利用FPGA设计家用电器

引言

电能源的有效使用不但降低了家电的成本，而且保护了环境。大部分家电，例如冰箱、洗衣机、甩干机、洗碗机以及空调等，都是由电机系统驱动的。这类系统包括电源、电机、电机控制电路以及机械系统。有很多方法可以提高系统的效率：

维持电压电平；

降低相位不平衡；

维持功率因子；

维持良好的电源质量；

使用可调速率驱动器或者两速电机；

控制温度；

监控电机工作速度。

利用数字电路或者FPGA来控制模拟电机电路能够大大降低系统成本和功耗。FPGA不但节省能源，而且还具有嵌入式数字信号处理(DSP)模块、微控制器和I/O接口等功能，完全可以实现家电设计。

脉冲宽度调制

实现数控模拟电机电路最常用的方法是采用脉冲宽度调制(PWM)。在PWM中，方波的时间周期为常数，而信号高电平的时间TON受到调制发生变化，因此可以调整信号的占空比和平均直流值。在数字系统的帮助下，PWM是控制模拟电路最有效的方法。图1的例子显示了数字脉冲的“接通”时间。

其实际应用包括电压稳压，通过调整占空比、控制输出电压达到需要的电平。另一个例子是能量传送，传送的平均能量是调制占空比的函数。根据不同的应用方式，可以在简单电压稳压应用中采用Altera MAX II CPLD来实现PWM，也可以利用Cyclone III FPGA内部DSP模块，通过复杂控制算法实现PWM。

UP和DOWN输入信号用于调整输出信号的占空比，由微控制器产生该信号。第一个模块利用所有MAX II器件中都有的内部UFM振荡器来产生不同频率的两路时钟。这一模块的4位输出信号DUTY_CYCLE，根据UP或者DOWN是否被置位而递增或者递减。第二路4位输出信号COUNT在第一模块产生的高频时钟驱动下，连续递增。该信号在第二模块中与同频的DUTY_CYCLE进行对比，对比结果是单比特输出，被分配给最终输出信 号PWM。4位可变信号DUTY_CYCLE支持输出信号占空比有16种不同的变化。在这 一设计实现中，输入UP的优先级要高于DOWN。因此，如果二者同时是高电平，输出信号的占空比增大。

Cyclone III FPGA中的嵌入式DSP模块是设计复杂节能电机控制系统的关键单元。白色家电生产商利用基于FPGA的DSP IC，不但缩短了开发时间，降低了开发成本，而且其设计不会过时，不需要重新设计电路板。FPGA为DSP应用以及必要的大吞吐量DSP提供了可配置解决方案，由于在 硬件中可以重新配置FPGA，在实现复杂电机控制DSP功能时，可以利用FPGA的全硬件定制特性。因此，在FPGA中实现的DSP系统具有定制体系结构、定制总线结构、定制存储器、定制硬件加速模块以及数量可变的乘法累加(MAC)模块。

要提高交流电机的运行效率，内部永久磁铁的位置应该和交流电压频率相一致。采用传感器来探测磁铁转子的位置，来相应地调整电压频率。这一方法和伺服控制锁相环(PLL)系统相似，但是利用DSP来完成任务。

新一代家电需要采用更复杂的电路来监视电机以及家电的整体健康状态。利用Cyclone III FPGA DSP实现的高级控制算法设计要比ASSP和ASIC实现的系统更加灵活。FPGA具有可编程特性，可以随着市场需求的变化，加入或者修改新功能。加入以太网知识产权(IP)内核，FPGA通过互联网协议网络进行通信，在系统停机之前，按计划进行维护，还可以在用户的家庭网络中实现无线通信设计。

微控制器

新一代家电的用户接口和其他功能控制将采用微控制器。带有嵌入式微控制器的FPGA提供了集成解决方案，并不需要其他的外部专用处理器。嵌入式处理器设计人员面临的一个主要挑战是如何选择一款最合适的处理器，它既不会浪费性能，也不会牺牲特性。设计人员利用Altera的Nios II软核处理器，可以实现最切合需求的硬件(CPU、外设、定制硬件加速器)和软件(存储器接口)，在成本上也能够满足每一新家电设计的不同要求。

此外，对于刚开始FPGA设计的工程师，利用Altera的Nios II C语言至硬件加速(C2H)编译器，使用ANSI C语言而不是原理图或者RLT输入来设计嵌入式处理器系统。

LCD显示屏接口

F PGA的内置LVDS I/O接口支持直接耦合，可驱动简单文本或者视频质量的显示屏，因此，系统中的显示器可以很容易采用视频处理器和时序控制器。Cyclone III FPGA可以设计配置为图像增强引擎，驱动典型的液晶显示(LCD)接口。经过优化的IP MegaCore功能，例如去隔行、缩放器、滤波器和色彩空间转换器的视频图像处理(VIP)包，能够处理来自任何源的视频输入，并输出至LCD显示屏，如支持网络功能的电冰箱视频显示屏等。

总结

低成本FPGA和CPLD利用支持DSP算法的集成单芯片解决方案，帮助家电设计人员灵活地实现节能电机控制。此外，Cyclone III器件的内部Nios II软核处理器推动了家电用户接口的实现。Altera器件支持家电和用户家庭网络之间的无线通信，LVDS I/O等其他内置功能还能够驱动LCD显示屏。