（微电子学与固体电子学专业论文）基于niosⅡ嵌入式处理器的热泵控制系统的设计与实现.pdf

论文题目：基于n i o si i 嵌入式处理器的热泵控制系统的设计与实现 专业：微电子学与固体电子学 硕( 博) 士生：硕士生 指导教师：陈弟虎教授 摘要 热泵技术就是一种以消耗少量电能或燃料能为代价，将大量无用的低温热能 变为有用的高温热能的技术，可以达到节约能源的目的。研究和开发热泵技术对 人类的发展具有十分重要的意义。 本论文的工作就是构建基于n i o s1 1 嵌入式系统的智能热泵控制系统，并利 用电子工控技术来实现对空气源热泵空调系统的联网和自动化控制。该系统具有 高效率、节能环保的优点，特别适用于酒店、学校、医院、办公楼等既需要空调 又需要大量热水的场所。 本文的主要工作为：1 ) 通过对n i o si i 嵌入式处理器的研究和实践，完成了 基于f p g a 系统的软、硬件设计，实现和测试，利用相关的开发工具中对各个模 块进行了软件和硬件的验证。2 ) 结合热泵系统的控制逻辑，并根据实际的设备 结构与安装环境，设计了相关的热泵控制器以及水箱控制器，实现了热泵以及空 调功能的结合。3 ) 引入r s 4 8 5 通信和模拟串口通信。4 ) 通过较长时间的基本 功能测试、空载测试和负载测试，成功验证了系统的整体功能与性能，为不久将 来的商用产品化作准备。 关键词：热泵，嵌入式处理器，n i o si i t i t l e ：t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fh e a tp u m pc o n t r o ls y s t e m b a s e do nn i o si ie m b e d d e dp r o c e s s o r m a j o r ：m i c r oe l e c t r o n i c s n a m e ：x i a o f e n gl i a n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rd i h uc h e n a b s t r a c t h e a tp u m pi sat e c h n o l o g yt h a tc o n v e r t sh e a te n e r g yo fl o w e rt e m p e r a t u r et ot h a to f h i g h e rt e m p e r a t u r e ，c o n s u m i n ga s m a l la m o u n to f e l e c t r i c i t yo rf u e l t h eu s a g eo f h e a t p u m pc a n s a v ee n e r g y t h a t sw h yi ti ss a i dt h a tr e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n gh e a t p u m pt e c h n o l o g yi sv e r ys i g n i f i c a n tt ot h eh u m a ns o c i e t y t l 赡m a i no b j e c t i v eo ft h i sp a p e ri st od e s i g nai n t e l l i g e n c eh e a tp u m pc o m r o ls y s t e m b a s e do nt h ee m b e d d e dn i o si ie m b e d d e ds y s t e m , t oa c h i e v ec o m m u n i c a t i o na n d a u t o m a t i cc o n t r o lb yu s i n ge l e c t r i ci n d u s t r yc o n t r o lt e c h n o l o g y t h es y s t e mi s o u t s t a n d i n gf o rh i g he f f i c i e n c ya n dl o we n e r g yc o n s u m p t i o n , w h i c hi ss u i t a b l ef o r h o t e l s , s c h o o l sh o s p i t a l s , o f f i c e sa n ds ot h a ti si nn e e do f a i r - c o n d i t i o i 髓a sw e l la s g r e a ta m o u n to fh o tw a t e r t h em a i na u d yp r o d u c t i o no ft h ep a p e ri s ：1 ) c o m p l e t e ds o r w a r ed e s i g n , h a r d w a r e d e s i g na n dt e s t i n gb