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)計方法很多，可以采用PLC為控制單元實現(xiàn)整個控制，也可以利用單片機(jī)實現(xiàn)整個模擬路燈控制系統(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、運算處理方便、功能擴(kuò)展容易等特點，為此，筆者基于純硬件FPGA器件實現(xiàn)了一個模擬路燈系統(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支路控制器有時鐘功能，能設(shè)定、顯示開關(guān)燈時間，并控制整條支路按時開燈和關(guān)燈。②支路控制器應(yīng)能根據(jù)環(huán)境明暗變化，自動開燈和關(guān)燈。③支路控制器應(yīng)能根據(jù)交通情況自動調(diào)節(jié)亮燈狀態(tài)：當(dāng)可移動物體M（在物體前端標(biāo)出定位點，由定位點確定物體位置）由左至右到達(dá)S點時（見圖2），燈1亮；當(dāng)物體M到達(dá)B點時，燈1滅，燈2亮；若物體M由右至左移動時，則亮燈次序與上相反。④支路控制器能分別獨立控制每只路燈的開燈和關(guān)燈時間。⑤當(dāng)路燈出現(xiàn)故障時(燈不亮），支路控制器應(yīng)發(fā)出聲光報警信號，并顯示有故障路燈的地址編號[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)計要求，采用FPGA作為控制單元的模擬路燈系統(tǒng)整體設(shè)計框圖如圖3所示。

系統(tǒng)的外圍電路主要包括光線信號采集部分、位置信號采集部分、按鍵輸入部分、路燈指示及故障檢測電路、聲光報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)燈時間控制路燈的開關(guān)，并將當(dāng)前的時間和模式顯示出來。同時由路燈指示電路中路燈的故障輸出信號控制聲光報警電路利用聲音和燈光進(jìn)行報警提示[2]。

2 FPGA控制電路中各模塊設(shè)計

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)計數(shù)，當(dāng)模式為000時進(jìn)行正常計時及調(diào)試，當(dāng)模式為001時實現(xiàn)路燈同步定時開關(guān)燈，當(dāng)模式為010時實現(xiàn)各支路分別定時開關(guān)燈，當(dāng)模式為011時實現(xiàn)光線亮暗控制開關(guān)燈，當(dāng)模式為100時實現(xiàn)交通狀況控制開關(guān)燈。調(diào)試啟動鍵OPEN＿BUTTON實現(xiàn)在不同模式下根據(jù)功能要求啟動相應(yīng)的設(shè)置。模塊中對啟動鍵所按次數(shù)進(jìn)行從00至11循環(huán)計數(shù)。CLK0為秒脈沖信號，起消除按鍵抖動的作用[3]。

圖3 模擬路燈控制系統(tǒng)整體設(shè)計框圖

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

圖4 模式調(diào)節(jié)模塊

圖5 正常時間計時及調(diào)試模塊

3）路燈同步定時開關(guān)燈模塊 該模塊在模式001時實現(xiàn)同步定時開關(guān)燈的功能，其輸入輸出信號較多，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開關(guān)燈模塊 該模塊實現(xiàn)模式為010時且調(diào)試狀態(tài)為00和01兩種情況下對一條支路的路燈實現(xiàn)開關(guān)燈控制，在模式為010且調(diào)試狀態(tài)為10和11兩種情況下對另一條支路的路燈實現(xiàn)開關(guān)燈控制。具體調(diào)試方法與同步定時開關(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時判斷光線采集信號的狀態(tài)，實現(xiàn)光線暗時開燈，光線亮?xí)r關(guān)燈的功能。

圖6 路燈同步定時開關(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時由物體運動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方向移動時，LED1和LED2依次點亮，最后都熄滅；當(dāng)物體從燈LED2向燈LED1方向移動時，LED2和LED1依次點亮，最后都熄滅。

7）譯碼顯示模塊 該模塊實現(xiàn)對正常時間計時及調(diào)試模塊、同步定時開關(guān)燈模塊、支路路燈分別定時開關(guān)模塊中的時分秒時間信號、正在調(diào)試中的時鐘和分鐘信號、模式信號以及故障路燈編碼信號進(jìn)行動態(tài)掃描譯碼顯示，當(dāng)沒有進(jìn)行時間設(shè)置時，顯示正常計時時間，在進(jìn)行時間調(diào)試時，動態(tài)顯示當(dāng)前調(diào)試時間，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，該模塊實現(xiàn)在不同的模式下將不同控制模塊的路燈信號分別選擇輸出以驅(qū)動外部路燈電路，根據(jù)外部路燈輸入的故障信號判斷路燈是否故障，且在故障時產(chǎn)生聲光報警的控制信號ring輸出和故障路燈編碼信號輸出。

