基于FPGA的汽車信號燈控制器設計

摘要：為了解決傳統汽車信號燈控制器常采用單片機等控制芯片所具有的系統外圍電路復雜、程序修改不靈活等缺點，本文設計了基于FPGA技術為核心的汽車信號燈控制器，利用VHDL硬件描述語言，通過Quartus II軟件，完成汽車信號燈控制系統的設計，經過仿真和驗證的結果表明，該設計方法切實可行，具有一定的實際應用性。

關鍵詞：汽車信號燈 控制器 FPGA

1 概述

汽車作為一種重要的交通工具，人們從沒有停止對它的各方面的研究。對于汽車來說，信號燈是協調交通，避免事故的一個最好的方法。傳統的汽車信號燈控制器設計已經有很多特點，但其電路較復雜且功能較單一，在處理復雜的問題方面還是不盡如人意。本文設計了基于FPGA技術為核心的汽車信號燈控制器，具有停靠計時等功能。該系統外圍電路簡單，集成化程度高，采用VHDL語言編程，用軟件的方式設計硬件，靈活性好，方便以后的產品升級，在未來的優化中，也可以很方便地在現有的設計中修改或增加功能。

2 系統的總體設計

以FPGA為系統的控制核心，以模擬開關控制電路、LED信號燈顯示、數碼顯示電路、電源電路等電路模塊為外圍硬件，以實現FPGA控制器實現模擬汽車左轉彎、右轉彎、剎車、變速器掛檔、停車計時等功能。當汽車轉彎、剎車、倒車、停靠時，信號燈發出不同的指示信號；汽車停靠時，能顯示停靠計時功能。該控制器實現要求：當汽車左轉彎時，左頭燈、左尾燈閃爍，平常為熄滅狀態；右轉彎時，右頭燈、右尾燈閃爍，平常為熄滅狀態；當踩下制動踏板時，左右尾燈（剎車燈紅色）亮，松開制動踏板時，剎車燈熄滅；當變速器掛倒檔時，左右尾燈（倒車燈白色）亮，平常情況下，倒車燈滅；汽車停靠計時功能。

3 硬件電路設計

硬件電路包括FPGA最小系統、復位電路、模擬開關控制電路、信號燈顯示電路、停靠計時電路、FPGA各組電源電路等部分組成。

3.1 模擬開關控制電路的設計

模擬開關控制電路是5個獨立的按鍵模擬汽車左轉、右轉、倒車、剎車、停車的控制開關。開關接口P2直接連接到FPGA的I/O口，S1、S2、S3、S4、S5按鍵分別模擬汽車左轉彎、右轉彎、剎車、倒車、停車的控制開關。

3.2 信號燈顯示電路的設計

信號燈顯示電路由4組LED燈D2-D9構成，各組分別表示為汽車左轉、右轉、倒車、剎車的相應指示燈。各組LED燈經三極管連接P3接口連接至FPGA對應的I/O口，當無模擬開關按鍵按下時，程序控制I/O口為低電平時，三極管截止，指示燈熄滅，表示未有相應的指示；當模擬開關按下時程序控制I/O口為高電平時，三極管導通，進入飽和區，對應指示燈亮，表示汽車信號完成相應的指示。

3.3 停靠計時電路的設計

停靠計時電路由四位7段數碼管分別顯示停靠時間。接口P1連接FPGA的對應I/O口，接口P1的1-4管腳為數碼管的位選信號，5-11管腳為數碼管的段選信號，被選通的數碼管顯示數據，其余關閉。

3.4 整體硬件電路設計

整體硬件電路如圖1所示。整個系統包括電源電路、FPGA最小系統、模擬開關控制電路、信號燈顯示電路、停靠計時電路等。系統的電源用1085穩壓塊提供的3.3V和1117穩壓塊提供的1.2V電源提供。

4 系統軟件設計及仿真、調試

4.1 分頻器的軟件設計

本系統的1KHz和1Hz頻率的時鐘是由系統50MHz時鐘分頻而來的，系統時鐘先分別經過一個100Hz和500Hz的分頻器分頻成1KHz的時鐘，再經過一個1000Hz的分頻器得到1Hz的時鐘。1KHz主要提供給按鍵掃描和4位數碼管動態顯示用，1Hz主要提供給數碼管計時和LED提示燈閃爍用。

4.2 模擬開關控制電路和汽車信號指示燈的軟件設計

當模擬開關控制鍵被按下時，表示控制相應的汽車信號燈，首先判斷是哪個開關按下，然后讓對應指示燈做相應動作。軟件流程圖和仿真波形如圖2所示。

模擬開關控制輸入key_dao、key_sha、key_you、key_

zuo分別代表汽車倒檔、剎車、左轉、右轉信號。led_dao、led_sha、led_you、led_zuo分別代表汽車的倒車燈、剎車燈、左轉燈、右轉燈。

4.3 停靠計時電路軟件設計

當系統檢測到汽車停靠信號時，計時器開始計時，直到檢測到汽車停止停靠信號，計時結束，等待進入下一次停靠計時。計數器1Hz的信號由FPGA的時鐘50M分頻產生。停靠計時電路軟件設計流程圖及仿真波形如圖3所示。

5 結束語

本系統是采用基于FPGA的技術來實現汽車信號燈控制器的基本功能，運用先進的QUARTUS Ⅱ軟件和VHDL硬件描述語言，大大簡化了硬件設計任務，提高了設計效率和可靠性，讓汽車信號燈控制器功能更加完善，而且處理速度更快、實時性能更好。

參考文獻：

[1]潘松，黃繼業.EDA技術實用教程[M].北京：科學出版社，2002.11-13.

[2]崔憲普，崔治.基于51型單片機汽車信號燈控制系統的設計[J].中國高新技術企業，2011年第01期.

[3]黃智偉.FPGA系統設計與實踐[M].北京：電子工業出版社，2005.122-143.

作者簡介：

吳強（1983-），男，江西寧都人，碩士研究生，講師。