SOPC实现模拟路灯控制系统

【摘要】本设计以Altera Cyclone II系列FPGA嵌入高性能的嵌入式IP核(Nios)处理器软核为核心，采用SOPC技术，使用光电开关作为转换检测装置，以光敏电阻来判断环境明暗变化，构建了模拟路灯控制系统。系统既能对支路整体控制也能对每只灯单独控制；当运动物体进入切换点灯光能准确及时地切换；可实现故障声光报警和故障路灯定位；系统特色如下：采用了FPGA模块，系统的可扩展性增强，实现路灯的了智能化、节能化控制，人性化的操作界面。

【关键词】SOPC；光电开关；恒流驱动电源；调光

1.总体方案设计

设计一套模拟路灯控制系统，能够控制多条支路的路灯开关，设定支路控制器，支路控制器有时钟功能，能设定、显示开关灯时间，控制整条支路按时开灯和关灯；能根据环境明暗变化，自动开灯和关灯，独立控制每条支路上的开关灯时间；能根据交通和环境自动调节亮灯状态，当有移动物体经过时候自动亮灯，超出灯的一定覆盖范围自动熄灯，不同路灯之间能够平滑切换；能够对监控路灯故障，发出报警信息。

方案设计如图1所示，采用可扩展性能和系统控制性能较强的FPGA器件作为核心，用可编程技术把整个系统的控制功能集中在一块芯片上，即SOPC可编程片上系统，在FPGA嵌入高性能的嵌入式IP核(Nios)处理器软核，通过模拟处理器，提供丰富的接口资源，直接连接时钟、键盘显示、转换点测量装置光电开关、光敏器件单元控制器等设备，整个系统灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。

由于FPGA控制容易实现，资源丰富，液晶显示准备采用128*64的模块，而且设置多级显示菜单，键盘采用4*4的行列式键盘，提高了人机交互的便捷性，使操作界面更加美观性。

在这个方案中Cyclone、数字电位器、电平转换、光电开关驱动、键盘显示等都属于支路控制器部分，可以根据路灯支路的多少进行增加或者减少；继电器、LED恒流源、比较器等属于单元控制器。

2.主要电路设计

①FPGA底层设计

首要任务就是用FPGA模拟处理器。在FPGA中我们定义了A/D采样模块、锁相环模块、CPU模块。

CPU模块是真个FPGA模拟的核心，加载在嵌入式IP软核，CPU模块下根据电路需求又定义了1个矩阵键盘模块、1个时钟模块、2个功率控制模块、2个故障告警模块、1个动态存储器模块；分别处理键盘输入、实时时钟、恒流源输出功率调节等。

从上面，我们知道如果需要更多的扩展路灯，在资源够用的情况下，在FPGA定义更多的功能模块就可以了，如所图2所示，所以说用FPGA方案具有良好的扩展性。

②LED恒流源调节电路

本设计采用FPGA，则在硬件电路方面的要求不高，我们利用LM324运放和三极管构成恒流源如图3所示。

来自FPGA的调节指令加在具有256个抽头的数字电位器MAX5402上，MAX5402两端最大有10KΩ电阻，通过串联20KΩ的电阻对5V进行分压，转换成为电压信号，不同的调节等级转换为不同的电压等级加在恒流源上，调节恒流源的输出功率。

LED_CS用于对LED灯进行抽样，送入电压比较器中比较，如果没有电压，说明LED灯故障，如果有电压而且到一定程度说明LED正常。

3.软件控制和人机交互

软件实现的功能如下：①控制切换过程；②时间设定；③测试状态显示；④故障报警判断、⑤环境判断、⑥人机交互等。

简要主控软件流程如图4所示。

为了方便操作，人机交互界面设计的非常人性化，液晶采用菜单式命令进入操作，方便快捷，用一个“灯”的图形变化显示标明路灯的工作状态，形象生动。

4.切换点控制流程

切换点控制流程如图5所示。

5.设计创新

本设计创新的设计了人性化人机交互界面，预留可扩展路灯端口，自制恒流源，可调光功能，灯运行状态显示，单元控制器具有调光功能，路灯驱动电源

输出功率能在规定时间按设定要求自动减小，该功率应能在20%～100%范围内设定并调节，调节误差≤2%。

参考文献

[1]吴继华.Altera FPGA/CPLD设计(基础篇)[M].人民邮电出版社,2005.

[2]周立功等.SOPC嵌入式系统基础教程[M].北京航空航天大学出版社.

[3]Nios II Software Developer’s Handbook ALTERA co.

作者简介：

赵阔，男，四川绵阳人，大学本科，重庆电子工程职业学院通信系讲师，主要研究方向：移动通信系统网络优化，发表专业论文多篇且主编教材多部，主研科研课题多项。

代才莉，女，吉林延边人，重庆大学通信与信息系统专业博士，重庆电子工程职业学院通信系讲师，主要研究方向：第三代移动通信系统，发表专业论文多篇且主编教材多部，主研和主持科研课题多项。