基于FPGA的模擬路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

覃洪英(長江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州434023）

模擬路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法很多，可以采用PLC為控制單元實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制，也可以利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)整個(gè)模擬路燈控制系統(tǒng)的控制，還可以采用FPGA進(jìn)行控制。FPGA具有資源豐富、可靈活編程、運(yùn)算處理方便、功能擴(kuò)展容易等特點(diǎn)，為此，筆者基于純硬件FPGA器件實(shí)現(xiàn)了一個(gè)模擬路燈系統(tǒng)的控制。

1 模擬路燈控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與整體設(shè)計(jì)框圖

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，路燈布置如圖2所示。具體功能要求是：①支路控制器有時(shí)鐘功能，能設(shè)定、顯示開關(guān)燈時(shí)間，并控制整條支路按時(shí)開燈和關(guān)燈。②支路控制器應(yīng)能根據(jù)環(huán)境明暗變化，自動(dòng)開燈和關(guān)燈。③支路控制器應(yīng)能根據(jù)交通情況自動(dòng)調(diào)節(jié)亮燈狀態(tài)：當(dāng)可移動(dòng)物體M（在物體前端標(biāo)出定位點(diǎn)，由定位點(diǎn)確定物體位置）由左至右到達(dá)S點(diǎn)時(shí)（見圖2），燈1亮；當(dāng)物體M到達(dá)B點(diǎn)時(shí)，燈1滅，燈2亮；若物體M由右至左移動(dòng)時(shí)，則亮燈次序與上相反。④支路控制器能分別獨(dú)立控制每只路燈的開燈和關(guān)燈時(shí)間。⑤當(dāng)路燈出現(xiàn)故障時(shí)(燈不亮），支路控制器應(yīng)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，并顯示有故障路燈的地址編號(hào)[1]。

圖1 路燈控制系統(tǒng)示意圖

圖2 路燈布置示意圖(單位：cm）

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采用FPGA作為控制單元的模擬路燈系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

系統(tǒng)的外圍電路主要包括光線信號(hào)采集部分、位置信號(hào)采集部分、按鍵輸入部分、路燈指示及故障檢測電路、聲光報(bào)警電路和顯示電路部分。FPGA控制電路根據(jù)不同的按鍵輸入由光線的亮暗或者目標(biāo)物體的位置狀態(tài)或者不同的開關(guān)燈時(shí)間控制路燈的開關(guān)，并將當(dāng)前的時(shí)間和模式顯示出來。同時(shí)由路燈指示電路中路燈的故障輸出信號(hào)控制聲光報(bào)警電路利用聲音和燈光進(jìn)行報(bào)警提示[2]。

2 FPGA控制電路中各模塊設(shè)計(jì)

1）模式調(diào)節(jié)模塊 模式調(diào)節(jié)模塊如圖4所示，該模塊實(shí)現(xiàn)根據(jù)模式按鍵MODE＿BUTTON所按次數(shù)的不同，進(jìn)行000至100循環(huán)計(jì)數(shù)，當(dāng)模式為000時(shí)進(jìn)行正常計(jì)時(shí)及調(diào)試，當(dāng)模式為001時(shí)實(shí)現(xiàn)路燈同步定時(shí)開關(guān)燈，當(dāng)模式為010時(shí)實(shí)現(xiàn)各支路分別定時(shí)開關(guān)燈，當(dāng)模式為011時(shí)實(shí)現(xiàn)光線亮暗控制開關(guān)燈，當(dāng)模式為100時(shí)實(shí)現(xiàn)交通狀況控制開關(guān)燈。調(diào)試啟動(dòng)鍵OPEN＿BUTTON實(shí)現(xiàn)在不同模式下根據(jù)功能要求啟動(dòng)相應(yīng)的設(shè)置。模塊中對(duì)啟動(dòng)鍵所按次數(shù)進(jìn)行從00至11循環(huán)計(jì)數(shù)。CLK0為秒脈沖信號(hào)，起消除按鍵抖動(dòng)的作用[3]。

圖3 模擬路燈控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖

2）正常時(shí)間計(jì)時(shí)及調(diào)試模塊 正常時(shí)間計(jì)時(shí)及調(diào)試模塊如圖5所示，該模塊在秒脈沖CLK0的作用下實(shí)現(xiàn)24h制的正常計(jì)時(shí)(小時(shí)、分鐘、秒），且在000模式下，利用分鐘增加按鍵INC＿M(jìn)INUTE和小時(shí)增加按鍵INC＿HOUR可以進(jìn)行分鐘和小時(shí)的調(diào)節(jié)。CLK1和CLK2是由CLK0分頻后產(chǎn)生的分鐘和小時(shí)的時(shí)鐘信號(hào)[4]。

