如何利用FPGA實現優(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(tǒng)。我們可以采用多種方法來改善系統(tǒng)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. 保持良好的電源質量；

5. 采用可調式速度驅動或雙速電機；

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(tǒng)成本和功耗大大降低。采用FPGA除了可以節(jié)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)。此時方波的時間周期是恒定的，而接通時間(TON)即信號保持高電平的時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(tǒng)的支持，PWM已經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間改變的例子。

應用實例包括電壓調整，即通過改變占空比將輸出電壓控制到所要求的電平。另一個例子是功率發(fā)送，這時的平均發(fā)送功率是調制占空比的函數。 PWM的實現取決于具體的使用方法，對于簡單的電壓調整，可以使用CPLD(例如Altera MAX II)實現，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)實現。

圖2是PWM的基本方框圖，而圖3則是一個驅動模擬電機接口電路的調制輸出。UP和DOWN輸入信號被用來調整輸出信號的占空比，它們可以由微控制器產生。第一個模塊利用所有MAX II器件中都有的UFM振蕩器來產生兩個頻率不同的時鐘。來自該模塊的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。第二個4位輸出信號COUNT以第一個模塊中產生的較高時鐘頻率連續(xù)增加。該信號與第二個模塊中相同頻率的DUTY_CYCLE信號進行比較。比較的結果是分配到最終輸出信號PWM的單個位。信號DUTY_CYCLE是一個4位的變量，因此輸出信號的占空比具有16個不同的取值。在本設計實現中，輸入UP的優(yōu)先級要高于DOWN。因此，如果兩個信號同時為高電平，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(tǒng)提供了關鍵要素?；贔PGA的DSP芯片使得大型家電制造商能夠降低研發(fā)時間和成本，并且在未來升級時不需要重新布板。FPGA所提供的可重配置解決方案可用來實現DSP應用以及滿足高DSP吞吐率的需求。由于 FPGA可以實現硬件重配置，因而能實現完整的硬件定制并實現復雜的電機控制DSP功能。因此，由FPGA實現的DSP系統(tǒng)可以具有定制的架構、定制的總線結構、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重要?？梢允褂脗鞲衅鱽頇z測磁轉子的位置，并以此調節(jié)電壓的頻率。該方法類似于伺服控制鎖相環(huán)(PLL)系統(tǒng)，只不過這里采用DSP來實現這一任務。

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監(jiān)控電機和整個系統(tǒng)的運行狀況。使用FPGA中DSP功能的先進控制算法設計將能夠實現比特殊應用標準產品(ASSP)或特殊應用集成電路(ASIC)更靈活的系統(tǒng)。由于FPGA可以編程，因此可以根據市場需求的變化修改或加入新功能。如果加入一個以太網 IP核，FPGA還能夠通過IP網絡與外界進行通訊，從而允許系統(tǒng)安排好系統(tǒng)發(fā)生故障之前的維護和服務工作，并實現用戶家庭網絡的無線通信。

微控制器

新一代家電設備將通過微控制器實現用戶接口和其他的功能控制。具有嵌入式微控制器的FPGA提供了一個集成的解決方案，無需另外再配外部專用處理器。嵌入式處理器設計師面臨的主要挑戰(zhàn)是如何選擇處理器，使之最適合具體的應用但又不過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，以滿足每一個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輸入進行嵌入式處理器系統(tǒng)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簡單文本或視頻質量的顯示器面板，因而在系統(tǒng)中可以很容易設計出用于顯示器的視頻處理器和定時控制器。一片Cyclone III FPGA可以被設計和配置成為一個驅動典型液晶顯示器(LCD)接口的圖像增強引擎。而預先經過優(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，都可以處理來自任何源設備的視頻輸入，并輸出到象具有網絡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現節(jié)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化設備的用戶接口設計。利用這些器件還可以使新一代的家電設備能夠與用戶的家庭網絡進行無線通信。