基于EDA技術(shù)的汽車(chē)速度表設(shè)計(jì)

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(lái)，隨著我國(guó)國(guó)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(chē)數(shù)量也是逐年增長(zhǎng)，隨之帶來(lái)的汽車(chē)安全問(wèn)題也越受到人民的關(guān)注。速度作為汽車(chē)行駛過(guò)程中重要的指標(biāo)參數(shù)，因此汽車(chē)速度表的設(shè)計(jì)也被要求更精確，更快速，更靈敏。

傳統(tǒng)的汽車(chē)速度表是利用變速器或分動(dòng)器的輸出軸帶動(dòng)儀表中指針顯示汽車(chē)速度，這種機(jī)械結(jié)構(gòu)方式顯示出的速度會(huì)有較大的誤差?；贓DA技術(shù)設(shè)計(jì)的汽車(chē)速度表，以其價(jià)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(chǎng)可編程邏輯器件(FPGA)為設(shè)計(jì)載體，以硬件描述語(yǔ)言(VHDL)為主要表達(dá)方式，以QuartusⅡ開(kāi)發(fā)軟件和ZY11EDA13BE開(kāi)發(fā)系統(tǒng)為設(shè)計(jì)工具設(shè)計(jì)的汽車(chē)速度表[1-3]，能夠?qū)崿F(xiàn)速度的精確顯示和超速報(bào)警功能，完全滿(mǎn)足汽車(chē)速度表的設(shè)計(jì)要求。

一、汽車(chē)速度表的功能和整體結(jié)構(gòu)

（一）汽車(chē)速度表的主要功能。這里所設(shè)計(jì)的汽車(chē)速度表具有以下功能：1.能顯示汽車(chē)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(shí)速為360km/h，超過(guò)此速度會(huì)出現(xiàn)報(bào)警；4.速度采樣周期為10秒。

為了設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，假設(shè)車(chē)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(chē)速度表的整體結(jié)構(gòu)。汽車(chē)速度表的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中虛線(xiàn)框內(nèi)部是需要設(shè)計(jì)的部分，它包括分頻器模塊、計(jì)數(shù)器模塊、單位轉(zhuǎn)換模塊、譯碼顯示器模塊。

圖1 汽車(chē)速度表的整體結(jié)構(gòu)圖

二、汽車(chē)速度表的設(shè)計(jì)

汽車(chē)速度表的設(shè)計(jì)是采用層次化的設(shè)計(jì)方法來(lái)進(jìn)行，分底層各模塊電路的設(shè)計(jì)和頂層電路的設(shè)計(jì)。

（一）底層電路的設(shè)計(jì)。底層電路有四個(gè)電路模塊，分別是分頻器電路模塊、計(jì)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(guò)VHDL語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.分頻器電路模塊。該模塊的功能是由基準(zhǔn)時(shí)鐘分頻出兩個(gè)周期信號(hào)，其仿真波形如圖2所示。clk_1hz為頻率為1hz的基準(zhǔn)時(shí)鐘，clr和en為被分頻出的周期為12秒的信號(hào)，他們的占空比不一致，都為后面的計(jì)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(jì)數(shù)器電路模塊。該模塊的功能是對(duì)輸入的車(chē)輪脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，其仿真波形如圖3所示。clk為傳感器感應(yīng)的車(chē)輪脈沖信號(hào)；count為10秒鐘內(nèi)對(duì)車(chē)輪脈沖個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)結(jié)果；speak為脈沖計(jì)數(shù)超過(guò)一定值時(shí)（比如1000）的報(bào)警信號(hào)，高電平有效。

圖3 計(jì)數(shù)器電路模塊仿真波形

當(dāng)en=“0”時(shí)，計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)工作；當(dāng)en為上升沿時(shí)，計(jì)數(shù)結(jié)束并把計(jì)數(shù)結(jié)果傳輸給輸出信號(hào)count。由圖2可知en的周期為12秒，處于“0”的時(shí)間剛好為10秒，所以計(jì)數(shù)是在10秒鐘內(nèi)對(duì)車(chē)輪的脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)clr=“1”時(shí)，對(duì)計(jì)數(shù)結(jié)果進(jìn)行清零操作；當(dāng)clr=“1”時(shí)，不對(duì)計(jì)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(jì)數(shù)結(jié)果為832時(shí)（一個(gè)脈沖為1m），即10秒鐘內(nèi)車(chē)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(guò)數(shù)碼管顯示出來(lái)，其仿真波形如圖5所示。這里采用動(dòng)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(hào)clk_32768hz是頻率為32768hz的掃描信號(hào)，即每秒鐘數(shù)碼管依次亮滅32768次。由于掃描頻率過(guò)高，人的視覺(jué)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(hào) e、d、c、b、a為速度值，圖示值為 358.64km/h。

輸出信號(hào)sel為數(shù)碼管掃描片選信號(hào)，當(dāng)sel=“0”時(shí)，最右邊的數(shù)碼管點(diǎn)亮，此時(shí)應(yīng)顯示“4”，以此類(lèi)推，當(dāng) sel=“4”時(shí)，最左邊的數(shù)碼管點(diǎn)亮，此時(shí)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(hào) 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(jì)。頂層電路設(shè)計(jì)采用原理圖輸入方式，通過(guò)調(diào)用生成的各底層電路模塊符號(hào)，并將他們做適當(dāng)連接以實(shí)現(xiàn)頂層文件的設(shè)計(jì)[4]，電路如圖6所示。

圖6 汽車(chē)速度

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

三、汽車(chē)速度表的硬件驗(yàn)證

本設(shè)計(jì)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(tái)，同時(shí)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(chǎng)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(shí)序邏輯運(yùn)算[1-3]。因此，只要對(duì)汽車(chē)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(chē)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(shí)，右下方出現(xiàn)一個(gè)紅色報(bào)警。實(shí)驗(yàn)表明：所設(shè)計(jì)的汽車(chē)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(shí)會(huì)出現(xiàn)報(bào)警，基本實(shí)現(xiàn)了汽車(chē)速度表的全部功能。

圖7 汽車(chē)速度表的硬件實(shí)現(xiàn)

四、結(jié)語(yǔ)

本文采用EDA技術(shù)“自上而下”層次化設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)汽車(chē)速度表，即從汽車(chē)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(gè)功能模塊分別由VHDL語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)并通過(guò)仿真測(cè)試，生成元件符號(hào)以實(shí)現(xiàn)底層電路設(shè)計(jì)[4]；頂層電路采用原理圖輸入方式進(jìn)行，通過(guò)調(diào)用各底層電路模塊符號(hào)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(jì)。最終將設(shè)計(jì)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(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)所要求的全部功能。同時(shí)，底層電路采用VHDL語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)可移植性，維護(hù)和升級(jí)也比較方便。另外核心芯片內(nèi)部設(shè)計(jì)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(xiàn)，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性[4]。

參考文獻(xiàn)：

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