?
1. 引言
?
??? 隨著汽車工業(yè)和微電子技術(shù)的發(fā)展,，汽車空調(diào)的應(yīng)用越來越普及,，人們對(duì)汽車空調(diào)系統(tǒng)性能的要求也越來越高?，F(xiàn)代化的汽車空調(diào)就是能將汽車室內(nèi)空間的環(huán)境調(diào)整到對(duì)人體最適宜的狀態(tài),，創(chuàng)造良好的車內(nèi)環(huán)境,，以提高司機(jī)的工作效率和保護(hù)乘員的身體健康,。目前高檔轎車中用各種微處理器完成各種控制[1],，其數(shù)量多達(dá)數(shù)十個(gè),?？紤]到汽車電子技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì),，以后使用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA（Field Programmable Gate Array）等進(jìn)行功能整合亦是大勢(shì)所趨，所以本文選用Xilinx 公司的SpartanIII 型FPGA—X3S400 為系統(tǒng)主控芯片,，DALLAS 公司的1-Wire 數(shù)字化溫度傳感器DS18B20 為溫度測(cè)量元件,，以夏利轎車為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，對(duì)汽車空調(diào)溫控系統(tǒng)進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),。FPGA—X3S400 相當(dāng)于40 萬門,，當(dāng)然這是設(shè)計(jì)開發(fā)和功能驗(yàn)證用，實(shí)際的商業(yè)應(yīng)用可以選擇恰當(dāng)規(guī)模的芯片,。
?
2. 汽車空調(diào)系統(tǒng)的基本原理
??? 汽車空調(diào)的配氣形式很多,，目前最常用的是空氣混合式和全熱式兩種,。空氣混合式工作過程為：車外空氣+車內(nèi)空氣→進(jìn)入風(fēng)扇→混合空氣入蒸發(fā)器→由風(fēng)門調(diào)節(jié)一部分空氣進(jìn)入加熱器→進(jìn)入各通風(fēng)口,。這種配氣方式的優(yōu)點(diǎn)是能節(jié)省部分冷量,，缺點(diǎn)是冷暖風(fēng)不能均勻混合，處理的空氣參數(shù)精度較差,。全熱式配氣系統(tǒng)則剛好與其相反,。在空氣混合式風(fēng)道的基礎(chǔ)上進(jìn)行一些改動(dòng)可以達(dá)到多個(gè)溫區(qū)送風(fēng)的目的。多溫區(qū)風(fēng)道的設(shè)計(jì)提出了一種結(jié)合兩種配氣方式的優(yōu)點(diǎn)并實(shí)現(xiàn)多個(gè)溫區(qū)送風(fēng)的概念,。
3. 汽車空調(diào)溫度場(chǎng)的分布與測(cè)量
3.1. 車廂內(nèi)溫度舒適性參數(shù)
??? 影響汽車空調(diào)舒適性的各因素按重要程度來排序,，依次是溫度、濕度,、空氣流速,、噪聲、壓力,、氣味,、灰塵、細(xì)菌等,。本文著重討論車廂內(nèi)溫度對(duì)人體舒適性的影響,。
(1)車內(nèi)平均溫度
??? 夏季人體感到舒適的溫度是24～26℃，由舒適轉(zhuǎn)為不太舒適的分界線是28℃左右,。當(dāng)車外氣溫為35℃時(shí),，可把28～29℃作為我國(guó)普通車輛夏季車內(nèi)設(shè)計(jì)溫度的基礎(chǔ)。對(duì)于高級(jí)車輛,，車內(nèi)空調(diào)溫度可定在27℃左右,。當(dāng)冬季環(huán)境溫度為-15℃時(shí)，16～25℃是人體感到舒適的范圍,。車內(nèi)平均溫度推薦值為：夏季25～28℃,，冬季為15～18℃。
(2)車內(nèi)外溫差
??? 考慮車內(nèi)溫度時(shí),，對(duì)車內(nèi)外溫差也有一定限制,，夏季溫差一般宜為5～7℃，車外溫度過高時(shí),，宜保持在8～10℃,，可可增至10～12℃范圍內(nèi)。
(3)車內(nèi)溫度場(chǎng)分布
??? 鐵道部標(biāo)準(zhǔn)TB1951—87 給出了車廂內(nèi)各方向溫差的合理范圍,。它要求的車廂溫度場(chǎng)分布如下：夏季車內(nèi)同一水平面和同一鉛垂線的最大溫差均不應(yīng)超過3℃,，頭部溫度低于足部約2℃左右；冬季頭部低于足部溫度約4～6℃,；水平方向的氣溫不均勻度應(yīng)控制在1.5℃范圍內(nèi),。
?
3.2 溫度場(chǎng)測(cè)試方案設(shè)計(jì)
?
