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)計人性化的空調(diào)一經(jīng)上市,，就吸引了大批消費者的目光,，但其居高不下的價格卻也讓很多普通的消費者望而卻步。
       空調(diào)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(diào)的研發(fā)過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(shè)計成本，縮短研發(fā)周期,，規(guī)避前期風險投資已成為空調(diào)產(chǎn)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(diào)控制器的設(shè)計作為實例,，介紹一種設(shè)計簡便,，性能優(yōu)秀且能有效控制成本的FPGA解決方案。

　　2 設(shè)計指標

　　本設(shè)計的任務(wù)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(diào)控制器,。其基本設(shè)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(shè)溫度為22℃,，定時功能關(guān)，工作狀態(tài)指示燈亮,。

　　2.系統(tǒng)有四種工作模式：

　　標準模式：系統(tǒng)根據(jù)用戶自設(shè)溫度與室內(nèi)溫度進行對比判斷,，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

度閾值進行對比判斷,，驅(qū)動響應(yīng)設(shè)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(jù)人體睡眠特點和夜間溫度變化情況，自動進行溫度調(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(shè)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(diào)控制器的設(shè)計，多采用單片機來實現(xiàn),，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(nèi)數(shù)據(jù)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(yù)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(shè)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(diào)專用芯片，也多因技術(shù)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(shù),，是進行原型設(shè)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(tǒng)設(shè)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(xiàn)的功能，轉(zhuǎn)化為軟件編程來完成,，使升級改進更為靈活,。而且這種設(shè)計方法能在軟件階段就對設(shè)計做出準確的預(yù)測和評估，從而能極大地提高開發(fā)效率,，有效規(guī)避前期的風險投資?，F(xiàn)代先進的FPGA工藝技術(shù),，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(shù)的一個巨大優(yōu)勢，就是采用自頂向下的設(shè)計思想,，將設(shè)計模塊化處理,。為完成控制器各項功能，設(shè)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(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）,，風速選擇,，室溫設(shè)定，定時,，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)計實現(xiàn)

　　由系統(tǒng)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(shè)定,，定時三個模塊都要接受來自外部的按鍵輸入,，經(jīng)硬件實測,，設(shè)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(shè)計作為進行高效率高可靠邏輯控制的重要途徑[3],，設(shè)計中也多次運用了這一設(shè)計方法。以下分別闡釋各模塊及模塊間控制關(guān)系的設(shè)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(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(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

　　標準模式：該模塊將外部采集的室溫與用戶自設(shè)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(qū)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(nèi)預(yù)設(shè)溫度閾值（此處設(shè)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(yīng)狀態(tài)信號向驅(qū)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(shè)溫度模塊發(fā)出自增1℃的請求信號,，5小時后向設(shè)備驅(qū)動模塊發(fā)出關(guān)機請求。睡眠模式程序設(shè)計流程如圖3所示,。

　　圖3 睡眠模式設(shè)計流程圖

　　除濕模式：該模式下除濕請求自動向設(shè)備驅(qū)動模塊發(fā)出,。

　　5. 2 風速選擇

　　風速選擇模塊由設(shè)備驅(qū)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(xiàn),，通過按鍵從ST0到ST3進行循環(huán)切換,。當設(shè)備驅(qū)動模塊無設(shè)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(shè)備驅(qū)動恢復設(shè)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(zhuǎn)換控制關(guān)系如圖4所示,。

　　圖4 風速切換狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

　　5.3 定時

　　在該模塊中，通過按鍵預(yù)置關(guān)機時間（最長可設(shè)置270min）,，并將關(guān)機時間送出實時顯示,，在關(guān)機時會驅(qū)動系統(tǒng)狀態(tài)指示燈進行閃爍提示。為方便用戶輸入,，節(jié)約按鍵和顯示所用硬件資源,，程序采用了映射輸入和映射顯示的設(shè)計方法，即將用戶每次按鍵以一個特定步長值（此處設(shè)為30min）在程序中替換,，并將倒計時按步長區(qū)間進行反替換輸出顯示,。該部分程序設(shè)計流程如圖5所示。

　　 
圖5 定時模塊設(shè)計流程圖

　　5.4 室溫設(shè)定

　　室溫設(shè)定模塊,，由一對加減按鍵循環(huán)進行輸入,，同時也接收來自睡眠模塊的調(diào)溫請求，溫度可調(diào)區(qū)間設(shè)為[10℃-35℃],。在程序設(shè)計中,，利用VHDL不完整IF語句保持原值的特性，可很容易地實現(xiàn)自設(shè)溫度的增減功