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)計模塊圖。頂層設(shè)計協(xié)調(diào)了各子模塊功能的實現(xiàn)，完整地實現(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說明如下：DIRECTION [1：0]為物體移動方向信號端口，“01”表示右移，“10”表示左移；S1S2S3[2：0]為物體所處位置信號端口，有 “001”“010”“100”3種情況；Clk0為秒時鐘信號；CLKH為掃描時鐘信號；ENTER＿BUTTON為確認(rèn)按鍵；INC＿M(jìn)INUTE為分鐘調(diào)節(jié)增加鍵；INC＿HOUR為小時調(diào)節(jié)增加鍵；LIGHT為光線狀態(tài)信號，“0”表示光線亮，“1”表示光線暗；MODE＿BUTTON為模式選擇按鍵；OPEN＿BUTTON為啟動按鍵；ERR0為路燈1故障控制信號；ERR1為路燈2故障控制信號；Ring為故障報警控制信號；LED1為路燈1控制信號；LED2為路燈2控制信號；LED [6：0]為七段數(shù)碼管驅(qū)動信號。

圖10 頂層設(shè)計模塊

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計數(shù)，從而實現(xiàn)模式從1到4的循環(huán)變化。當(dāng)啟動按鍵OPEN＿BUTTON每按下一次，時間調(diào)節(jié)TIME＿ADJUST加1計數(shù)。圖12為正常時間計時及調(diào)試模塊仿真波形圖，從該圖中可看出，在模式000時，小時和分鐘調(diào)節(jié)鍵沒有按下時(即INC＿HOUR和INC＿M(jìn)INUTE均為0時），時分秒正常計時，當(dāng)進(jìn)行時間調(diào)節(jié)時，小時和分鐘調(diào)節(jié)鍵每按下一次(即INC＿HOUR和INC＿M(jìn)INUTE分別為1時），小時和分鐘各增加1進(jìn)行時間調(diào)節(jié)。從圖13所示的頂層模塊整體仿真波形圖可看出，整個路燈系統(tǒng)控制完全符合設(shè)計要求。當(dāng)模式為011時路燈的狀態(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)掃描時鐘被計數(shù)到110時，動態(tài)顯示故障路燈的編號，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)掃描時鐘被計數(shù)到111時，動態(tài)顯示模式的編號，共陰極七段顯示器LED的七段gfedcba為1001111，顯示數(shù)字3；當(dāng)掃描時鐘被計數(shù)到000時，動態(tài)顯示秒信號的個位，前一個狀態(tài)LED為1111111，顯示數(shù)字8，后一個000時對應(yīng)LED為1101111，顯示數(shù)字9，秒信號進(jìn)行了加1計數(shù)。

圖12 正常時間計時及調(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)確地實現(xiàn)正常的時間調(diào)整和顯示，能同時設(shè)定開關(guān)燈時間，各支路能分別設(shè)定開關(guān)燈時間，能根據(jù)環(huán)境明暗自動開關(guān)燈，能根據(jù)交通情況自動開關(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，同時在路燈故障時發(fā)出報警信號。采用FPGA純硬件控制，路燈控制更準(zhǔn)確及時且系統(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 [J]．昆明冶金高等?？茖W(xué)校學(xué)報，2011，20（1）：35-40．

[2]錢海月，王海浩，王海洋 ．模擬路燈控制系統(tǒng)設(shè)計 [J]．寧夏工程技術(shù)，2011，10（1）：20-24．

[3]黃智偉．FPGA系統(tǒng)設(shè)計與實踐 [M]．北京：電子工業(yè)出版社，2007．

[4]康華光 ．電子技術(shù)基礎(chǔ)(數(shù)字部分）[M]．第5版 ．北京：高等教育出版社，2006．

[5]劉韜，樓興華．FPGA數(shù)字電子系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)實例導(dǎo)航 [M]．北京：人民郵電出版社，2005．