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1. 引言
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??? 隨著汽車工業(yè)和微電子技術的發(fā)展,，汽車空調的應用越來越普及,，人們對汽車空調系統(tǒng)性能的要求也越來越高。現(xiàn)代化的汽車空調就是能將汽車室內(nèi)空間的環(huán)境調整到對人體最適宜的狀態(tài),，創(chuàng)造良好的車內(nèi)環(huán)境，以提高司機的工作效率和保護乘員的身體健康,。目前高檔轎車中用各種微處理器完成各種控制[1],，其數(shù)量多達數(shù)十個?？紤]到汽車電子技術的發(fā)展趨勢,，以后使用現(xiàn)場可編程門陣列FPGA（Field Programmable Gate Array）等進行功能整合亦是大勢所趨，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 為溫度測量元件,，以夏利轎車為實驗對象，對汽車空調溫控系統(tǒng)進行了模擬實驗設計,。FPGA—X3S400 相當于40 萬門,，當然這是設計開發(fā)和功能驗證用，實際的商業(yè)應用可以選擇恰當規(guī)模的芯片,。
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2. 汽車空調系統(tǒng)的基本原理
??? 汽車空調的配氣形式很多,，目前最常用的是空氣混合式和全熱式兩種?？諝饣旌鲜焦ぷ鬟^程為：車外空氣+車內(nèi)空氣→進入風扇→混合空氣入蒸發(fā)器→由風門調節(jié)一部分空氣進入加熱器→進入各通風口,。這種配氣方式的優(yōu)點是能節(jié)省部分冷量,，缺點是冷暖風不能均勻混合，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,。在空氣混合式風道的基礎上進行一些改動可以達到多個溫區(qū)送風的目的。多溫區(qū)風道的設計提出了一種結合兩種配氣方式的優(yōu)點并實現(xiàn)多個溫區(qū)送風的概念,。
3. 汽車空調溫度場的分布與測量
3.1. 車廂內(nèi)溫度舒適性參數(shù)
??? 影響汽車空調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、細菌等,。本文著重討論車廂內(nèi)溫度對人體舒適性的影響,。
(1)車內(nèi)平均溫度
??? 夏季人體感到舒適的溫度是24～26℃，由舒適轉為不太舒適的分界線是28℃左右,。當車外氣溫為35℃時,，可把28～29℃作為我國普通車輛夏季車內(nèi)設計溫度的基礎。對于高級車輛,，車內(nèi)空調溫度可定在27℃左右,。當冬季環(huán)境溫度為-15℃時，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,，對車內(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,，宜保持在8～10℃,，可可增至10～12℃范圍內(nèi)。
(3)車內(nèi)溫度場分布
??? 鐵道部標準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控制在1.5℃范圍內(nèi),。
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3.2 溫度場測試方案設計
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??? 溫度場的檢測方法有聲波法、光學干涉儀法、分布式光纖測溫法等,。本文從實際條件和需要出發(fā),，選擇溫度傳感器分布式直接檢測法[3]。單總線技術（1-Wire Bus）是美國Dallas公司的專利技術,，目前已經(jīng)形成一種規(guī)范,，其最大的優(yōu)點是全部總線和供電線都依賴于一條單一的信號線，而基于這種技術的數(shù)字芯片和產(chǎn)品已經(jīng)得到了廣泛的應用,，它在硬件上的簡捷為各種應用系統(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，其測量溫度范圍為 -55℃～125℃,，精度為0.5℃(本設計中能全程測溫,，經(jīng)過插值運算后的精度為0.1℃)。其特性完全滿足車內(nèi)環(huán)境的溫度檢測,。
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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接地）。多個DS18B20 與控制器的連接如圖1 所示,。
3.3 DS18B20 的分布與安裝
??? 國家標準GB/T 12782-1991《汽車采暖性能試驗方法》規(guī)定了關于汽車采暖性能的試驗方法,。參考該標準，以夏利為試驗車,，測溫點的選擇與安排如下：
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??? 測點的布置將以座椅的R 點為基準點,，取R 點上方700mm 處為測溫平面。在測溫平面約1800mm×1200mm 的矩形邊界內(nèi)安放10 個數(shù)字溫度傳感器構成了車廂頭部平面測溫網(wǎng),。同時在各乘員的腹部,、足部各布置一個測點。足部的測溫點離地板50mm,，處于 R 點的前方800mm,；腹部的測溫點在R 點上方300mm，前方250mm 處,。
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4. 系統(tǒng)硬件電路設計
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 結構[6]包括5 個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網(wǎng)絡,，用來連接5 個功能單元并在它們之間傳輸數(shù)據(jù)。在一片F(xiàn)PGA 上即可進行軟硬件的協(xié)同
