王 超

(唐山學(xué)院 智能與信息工程學(xué)院，河北 唐山 063000)

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基于FPGA的汽車尾燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王 超

(唐山學(xué)院 智能與信息工程學(xué)院，河北 唐山 063000)

提出了一種基于FPGA的汽車尾燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)主要包括上位機(jī)模塊、主控模塊、時(shí)鐘分頻模塊、左側(cè)尾燈控制模塊、右側(cè)尾燈控制模塊和顯示模塊。上位機(jī)模塊是通過(guò)LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn)的，采用硬件描述語(yǔ)言VHDL實(shí)現(xiàn)了汽車的左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、剎車以及夜間行駛功能。硬件測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的汽車尾燈控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)交互界面、指示燈與顯示屏的同步顯示，并且具有操作簡(jiǎn)單、安全性高、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

汽車尾燈控制系統(tǒng)；現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列；LabVIEW；硬件描述語(yǔ)言

0 引言

汽車尾燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法有多種，如包含振蕩電路、三進(jìn)制計(jì)數(shù)器和開(kāi)關(guān)控制電路等的電路設(shè)計(jì)方法，以及基于Multisum或單片機(jī)等技術(shù)的設(shè)計(jì)方法[1-3]，這些方法雖然具有自身的優(yōu)勢(shì)，如可便捷地在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)電路、進(jìn)行仿真，硬件電路的搭建方便簡(jiǎn)單，編程較直接，并且可重復(fù)擦除修改，但是也存在諸如需要的芯片較多，成本高，使用多種控制電路，實(shí)現(xiàn)的方法繁雜、不靈活，調(diào)試不方便，不能任意定義各種狀態(tài)，電路的可靠性、可擴(kuò)展性不高等缺點(diǎn)[4]。而采用FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，field programmable gate array，F(xiàn)PGA)實(shí)現(xiàn)汽車尾燈控制系統(tǒng)可以有效地解決上述問(wèn)題。

FPGA的優(yōu)點(diǎn)在于使用軟件編程的方法來(lái)設(shè)計(jì)硬件電路，所有算法完全由硬件電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)由于FPGA具有現(xiàn)場(chǎng)可編程功能，因此根據(jù)需求，只要改變代碼即可改變硬件電路結(jié)構(gòu)，然后通過(guò)下載電纜將代碼傳送到FPGA芯片中，而不需要改變外圍電路的設(shè)計(jì)[5-6]，這樣不僅能增強(qiáng)所設(shè)計(jì)的汽車尾燈控制系統(tǒng)的安全性和可靠性，同時(shí)也會(huì)使其具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性。

1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)方案中的汽車尾燈控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)模塊、主控模塊、時(shí)鐘分頻模塊、左側(cè)尾燈控制模塊、右側(cè)尾燈控制模塊和顯示模塊組成，其中主控模塊、時(shí)鐘分頻模塊、左側(cè)尾燈控制模塊、右側(cè)尾燈控制模塊和顯示模塊是通過(guò)采用硬件描述語(yǔ)言VHDL編程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)

2.1 上位機(jī)模塊設(shè)計(jì)

上位機(jī)模塊采用LabVIEW軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要由波特率產(chǎn)生模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊和PC端同步顯示模塊組成[7]，其程序流程圖如圖2所示。通過(guò)PC端上的人機(jī)交互界面來(lái)進(jìn)行汽車尾燈控制系統(tǒng)的智能化操作，對(duì)其發(fā)出命令，然后通過(guò)串口通信將命令傳送給汽車尾燈的主控模塊，主控模塊再對(duì)數(shù)據(jù)做出判斷和處理。通過(guò)上位機(jī)的顯示可以判斷FPGA是否按照設(shè)計(jì)要求工作，同時(shí)也能夠更好地對(duì)汽車行駛狀態(tài)進(jìn)行掌控。實(shí)現(xiàn)的上位機(jī)交互界面如圖3所示。

圖2 LabVIEW程序流程圖

圖3 上位機(jī)交互界面

2.2 主控模塊設(shè)計(jì)

主控模塊是在接收到上位機(jī)傳送來(lái)的指令后，對(duì)其發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，然后將分析結(jié)果發(fā)送給左/右側(cè)尾燈控制模塊，來(lái)控制汽車的行駛狀態(tài)。

2.3 左/右側(cè)尾燈控制模塊設(shè)計(jì)

左/右側(cè)尾燈控制模塊分別用來(lái)控制左/右側(cè)汽車尾燈中3個(gè)尾燈的亮、滅。例如，當(dāng)左側(cè)尾燈控制模塊接收到汽車尾燈主控模塊發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)后進(jìn)行判斷，若接收到左轉(zhuǎn)向的信號(hào)，那么左轉(zhuǎn)向信號(hào)尾燈變亮；若接收到剎車信號(hào)，那么左側(cè)剎車信號(hào)尾燈變亮；若接收到夜間行駛的信號(hào)，那么左側(cè)夜間行駛信號(hào)尾燈變亮；若同時(shí)接收到左轉(zhuǎn)向和右轉(zhuǎn)向的信號(hào)，那么左轉(zhuǎn)向信號(hào)尾燈保持不亮的狀態(tài)。

2.4 時(shí)鐘分頻模塊設(shè)計(jì)

時(shí)鐘分頻模塊主要用于尾燈的閃爍控制，首先定義一個(gè)8位的標(biāo)準(zhǔn)邏輯位矢量數(shù)據(jù)類型，用于時(shí)鐘上升沿的累加，將8位的標(biāo)準(zhǔn)邏輯位矢量數(shù)據(jù)的第5位作為汽車尾燈閃爍觸發(fā)信號(hào)輸出。

