基于FPGA交通灯控制器设计.doc
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1、九江职业大学毕业设计(论文) 摘 要随着现代城市及交通工具的发展,交通事故也急剧增加,为了改善交通秩序及减少交通事故,交通灯起着越来越重要的作用。在越来越多的城市的各个路口上安装了交通灯,来改善交通秩序。现代城市在日常运行控制中,越来越多的使用红绿灯对交通进行指挥和管理.而一套完整的交通灯控制系统通常要实现自动控制和手动控制去实现其红绿灯的转换。基于FPGA 设计的交通灯控制系统电路简单、可靠性好.本设计利用Verilog HDL 语言、采用层次化混合输入方式,可控制4个路口的红、黄、绿、左转四盏信号灯,让其按特定的规律进行变化。在Quartus下对系统进行了综合与仿真。仿真结果表明系统可实现
2、十字路口红绿灯及左转弯控制和倒计时显示,并能够自动控制交通灯转变。关键词:FPGA,交通灯控制器,Quartus,Verilog HDL1九江职业大学毕业设计(论文) AbstractWith the development of modern cities and transport, traffic accidents also increased dramatically, plays an increasingly important role in order to improve traffic order and reduce traffic accidents and traf
3、fic lights. More and more all the roads of the city to install traffic lights to improve traffic order。Modern city, more and more control of the day-today running of the traffic light traffic command and management。 And a complete set of traffic light control system is usually to achieve automatic c
4、ontrol and manual control to achieve the conversion of its traffic lights. FPGA design-based traffic light control system circuit is simple and good reliability。 The design using Verilog HDL language using hierarchical mixed input, and can control the four junctions of red, yellow, green, and turn l
5、eft at the four signal lights, so that a particular law of change。 QUARTUS system synthesis and simulation。 The simulation results show that the system can achieve the crossroads of traffic lights and turn left control and countdown display and can automatically control the traffic lights into。Key W
6、ords:FPGA ,traffic light controller, Quartus II, The Verilog HDL九江职业大学毕业设计(论文) 目录摘要.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。IAbstract 。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。II第1章绪论。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.11。1 交通灯简介。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.11。2 FPGA概述及发展.
7、。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。11。3 本设计所实现目标.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.21。4 设计方案分析。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。3第2章系统的设计及环境。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.42。1 系统结构图。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.42.2 系统接口信号描述。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。42。3 软件环境.。
8、.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。42。4 硬件环境.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.6第3章系统模块设计.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.83.1 分频模块设计。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.83。2 计数器模块设计。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.93。3 控制器模块设计。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.
9、。.。.113.4 显示译码模块设计.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。123。5 顶层连接模块。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.13结论。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.16致谢。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。17参考文献.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。18附录。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。
