基于FPGA實(shí)現優(yōu)異的家用電器設計

基于FPGA實(shí)現優(yōu)異的家用電器設計

電能的高效率應用能夠使家用電器成本降低并保護環(huán)境。絕大多數的家用電器，如電冰箱、洗衣機、烘干機、洗碗機以及空調，都是由電機驅動(dòng)的。這些設備通常包括了電源、電機、電機控制電路和機械系統。我們可以采用多種方法來(lái)改善系統效率。包括：

1. 維持電壓恒定；

2. 盡量減少相位不平衡；

3. 維持功率因數恒定；

4. 保持良好的電源質(zhì)量；

5. 采用可調式速度驅動(dòng)或雙速電機；

6. 控制好溫度；

7. 匹配電機運行速度。

利用數字電路或FPGA控制模擬電機電路將使系統成本和功耗大大降低。采用FPGA除了可以節能之外，還能夠將嵌入式數字信號處理(DSP)、微控制器、I/O接口等功能整合到一起，從而實(shí)現完整的家電設計。

脈沖寬度調制

用數字方式控制模擬電機電路的一種典型方法是采用脈沖寬度調制(PWM)。此時(shí)方波的時(shí)間周期是恒定的，而接通時(shí)間(TON)即信號保持高電平的時(shí)間可以被改變或調制。因此，信號的占空比或平均直流電平是變化的。借助于數字系統的支持，PWM已經(jīng)成為控制模擬電路的一種極好方式。圖1就是數字脈沖的接通時(shí)間改變的例子。

應用實(shí)例包括電壓調整，即通過(guò)改變占空比將輸出電壓控制到所要求的電平。另一個(gè)例子是功率發(fā)送，這時(shí)的平均發(fā)送功率是調制占空比的函數。 PWM的實(shí)現取決于具體的使用方法，對于簡(jiǎn)單的電壓調整，可以使用CPLD(例如Altera MAX II)實(shí)現，而對于需要利用內部DSP模塊的復雜控制算法，可以使用低成本的FPGA(例如Altera Cyclone III)實(shí)現。

圖2是PWM的基本方框圖，而圖3則是一個(gè)驅動(dòng)模擬電機接口電路的調制輸出。UP和DOWN輸入信號被用來(lái)調整輸出信號的占空比，它們可以由微控制器產(chǎn)生。第一個(gè)模塊利用所有MAX II器件中都有的UFM振蕩器來(lái)產(chǎn)生兩個(gè)頻率不同的時(shí)鐘。來(lái)自該模塊的4位輸出信號DUTY_CYCLE的增加或降低取決于UP或DOWN信號的證實(shí)。第二個(gè)4位輸出信號COUNT以第一個(gè)模塊中產(chǎn)生的較高時(shí)鐘頻率連續增加。該信號與第二個(gè)模塊中相同頻率的DUTY_CYCLE信號進(jìn)行比較。比較的結果是分配到最終輸出信號PWM的單個(gè)位。信號DUTY_CYCLE是一個(gè)4位的變量，因此輸出信號的占空比具有16個(gè)不同的取值。在本設計實(shí)現中，輸入UP的優(yōu)先級要高于DOWN。因此，如果兩個(gè)信號同時(shí)為高電平，輸出信號將被視作占空比的增加。

圖1：PWM波形示例。

圖2：PWM基本框圖

圖3：電機模擬驅動(dòng)電路。

DSP電機控制

Cyclone III FPGAs中的嵌入式DSP功能塊(如圖4所示)為設計更復雜和效率更高的電機控制系統提供了關(guān)鍵要素?；贔PGA的DSP芯片使得大型家電制造商能夠降低研發(fā)時(shí)間和成本，并且在未來(lái)升級時(shí)不需要重新布板。FPGA所提供的可重配置解決方案可用來(lái)實(shí)現DSP應用以及滿(mǎn)足高DSP吞吐率的需求。由于 FPGA可以實(shí)現硬件重配置，因而能實(shí)現完整的硬件定制并實(shí)現復雜的電機控制DSP功能。因此，由FPGA實(shí)現的DSP系統可以具有定制的架構、定制的總線(xiàn)結構、定制的存儲器、定制的硬件加速器模塊和各種大量的乘法-累加(MAC)塊。

圖4：FPGA中的嵌入式DSP塊。

為了使交流電機的運行效率更高，內部永久磁鐵的位置與施加的交流電壓頻率同步至關(guān)重要?？梢允褂脗鞲衅鱽?lái)檢測磁轉子的位置，并以此調節電壓的頻率。該方法類(lèi)似于伺服控制鎖相環(huán)(PLL)系統，只不過(guò)這里采用DSP來(lái)實(shí)現這一任務(wù)。

圖5：典型的應用方框圖。

新一代的家電將需要更復雜的電路來(lái)監控電機和整個(gè)系統的運行狀況。使用FPGA中DSP功能的先進(jìn)控制算法設計將能夠實(shí)現比特殊應用標準產(chǎn)品(ASSP)或特殊應用集成電路(ASIC)更靈活的系統。由于FPGA可以編程，因此可以根據市場(chǎng)需求的變化修改或加入新功能。如果加入一個(gè)以太網(wǎng) IP核，FPGA還能夠通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò )與外界進(jìn)行通訊，從而允許系統安排好系統發(fā)生故障之前的維護和服務(wù)工作，并實(shí)現用戶(hù)家庭網(wǎng)絡(luò )的無(wú)線(xiàn)通信。

微控制器

新一代家電設備將通過(guò)微控制器實(shí)現用戶(hù)接口和其他的功能控制。具有嵌入式微控制器的FPGA提供了一個(gè)集成的解決方案，無(wú)需另外再配外部專(zhuān)用處理器。嵌入式處理器設計師面臨的主要挑戰是如何選擇處理器，使之最適合具體的應用但又不過(guò)分地浪費或犧牲功能。像Altera的Nios? II軟件處理器就允許設計師創(chuàng )建理想的硬件(CPU，外設以及定制硬件加速器)、軟件(存儲器接口)和成本的綜合環(huán)境，以滿(mǎn)足每一個(gè)新的家電設計階段的獨特需求。

此外，Altera公司的 Nios II C-to-Hardware Acceleration (C2H) Compiler可以幫助那些對FPGA比較陌生的工程師利用ANSI C代替原理圖或RTL輸入進(jìn)行嵌入式處理器系統設計。

LCD面板接口

FPGA中內置的LVDS I/O接口允許直接耦合并驅動(dòng)簡(jiǎn)單文本或視頻質(zhì)量的顯示器面板，因而在系統中可以很容易設計出用于顯示器的視頻處理器和定時(shí)控制器。一片Cyclone III FPGA可以被設計和配置成為一個(gè)驅動(dòng)典型液晶顯示器(LCD)接口的圖像增強引擎。而預先經(jīng)過(guò)優(yōu)化的IP MegaCore?功能，例如去交織、量化、濾波以及色彩空間轉換器，都可以處理來(lái)自任何源設備的視頻輸入，并輸出到象具有網(wǎng)絡(luò )功能的電冰箱上的視頻顯示器這樣的LCD面板上。

本文小結

低成本的FPGA或CPLD可以幫助家電設計師利用靈活的、集成有DSP算法的單片集成解決方案實(shí)現節能的電機控制。此外，這些具有內置軟處理器的可編程器件還有助于簡(jiǎn)化設備的用戶(hù)接口設計。利用這些器件還可以使新一代的家電設備能夠與用戶(hù)的家庭網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信。