2.5 顯示模塊設(shè)計(jì)

顯示模塊主要是用于顯示汽車當(dāng)前的行駛狀態(tài)，因此選用的是字符型顯示屏LCD1602。先找到和顯示屏對(duì)應(yīng)的顯示RAM區(qū)的8個(gè)字節(jié)，使每個(gè)字節(jié)的不同位用高電平顯示，點(diǎn)亮，其他的為低電平，不亮，這樣即可以組成一個(gè)字符[8]。

3 系統(tǒng)功能仿真與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)功能仿真

將主控模塊、左側(cè)尾燈控制模塊、右側(cè)尾燈控制模塊和時(shí)鐘分頻模塊進(jìn)行元件例化，得到的汽車尾燈控制系統(tǒng)仿真波形如圖4所示。從圖4中可以看出，設(shè)計(jì)的汽車尾燈控制系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了左轉(zhuǎn)向、右轉(zhuǎn)向以及剎車等功能。

圖4 汽車尾燈控制仿真波形

3.2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

上位機(jī)與FPGA芯片主要是通過(guò)串口通信，用串口線將發(fā)送模塊和PC端的串口連接，將FPGA芯片的輸出口與LCD1602連接，進(jìn)行引腳分配。在開(kāi)發(fā)板上用線進(jìn)行連接鎖定引腳，并下載。對(duì)圖3所示的人機(jī)交互界面進(jìn)行操作，例如點(diǎn)擊界面上的左轉(zhuǎn)向按鈕，那么在正常情況下，人機(jī)交互界面上的左轉(zhuǎn)向燈要相應(yīng)地變亮，顯示結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以看出，當(dāng)假定左轉(zhuǎn)時(shí)，上位機(jī)中左轉(zhuǎn)向燈變亮，顯示結(jié)果與預(yù)期設(shè)計(jì)結(jié)果一致，這說(shuō)明上位機(jī)模塊左轉(zhuǎn)向處理顯示正常。

圖5 汽車左轉(zhuǎn)向人機(jī)交換界面顯示圖

當(dāng)控制系統(tǒng)接收到左轉(zhuǎn)輸出信號(hào)時(shí)，按照預(yù)期設(shè)計(jì)的功能，LCD1602液晶顯示屏上應(yīng)顯示Left的字符提示，同時(shí)FPGA板子上表示左轉(zhuǎn)向的指示燈也要相應(yīng)地變亮，其結(jié)果分別如圖6和如圖7所示。從圖6，圖7中可以看出，LCD1602液晶顯示屏上確實(shí)顯示了Left的字符，同時(shí)FPGA板子上表示左轉(zhuǎn)向的指示燈也相應(yīng)變亮，調(diào)試結(jié)果與預(yù)期設(shè)計(jì)的結(jié)果一致，這說(shuō)明顯示模塊左轉(zhuǎn)向處理顯示正常。

圖6 左轉(zhuǎn)向液晶顯示

圖7 左轉(zhuǎn)向指示燈顯示

與實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)向功能一樣，當(dāng)接收到來(lái)自上位機(jī)的右轉(zhuǎn)向、剎車以及夜間行駛等信號(hào)時(shí)，F(xiàn)PGA板子上所對(duì)應(yīng)的指示燈也相應(yīng)變亮，同時(shí)在液晶顯示屏上顯示Right，Brake和Night，這表明設(shè)計(jì)的汽車尾燈控制系統(tǒng)可以成功實(shí)現(xiàn)右轉(zhuǎn)向、剎車以及夜間行駛等功能。

4 結(jié)論

本文以FPGA芯片為主體，結(jié)合LabVIEW軟件設(shè)計(jì)的汽車尾燈控制系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了左轉(zhuǎn)向、右轉(zhuǎn)向、剎車以及夜間行駛等功能，并且通過(guò)LabVIEW軟件設(shè)計(jì)的人機(jī)交互界面可以實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車行駛狀態(tài)的實(shí)時(shí)控制。與基于電路設(shè)計(jì)、Multisum或單片機(jī)等方法實(shí)現(xiàn)的汽車尾燈控制系統(tǒng)相比，本文設(shè)計(jì)的汽車尾燈控制系統(tǒng)在操作上更加簡(jiǎn)單，并且具有更強(qiáng)的可靠性和可擴(kuò)展性，人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)也使系統(tǒng)更加智能化和人性化，達(dá)到了現(xiàn)代汽車尾燈控制系統(tǒng)的控制要求，因此具有很好的應(yīng)用前景。

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(責(zé)任編校：李秀榮)

On the Design of Car Tail Light Control System Based on FPGA

WANG Chao

(College of Intelligence and Information Engineering， Tangshan University， Tangshan 063000， China)

The author of this paper has produced a design for the car tail light control system based on FPGA， which consists of six parts： the PC module， the main control module， the clock division module， the left tail light control module， the right tail light control module and the display module. LabVIEW software is employed in the PC module，and hardware description language VHDL is applied to fulfill the functions of left turning， right turning， braking as well as night driving. The hardware testing results show that the designed car tail light control system can realize the synchronous display of the interactive interface， indicator light and display screen，and has the advantages of easy operation and great security and reliability.

car tail light control system； field programmable gate array； LabVIEW； hardware description language

王超(1985-)，男，河北唐山人，講師，博士，主要從事嵌入式研究。

TP271.5

A

1672-349X(2016)06-0034-03

10.16160/j.cnki.tsxyxb.2016.06.009