圖4 模式調(diào)節(jié)模塊

圖5 正常時(shí)間計(jì)時(shí)及調(diào)試模塊

3）路燈同步定時(shí)開關(guān)燈模塊 該模塊在模式001時(shí)實(shí)現(xiàn)同步定時(shí)開關(guān)燈的功能，其輸入輸出信號(hào)較多，這里不給出模塊圖，其功能流程圖如圖6所示。

4）各支路路燈分別定時(shí)開關(guān)燈模塊 該模塊實(shí)現(xiàn)模式為010時(shí)且調(diào)試狀態(tài)為00和01兩種情況下對(duì)一條支路的路燈實(shí)現(xiàn)開關(guān)燈控制，在模式為010且調(diào)試狀態(tài)為10和11兩種情況下對(duì)另一條支路的路燈實(shí)現(xiàn)開關(guān)燈控制。具體調(diào)試方法與同步定時(shí)開關(guān)燈模塊相同。

5）光線控制模塊 光線控制模塊圖如圖7所示，該模塊在模式011時(shí)判斷光線采集信號(hào)的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)光線暗時(shí)開燈，光線亮?xí)r關(guān)燈的功能。

圖6 路燈同步定時(shí)開關(guān)燈模塊流程圖

6）交通狀況控制模塊 交通狀況控制模塊圖如圖8所示，該模塊在模式為100時(shí)由物體運(yùn)動(dòng)的方向和物體所處的位置控制燈的亮滅狀態(tài)。當(dāng)物體從燈LED1向燈LED2方向移動(dòng)時(shí)，LED1和LED2依次點(diǎn)亮，最后都熄滅；當(dāng)物體從燈LED2向燈LED1方向移動(dòng)時(shí)，LED2和LED1依次點(diǎn)亮，最后都熄滅。

7）譯碼顯示模塊 該模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)正常時(shí)間計(jì)時(shí)及調(diào)試模塊、同步定時(shí)開關(guān)燈模塊、支路路燈分別定時(shí)開關(guān)模塊中的時(shí)分秒時(shí)間信號(hào)、正在調(diào)試中的時(shí)鐘和分鐘信號(hào)、模式信號(hào)以及故障路燈編碼信號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描譯碼顯示，當(dāng)沒有進(jìn)行時(shí)間設(shè)置時(shí)，顯示正常計(jì)時(shí)時(shí)間，在進(jìn)行時(shí)間調(diào)試時(shí)，動(dòng)態(tài)顯示當(dāng)前調(diào)試時(shí)間，并顯示當(dāng)前所處的模式[5]。

8）路燈控制模塊 路燈控制模塊圖如圖9所示，該模塊實(shí)現(xiàn)在不同的模式下將不同控制模塊的路燈信號(hào)分別選擇輸出以驅(qū)動(dòng)外部路燈電路，根據(jù)外部路燈輸入的故障信號(hào)判斷路燈是否故障，且在故障時(shí)產(chǎn)生聲光報(bào)警的控制信號(hào)ring輸出和故障路燈編碼信號(hào)輸出。

圖7 光線控制模塊

圖8 交通狀況控制模塊

圖9 路燈控制模塊

3 頂層設(shè)計(jì)模塊

將前面各子模塊連接起來，構(gòu)成如圖10所示的頂層設(shè)計(jì)模塊圖。頂層設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)了各子模塊功能的實(shí)現(xiàn)，完整地實(shí)現(xiàn)了模擬路燈控制系統(tǒng)的所有功能。頂層模塊通過FPGA外接的輸入輸出端口信號(hào)說明如下：DIRECTION [1：0]為物體移動(dòng)方向信號(hào)端口，“01”表示右移，“10”表示左移；S1S2S3[2：0]為物體所處位置信號(hào)端口，有 “001”“010”“100”3種情況；Clk0為秒時(shí)鐘信號(hào)；CLKH為掃描時(shí)鐘信號(hào)；ENTER＿BUTTON為確認(rèn)按鍵；INC＿M(jìn)INUTE為分鐘調(diào)節(jié)增加鍵；INC＿HOUR為小時(shí)調(diào)節(jié)增加鍵；LIGHT為光線狀態(tài)信號(hào)，“0”表示光線亮，“1”表示光線暗；MODE＿BUTTON為模式選擇按鍵；OPEN＿BUTTON為啟動(dòng)按鍵；ERR0為路燈1故障控制信號(hào)；ERR1為路燈2故障控制信號(hào)；Ring為故障報(bào)警控制信號(hào)；LED1為路燈1控制信號(hào)；LED2為路燈2控制信號(hào)；LED [6：0]為七段數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

