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[1]，其投入的研發經費之巨也就不難想象。如何降低設計成本，縮短研發周期，規避前期風險投資已成為空調產業發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，工作狀態指示燈亮。

　　2.系統有四種工作模式：

　　標準模式：系統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：系統根據室內溫度與系統內預設溫

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。

　　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，開發難度較大。而一些商家研發的空調專用芯片，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[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評估，從而能極大地提高開發效率，有效規避前期的風險投資。現代先進的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 系統劃分

　　FPGA技術的一個巨大優勢，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。

　　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的系統頻率來減少按鍵輸入過程中的抖動干擾。另外，有限狀態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的字符型有限狀態機，其狀態轉換控制關系如圖2所示。

　　圖2 選擇控制狀態轉換圖

　　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，則有相應狀態信號向驅動模塊發出。

　　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境，系統每隔1小時，會向自設溫度模塊發出自增1℃的請求信號，5小時后向設備驅動模塊發出關機請求。睡眠模式程序設計流程如圖3所示。

　　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的字符型有限狀態機來實現，通過按鍵從ST0到ST3進行循環切換。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，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。風速選擇模塊狀態轉換控制關系如圖4所示。

　　圖4 風速切換狀態轉換圖

　　5.3 定時

　　在該模塊中，通過按鍵預置關機時間（最長可設置270min），并將關機時間送出實時顯示，在關機時會驅動系統狀態指示燈進行閃爍提示。為方便用戶輸入，節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計方法，即將用戶每次按鍵以一個特定步長值（此處設為30min）在程序中替換，并將倒計時按步長區間進行反替換輸出顯示。該部分程序設計流程如圖5所示。

　　 
圖5 定時模塊設計流程圖

　　5.4 室溫設定

　　室溫設定模塊，由一對加減按鍵循環進行輸入，同時也接收來自睡眠模塊的調溫請求，溫度可調區間設為[10℃-35℃]。在程序設計中，利用VHDL不完整IF語句保持原值的特性，可很容易地實現自設溫度的增減功

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

　　5.5 設備驅動

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

　　圖6 輸出驅動狀態轉換圖

　　6 設計驗證

　　設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，在關機到來時，STATE信號進行了閃爍提示，自設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計階段就對設計做出準確的預測和評估。由MAX+PLUSII軟件分析可知，設計中關鍵路徑的最大延時不超過20個納秒，這是一般的設計方法所不能達到的。控制器的資源使用情況如表1所示。

　　表1 控制器資源使用狀況

　　輸入引腳數 輸出引腳數 邏輯單元數

　　15                 32                230

　　6.3 硬件測試

　　設計已于零七年十月在樂山師范學院EDA技術開發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，性能穩定，達到預期設計指標。

　　7 結束語

　　FPGA技術的引入，使得設計擺脫了硬件電路的束縛，設計者只需將更多的精力致力于軟件的設計和優化上，從而極大地提高了設計效率。本設計從任務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控制器的設計中引入現代FPGA技術的可行性和巨大潛力。隨著FPGA技術及其制作工藝的不斷進步，將現代FPGA技術融入該類控制器的研發和生產之中必將大有可為。    
 

      [參考文獻]

　　[1]http://xk.cn.yahoo.com/articles/070814/1/2a52_2.html. 雅虎數碼.

　　[2] 黃志偉.FPGA系統設計與實踐[M].北京:電子工業出版社,2005.

　　[3] 潘松,黃繼業.EDA技術與VHDL[M].北京:清華大學出版社,2005.

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