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1. 引言
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??? 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。現(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)。考慮到汽車電子技術(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。
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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)。
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3.2 溫度場(chǎng)測(cè)試方案設(shè)計(jì)
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??? 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)。
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??? 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：
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??? 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。
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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。
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??? 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)
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??? 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：
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??? （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)。
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??? （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。
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??? （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)
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[4] DS18B20 Programmable Resolution 1-wire Digital Thermometer [EB/OL].www.maxim－ic.com.
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