a s e do nf p g a 2 ) a c c o r d i n gt ot h ec o n t r o lr e q u i r e m e n ta n da c t u a l e q u i p m e n ta n de n v i r o n n l e n t ，a c c o m p l i s ht h ef u n c t i o no fh e a tp u m pa n d a i r c o n d i t i o n e rb yd e s i g n i n gt h eh e a tp u m pc o n t r o l l e ra n dw a t e rt a n kc o n t r o l l e r 3 ) c o n n e c ta l lt h ec o n t r o l l e r si nt h es y s t e mb yu s i n gr s 一4 8 5a n ds t i m u l a n ts e r i a l c o m m u n i c a t i o n 4 ) t e s tt h ef u n c t i o no f t h ew h o l es y s t e mb yl o n gt e r mt e s t i n go n b a s i cf u n c t i o n , n o n - l o a d e da n df i e l dt e s t i n gf o rc o m m e r c i a lp r o d u c t i o ni nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：h e a tp u m p ，e m b e d d e dp r o c e s s o r ，n i o si i n 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：獬 日期：年占月9 - 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利日的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编入 有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：霭灞畸 日期：硼年6 月日 j 导师签名： 澎j 日期叫年6 月弓日 知识产权保护声明 本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导师指导下 完成的成果，该成果属于中山大学物理科学与工程技术学院，受国家 知识产权法保护。在学期间与毕业后以任何形式公开发表论文或申请 专利，均须由导师作为通讯联系人，未经导师的书面许可，本人不得 以任何方式，以任何其它单位做全部和局部署名公布学位论文成果。 本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：獬 e t 期：卅年6 月9 - 日 1 1 本文的选题背景 第一章绪论 能源是发展工业、农业、国防、科学技术和提高人民生活的重要物质基础。 随着现代社会的高速发展，人类对能源的需求和消耗随之急剧上升。如果不做出 重大努力去节约利用能源和开发各种新能源，那么人类在不久的未来将面临能源 短缺的严重问题。同时能源使用带来的环境污染问题也影响着整个人类社会。节 约利用现有能源和开拓探索新能源已迫在眉睫，节能环保的热泵技术就是在这个 背景下应运而生。 热泵技术就是一种以消耗少量电能或燃料能为代价，将大量无用的低温热能 变为有用的高温热能的技术【l l 。热泵可以利用大气及土壤中的太阳潜能以及地下 水、地表水的地位热能和工业污水废热等替代商品能源，通过热泵，可以把各种 低温热能提取后向生活和生产过程提供有用的热能，可以达到节约能源的目的。 研究和开发热泵技术对人类社会的发展具有十分重要的意义。 我国的热泵事业起步较晚，前期热泵在我国的应用与发展进度较缓慢。近年 来热泵空调在我国的应用日益广泛，发展速度很快，已在理论研究、实验研究、 产品开发、过程应用诸方面取得可喜成果。但目前国内市场中，占优势地位的仍 属国外的知名品牌，如卡乐、江森等，国产产品在性能方面仍不如国外产品，存 在节能效率低，功能单一，扩展性差等缺点。因此国内很多厂家只能代理国外的 产品，受到销售指标、代理费等诸多限制。发展民族产业，生产出国产的高性能、 能与国外品牌竞争的热泵控制器，能体现热泵节能功能，控制方式灵活多样，而 且能方便的进行功能扩展、产品升级，就显得十分重要。 1 2 基于f p g a 的s o p c 技术概况与发展趋势 s o p c ( s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p ) 即可编程片上系统，是a l t e r a 公司 提出来的一种灵活、高效的基于f p g a 的s o c 解决方案，与a s i c 的s o c 解决 方案相比，s o p c 系统及其开发技术具有更多的特色【2 1 。