基于FPGA的交通燈控制器設(shè)計(jì)

1、引言隨著城鄉(xiāng)的經(jīng)濟(jì)開(kāi)展， 車(chē)輛的數(shù)量在迅速的增加， 交通阻塞的問(wèn)題已經(jīng)嚴(yán)重影響 了人們的出行?，F(xiàn)在的社會(huì)是一個(gè)數(shù)字化程度相當(dāng)高的社會(huì)， 很多的系統(tǒng)設(shè)計(jì)師都愿意把自己的 設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)成集成電路芯片，芯片可以在實(shí)際中方便使用。隨著EDA技術(shù)的開(kāi)展，嵌入 式通用及標(biāo)準(zhǔn)FPGA器件的呼之欲出，片上系統(tǒng)SOC已經(jīng)近在咫尺。FPGA/CPL以其 不可替代的地位及伴隨而來(lái)的極具知識(shí)經(jīng)濟(jì)特征的 IP 芯片產(chǎn)業(yè)的崛起，正越來(lái)越受 到業(yè)內(nèi)人士的密切關(guān)注。FPGA就是在這樣的背景下誕生的，它在數(shù)字電路中的地位 也越來(lái)越高， 這樣迅速的開(kāi)展源于它的眾多特點(diǎn)。 交通等是保障交通道路暢通和平安 的重要工具， 而控制器是交通燈

2、控制的主要局部， 它可以通過(guò)很多種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。 在 這許許多多的方法之中，使用FPGA和VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)的交通燈控制器，比起其他的方 法顯得更加靈活、易于改動(dòng)，并且它的設(shè)計(jì)周期性更加短。城市中的交通事故頻繁發(fā)生， 威脅著人們的生命健康和工作生活， 交通阻塞問(wèn)題 在延遲出行時(shí)間的同時(shí)， 還會(huì)造成更多的空氣污染和噪聲污染。 在這種情況下， 根據(jù) 每個(gè)道路的實(shí)際情況來(lái)設(shè)置交通燈， 使道路更加通暢， 這對(duì)構(gòu)建和諧暢通的城市交通 有著十分重要的意義。第一章 軟件介紹Quartus H 介紹本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是基于FPG下的設(shè)計(jì)，F(xiàn)PG是現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，F(xiàn)PG開(kāi)發(fā)工具種 類(lèi)很多、智能化高、功能非常的強(qiáng)大?？删?/p>

3、程 Quartus H是一個(gè)為邏輯器件編程提供 編程環(huán)境的軟件，它能夠支持 VHDL、 Verilog HDL 語(yǔ)言的設(shè)計(jì)。在該軟件環(huán)境下，設(shè) 計(jì)者可以實(shí)現(xiàn)程序的編寫(xiě)、編譯、仿真、圖形設(shè)計(jì)、圖形的仿真等許許多多的功能。 在做交通燈控制器設(shè)計(jì)時(shí)選擇的編程語(yǔ)言是 VHD語(yǔ)言。在這里簡(jiǎn)單的介紹一下Quartus H的根本局部。圖1-1-1是一幅啟動(dòng)界面的圖片。 在設(shè)計(jì)前需要對(duì)軟件進(jìn)行初步的了解，在圖中已經(jīng)明顯的標(biāo)出了每一局部的名稱。圖 1-1-1 啟動(dòng)界面開(kāi)始設(shè)計(jì)前我們需要新建一個(gè)工程，首先要在啟動(dòng)界面上的菜單欄中找到 File ， 單擊它選擇它下拉菜單中的“ New Project Wizard

4、時(shí)會(huì)出現(xiàn)圖 1-1-2 所顯示的對(duì)話 框，把工程名稱按照需要填好后單擊 Next，便會(huì)進(jìn)入圖1-1-3 顯示的界面。圖 1-1-2 創(chuàng)立工程框圖 1-1-3 芯片選擇框根據(jù)自己選擇的實(shí)驗(yàn)設(shè)備選擇好相應(yīng)的芯片型號(hào)點(diǎn)擊 Next, 進(jìn)入下一個(gè)步驟當(dāng)出 現(xiàn)圖 1-1-5 時(shí)，點(diǎn)擊“ Finish 后這個(gè)工程就建立好了。圖 1-1-4 仿真器選擇框圖 1-1-5 對(duì)話框建好工程后開(kāi)始進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先在圖1-1-6中單擊file后選擇new,接著會(huì)出現(xiàn)圖 1-1-7 ，在交通燈控制器的設(shè)計(jì)中我們選擇的是 VHDLFile, 當(dāng)出現(xiàn)圖 1-1-8 時(shí)就可以把 編輯的程序敲入編輯器中。圖 1-1-6 工程建好