設計,，為實現(xiàn)片上可編程系統(tǒng)(SOPC,，System On Programmable Chip)提供了強大的硬件支持。
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??? 要完成系統(tǒng)設計,，需要建立開發(fā)平臺,，F(xiàn)PGA 的最小片上系統(tǒng)包括電源模塊，外部時鐘模塊,，復位電路和下載配置電路,。配置模塊為FPGA 提供存儲配置空間，存儲FPGA 中應用的程序代碼和數(shù)據(jù),。FPGA 還可以通過電纜進行編程而不需要外部存儲器件,。針對Xilinx的FPGA 和PROM 芯片的配置和編程有兩個目的：生成一個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Spartan-3 系列FPGA 芯片XC3S400 進行配置,。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 硬件總體結構方案的設計
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??? 汽車空調系統(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合PID—Fuzzy 控制,，它包括兩個控制環(huán)節(jié),，整車空調的集中控制和多溫區(qū)分布控制。系統(tǒng)主要包括以下五個部分：
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??? （1）FPGA 及其配置電路,。FPGA 根據(jù)測量電路反映的狀態(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 中實現(xiàn)。
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??? （2）多溫區(qū)測控電路,。采用溫度傳感器分布式直接檢測法,，可對多個溫區(qū)內(nèi)的多個點的溫度進行自動檢測；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 組建分布式測溫網(wǎng)絡來檢測溫度場,。
??? （3）整車空調控制電路,。包括汽車空調制冷或供熱量的調節(jié)和控制，作為實驗系統(tǒng)空調制冷或供熱的調節(jié)對象選用直流電機,，采用PWM 方法來調節(jié)驅動電機的轉速,，從而達到控制目的。
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??? （4）多溫區(qū)風道控制電路,。這是系統(tǒng)的第二控制層,，根據(jù)不同溫區(qū)的控制要求，向各出風口配送不同風量,，并且控制各出風口的開角,；該部分是機械結構,，在模擬實驗系統(tǒng)中用PWM 方法控制直流電機轉速予以模擬。
??? （5）人機接口電路,。配置鍵盤,，LED 指示燈和數(shù)碼管等。
5. 軟件總體方案設計
??? 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)境的簡稱,，它是
Xilinx FPGA 的綜合性集成設計平臺，該平臺集成了從設計輸入,、仿真,、邏輯綜合、布局布
線與實現(xiàn),、時序分析,、芯片下載與配置、功率分析等幾乎所有設計流程所需工具,。軟件設計
流程如圖5 所示,。
??? 本設計選用 ISE7.1i 版本進行綜合、布局,、布線,，在 ISE 中調用Modelsim6.0 仿真工具進行仿真[7]。軟件設計包括時鐘發(fā)生模塊,，分頻模塊,，DS18B20 溫度采集模塊，空調智能控制模塊,，多溫區(qū)風道控制模塊,，用戶接口模塊，以及PWM 產(chǎn)生模塊等,。各軟件設計模塊總體關系框圖如圖6 所示。程序采用C 語言編寫,。
6. 結論
??? 該汽車空調智能溫控模擬實驗系統(tǒng)設計中采用了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 技術設計了溫度場檢測網(wǎng)絡，使得系統(tǒng)硬件簡捷,，可擴展性能強,；不僅滿足了人們對汽車空調系統(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,。在模擬實驗系統(tǒng)中搭建了基于Xilinx 的FPGA 芯片的實驗平臺,，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,，模擬整車空調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試,，仿真實驗結果表明對多溫區(qū)控制性能良好，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠,。
參考文獻
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[2] 趙超越．汽車自動空調控制器的研究[D].哈爾濱工業(yè)大學,，2004.
[3] 袁偉亭,，周潤景．FPGA 與DS18B20 組成的測溫系統(tǒng)的設計[J].內(nèi)蒙古大學學報：自然科學版，2006,，
37(4)：459-463
[4] DS18B20 Programmable Resolution 1-wire Digital Thermometer [EB/OL].www.maxim－ic.com.
[5] DS18B20 Datasheet [EB/OL].Dallas: Dallas Semiconductor Corporation, 2005.
[6]薛小剛,葛毅敏．Xilinx ISE 9.X FPGA/CPLD 設計指南[M]．北京：人民郵電出版社,，2007．
[7]San Jose. X-BLOX Design Tool User Guide. Xilinx Inc, California, 1992:2．
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