s o p c 是指在f p g a 等 可编程逻辑器件内，通过裁剪和集成处理器、总线、存储器、外设、专用算法逻 辑等功能部件，构造出一个面向应用的完整系统。 目前，国内外许多研究机构开展了s o p c 技术的研究和应用，s o p c 设计正 朝着更高集成度、更佳系统性能的方向发展。f p g a 在数据并行处理上较之微处 理器有更多的优势，在f p g a 片内资源中硬件实现某些特定算法，实现软硬件协 同，是s o p c 的发展方向。 如果s o p c 设计能很好的满足工程要求，并且产品需批量生产，则可将f p g a 上完成的设计掩模成a s i c ( 专用集成电路) ，可以大幅下降成本。s o p c 是一个 新兴的技术领域，目前正处于快速发展中。由于工艺技术的发展，f p g a 器件本 身的集成度越来越高，片内设计资源也越来越丰富，从早期的逻辑门、查找表发 展到现在的高性能微处理器、用于d s p 设计的数百计的硬件乘加单元。s o p c 设 计将朝着更高集成度、更佳系统性能的方向发展。f p g a 在数据并行处理上较之 微处理器有更多的优势，在f p g a 片内资源中硬件实现某些特定算法，实现软硬 件协同，是s o p c 的发展方向i 钔。然而硬件算法的实现由于涉及较多芯片设计的 专业知识且工程量巨大，因此在算法级、系统级进行f p g a 设计的e d a 工具在 应用中显得十分重要。 1 3 基于s o p c 技术的热泵控制系统 从热泵技术的应用来看，目前市场上热泵产品主要可以分为空调和热水供应 两大方向。空调方面主要指冷暖通空调，热水供应方面主要指热泵热水器。国内 的热泵产品热泵热水器为主，热泵空调的应用还是相对较少，而把两者结合起来 的产品则更是屈指可数【3 】。从热泵系统的通信方案来看，大部分同类产品用的都 是简单的r s 2 3 2 通信控制，通信方式扩展性能差，实时性不佳，通信稳定性不 高，无法做到大规模联网，更不能做到远距离的控制。从灵活性与扩展性方面看， 目前的一些产品的控制手段比较单一，不能做到智能化的管理。 相比起传统的热泵控制器，基于s o p c 的控制系统具有更多的特色：提高了 系统的集成度，增强可靠性，系统结构可重构，片内功能可实现完全的按需配置， 对多任务具有更好的适应性，而且硬件可升级，灵活性较强。 本论文的工作就是构建基于n i o si i 嵌入式系统的热泵控制系统，利用f p g a 硬件可编程的特点，实现灵活、扩展性强的控制手段，并通过与电子工控技术的 结合来实现对空气源热泵空调系统的联网和智能控制。本论文主要涉及热泵系统 中电子控制系统的设计，该设计应用于生利达冷冻设备有限公司的空气源热泵空 调设备，具有空调、供暖、热水器三重功能。该系统具有高效率、节能环保的优 点。特别适用于酒店、学校、医院、办公楼等既需要空调有需要大量热水的场所。 1 4 本文结构 本文将热泵控制的相关技术与f p g a 嵌入式处理器n i o si i 紧密融合，同时 也是将工控技术和新技术和的结合过程。从基本功能硬件的设计与实现到嵌入式 控制软核的加入，实现了软硬件协同设计的实践过程，对以上各部分的设计与实 现均作了详细的介绍。论文的具体安排如下： 第一章，综述部分，介绍了论文的选题及研究背景，对基于f p g a 的s o p c 技术的发展趋势及特点进行论述，并结合热泵技术，提出了构建基于s o p c 技术 的热泵控制系统。 第二章，系统设计方案，介绍了热泵技术原理以及本系统的空气源水环热泵 的原理及结构，并结合本系统的功能要求，介绍了本系统的设计原则，并以此为 依据制定的系统设计的总体方案。 第三章，基于n i o si i 技术的软核构成，介绍了关于可编程逻辑器件f p g a 的基本原理、结构和发展趋势，并进一步引入s o p c 技术，介绍了s o p c 技术的 特点、开发流程和开发工具，然后介绍a l t e r a 公司f p g a 的n i o si i 软核处理器。 详细论述了本系统的软核设计细节，包括基于n i o si i 的软核模块构成到所采用 的h a l 函数。 第四章，硬件设计分析，详细介绍了本系统的硬件设计细节，包括芯片选型、 各功能模块的具体实现、系统的抗干扰措施等，并简单介绍了为本项目开发而自 制的开发工具。 第五章，算法设计分析，介绍了本系统中控制软件的组织结构以及控制流程， 并针对本系统的实时性的要求，介绍了轮询法多任务调度以及高效的定时器算法 的实现，最后对本系统采用的通信协议进行了详细的介绍。 第六章，测试与验证，分三个阶段对系统进行全面的测试，包括针对功能模 块的测试，系统空载测试以及系统实地负载测试。 第七章，总结与展望，从整体上总结本设计，并提出未来改进的可能。 第二章系统设计方案 2 1 热泵技术概述 2 1 1 热泵的概念【4 1 水向低处流动，热向低温传导，这是常识。如果要让水从低处流动到高处， 需要水泵来完成；如果要把低温物体的热量传送给高温物体，就需要用热泵。热 泵工作原理如图2 1 所示。热泵以水或者空气等低温热源作为热源，通过冷媒的 物理状态变化，进行吸收和释放热量，并通过循环传递热量，实现热的转移，这 样就可以把不能直接利用的低位热能转换为可以利用的高位热能，从而达到节约 部分高位能的目的i 卯。 