基于AFS600的太阳能热水器通用控制器设计

摘要：采用数模混合可编程芯片AFS600，通过配置其嵌入的8051软核和内置资源构造了最小控制系统；完成了太阳能热水器的控制系统设计，实现了温度、水位等参数的采集、处理和控制等功能；采用增量式PID控制算法实现了淋浴水温的自动控制，使水温保持在设定温度的上下2℃范围内。
关键词：太阳能热水器；FPGA；Core8051；PID控制

引言
AFS600是Actel公司推出的混合信号FPGA芯片，它将模拟ADC、DAC、RC振荡器等嵌入到数字FPGA中。AFS600是片上系统(SoC)设计的首选，其内部可嵌入8051单片机内核，大大扩展了其应用范围。本文以AFS600为核心，实现了太阳能热水器的控制器系统。与目前采用微处理器、PLC或FPGA芯片设计的系统相比，该系统具有结构简单、外围元件少、稳定性高等优点。

1 系统结构
太阳能热水器的控制结构是根据热水器的上水通道与热水通道设计的，包括阀门控制、传感器的配置等。
1．1 系统控制结构
太阳能热水器的控制系统分为主控制器和水箱控制两部分。主控制器完成水温水位的显示、控制操作，以及热／冷水的温度、压力参数的采集、处理与控制；水箱控制部分完成水箱水位、水温的检测，以及电加热控制器的控制。水箱控制部分通过数据线与主控制器的串口连接，实现主控制器对相关功能的控制与管理。完整的水循环结构及其阀门、传感器的配置如图1所示。

通常，系统中的3个电磁阀为关闭状态；当接受上水指令后，上水电磁阀打开，自来水经过三通由上水电磁阀流向水箱，此时电动节流阀和热水电磁阀仍处于关闭状态；当接受淋浴指令后，热水电磁阀打开，热水流出，电动节流阀根据设定的淋浴温度自动开启合适的角度。
太阳能热水器一般来说配有辅助控制装置，例如水箱内增加一个电加热器来辅助加热，水位、水温探测器安装在水箱中以检测水箱中的水位高度和水温，并通过缆线接人控制器显示。水流量的大小控制是通过步进电机精确控制节流阀实现的，同时保证用户设定的淋浴温度要求。当水位过低时，一方面报警，另一方面可根据实际需要自启动上水操作。
1．2 控制器的配置
整个控制系统采用Fusion StartKit开发平台，嵌入的8051内核为核心控制单元。由于8051内核以网表的形式提供，而且只有其控制部分(CPU)及简单的外设(定时器、UART等)，所以只需将8051内核移植到FPGA内部就能搭建一个完整的8051单片机。内核包括8051内核网表、内部RAM、单片机ROM和PLL四个子模块。