基于FPGA的汽车信号灯控制器设计

摘要：为了解决传统汽车信号灯控制器常采用单片机等控制芯片所具有的系统电路复杂、程序修改不灵活等缺点，本文设计了基于FPGA技术为核心的汽车信号灯控制器，利用VHDL硬件描述语言，通过Quartus II软件，完成汽车信号灯控制系统的设计，经过仿真和验证的结果表明，该设计方法切实可行，具有一定的实际应用性。

关键词：汽车信号灯 控制器 FPGA

1 概述

汽车作为一种重要的交通工具，人们从没有停止对它的各方面的研究。对于汽车来说，信号灯是协调交通，避免事故的一个最好的方法。传统的汽车信号灯控制器设计已经有很多特点，但其电路较复杂且功能较单一，在处理复杂的问题方面还是不尽如人意。本文设计了基于FPGA技术为核心的汽车信号灯控制器，具有停靠计时等功能。该系统电路简单，集成化程度高，采用VHDL语言编程，用软件的方式设计硬件，灵活性好，方便以后的产品升级，在未来的优化中，也可以很方便地在现有的设计中修改或增加功能。

2 系统的总体设计

以FPGA为系统的控制核心，以模拟开关控制电路、LED信号灯显示、数码显示电路、电源电路等电路模块为硬件，以实现FPGA控制器实现模拟汽车左转弯、右转弯、刹车、变速器挂档、停车计时等功能。当汽车转弯、刹车、倒车、停靠时，信号灯发出不同的指示信号；汽车停靠时，能显示停靠计时功能。该控制器实现要求：当汽车左转弯时，左头灯、左尾灯闪烁，平常为熄灭状态；右转弯时，右头灯、右尾灯闪烁，平常为熄灭状态；当踩下制动踏板时，左右尾灯（刹车灯红色）亮，松开制动踏板时，刹车灯熄灭；当变速器挂倒档时，左右尾灯（倒车灯白色）亮，平常情况下，倒车灯灭；汽车停靠计时功能。

3 硬件电路设计

硬件电路包括FPGA最小系统、复位电路、模拟开关控制电路、信号灯显示电路、停靠计时电路、FPGA各组电源电路等部分组成。

3.1 模拟开关控制电路的设计

模拟开关控制电路是5个独立的按键模拟汽车左转、右转、倒车、刹车、停车的控制开关。开关接口P2直接连接到FPGA的I/O口，S1、S2、S3、S4、S5按键分别模拟汽车左转弯、右转弯、刹车、倒车、停车的控制开关。

3.2 信号灯显示电路的设计

信号灯显示电路由4组LED灯D2-D9构成，各组分别表示为汽车左转、右转、倒车、刹车的相应指示灯。各组LED灯经三极管连接P3接口连接至FPGA对应的I/O口，当无模拟开关按键按下时，程序控制I/O口为低电平时，三极管截止，指示灯熄灭，表示未有相应的指示；当模拟开关按下时程序控制I/O口为高电平时，三极管导通，进入饱和区，对应指示灯亮，表示汽车信号完成相应的指示。

3.3 停靠计时电路的设计

停靠计时电路由四位7段数码管分别显示停靠时间。接口P1连接FPGA的对应I/O口，接口P1的1-4管脚为数码管的位选信号，5-11管脚为数码管的段选信号，被选通的数码管显示数据，其余关闭。

3.4 整体硬件电路设计

整体硬件电路如图1所示。整个系统包括电源电路、FPGA最小系统、模拟开关控制电路、信号灯显示电路、停靠计时电路等。系统的电源用1085稳压块提供的3.3V和1117稳压块提供的1.2V电源提供。

4 系统软件设计及仿真、调试

4.1 分频器的软件设计

本系统的1KHz和1Hz频率的时钟是由系统50MHz时钟分频而来的，系统时钟先分别经过一个100Hz和500Hz的分频器分频成1KHz的时钟，再经过一个1000Hz的分频器得到1Hz的时钟。1KHz主要提供给按键扫描和4位数码管动态显示用，1Hz主要提供给数码管计时和LED提示灯闪烁用。

4.2 模拟开关控制电路和汽车信号指示灯的软件设计

当模拟开关控制键被按下时，表示控制相应的汽车信号灯，首先判断是哪个开关按下，然后让对应指示灯做相应动作。软件流程图和仿真波形如图2所示。

模拟开关控制输入key_dao、key_sha、key_you、key_

zuo分别代表汽车倒档、刹车、左转、右转信号。led_dao、led_sha、led_you、led_zuo分别代表汽车的倒车灯、刹车灯、左转灯、右转灯。

4.3 停靠计时电路软件设计

当系统检测到汽车停靠信号时，计时器开始计时，直到检测到汽车停止停靠信号，计时结束，等待进入下一次停靠计时。计数器1Hz的信号由FPGA的时钟50M分频产生。停靠计时电路软件设计流程图及仿真波形如图3所示。

5 结束语

本系统是采用基于FPGA的技术来实现汽车信号灯控制器的基本功能，运用先进的QUARTUS Ⅱ软件和VHDL硬件描述语言，大大简化了硬件设计任务，提高了设计效率和可靠性，让汽车信号灯控制器功能更加完善，而且处理速度更快、实时性能更好。

参考文献：

[1]潘松，黄继业.EDA技术实用教程[M].北京：科学出版社，2002.11-13.

[2]崔宪普，崔治.基于51型单片机汽车信号灯控制系统的设计[J].中国高新技术企业，2011年第01期.

[3]黄智伟.FPGA系统设计与实践[M].北京：电子工业出版社，2005.122-143.

作者简介：

吴强（1983-），男，江西宁都人，硕士研究生，讲师。