空调系统有限状态自动机的设计与实现1引言第1页共20页11课程设计的背景空调的发明已经列入20世纪全球十大发明之一，它首次向世界证明了人类对环境 温度、湿度、通风和空气品质的控制能力。19世紀，英国科学家及发明家麦克法拉第 (Michael Faraday)，发现压缩及液化某种气体可以將空气冷冻，当时其意念仍流于理论 化。二十世纪六七十年代美国为解决干旱缺水地区的冷热源问题而率先研制出风冷式冷 水机，用空气散热代替冷却塔，其英文名为Air cool chiller,简称Chiller。之后，设备 设计和制造技术在90年代被转让到中国。随着人们生活水平的逐渐提高，空调产品也将由“生活奢侈品”逐渐转变为日常生 活用品。在空调健康、节能功能以及外观设计上，国内企业也经过引进、消化、吸收， 技术水平及产品质量都在不断趋于完善，我国已经发展成为世界空调产业重要的研发和 生产基地。随着经济的发展，空调已成为必备的家用电器，对空调的设计更加重要。随 着社会需求的变化，空调朝着节能、环保及智能化方向发展。1.2课程设计的目的本课程设计的目的是在掌握EDA实验开发系统的初步使用基础上，了解EDA技 术，对空调系统进一步了解，掌握其有限状态自动机工作原理。通过本次课程设计更好 地巩固和加深对基础知识的理解，学会设计中小型数字系统的方法，独立完成仿真过程， 增强理论联系实际的能力，提高电路分析和理解能力。为日后的学习和工作奠定基础。1.3课程设计的任务本课程设计任务是通过设计空调系统有限状态自动机的基本方法学习硬件设计的 基本思想和基本流程，采用Max+plus2等软件为开发工具。通过对计算机硬件和软件解 决方案的论证，对应用领域进行调查分析，参考各种资料和进行硬件开发实践。在指导 老师的帮助下，已经基本上成功地实现了设计任务书的要求。1.4课程设计的内容本课程设计主要完成基于VHDL的空调系统的设计与实现。本文运用有限状态自 动机的方法，设计了状态机进程与信号控制进程相互配合。在状态机进程中定义了6个 状态，程序设计有三个输入：Temp，Clk，Rst。分别是采样环境的状态、CP脉冲和复曹 婷 空调系统有限状态自动机的设计与实现 第2页共20页位键。程序包括三个输出：State, Heat, Cool,分别表示：当前机器状态、加热操作标志和制冷操作标志。源程序经过MAX+plus II软件仿真其在60s之内的运行情况。源程 序经过MAX+plus II软件仿真其在60s之内的运行情况。图2.1 EDA的设计流程图空调系统有限状态自动机的设计与实现第3页共20页2 EDA技术及VHDL简述2.1 EDA技术简介EDA是电子设计自动化（Electronic Design Automation）的缩写，在20世纪90年 代初从计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和 计算机辅助工程（CAE）的概念发展而来的。它是现代电子设计技术的核心技术。EDA 技术就是以计算机为工具，设计者在EDA软件平台上，用硬件描述语言HDL（Hardware Description Language）完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、 综合、优化、布局、布线和仿真，直至下载到可编程逻辑器件CPLD/FPGA或专用集成 电路ASIC（Application Specific Integrated Circuit）芯片中，实现既定的电子电路设计功 能。目前EDA主要辅助进行三个方面的设计工作：IC设计、电子电路设计和PCB设 计。EDA技术使得电子电路设计者的工作仅限于利用硬件描述语言和EDA软件平台来 完成对系统硬件功能的实现，极大地提高了设计效率，减少设计周期，节省设计成本。 EDA的设计流程图如图2.1所示。2.2硬件描述语言VHDLVHDL 是超高速集成电路硬件描 述语言（Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language）。VHDL作为IEEE标准的硬件描述语言和EDA的重要 组成部分，经过十几年的发展、应用和完善，以其强大的系统描述能力、规范的程序设 计结构、灵活的语言表达风格和多层次的仿真测试手段，在电子设计领域受到普遍的认 同和广泛的接受，成为现代EDA领域的首选硬件设计语言。专家认为,在新世纪中,VHDL 和Verilog语言将承担起几乎全部的数字系统设计任务4。VHDL的程序结构特点是将一项工程设计，关于用VHDL和原理图输入进行 CPLD/FPGA设计的粗略比较：在设计中，采用原理图输入的设计方式比较直观。在对 一个设计实体定义了外部界面后，一旦其内部开发完成后，其他的设计就可以直接调用 这个实体。这种将设计实体分成内外部分的概念是VHDL系统设计的基本点。VHDL 的特点如下：（1）VHDL支持自上向下和基于库的设计方法，并且支持同步电路、异步电路、现 场可编程门阵列器件（FPGA ）以及其他随即的电路的设计。（2）强大的系统硬件描述功能。VHDL具有多层次的设计描述功能，既可描述系 统级电路，又可描述门级电路。（3）独立于器件的设计。（4）支持广泛、易于修改。目前大多数EDA工具都支持VHDL。（5）强大的移植能力，易于共享和调用。由于VHDL语言是一种描述、模拟、综合、优化和布线的标准硬件描述语言， 因此它可以使设计成果在设计人员之间方便地进行交流和共享，从而减小硬件电路 设计的工作量,缩短开发周期。VHDL的设计流程如下：（1）文本编辑：VHDL文件保存为.vhd文件，Verilog文件保存为.v文件（2）功能仿真：将文件调入HDL仿真软件进行仿真，检查逻辑功能正确性。