引言
　　電能源的有效使用不但降低了家電的成本，而且保護了環境。大部分家電，例如冰箱、洗衣機、甩干機、洗碗機以及空調等，都是由電機系統驅動的。這類系統包括電源、電機、電機控制電路以及機械系統。有很多方法可以提高系統的效率：

維持電壓電平；

降低相位不平衡；

維持功率因子；

維持良好的電源質量；

使用可調速率驅動器或者兩速電機；

控制溫度；

監控電機工作速度。

　　利用數字電路或者FPGA來控制模擬電機電路能夠大大降低系統成本和功耗。FPGA不但節省能源，而且還具有嵌入式數字信號處理(DSP)模塊、微控制器和I/O接口等功能，完全可以實現家電設計。

脈沖寬度調制

　　實現數控模擬電機電路最常用的方法是采用脈沖寬度調制(PWM)。在PWM中，方波的時間周期為常數，而信號高電平的時間TON受到調制發生變化，因此可以調整信號的占空比和平均直流值。在數字系統的幫助下，PWM是控制模擬電路最有效的方法。圖1的例子顯示了數字脈沖的“接通”時間。

　　其實際應用包括電壓穩壓，通過調整占空比、控制輸出電壓達到需要的電平。另一個例子是能量傳送，傳送的平均能量是調制占空比的函數。根據不同的應用方式，可以在簡單電壓穩壓應用中采用Altera MAX II CPLD來實現PWM，也可以利用Cyclone III FPGA內部DSP模塊，通過復雜控制算法實現PWM。

　　UP和DOWN輸入信號用于調整輸出信號的占空比，由微控制器產生該信號。第一個模塊利用所有MAX II器件中都有的內部UFM振蕩器來產生不同頻率的兩路時鐘。這一模塊的4位輸出信號DUTY_CYCLE，根據UP或者DOWN是否被置位而遞增或者遞減。第二路4位輸出信號COUNT在第一模塊產生的高頻時鐘驅動下，連續遞增。該信號在第二模塊中與同頻的DUTY_CYCLE進行對比，對比結果是單比特輸出，被分配給最終輸出信 號PWM。4位可變信號DUTY_CYCLE支持輸出信號占空比有16種不同的變化。在這 一設計實現中，輸入UP的優先級要高于DOWN。因此，如果二者同時是高電平，輸出信號的占空比增大。

　　Cyclone III FPGA中的嵌入式DSP模塊是設計復雜節能電機控制系統的關鍵單元。白色家電生產商利用基于FPGA的DSP IC，不但縮短了開發時間，降低了開發成本，而且其設計不會過時，不需要重新設計電路板。FPGA為DSP應用以及必要的大吞吐量DSP提供了可配置解決方案，由于在 硬件中可以重新配置FPGA，在實現復雜電機控制DSP功能時，可以利用FPGA的全硬件定制特性。因此，在FPGA中實現的DSP系統具有定制體系結構、定制總線結構、定制存儲器、定制硬件加速模塊以及數量可變的乘法累加(MAC)模塊。

　　要提高交流電機的運行效率，內部永久磁鐵的位置應該和交流電壓頻率相一致。采用傳感器來探測磁鐵轉子的位置，來相應地調整電壓頻率。這一方法和伺服控制鎖相環(PLL)系統相似，但是利用DSP來完成任務。

　　新一代家電需要采用更復雜的電路來監視電機以及家電的整體健康狀態。利用Cyclone III FPGA DSP實現的高級控制算法設計要比ASSP和ASIC實現的系統更加靈活。FPGA具有可編程特性，可以隨著市場需求的變化，加入或者修改新功能。加入以太網知識產權(IP)內核，FPGA通過互聯網協議網絡進行通信，在系統停機之前，按計劃進行維護，還可以在用戶的家庭網絡中實現無線通信設計。

微控制器

　　新一代家電的用戶接口和其他功能控制將采用微控制器。帶有嵌入式微控制器的FPGA提供了集成解決方案，并不需要其他的外部專用處理器。嵌入式處理器設計人員面臨的一個主要挑戰是如何選擇一款最合適的處理器，它既不會浪費性能，也不會犧牲特性。設計人員利用Altera的Nios II軟核處理器，可以實現最切合需求的硬件(CPU、外設、定制硬件加速器)和軟件(存儲器接口)，在成本上也能夠滿足每一新家電設計的不同要求。

　　此外，對于剛開始FPGA設計的工程師，利用Altera的Nios II C語言至硬件加速(C2H)編譯器，使用ANSI C語言而不是原理圖或者RLT輸入來設計嵌入式處理器系統。

LCD顯示屏接口

　　FPGA的內置LVDS I/O接口支持直接耦合，可驅動簡單文本或者視頻質量的顯示屏，因此，系統中的顯示器可以很容易采用視頻處理器和時序控制器。Cyclone III FPGA可以設計配置為圖像增強引擎，驅動典型的液晶顯示(LCD)接口。經過優化的IP MegaCore功能，例如去隔行、縮放器、濾波器和色彩空間轉換器的視頻圖像處理(VIP)包，能夠處理來自任何源的視頻輸入，并輸出至LCD顯示屏，如支持網絡功能的電冰箱視頻顯示屏等。

總結

　　低成本FPGA和CPLD利用支持DSP算法的集成單芯片解決方案，幫助家電設計人員靈活地實現節能電機控制。此外，Cyclone III器件的內部Nios II軟核處理器推動了家電用戶接口的實現。Altera器件支持家電和用戶家庭網絡之間的無線通信，LVDS I/O等其他內置功能還能夠驅動LCD顯示屏。

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