国 w l 高鼎热处l 争 沮撼q 2 l 慨沮拜境或废制 i 图2 1 热泵和水泵的工作示意图 w 综合上述内容，可见热泵的定义涵盖以下几点： 热泵虽然需要消耗一定量的高位能，但所供给用户的热量却是消耗的高位 热能与皿取的低位热能的总和，即用户获得的热量永远大于所消耗的高位能。由 此可见，热泵是一种节能装置。 热泵可设想为图2 2 所示的节能装置，即由动力机和工作机组成的热泵机 组，利用高位能推动动力机，然后再由动力机来驱动工作机运转。工作机像泵一 样，把低位的热能输送至高位以向用户供热。 低沮热能周圈环凌漫度 图2 2 热泵原理模拟图 热泵遵循热力学第一定律，即在热量传递与转换的过程中遵循守恒的关 系；同时遵循热力学第二定律：热量不可能自发地、不付代价地、自动地从低温 物体转移至高温物体。热泵定义中明确指出：热泵是靠高位能拖动，迫使热量由 低温物体传递给高温物体。 2 1 2 空气源热泵概述 空气源热泵是一种从低温空气中吸收热能的热泵装置。我国每年用于采暖、 空调与生活用热水系统占全国能源消耗总量的1 5 ，采用空气源热泵技术可以节 能5 0 以上，还可改善温室效应。空气源节能产品大部分工作时段是在吸收空气 热量，实际上也是给大气进行物理降温，如果全国范围内广泛使用空气源节能产 品，每年可以节能上亿吨标准煤，节能l 亿吨标准煤相当于少向大气中排放近4 亿吨的二氧化碳气体。 如图2 3 所示是简单的热泵空调嘲典型图示( 冬季热泵工况) 。它由压缩机、 四通换向阀、制冷剂水换热器、制冷齐耖空气换热器、节流机构等构成。系统利 用全封闭式压缩机驱动环保工作介质，使其在独立密封的工作回路里循环，利用 电磁四通换向阀进行获取冷能和热能的工作模式转换。夏季按锘i 蛉工况运行，即 制冷剂水换热器作为蒸发器，制冷剂空气换热器作为冷凝器。吸收室内过高的 热量然后排至l j 室外去，起至4 室内温度调节的效果；冬季按热泵工况运行，即制冷 剂水换热器作为冷凝器，制冷剂空气换热器作为蒸发器，如图2 4 所示。 图2 3 简单的热泵空调的典型图示 气系绞 管月 冷一n 气一v 输一 出一u 图2 4 热泵热水器原理简图 2 2 本热泵控制系统的结构 水 水 本系统的一个特点是能实现多机组联网控制，因此必须具备一个功能较强大 的上位控制器作为网络主机。对于水箱以及安装在用户端的每台热泵机组，都必 须配有一台控制器，以实现与主机的通信功能，并实现对机组的控制。另外，由 于热泵机组安装在用户端，需要配有一个用户作交互的接口，该接口安装需在用 户室内。综上所述，本热泵控制系统划分成四种控制器：主控制端，用户控制端， 水箱控制器以及热泵控制器。 主控制端即处于全系统最高优先级的上位控制器。通过与联网中的各机组的 通信，收集所有的机组状态数据，并根据收集回来的数据对全系统的工作状态作 修正，并反馈回各机组作统筹管理，控制供热量，以实现统一控制以及节能效应。 还可通过人机接口设定系统的工作参数。主控制端还有键盘输入、液晶显示、实 时时钟以及故障报警等功能。 用户控制端即热泵空调用户与热泵机组间的交互接口，主要功能是实现与热 泵控制器的数据的交换以及对热泵控制器进行空调功能的控制与设定，同时也应 具有键盘输入、液晶显示和实时时钟的功能。每一个用户控制端都应该与联网中 的热泵控制器一一对应的。用户控制端的使用比较灵活，针对不同的应用场合可 以选择是否接入系统中。当系统不需要以空调模式工作时，可以不接用户控制端， 能节省成本；当要求系统能工作在全部模式下时，也可不接入用户控制端通过主 控制端对热泵机组进行单独控制。 每 水箱控制器用于控制水箱的实际工作。一方面实时监测水箱内热水的温度以 及水位，另一方面保持与主控制端的联网数据交换，水箱控制器通过综合这两方 面来对热水循环泵以及补水电磁阀的工作状态进行控制。 热泵控制器用于控制热泵空调机组的实际工作。热泵控制器接收来自主控制 端的控制命令及设定参数，通过改变热泵机组内部各个电磁阀的开关实现冷媒流 通的管路切换，以实现各种不同的工作模式。热泵控制器的控制功能应该包括： 控制压缩机、室外风机、四通阀换向、蒸发器电磁阀、冷凝器电磁阀、化霜电磁 阀；检测过流保护开关、压缩机压力、外风机温度、决定是否进行化霜、控制空 调室内机的开关及决定高中低空调风档等，以确保系统安全稳定的运行。 由主控锘! l 端，用户控制端，水箱控制器以及热泵控制器所构成的空调热泵联 网控制系统如图2 1 0 所示。 图2 1 0 热泵控制系统的联网方式 2 3 热泵机组工作模式 系统中的每一台热泵机组，都是一个能独立工作的子系统，具备了实现热泵 与空调所需的基本功能。一台独立的热泵机组，主要通过三个区域来实现热交换 功能：室内风机、室外风机以及热回收机。从作用上看，这三个区域又可作为冷 区或热区，冷区是热泵吸收热量排放冷气的区域，热区则是热泵输出高位热能的 区域。把室内风机、室外风机以及热回收机分别作为冷区或热区，并以一定的方 式组合，就能实现三种工作模式的切换。 制冷模式下，室内风机作为冷区，吸取热量，对室内环境制冷，室外风机作 为热区，把吸取的热量排出室外。热泵模式下，室外风机作为冷区，热回收机作 为热区，从室外吸热来供热水加热。空调热水模式下，室内风机作为冷区而热回 收机作为热区，从室内环境吸取热量直接送至热回收机，不经过室外风机。