??? 溫度場(chǎng)的檢測(cè)方法有聲波法、光學(xué)干涉儀法,、分布式光纖測(cè)溫法等,。本文從實(shí)際條件和需要出發(fā)，選擇溫度傳感器分布式直接檢測(cè)法[3],。單總線技術(shù)（1-Wire Bus）是美國(guó)Dallas公司的專利技術(shù),，目前已經(jīng)形成一種規(guī)范，其最大的優(yōu)點(diǎn)是全部總線和供電線都依賴于一條單一的信號(hào)線,，而基于這種技術(shù)的數(shù)字芯片和產(chǎn)品已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用,，它在硬件上的簡(jiǎn)捷為各種應(yīng)用系統(tǒng)的小型化創(chuàng)造了極其有利的條件。DALLAS 提供的支持1-Wire 單線[4]的數(shù)字化溫度傳感器DS18B20,，其測(cè)量溫度范圍為 -55℃～125℃,，精度為0.5℃(本設(shè)計(jì)中能全程測(cè)溫，經(jīng)過插值運(yùn)算后的精度為0.1℃),。其特性完全滿足車內(nèi)環(huán)境的溫度檢測(cè),。
?
??? DS18B20 的電源供電方式有2 種：外部供電方式和寄生電源方式[5]。本試驗(yàn)中,，選擇外部供電方式,。DS18B20 的封裝為3 腳方式。其中DQ 為數(shù)字信號(hào)輸入/輸出端,，GND 為電源地,，VDD 為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時(shí)接地）。多個(gè)DS18B20 與控制器的連接如圖1 所示,。
3.3 DS18B20 的分布與安裝
??? 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12782-1991《汽車采暖性能試驗(yàn)方法》規(guī)定了關(guān)于汽車采暖性能的試驗(yàn)方法,。參考該標(biāo)準(zhǔn)，以夏利為試驗(yàn)車,，測(cè)溫點(diǎn)的選擇與安排如下：
?
??? 測(cè)點(diǎn)的布置將以座椅的R 點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn),，取R 點(diǎn)上方700mm 處為測(cè)溫平面。在測(cè)溫平面約1800mm×1200mm 的矩形邊界內(nèi)安放10 個(gè)數(shù)字溫度傳感器構(gòu)成了車廂頭部平面測(cè)溫網(wǎng),。同時(shí)在各乘員的腹部,、足部各布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)。足部的測(cè)溫點(diǎn)離地板50mm,，處于 R 點(diǎn)的前方800mm,；腹部的測(cè)溫點(diǎn)在R 點(diǎn)上方300mm，前方250mm 處,。
?
4. 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
4.1 主控芯片XC3S400
??? 控制電路以 Xilinx 公司的Spartan-III 系列XC3S400 型FPGA 芯片為核心,。Spartan-III 系列FPGA 結(jié)構(gòu)[6]包括5 個(gè)基本的可編程功能單元：可配置邏輯塊(CLB),，輸入/輸出模塊(IOB)，Block RAM 模塊,，乘法器模塊以及數(shù)字時(shí)鐘管理模塊(Digital Clock Manager,，DCM)。這些單元的組織方式如圖2 所示,。Spartan-III 系列有豐富的連線和開關(guān)網(wǎng)絡(luò),，用來連接5 個(gè)功能單元并在它們之間傳輸數(shù)據(jù)。在一片F(xiàn)PGA 上即可進(jìn)行軟硬件的協(xié)同
設(shè)計(jì),，為實(shí)現(xiàn)片上可編程系統(tǒng)(SOPC,，System On Programmable Chip)提供了強(qiáng)大的硬件支持。
?
?
??? 要完成系統(tǒng)設(shè)計(jì),，需要建立開發(fā)平臺(tái),，F(xiàn)PGA 的最小片上系統(tǒng)包括電源模塊，外部時(shí)鐘模塊,，復(fù)位電路和下載配置電路,。配置模塊為FPGA 提供存儲(chǔ)配置空間，存儲(chǔ)FPGA 中應(yīng)用的程序代碼和數(shù)據(jù),。FPGA 還可以通過電纜進(jìn)行編程而不需要外部存儲(chǔ)器件,。針對(duì)Xilinx的FPGA 和PROM 芯片的配置和編程有兩個(gè)目的：生成一個(gè)配置或編程的文件并將文件下載到器件。本系統(tǒng)中選擇主從模式對(duì)Spartan-3 系列FPGA 芯片XC3S400 進(jìn)行配置,。其引腳排列如圖3 所示,。
圖3 Spartan-III 系列XC3S400 芯片的引腳配置
4.2 硬件總體結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)
?
??? 汽車空調(diào)系統(tǒng)原理框圖如圖5 所示。此系統(tǒng)采用的控制策略是遞階復(fù)合PID—Fuzzy 控制,，它包括兩個(gè)控制環(huán)節(jié),，整車空調(diào)的集中控制和多溫區(qū)分布控制。系統(tǒng)主要包括以下五個(gè)部分：
?
