陳初俠 袁 濤 曾奧運(yùn) 蔣光好

（巢湖學(xué)院機(jī)械與電子工程學(xué)院 安徽巢湖 238000）

近些年來，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人民的消費(fèi)水平不斷提高，汽車數(shù)量也是逐年增長，隨之帶來的汽車安全問題也越受到人民的關(guān)注。速度作為汽車行駛過程中重要的指標(biāo)參數(shù)，因此汽車速度表的設(shè)計也被要求更精確，更快速，更靈敏。

傳統(tǒng)的汽車速度表是利用變速器或分動器的輸出軸帶動儀表中指針顯示汽車速度，這種機(jī)械結(jié)構(gòu)方式顯示出的速度會有較大的誤差。基于EDA技術(shù)設(shè)計的汽車速度表，以其價格便宜、安全可靠、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，而受到人們的普遍關(guān)注[1-3]。本文以現(xiàn)場可編程邏輯器件(FPGA)為設(shè)計載體，以硬件描述語言(VHDL)為主要表達(dá)方式，以QuartusⅡ開發(fā)軟件和ZY11EDA13BE開發(fā)系統(tǒng)為設(shè)計工具設(shè)計的汽車速度表[1-3]，能夠?qū)崿F(xiàn)速度的精確顯示和超速報警功能，完全滿足汽車速度表的設(shè)計要求。

一、汽車速度表的功能和整體結(jié)構(gòu)

（一）汽車速度表的主要功能。這里所設(shè)計的汽車速度表具有以下功能：1.能顯示汽車的速度，單位是km/h；2.速度用數(shù)碼管顯示，且要精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位；3.顯示的最高時速為360km/h，超過此速度會出現(xiàn)報警；4.速度采樣周期為10秒。

為了設(shè)計簡化，在設(shè)計過程中，假設(shè)車輪每轉(zhuǎn)一圈，有一傳感脈沖，每轉(zhuǎn)一圈代表1m的距離。

（二）汽車速度表的整體結(jié)構(gòu)。汽車速度表的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中虛線框內(nèi)部是需要設(shè)計的部分，它包括分頻器模塊、計數(shù)器模塊、單位轉(zhuǎn)換模塊、譯碼顯示器模塊。

圖1 汽車速度表的整體結(jié)構(gòu)圖

二、汽車速度表的設(shè)計

汽車速度表的設(shè)計是采用層次化的設(shè)計方法來進(jìn)行，分底層各模塊電路的設(shè)計和頂層電路的設(shè)計。

（一）底層電路的設(shè)計。底層電路有四個電路模塊，分別是分頻器電路模塊、計數(shù)器電路模塊、單位轉(zhuǎn)換電路模塊和數(shù)碼管譯碼顯示電路模塊，他們都通過VHDL語言進(jìn)行設(shè)計。

1.分頻器電路模塊。該模塊的功能是由基準(zhǔn)時鐘分頻出兩個周期信號，其仿真波形如圖2所示。clk_1hz為頻率為1hz的基準(zhǔn)時鐘，clr和en為被分頻出的周期為12秒的信號，他們的占空比不一致，都為后面的計數(shù)器電路模塊服務(wù)。

圖2 分頻器電路模塊仿真波形

2.計數(shù)器電路模塊。該模塊的功能是對輸入的車輪脈沖個數(shù)進(jìn)行計數(shù)，其仿真波形如圖3所示。clk為傳感器感應(yīng)的車輪脈沖信號；count為10秒鐘內(nèi)對車輪脈沖個數(shù)的計數(shù)結(jié)果；speak為脈沖計數(shù)超過一定值時（比如1000）的報警信號，高電平有效。

圖3 計數(shù)器電路模塊仿真波形

當(dāng)en=“0”時，計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)工作；當(dāng)en為上升沿時，計數(shù)結(jié)束并把計數(shù)結(jié)果傳輸給輸出信號count。由圖2可知en的周期為12秒，處于“0”的時間剛好為10秒，所以計數(shù)是在10秒鐘內(nèi)對車輪的脈沖個數(shù)進(jìn)行計數(shù)。當(dāng)clr=“1”時，對計數(shù)結(jié)果進(jìn)行清零操作；當(dāng)clr=“1”時，不對計數(shù)結(jié)果進(jìn)行清零。

3.單位轉(zhuǎn)換電路模塊。該模塊的功能是進(jìn)行單位轉(zhuǎn)換，把m/s轉(zhuǎn)換成km/h，其仿真波形如圖4所示。例如，當(dāng)在10秒鐘內(nèi)的計數(shù)結(jié)果為832時（一個脈沖為1m），即10秒鐘內(nèi)車輪跑了832m，速度為83.2m/s。轉(zhuǎn)換為km/h后其數(shù)值應(yīng)為83.2×3.6=299.52，從波形圖可以看出，理論值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果剛好吻合。