控制 芯片通过改变四通阀、冷凝器电磁阀、蒸发器电磁阀和化霜电磁阀等阀门的开合 组合就可以实现三种模式之间的切换。图2 - 5 就是本系统中单台热泵机组的结构 简图。 化 霜 电 磁 阀 图2 5 热泵机组的的结构简图 除了上述的三种主要的工作模式外，本系统的热泵机组还包含一种辅助的工 作模式- 化霜模式。当室外环境温度较低时，作为热泵模式冷区的室外风机可 能会由于结霜而无法从室外吸收热量，导致系统效率低下甚至无法工作。因此引 入化霜模式m ，可以有效的解决这一问题，使系统在室外环境较低的情况下仍能 维持正常工作。接下来将对热泵模式、制冷模式、空调热水模式以及化霜模式这 四种模式分别进行介绍： 1 制冷模式 制冷模式下冷媒在热泵机组中的流向如图2 - 6 所示。经压缩机压缩输出的高 温高压的气态冷媒，经过四通阀流到室外风机( 该模式下作冷凝器功能使用) ， 冷凝成高压低温的气液混合态冷媒；然后通过节流装置降压降温又变成低温低压 的液态冷媒。液态冷媒进入室内风机( 该模式下作蒸发器使用) ，通过吸收室内 热量而汽化，以此实现制冷目的。汽化后冷媒变成低压气态，回到压缩机。 化 霜 电 磁 游 图2 - 6制冷模式冷媒循环图 2 热泵模式 热泵模式下冷媒在热泵机组中的流向如图2 7 所示。从压缩机输出的高温高 压的气态冷媒，经过四通阀流到热回收机( 该模式下作冷凝器功能使用) ，冷凝 成高压低温气液混合态冷媒，释放出的热量在热回收机中通过热交换器转移到水 路；然后冷媒通过节流装置降压降温又变成低温低压的液态冷媒。液态冷媒进入 室外风机( 该模式下作蒸发器功能使用) ，通过吸收室外热量而升温汽化。最后 冷媒变成低压气态，回到压缩机。在此工作模式下，热回收机实现了热水的制取， 而冷气则从室外风机区排放到大气中。 化 霜 电 磁 阀 图2 7热泵模式冷媒循环图 3 空调热水模式 空调热水模式下冷媒在热泵机组中的流向如图2 8 所示。该模式下冷媒不再 需要通过室外风机。从压缩机输出的高温高压的气态冷媒，经过四通阀流到热回 收机( 该模式下作冷凝器) ，冷凝成高压低温的气液混合态冷媒，释放出的热量 在热回收机中通过热交换器转移到水路；然后通过节流装置降压降温又变成低温 低压的液态冷媒。液态冷媒经过蒸发器电磁阀进入室内风机( 该模式下作蒸发 器) ，通过吸收室内热量而升温汽化，实现室内制冷。最后冷媒变成低压气态， 回到压缩机。全过程既实现水路加热，也实现了室内制冷的功能。此模式是能量 利用效率最高，环境负效应最小的工作模式。 化 霜 电 磁 游 图2 8 空调加热泵冷媒循环图 4 化霜控铹 空气源热泵空调在冬季热泵模式运行时遇到的最大问题是蒸发器表面结霜， 这将使室外风机作为蒸发器时的吸热能力下降，导致热泵机组的工作状况恶化， 甚至不能正常工作，这种情况在我国北方冬季相对寒冷的地区尤其明显。因此， 系统运行过程中，必须根据室外风机的实际情况进行适时地化霜处理，以保证系 统以较高效率运行。目前大多数热泵生产厂家采用的方法是传统的温度一时问除 霜法，即每经过一个固定的时间间隔，就强制热泵机组进行化霜【8 】。这种方法的 灵活性差，不能根据实际环境的变化进行化霜，可能出现室外风机没有结霜，但 强制进行了化霜，而室外风机结霜时，又因为处于化霜问隔而不能进行化霜，导 致系统的工作效率低下。 在本系统中，对化霜的实现采用热气冷媒旁通法。具体的做法是：在高温高 压的冷媒通过四通阀流进热回收机之前，通过化霜旁路管道从主冷媒循环管道中 “窃取刀一小部分高温高压的冷媒直接送至室外风机( 也就是蒸发器) 中，由于 这部分的冷媒是没有经过冷凝器( 热回收机) ，处于高温高压状态，可以有效的 实现化霜功能。化霜进行时，系统无法进行其他模式的切换，因此需要通过算法 控制令系统在化霜与热泵工作之间取得动态平衡就。化霜过程的冷媒循环管路如 图2 9 所示。 化 霜 电 磁 阀 图2 - 9 化霜冷媒循环图 2 4 本系统的控制功能概述 要实现上述的几种工作模式的正常工作以及模式间的切换，就要通过控制芯 片对系统中的各种器件的工作状态进行控制。但对于各器件不只是简单的开关控 制，还需要一定的相互关系，而且受以下的因素影响：工作模式设定、热水温度、 冷凝温度、排气温度、化霜温度等。同时，作为一个符合工业标准的控制系统， 不仅实现功能切换控制，而且还要对系统进行各种安全检测，包括相序检测、水 位检测、水流检测、过流检测、高压检测、低压检测，如果以上的各种探测检测 到异常，系统就会停机报警，以保护硬件的安全运作。综合来说，本系统中需要 受控的器件有：热水循环泵、补水电磁阀、压缩机、室外风机、四通阀、冷凝器 电磁阀、蒸发器电磁阀、化霜电磁阀、室内风机高中低风档。其工作条件如下列 所述： 1 热水循环泵 工作模式：热泵模式或空调热水模式下工作； 相序检测：当相序检测使能时，需检测正常才工作； 水位检测：低于低水位时不工作； 过流检测：检测通过时工作，否则停机报警； 水流检测：热水循环泵输出3 0 秒后开始检测水流，如果无水则停机报警； 水温测量：水箱温度到达设定值后，压缩机停止后延时3 0 秒停止工作。 2 补水电磁阀 水位检测：受控于水箱水位，低于低水位时输出；介于低水位与高水位之间时， 参考水温； 水温检测：当水温高于设定值时输出，直至水温低至补水温差时停止输出。 