??? （1）FPGA 及其配置電路,。FPGA 根據(jù)測(cè)量電路反映的狀態(tài)變化經(jīng)控制程序模塊確定的占空比輸出PWM 控制脈沖,，數(shù)據(jù)處理及控制部分均在FPGA 中實(shí)現(xiàn)。
?
??? （2）多溫區(qū)測(cè)控電路,。采用溫度傳感器分布式直接檢測(cè)法,，可對(duì)多個(gè)溫區(qū)內(nèi)的多個(gè)點(diǎn)的溫度進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)；選擇DALLAS 公司提供的支持1-Wire 總線的數(shù)字化溫度傳感器DS18B20 組建分布式測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)來檢測(cè)溫度場(chǎng),。
??? （3）整車空調(diào)控制電路,。包括汽車空調(diào)制冷或供熱量的調(diào)節(jié)和控制，作為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)空調(diào)制冷或供熱的調(diào)節(jié)對(duì)象選用直流電機(jī),，采用PWM 方法來調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,，從而達(dá)到控制目的。
?
??? （4）多溫區(qū)風(fēng)道控制電路,。這是系統(tǒng)的第二控制層,，根據(jù)不同溫區(qū)的控制要求,，向各出風(fēng)口配送不同風(fēng)量，并且控制各出風(fēng)口的開角,；該部分是機(jī)械結(jié)構(gòu),，在模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中用PWM 方法控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速予以模擬。
??? （5）人機(jī)接口電路,。配置鍵盤，LED 指示燈和數(shù)碼管等,。
5. 軟件總體方案設(shè)計(jì)
??? XC3S400 芯片所使用的開發(fā)軟件為ISE 系列產(chǎn)品,。ISE 是集成綜合環(huán)境的簡(jiǎn)稱，它是
Xilinx FPGA 的綜合性集成設(shè)計(jì)平臺(tái),，該平臺(tái)集成了從設(shè)計(jì)輸入,、仿真、邏輯綜合,、布局布
線與實(shí)現(xiàn),、時(shí)序分析、芯片下載與配置,、功率分析等幾乎所有設(shè)計(jì)流程所需工具,。軟件設(shè)計(jì)
流程如圖5 所示。
??? 本設(shè)計(jì)選用 ISE7.1i 版本進(jìn)行綜合,、布局,、布線，在 ISE 中調(diào)用Modelsim6.0 仿真工具進(jìn)行仿真[7],。軟件設(shè)計(jì)包括時(shí)鐘發(fā)生模塊,，分頻模塊，DS18B20 溫度采集模塊,，空調(diào)智能控制模塊,，多溫區(qū)風(fēng)道控制模塊，用戶接口模塊,，以及PWM 產(chǎn)生模塊等,。各軟件設(shè)計(jì)模塊總體關(guān)系框圖如圖6 所示。程序采用C 語言編寫,。
6. 結(jié)論
??? 該汽車空調(diào)智能溫控模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了40 萬門的Xilinx 公司Spartan-III 系列XC3S400 型FPGA 芯片為主控芯片,，采用1-Wire 技術(shù)設(shè)計(jì)了溫度場(chǎng)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)，使得系統(tǒng)硬件簡(jiǎn)捷,，可擴(kuò)展性能強(qiáng),；不僅滿足了人們對(duì)汽車空調(diào)系統(tǒng)性能的高要求；而且為汽車電子控制的功能整合做出了有益的探索,。在模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中搭建了基于Xilinx 的FPGA 芯片的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),，根據(jù)數(shù)字溫度傳感器DS18B20 采集的數(shù)據(jù),，產(chǎn)生PWM 的輸出控制信號(hào)，模擬整車空調(diào)的集中控制和多溫區(qū)分布控制,。系統(tǒng)的軟硬件均通過了測(cè)試,，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明對(duì)多溫區(qū)控制性能良好，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠,。
參考文獻(xiàn)
[1] 夏群生,，李建秋．汽車電子學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005．
[2] 趙超越．汽車自動(dòng)空調(diào)控制器的研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),，2004.
[3] 袁偉亭,，周潤(rùn)景．FPGA 與DS18B20 組成的測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].內(nèi)蒙古大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006,，
37(4)：459-463
[4] DS18B20 Programmable Resolution 1-wire Digital Thermometer [EB/OL].www.maxim－ic.com.
[5] DS18B20 Datasheet [EB/OL].Dallas: Dallas Semiconductor Corporation, 2005.
[6]薛小剛,葛毅敏．Xilinx ISE 9.X FPGA/CPLD 設(shè)計(jì)指南[M]．北京：人民郵電出版社,，2007．
[7]San Jose. X-BLOX Design Tool User Guide. Xilinx Inc, California, 1992:2．
?
?