圖4 單位轉(zhuǎn)換電路模塊仿真波形

4.數(shù)碼管譯碼顯示電路模塊。該模塊的功能是把轉(zhuǎn)換為km/h的速度值通過數(shù)碼管顯示出來，其仿真波形如圖5所示。這里采用動態(tài)的方式進(jìn)行顯示，數(shù)碼管是“共陰極”結(jié)構(gòu)。

輸入信號clk_32768hz是頻率為32768hz的掃描信號，即每秒鐘數(shù)碼管依次亮滅32768次。由于掃描頻率過高，人的視覺有暫留現(xiàn)象，所以看上去所有的數(shù)碼管都是一直亮著的。信號 e、d、c、b、a為速度值，圖示值為 358.64km/h。

輸出信號sel為數(shù)碼管掃描片選信號，當(dāng)sel=“0”時，最右邊的數(shù)碼管點(diǎn)亮，此時應(yīng)顯示“4”，以此類推，當(dāng) sel=“4”時，最左邊的數(shù)碼管點(diǎn)亮，此時應(yīng)顯示“3”。gg、ff、ee、dd、cc、bb、aa為數(shù)碼管的 7段，hh為小數(shù)點(diǎn)。例如，要顯示“8.”，則片選信號 sel應(yīng)等于“2”，hh、gg、ff、ee、dd、cc、bb、aa全部為高電平，由圖5可以看出，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果剛好吻合。

圖5 數(shù)碼管譯碼顯示電路模塊仿真波形

（二）頂層電路的設(shè)計。頂層電路設(shè)計采用原理圖輸入方式，通過調(diào)用生成的各底層電路模塊符號，并將他們做適當(dāng)連接以實(shí)現(xiàn)頂層文件的設(shè)計[4]，電路如圖6所示。

圖6 汽車速度

圖6中，clk_1hz為基準(zhǔn)時鐘、clk為車輪脈沖信號、clk_32768hz為數(shù)碼管掃描時鐘信號；speak為超速報警信號，sel為數(shù)碼管掃描片選信號，aa、bb、cc、dd、ee、ff、gg、hh 為數(shù)碼管顯示輸出。

三、汽車速度表的硬件驗(yàn)證

本設(shè)計選用湖北眾友科技實(shí)業(yè)股份有限公司生產(chǎn)的ZY11EDA13BE實(shí)驗(yàn)箱作為硬件驗(yàn)證平臺，同時選用Altera公司的EP1K30QC208-2作為主控芯片。該芯片是一種基于查找表結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場可編程邏輯器件，它的基本邏輯單元是可編程的查找表，能夠?qū)崿F(xiàn)組合邏輯運(yùn)算,并可用可編程寄存器實(shí)現(xiàn)時序邏輯運(yùn)算[1-3]。因此，只要對汽車速度表頂層文件的輸入輸出引腳進(jìn)行鎖定，然后重新編譯和下載，就可以進(jìn)行汽車速度表的硬件驗(yàn)證。

硬件驗(yàn)證結(jié)果如圖 7 所示，圖（a）、（b）、（c）、（d）顯示的速度分別為 7.20km/h、57.60km/h、230.40km/h、460.80km/h，其中顯示速度為460.80km/h時，右下方出現(xiàn)一個紅色報警。實(shí)驗(yàn)表明：所設(shè)計的汽車速度表精度到達(dá)小數(shù)點(diǎn)后兩位，并且當(dāng)速度高于360km/h時會出現(xiàn)報警，基本實(shí)現(xiàn)了汽車速度表的全部功能。

圖7 汽車速度表的硬件實(shí)現(xiàn)

四、結(jié)語

本文采用EDA技術(shù)“自上而下”層次化設(shè)計方法設(shè)計汽車速度表，即從汽車速度表整體系統(tǒng)功能出發(fā)，將系統(tǒng)分解為各功能模塊，每個功能模塊分別由VHDL語言進(jìn)行設(shè)計并通過仿真測試，生成元件符號以實(shí)現(xiàn)底層電路設(shè)計[4]；頂層電路采用原理圖輸入方式進(jìn)行，通過調(diào)用各底層電路模塊符號元件，并將他們做適當(dāng)連接以實(shí)現(xiàn)頂層文件的設(shè)計。最終將設(shè)計好的頂層電路下載到EDA實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，本設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)所要求的全部功能。同時，底層電路采用VHDL語言進(jìn)行設(shè)計，提高了系統(tǒng)可移植性，維護(hù)和升級也比較方便。另外核心芯片內(nèi)部設(shè)計電路，減少器件使用數(shù)量縮減了系統(tǒng)體積，避免高密度復(fù)雜連線，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性[4]。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉凱,王紅航.出租車計費(fèi)器的EDA設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].電子元器件應(yīng)用,2010(7):69-71.

[2]王紅航,張華斌.電子密碼鎖的EDA設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].電子元器件應(yīng)用,2009(6):35-37.

[3]劉凱,王紅航.電子搶答器的EDA設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].電子元器件應(yīng)用,2010(8):54-57.

[4]李響,何東鋼,李昕欣,等.出租車計價裝置分層次設(shè)計的優(yōu)化研究[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué),2016,19(1):62-65.