3 压缩机 工作模式：热泵模式与空调加热泵模式时，必须在热水循环泵启动后时6 0 秒启 动；化霜模式启动时，暂停工作3 0 秒后再启动；当退出化霜模式时，暂停工作 9 0 秒后再启动 空调温度：空调模式下，室内空调温度高于设定值时工作，低于设定值则停止； 相序检测：当相序检测使能时，需检测正常才工作； 排气温度：高于1 2 0 时停机报警，待温度回落到1 0 0 c 后延时3 分钟启动； 高压检测：受控于高压保护检测，当高压检测异常时，延时3 秒停机，延时3 分 钟后，如果高压检测正常则再启动，这种情况一小时内不可发生超过三次，否则 将停机报警，并锁定全系统； 低压检测：受控于低压保护检测，当低压检测异常时，延时3 0 秒停机，延时3 分钟后，如果低压检测正常则再启动，这种情况一小时内不可发生超过三次，否 则将停机报警，并锁定全系统； 过流检测：检测正常时工作，否则停机报警。 4 室外风机 。 工作模式：在热泵模式与空调模式下，与压缩机同步工作；化霜模式进行时则停 止工作，退出化霜模式时暂停1 分钟再启动； 冷凝温度：空调加热泵模式下，冷凝温度高于设定值时工作，低于设定值则停止。 5 四通阀 工作模式：热泵模式或空调加热泵模式下不工作；切换入空调模式后延时3 0 秒 再工作。 6 冷凝器电磁阀 工作模式：热泵模式下与压缩机同步；其余工作模式下不输出。 7 蒸发器电磁阀 工作模式：热泵模式下不输出；空调模式下与压缩机同步；空调加热泵模式下输 出。 8 化霜电磁阀 工作模式：空调模式或空调加热泵模式下不工作；退出化霜模式时，延时3 0 秒 再停止输出； 化霜温度：热泵模式下，当化霜温度降至设定值时，延时3 0 秒后输出； 9 1 1 室内机高中低风档 ( 1 ) 风档使能：当风档功能禁用时，风档选择无效； ( 2 ) 工作模式：空调模式或空调加热泵模式下，受控制端风档调节设定。 从功能列表中也可看出，各器件的运行过程中有不少需要延时的工作状态转 换，这都是为了保护压缩机而设的。全系统的核心部分就是压缩机部分，所有的 控制行为都是基于保护压缩机以及延长压缩机工作寿命为目的的。因为压缩机关 闭之后不能马上又启动，从工程上的经验来说，一般压缩机停机后必须至少等待 3 分钟的时间才能再启动。 2 5 系统总体设计方案 2 5 1 控制芯片选型 本系统中，对于硬件功能要求最高的就是主控制端。主控制端一方面要实现 通信主机的功能，驱动至少一套的热泵联网系统，当用户对于机组数量要求较大， 而且对控制要求较高时，主控制端还应具备驱动多套热泵联网系统，充当统一的 联网主机功能，因此要求主控制端具有较强的处理能力以及充足数量的通信接 口，满足多路对外通信的功能；另一方面主控制端要实现数据中心的功能，需要 较多的系统资源以及处理能力；最后还需要有较高的灵活性和一定的系统余量， 方便同后进行功能扩展或系统升级。综合上述三点，本热泵控制系统的主控制端 我们采用a l t e r a 公司的c y c l o n ei if p g a ，内嵌n i o si i 嵌入式处理器，能够满足 系统的需求。在从控制端与热泵、水箱控制器中，对性能方面的要求与主控制端 相比相对较低，只需实现通信功能以及本机的控制功能即可，因此采用m i c r o c h i p 公司的p i c 系列单片机实现，既具有较高的性能，又能兼顾产品成本因素。 1 f p g a 选型 主控制端中选择采用a l t e r a 公司的c y e l o l l ei if p g a t g j 。c y c l o n ei if p g a 是 基于s t r a t i xi i 的9 0 r i m 工艺推出的低成本的f p g a ，具有丰富的用户定义功能、 低功耗、高密度、低成本等特点。c y c l o n ei i 器件最多有6 8 4 1 6 个逻辑单元( l e ) 和1 1 m b 的嵌入式存储器。c y c l o n ei i 器件采用9 0 n t o 、低k 值电介质工艺，通 过使硅片面积最小化，可以在单芯片上支持复杂的数字系统。 c y c l o n ei i 系歹l jf p g a 特性见表2 1 。据估算，根据当前需求所设计的热泵控 制系统，基于c y c l o n ei if p g a 的主控制端连接外设需要约1 0 0 个i o 口，基于 n i o si i 的软核需要占用至少2 3 0 0 个l e 。考虑到后续扩展的可能，本设计中决定 采用c y c l o n ei i 系列的e p 2 c 2 0 ，该款芯片具有3 1 5 个用户i o 接口，1 8 7 5 2 个 l e ，足以满足系统设计的需求。图2 - 9 为调试过程中，主控制端软核的编译报告。 