10、.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.193第1章 绪论1。1 交通灯的简介交通灯通常指由红、黄、绿三种颜色灯组成用来指挥交通的信号灯。绿灯亮时,准许车辆通行,黄灯亮时,已越过停止线的车辆可以继续通行;红灯亮时,禁止车辆通行。 交通信号灯的出现,使交通得以有效管制,对于疏导交通流量、提高道路通行能力,减少交通事故有明显效果.为了实现交通道路的管理,力求交通管理先进性、科学化。用可编程控制器实现交通灯管制的控制系统具有以下优点: 实验证明该系统实现简单、经济; 能够有效地疏导交通,提高交通路口的通行能力; 可编程控制器具有小型化、价格低、可靠性高;1。2 FPGA概述及发展目前以硬件描述语言
11、(Verilog 或 VHDL)所完成的电路设计,可以经过简单的综合与布局,快速的烧录至 FPGA 上进行测试,是现代 IC 设计验证的技术主流。这些可编辑元件可以被用来实现一些基本的逻辑门电路(比如AND、OR、XOR、NOT)或者更复杂一些的组合功能比如解码器或数学方程式。在大多数的FPGA里面,这些可编辑的元件里也包含记忆元件例如触发器(Flipflop)或者其他更加完整的记忆块。 系统设计师可以根据需要通过可编辑的连接把FPGA内部的逻辑块连接起来,就好像一个电路试验板被放在了一个芯片里。一个出厂后的成品FPGA的逻辑块和连接可以按照设计者而改变,所以FPGA可以完成所需要的逻辑功能。
12、 FPGA一般来说比ASIC(专用集成芯片)的速度要慢,无法完成复杂的设计,但是功耗较低.但是他们也有很多的优点比如可以快速成品,可以被修改来改正程序中的错误和更便宜的造价.厂商也可能会提供便宜的但是编辑能力差的FPGA.因为这些芯片有比较差的可编辑能力,所以这些设计的开发是在普通的FPGA上完成的,然后将设计转移到一个类似于ASIC的芯片上。另外一种方法是用CPLD(复杂可编程逻辑器件备)。随着微电子技术的快速发展,可编程逻辑器件应用技术得到了广泛的应用,而FPGA技术正处于高速发展时期,新型芯片的规模越来越大,成本也越来越低,低端的FPGA已逐步取代了传统的数字元件,高端的FPGA不断在争
13、夺ASIC的市场份额.未来可编程逻辑器件具有以下几个发展趋势: 大容量、低电压、低功耗FPGA 大容量FPGA 是市场发展的焦点。 系统级高密度FPGA 。随着生产规模的提高,产品应用成本的下降,FPGA 的应用已经不是过去的仅仅适用于系统接口部件的现场集成,而是将它灵活地应用于系统级(包括其核心功能芯片)设计之中.在这样的背景下,国际主要FPGA 厂家在系统级高密度FPGA 的技术发展上,主要强调了两个方面:FPGA 的IP( Intellec2tual Property ,知识产权)硬核和IP软核。当前具有IP内核的系统级FPGA的开发主要体现在两个方面:一方面是FPGA 厂商将IP硬核(
14、指完成版图设计的功能单元模块)嵌入到FPGA 器件中,另一方面是大力扩充优化的IP软核(指利用HDL语言设计并经过综合验证的功能单元模块),用户可以直接利用这些预定义的、经过测试和验证的IP 核资源,有效地完成复杂的片上系统设计。 FPGA和ASIC出现相互融合. 虽然标准逻辑ASIC 芯片尺寸小、功能强、功耗低,但其设计复杂,并且有批量要求。FPGA价格较低廉,能在现场进行编程,但它们体积大、能力有限,而且功耗比ASIC大。正因如此,FPGA和ASIC正在互相融合,取长补短.随着一些ASIC制造商提供具有可编程逻辑的标准单元,FPGA 制造商重新对标准逻辑单元发生兴趣。 动态可重构FPGA
15、动态可重构FPGA是指在一定条件下芯片不仅具有在系统重新配置电路功能的特性,而且还具有在系统动态重构电路逻辑的能力.对于数字时序逻辑系统,动态可重构FPGA的意义在于其时序逻辑的发生不是通过调用芯片内不同区域、不同逻辑资源来组合而成,而是通过对FPGA 进行局部的或全局的芯片逻辑的动态重构而实现的。动态可重构FPGA在器件编程结构上具有专门的特征,其内部逻辑块和内部连线的改变,可以通过读取不同的SRAM中的数据来直接实现这样的逻辑重构,时间往往在纳秒级,有助于实现FPGA系统逻辑功能的动态重构。1.3 本设计所要实现的目标基于FPGA的Verilog HDL语言设计一个用于十字路口的交通灯控制
16、器来达到一下几个目的: 要求南北方向车道和东西方向车道两条交叉道路上的车辆交替运行,东西和南北各有一组红、黄、绿灯用于指挥交通; 红、绿灯的持续时间为60s,黄灯在绿灯转为红灯之前亮3s; 东西方向、南北方向车道除了有红、黄、绿灯指示外,每一种灯亮的时间都用显示器进行到几时显示; 有紧急情况车辆要求通过时,系统要能禁止普通车辆通行,两条道路均为红灯,计时器清零,当特殊情况结束后,南北方向信号灯变绿,东西方向信号灯变红,继续正常工作。1。4 设计方案分析基于FPGA 设计的交通灯控制系统电路简单、可靠性好。本设计利用Verilog HDL 语言、采用层次化混合输入方式,可控制4个路口的红、黄、绿
17、、左转四盏信号灯,让其按特定的规律进行变化。交通灯的工作过程如下:假设十字路口的交通干道为南北方向和东西方向。初始状态为南北和东西干道上的灯均为红灯,然后南北方向上的绿灯先亮,允许车辆的行驶;东西干道的红灯亮,不不允许车辆的行驶,同时两个路口的数码显示器开始倒计时,南北方向的绿灯亮57s后,绿灯熄灭,黄灯开始亮3s;之后南北干道转为红灯,禁止车辆通行,同时东西方向的绿灯亮,允许东西方向车辆行驶,两个干道的数码显示器重新开始倒计时,57s后东西方向的绿灯熄灭,黄灯开始亮起,3s后转为红灯,禁止车辆通行,同时南北方向由红灯转为绿灯,允许车辆行驶。 之后不断重复以上过程。当出现特殊情况时,东西和南北
18、干道上的信号灯转为红灯,并停止倒计时,特殊情况结束后,南北方向的绿灯亮起,东西方向信号灯变红灯,重新开始计时,恢复正常工作.第2章系统的设计及环境2。1 系统结构图交通灯控制器的系统结构框图如图2。1所示.图2。1 交通灯控制器的系统结构框图2。2 系统接口信号描述交通灯控制器接口信号定义如表2。2所示.表2.2 交通灯控制器接口信号定义信号名I/O位 宽含 义clkI1bit系统时钟输入rstI1bit复位信号(按键进入特殊工作状态)light1O2bits南北方向信号灯显示信号,00红灯亮,01黄灯亮,10绿灯亮light2O2bits东西方向信号灯输出显示信号dis_drv1O7bits
19、南北方向倒计时显示驱动信号dis_drv2O7bits东西方向倒计时显示驱动信号2.3 软件环境1) QuartusIIQuartus II是Altera公司的综合性PLD/FPGA开发软件,支持原理图、VHDL、VerilogHDL以及AHDL(Altera Hardware Description Language)等多种设计输入形式,内嵌自有的综合器以及仿真器,可以完成从设计输入到硬件配置的完整PLD设计流程。Quartus II可以在XP、Linux以及Unix上使用,除了可以使用Tcl脚本完成设计流程外,提供了完善的用户图形界面设计方式。具有运行速度快,界面统一,功能集中,易学易用等
20、特点。Quartus II支持Altera的IP核,包含了LPM/MegaFunction宏功能模块库,使用户可以充分利用成熟的模块,简化了设计的复杂性、加快了设计速度.对第三方EDA工具的良好支持也使用户可以在设计流程的各个阶段使用熟悉的第三方EDA工具。此外,Quartus II 通过和DSP Builder工具与Matlab/Simulink相结合,可以方便地实现各种DSP应用系统;支持Altera的片上可编程系统(SOPC)开发,集系统级设计、嵌入式软件开发、可编程逻辑设计于一体,是一种综合性的开发平台。Quartus II提供了完全集成且与电路结构无关的开发包环境,具有数字逻辑设计的
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