能,。該模塊僅在系統(tǒng)工作于標準模式或睡眠模式時,，溫度可被設(shè)置，其余情況則將溫度復位到初始值22℃。

　　5.5 設(shè)備驅(qū)動

　　設(shè)備驅(qū)動模塊接收來自四種工作模式的室內(nèi)狀況信號,，經(jīng)分類處理后,，向后續(xù)設(shè)備發(fā)出響應(yīng)請求。該部分采用了一個具有四種工作狀態(tài)（采暖,、制冷,、除濕和無操作）的字符型有限狀態(tài)機來實現(xiàn)。另外,，為保護后續(xù)設(shè)備,，在狀態(tài)機的設(shè)計中引入了異常輸入的保護機制,即當設(shè)備驅(qū)動模塊判定為異常輸入時（如同時出現(xiàn)冷熱兩種室內(nèi)狀況），則立即將所有設(shè)備請求禁止,。設(shè)備驅(qū)動模塊的狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制關(guān)系如圖6所示,。

　　圖6 輸出驅(qū)動狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

　　6 設(shè)計驗證

　　設(shè)計采用了具有良好可移植特性的VHDL語言進行描述，通過Altera公司的MAX+PLUSII工具軟件,，以其FPGA/ACEX1K /EP1K30TC144-3芯片作為測試載體,，進行了編譯測試和硬件驗證。

　　6.1 仿真測試

　　控制器整體仿真測試結(jié)果如下：

　　圖7 控制器仿真波形1
 

圖8 控制器仿真波形2

　　圖7為控制器按鍵輸入的響應(yīng)情況,，如圖所示,，隨著按鍵的按下，各種輸出正常,。圖8為控制器工作于睡眠模式,，風速為4級，定時兩小時的波形圖,，從圖中可以清晰地看到,，在關(guān)機到來時，STATE信號進行了閃爍提示,，自設(shè)溫度值也隨著時間由21℃自增為23℃,。綜合以上分析可以看出，軟件仿真達到了預(yù)期的性能指標,。

　　6.2 資源使用狀況

　　FPGA具有精確的可測試性,，借助功能強大的分析軟件可以在軟件設(shè)計階段就對設(shè)計做出準確的預(yù)測和評估。由MAX+PLUSII軟件分析可知,，設(shè)計中關(guān)鍵路徑的最大延時不超過20個納秒，這是一般的設(shè)計方法所不能達到的,?？刂破鞯馁Y源使用情況如表1所示。

　　表1 控制器資源使用狀況

　　輸入引腳數(shù) 輸出引腳數(shù) 邏輯單元數(shù)

　　15                 32                230

　　6.3 硬件測試

　　設(shè)計已于零七年十月在樂山師范學院EDA技術(shù)開發(fā)實驗平臺上通過硬件測試,，控制器各項功能工作正常,，整機運行良好，性能穩(wěn)定,，達到預(yù)期設(shè)計指標,。

　　7 結(jié)束語

　　FPGA技術(shù)的引入,，使得設(shè)計擺脫了硬件電路的束縛，設(shè)計者只需將更多的精力致力于軟件的設(shè)計和優(yōu)化上,，從而極大地提高了設(shè)計效率,。本設(shè)計從任務(wù)提出到最終完成硬件測試僅歷時兩個多月，這在一定程度上也證明了在空調(diào)控制器的設(shè)計中引入現(xiàn)代FPGA技術(shù)的可行性和巨大潛力,。隨著FPGA技術(shù)及其制作工藝的不斷進步,，將現(xiàn)代FPGA技術(shù)融入該類控制器的研發(fā)和生產(chǎn)之中必將大有可為。    
 

      [參考文獻]

　　[1]http://xk.cn.yahoo.com/articles/070814/1/2a52_2.html. 雅虎數(shù)碼.

　　[2] 黃志偉.FPGA系統(tǒng)設(shè)計與實踐[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005.

　　[3] 潘松,黃繼業(yè).EDA技術(shù)與VHDL[M].北京:清華大學出版社,2005.

　　[4] 周啟,冀兆良.家用空調(diào)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].山西建筑,，2007,，（3）：159-160.