表2 - 1c y c l o n ei i 系列f p g a 特性e p 2 c 5e p 2 c 8e p 2 c 2 0 e p 2 c 3 5 e p 2 c 5 0e p 2 c 7 0 l e4 6 0 88 2 5 61 8 7 5 23 3 2 1 65 0 5 2 86 8 4 1 6 m 4 kr a m 2 63 65 2 1 0 51 2 92 5 0 1 8 x 1 8 乘法器1 31 82 63 58 61 5 0 p l l s224444 最多用户i o1 4 21 8 23 1 54 7 54 5 06 2 2 n o ws t a t u z q u a r t u s v e r s i0 1 1 r e v i s i o nh a 晴e ，t o p l e v e l e n t i t yh 狮e 二f i l y d e y i c e t i m i n gm o d e l s #m e tt i m i n gr e q u i r e m e n t s t o t a ll o g ice l e m e n t s t o t a lc o l b i n a t l o n a lf u a e t i o 砧 d e d i e a t e dl o g i cr e g i s t e r s t o t a lr e g iz t e r s t o t a lp i n s t o t a lv i r t u 毫lp i n s t o t a lm e m o r yb i t s e m b e d d e d , l u l t i p l i 竹9 - b i te l 椭嗽s r o t d 雅工s “ 。 ? 锡 名 s u c c e s s f u l t h u 蛔r0 2 ：1 8 ：2 32 0 0 9 8 ，0b u i l d2 1 50 5 z 9 j 瑚8s 了f l 越v e r s i o n 。 h p _ c o r e h p _ c o r e c y c l o n e 玎2 c 2 0 旺4 0 c 8 ，i 舳l 。 t e s 2 2 9 9 1 8 , 7 5 2 ( 1 2 薯)， 乏1 3 9 1 8 , 7 5 2c1 1 譬) j i ，2 5 4 ，i s , 7 5 2 ( 7 ) 1 3 2 5 的，1 4 2 ( 7 0 譬) 0 链4 4 0 秘，5 1 5 ( 1 9 薯) o ，5 2 ( 0 ) l 4 ( 2 5 鼍) 图2 1 1q u a r t u s i i 编译报告 2 m c u 选型 在用户控制端的电路上，采用m i e r o c h i p 公司的中档单片机p i c l 8 f 4 5 2 0 作 为中央处理器【1 0 1 。如图2 1 2 为p i c l 8 f 4 5 2 0 的芯片引脚图。m i c r o c h i p 公司推出 的p i c 系列单片机采用精简指令集( s c - 圳e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) 、 哈佛总线结构、二级流水线取指令方式，具有实用、低价、指令集小、低功耗、 高速度、体积小、功能强等特点。p i c l 8 f 4 5 2 0 具有以下特点： ( 1 ) 采用低功耗高速的c o m s 技术，休眠模式下工作电流仅为1 0 0n a ： ( 2 ) 最高可达4 0m 的运行速度，可接3 2 k 晶振作为实时时钟； ( 3 ) 内置3 2k b 的f l a s h 程序空问； ( 5 ) 具有看门狗定时器，定时时间范围从4i n s 至1 3 1s ； ( 6 ) 具有一个外部中断接口； ( 7 ) 具有1 3 路1 0 位的a d 转换模块； ( 8 ) 具有四个可电平变化中断的i o 口； ( 9 ) 具有可寻址的具备f i f o 的u a r t 模块； ( 1 0 ) 最多可达3 6 个普通i o 口； 酬n l - o r a 矗 8 q 莹譬空五矍 窭县髦罄辇罄霹 ；3 6 8 9 邑8 8 芷芷证 ll l ll l l 图2 1 2p i c l 8 f 4 5 2 0 芯片引脚图 由上面列举p i c l 8 f 4 5 2 0 的一系歹i 特点可以看到，3 2 k b 程序空间足以满足 本控制系统的程序存储要求，还具有一定的余量，可预留给功能扩展；可以外接 独立实时时钟晶振的定时器可以实现精确的实时时钟；报警模块的驱动可以用 p w m 模块来轻松实现；可寻址的具备f 1 f o 的u a r t 模块恰好符合r s 4 8 5 通信 的要求；多路l o 位的a d 转换可以用来实现温度的探测；外部中断接口可以实 现模拟串口的通信功能。另外，这一款的p i c 单片机在5 v 的供电下工作具有很 强的抗干扰能力，而且价格便宜，非常有利子降低生产成本。因此，p i c l 8 f 4 5 2 0 是完全满足设计要求。 在水箱控制器以及热泵控制器中，本设计采用了m i c r o c b i p 公司的 p i c l 6 f 9 4 6 作为中央处理器i 】。p i c l 6 f 9 4 6 是m i c r o c h i p 公司的中档单片机，采 用精简指令集、哈佛总线结构、二级流水线取指令方式。本系统中，控制器的各 项功能都需要通过i o 口来实现，如继电器驱动、水位探测、各种开关量检测等， 同时考虑到以后控制系统的性能扩展，也需要预留有一定数量的l o 口。 p i c l 6 f 9 4 6 具有多达5 3 个普通i o 口，能够满足系统对于m c u 的i 0 口的数量 x譬卜8茁l 黔熟撩谣 l f l备差2委 ，每多肆意)孕，h叠 i i l_zpilonv，q篮 ，nm鼍多鏖 i 。