圖10 頂層設(shè)計(jì)模塊

4 仿真結(jié)果分析

圖11 模式調(diào)節(jié)模塊仿真波形圖

這里僅對(duì)部分子模塊的仿真波形圖和頂層模塊整體仿真波形圖進(jìn)行分析。圖11為模式調(diào)節(jié)模塊的仿真波形圖，從該圖中可看出，當(dāng)模式按鍵 MODE＿BUTTON每按下一次，模式MO加1計(jì)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)模式從1到4的循環(huán)變化。當(dāng)啟動(dòng)按鍵OPEN＿BUTTON每按下一次，時(shí)間調(diào)節(jié)TIME＿ADJUST加1計(jì)數(shù)。圖12為正常時(shí)間計(jì)時(shí)及調(diào)試模塊仿真波形圖，從該圖中可看出，在模式000時(shí)，小時(shí)和分鐘調(diào)節(jié)鍵沒有按下時(shí)(即INC＿HOUR和INC＿M(jìn)INUTE均為0時(shí)），時(shí)分秒正常計(jì)時(shí)，當(dāng)進(jìn)行時(shí)間調(diào)節(jié)時(shí)，小時(shí)和分鐘調(diào)節(jié)鍵每按下一次(即INC＿HOUR和INC＿M(jìn)INUTE分別為1時(shí)），小時(shí)和分鐘各增加1進(jìn)行時(shí)間調(diào)節(jié)。從圖13所示的頂層模塊整體仿真波形圖可看出，整個(gè)路燈系統(tǒng)控制完全符合設(shè)計(jì)要求。當(dāng)模式為011時(shí)路燈的狀態(tài)由光線的亮暗進(jìn)行控制，因LIGHT為1，光線暗，所以路燈LED1和LED2全開(即為1）；當(dāng)掃描時(shí)鐘被計(jì)數(shù)到110時(shí)，動(dòng)態(tài)顯示故障路燈的編號(hào)，當(dāng)前路燈無故障(即ERR0和ERR1均為0），故共陰極七段顯示器LED的七段gfedcba為0111111，顯示數(shù)字0；當(dāng)掃描時(shí)鐘被計(jì)數(shù)到111時(shí)，動(dòng)態(tài)顯示模式的編號(hào)，共陰極七段顯示器LED的七段gfedcba為1001111，顯示數(shù)字3；當(dāng)掃描時(shí)鐘被計(jì)數(shù)到000時(shí)，動(dòng)態(tài)顯示秒信號(hào)的個(gè)位，前一個(gè)狀態(tài)LED為1111111，顯示數(shù)字8，后一個(gè)000時(shí)對(duì)應(yīng)LED為1101111，顯示數(shù)字9，秒信號(hào)進(jìn)行了加1計(jì)數(shù)。

圖12 正常時(shí)間計(jì)時(shí)及調(diào)試模塊仿真波形圖

圖13 頂層模塊整體仿真波形圖

6 結(jié) 語

以FPGA為控制核心，介紹了FPGA實(shí)現(xiàn)模擬路燈控制系統(tǒng)的過程。經(jīng)過多次調(diào)試與仿真，該控制系統(tǒng)能夠根據(jù)不同的按鍵設(shè)置準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)正常的時(shí)間調(diào)整和顯示，能同時(shí)設(shè)定開關(guān)燈時(shí)間，各支路能分別設(shè)定開關(guān)燈時(shí)間，能根據(jù)環(huán)境明暗自動(dòng)開關(guān)燈，能根據(jù)交通情況自動(dòng)開關(guān)燈，且能顯示控制系統(tǒng)的當(dāng)前模式及故障路燈的編號(hào)，同時(shí)在路燈故障時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。采用FPGA純硬件控制，路燈控制更準(zhǔn)確及時(shí)且系統(tǒng)調(diào)試修改也非常方便。

[1]楊宇，曾謝華，譚可，等 ．模擬路燈控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) [J]．昆明冶金高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2011，20（1）：35-40．

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