（3）逻辑综合：将源文件调入逻辑综合软件进行综合，逻辑综合软件会生成.edf 或.edif的EDA工业标准文件。（4）布局布线：把设计好的逻辑安放PLD/FPGA内。（5）时序仿真：需要利用在布局布线中获得的精确参数，用仿真软件验证电路的 时序。（6）器件编程。曹 婷空调系统有限状态自动机的设计与实现第5页共20页3空调系统原理及有限状态机简介3.1空调系统原理简介空调分为制冷和制热两类，按照其作用不同有制冷原理和制热原理。(1) 制冷原理空调器通电后，制冷系统内制冷剂的低压蒸汽被压缩机吸入并压缩为高压 蒸汽 后排至冷凝器。同时轴流风扇吸入的室外空气流经冷凝器，带走制冷剂放出的热量，使 高压制冷剂蒸汽凝结为高压液体。高压液体经过过滤器、节流机构后喷入蒸发器，并在 相应的低压下蒸发，吸取周围的热量。同时贯流风扇使空气不断进入蒸发器的肋片间进 行热交换，并将放热后变冷的空气送向室内。如此室内空气不断循环流动，达到降低温 度的目的。(2) 制热原理热泵制热是利用制冷系统的压缩冷凝器来加热室内空气。空调器在制冷工作时， 低压制冷剂液体在蒸发器内蒸发吸热而高温高压制冷剂在冷凝器内放热冷凝。热泵制热 是通过电磁换向，将制冷系统的吸排气管位置对换。原来制冷工作蒸发器的室内盘管变 成制热时的冷凝器，这样制冷系统在室外吸热向室内放热，实现制热的目的6。图3.1空调系统原理图曹婷3.2有限状态机简介有限状态机（finite state machine ）又称有限状态自动机或简称状态机，关于 状态机的一个极度确切的描述是它是一个有向图形，由一组节点和一组相应的转 移函数组成。状态机通过响应一系列事件而“运行”。每个事件都在属于“当前”节点的转移函数的控制范围内，其中函数的范围是节点的一个子集。它是表示有限 个状态以及这些状态之间的转移和动作等行为的数学模型，它是由一组状态、一个 初始状态、输入和根据输入及现有状态转换为下一个状态的转换函数组成。采用有限 状态机可以使设计过程直观简单易于理解，随着硬件设计软件化趋势的加剧，在 运用VHDL硬件描述语言设计数字系统时，利用有限状态机成为了可靠方便的途 径。控制器作为电子系统设计的核心部分，在EDA软件平台上，借助有限状态机表示方法符合人的逻辑思维的特征，将控制功能用有限状态机来建模实现，有许 多优越之处，以使FSM成为大型控制电路设计的有力工具。利用VHDL设计状态机，不必进行繁杂的状态分配，状态表绘制和化简，更不必 画出设计电路和搭试硬件电路测试逻辑功能，这些工作可以全由EDA工具完成。用 VHDL语言设计状态机，是通过简便地定义状态变量，将状态描述成进程，每个状态均 可表达为case-when语句结构中的一条case语句，状态的转移通过if-then-else语句实现， 并输出信号以控制其他进程，从而实现所需功能刀。用VHDL设计的状态机有多种形式，但最一般和最常用的状态机通常包含说明部 分，主控时序进程，主控组合进程和辅助进程几个部分。（1）说明部分说明部分中使用type语句定义新的数据类型，此数据类型为枚举型，其元素通常 都用状态机的状态名来定义。状态变量定义为信号，便于信息传递，并将状态变量的数 据类型定义为含有既定状态元素的新定义的数据类型。说明部分一般放在结构体的 architecture 和 begin 之间。（2）主控时序进程主控时序进程是指负责状态机运转和在时钟驱动下负责状态转换的进程。状态机 随外部时钟信号以同步时序方式工作，因此，状态机中必须包含一个对工作时钟信号敏 感的进程，作为状态机的“驱动泵”当时钟发生跳变时，状态机的状态才会发生改变。 当时钟的有效跳变到来时，时序进程将代表次态的信号next_state中的内容送入现态信 号current_state 中,而next_state中的内容完全由其他进程根据实际情况而定，此进程中 往往也包括一些清零或置位的控制信号。(3) 主控组合进程主控组合进程的任务是根据外部输入的控制信号(包括来自状态机外部的信号和 来自状态机内部其他非主控的组合或时序进程的信号)和当前状态值确定下一状态 next_state的取向，以及确定对外输出或对内其他进程输出控制信号的内容。(4) 辅助进程辅助进程是用于配合状态机工作的组合或时序进程。在一般状态机的设计过程中，为了能获得可综合的，高效的VHDL状态机描述，建议使 用枚举数据类型来定义状态机的状态，并使用多进程方式来描述状态机的内部逻辑。例 如可使用两个进程来描述，一个进程描述时序逻辑，包括状态寄存器的工作和寄存器状 态的输出，另一个进程描述组合逻辑，包括进程间状态值的传递逻辑以及状态转换值的 输出。必要时还可以引入第三个进程完成其它的逻辑功能8。曹 婷空调系统有限状态自动机的设计与实现第8页共20页4空调系统有限状态自动机设计4.1设计思路设计一个空调系统的有限状态自动机，它的两个输入端temp_high和temp_low分 别与传感器相连，用于检测室内温度。如果室内温度正常，则temp_high和temp_low都 为“0”。如果室内温度过高，则temp_high为“1”，temp_low为“0”。如果室内温 度过低，则temp_high为“0”，temp_low为“ 1”。根据和的值来判断当前的状态（太 热too_hot,太冷too_cold或适中just_right），并决定和的输出值。4.2原理与设计首先是以CP脉冲为时基，设置为100ms,延时时间和空调工作的上限时间都是该 时基的整数倍数。程序中涉及的变量有：temp， elk, rst， state， heat， cool， x， m， n， error。程序设计有三个输入：temp，clk，rst。其中temp是采样环境的状态，是一个二位