t on臣a五笔卜芷 o芷蛩兰譬，气mk，i廿苇田世 ，；nv釜m葺矗 。n笙 需求。p i c l 6 f 9 4 6 芯片引脚图如图2 1 3 所示。 矮 l 譬 l 图2 1 3p i c l 6 f 9 4 6 芯片引脚图 2 5 2 通信设计方案 翱：期旺g 甜 舟曾s e 锄 掰各s 蹦 4 e 蠲 r e n 埘 r 日， r 出舟e 皓 v 礴 角哺岣赋a ， 日b r 蜩硝0 c ”蕾时渊 m r 朝呜e 锚 r 日w a m 爿盟埔h 穰涟翻 魁 q 矾笛麓 翱曲州暗略蝴 整个系统的控制的联网的实现，必须有合适的通信方式。在本系统各机组之 间的安装距离比较长，而且本系统由多台机组联网组成。因此，本系统对于通信 有两个基本要求，一是通信距离要能达1k m ，而是要能支持多机联网。考虑到 以上两个基本要求，系统的主通信网络，即主控制端与水箱控制器、热泵控制器 间采用r s 一4 8 5 通信方式。在主控制端与用户控制端之间，并不需要进行直接的 数据交换或指令传输，每个用户控制端只需要与其相对应的热泵控制器相通信即 可，而且通信距离不会超过十米，因此本系统中采用模拟串口的方式，用两条信 号线实现了数据的收发功能，而且不影响主通信网络( r s 4 8 5 ) 的通信效果。下 面将分别介绍这两种通信方式。 1 r s 4 8 5 通信1 1 2 l r s 4 8 5 总线标准是一种支持多节点、远距离和接收高灵敏度的总线标准。 因为r s 4 8 5 的远距离、多节点( 最大可以达到3 2 个) 以及传输线成本低的特性， 使得r s 一4 8 5 成为工业应用中数据传输的首选标准。而且r s ，4 8 5 硬件设计简单、 控制方便、成本低廉、抗干扰能力强、布线简单，已经被广泛应用于工厂自动化、 工业控制等领域。 r s 4 8 5 收发器采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力， 加上接收器具有高的灵敏度，能检测低达2 0 0 r n v 的电压，故传输信号能在千米 以外得到恢复。r s 4 8 5 通信的网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构，不支 持环形或星形网络，最好采用一条总线将各个节点串接起来。从总线到每个节点 的引出线长度应尽量短，以便使弓 出线中的反射信号对总线信号的影响最低。在 实际的工程应用中组成多机通信网络时，为防止数据冲突，很少采用全双工通讯 模式，一般都是采用半双工通讯模式。r s 一4 8 5 采用半双工通讯模式时，任何时 候只能有一点处于发送状态，r s 4 8 5 用于多点互连时非常方便，可以省掉许多 信号线。应用r s - 4 8 5 可以联网构成分布式系统，其允许最多并联3 2 台驱动器 和3 2 台接收器。典型的r s 4 8 5 的网络连接图如图2 1 4 所示。 图2 1 4r s 一4 8 5 典型的双线制网络连接方式 r s 4 8 5 的共模输出电压是在7 v 至+ 1 2 v 之间，其最大传输距离约为1 2 1 9 米，最大传输速率为1 0 m b p s 。平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在1 0 0 k b p s 速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。只有在很短的距离下才能获得最高 速率传输。一般1 0 0 米长双绞线最大传输速率仅为1 m b p s 。图2 1 5 是传输速率 与传输距离的关系图。由关系图可以知道，当传输速率为9 6 0 0 b p s 的时候最大的 距离约为1 0 0 0 米，在本系统中就是采用这样的波特率来实现系统的网络通信。 传输距离 11 02 4 0 04 8 0 09 6 0 0 1 4 4 0 0 1 9 2 0 0 波特率( b p 6 ) 图2 1 5r s 4 8 5 总线传输速率与距离的关系 2 模拟串口通信1 3 】 在本系统中的模拟串口通信，是采用普通i o 口通过电平变化触发硬件中断， 穗后定时检测该i o 口的电平，来实现串行通信接口的模拟。具体的实现主要是 通过软件方式，因此将在算法设计分析一章作详细说明。 2 6 小结 本章首先介绍了一般的空气源热泵的原理及结构，然后阐述了本系统的工作 模式以及功能需求，并依此提出了本系统的总体设计方案，包括系统的结构、主 控制芯片选型以及通信方案。在接下来的章节，将对具体的设计进行展开说明。 衅 眦 啪 蛳 枷 粥 第三章基于n io sl i 技术的软核构成 3 1s o p c 技术 当前可编程逻辑器件硬件上的四大发展趋势是：a s i c 生产工艺将被更广泛 的应用于f p g a 为代表的可编程逻辑器件；越来越多的高端f p g a 产品将包含 d s p 等处理器内核，从而f p g a 将由传统的硬件设计手段逐步过渡为系统级设 计平台；f p g a 将包含功能越来越丰富的硬核( h a r di p c o r e ) ，与传统a s i c 进一 步融合，并通过结构化a s i c 技术加