本設計指標如下：

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

　　2.系統有四種工作模式：

　　標準模式：系統根據用戶(hù)自設溫度與室內溫度進(jìn)行對比判斷，驅動(dòng)響應設備工作。

　　自動(dòng)模式：系統根據室內溫度與系統內預設溫

度閾值進(jìn)行對比判斷，驅動(dòng)響應設備工作。

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

　　除濕模式：?jiǎn)⒂迷撃Ｊ胶?，將驅?dòng)響應設備對室內進(jìn)行除濕操作。

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

　　3 FPGA方案的引入

　　長(cháng)期以來(lái)，對于這類(lèi)家用空調控制器的設計，多采用單片機來(lái)實(shí)現，其特點(diǎn)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字節片內數據存儲器，32根可編程I/O口線(xiàn)，5個(gè)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(jìn)行擴展，而外部硬件電路所帶來(lái)的延時(shí)等不可預知風(fēng)險，使得擴展必須以犧牲整機性能作為代價(jià)。而且這種設計方法受制于硬件電路，開(kāi)發(fā)難度較大。而一些商家研發(fā)的空調專(zhuān)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)行原型設計最理想的載體[2]，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(shí)現的功能，轉化為軟件編程來(lái)完成，使升級改進(jìn)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評估，從而能極大地提高開(kāi)發(fā)效率，有效規避前期的風(fēng)險投資?，F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(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(fēng)速選擇，室溫設定，定時(shí)，設備驅動(dòng)等模塊構成。且在各模塊之間，存在明確的控制關(guān)系。

　　5 設計實(shí)現

　　由系統劃分可知，控制器的各項功能由各模塊協(xié)同完成。其中模式選擇，室溫設定，定時(shí)三個(gè)模塊都要接受來(lái)自外部的按鍵輸入，經(jīng)硬件實(shí)測，設計選用了4HZ的系統頻率來(lái)減少按鍵輸入過(guò)程中的抖動(dòng)干擾。另外，有限狀態(tài)機設計作為進(jìn)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(guān)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(guò)按鍵從NORMAL開(kāi)始循環(huán)切換，驅動(dòng)各模式正常工作。該部分被設計為一個(gè)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(guān)系如圖2所示。

　　圖2 選擇控制狀態(tài)轉換圖