5、后的界面圖 1-1-7 新建文件類(lèi)型選擇框圖 1-1-8 程序編輯框在第一章中對(duì)Quartus U軟件的使用做一個(gè)簡(jiǎn)單介紹，設(shè)計(jì)中的編譯和仿真步驟 在后面的幾章中會(huì)做出介紹。第二章 交通燈控制器設(shè)計(jì)的概述控制器設(shè)計(jì)描述設(shè)計(jì)任務(wù)要求設(shè)計(jì)交通燈控制器， 分別在四個(gè)方向都安裝紅、 黃、綠三種顏色的交通指示 燈，紅燈表示停止，綠燈表示通行，黃燈表示左轉(zhuǎn)和直行將要禁止通行，四個(gè)方向分 別還安裝有倒計(jì)時(shí)的計(jì)時(shí)器。設(shè)計(jì)要求東西方向和南北方向各有組指示燈， 紅燈亮的時(shí)間為20S,黃燈亮的時(shí)間為5S,綠 燈亮的時(shí)間為25S。三種燈亮滅的順序?yàn)榧t燈、綠燈、黃燈。第三章 交通燈控制器的設(shè)計(jì)過(guò)程設(shè)計(jì)方案本設(shè)計(jì)課題用F

6、PG/來(lái)實(shí)現(xiàn)智能交通燈的設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)現(xiàn)要研究的問(wèn)題主要有： 智能交通燈的設(shè)計(jì)方案；各功能模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；如何用 VHDLS寫(xiě)源程序以及進(jìn) 行系統(tǒng)仿真?？驁D設(shè)計(jì) 交通燈控制器設(shè)計(jì)的框圖中包括控制器、分頻器、顯示器、指示燈、譯碼器、位 選器。 當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)為零時(shí)， 控制器改變交通燈的顏色， 同時(shí)倒計(jì)時(shí)開(kāi)始進(jìn)入下一個(gè)倒計(jì) 時(shí)。當(dāng)有緊急情況出現(xiàn)的時(shí)候， 四面的交通燈都會(huì)變?yōu)榧t燈， 緊急情況的處理在設(shè)計(jì) 中是依靠HOLD®來(lái)實(shí)現(xiàn)的。圖3-1-1-1 是交通燈設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)框圖系統(tǒng)的紅、黃、綠燈顯示的總時(shí)間為50s,具體的亮燈時(shí)間和亮燈順序看表3-1-1-2表3-1-1-2 交通燈亮燈順序與亮燈時(shí)間安

7、排東西方向A錄燈亮A黃燈亮A紅燈亮A丁20s(2125s)(2650s)南北方向B紅燈亮B綠燈亮B黃燈亮E燈(0 25s)(2645s)(4650s)圖3-1-1-1交通燈設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)框圖)工程流程圖創(chuàng)立一個(gè)新的工程創(chuàng)立VHD語(yǔ)言文件將程序輸入文件中保存輸入的程序進(jìn)行硬件仿真進(jìn)行圖形電路設(shè) 計(jì)、保存、編譯、 波形仿真、管腳對(duì)程序進(jìn)行波形的仿真對(duì)程序進(jìn)行編譯，有錯(cuò)誤的要進(jìn)行修改、再編譯，直圖3-1-2工程流程圖時(shí)序圖的假象在時(shí)序圖中，上升沿有效，即為“ 1時(shí)燈亮，好比RedA為上升沿“ 1 時(shí)A 方向的紅燈是亮的，相對(duì)的GreenB也為上升沿“ 1 B方向上綠燈是亮的。具體 的時(shí)序顯示見(jiàn)圖3-2時(shí)

8、序圖。Gree nAYellowARedBGree nBYeelowB圖3-2時(shí)序圖模塊設(shè)計(jì) 主控制器模塊在Quartus U按照1-1中的方法新建一個(gè)工程并新建一個(gè)文件工程后，在圖1-1-8程序編輯框中將主控制器的程序輸入后保存。接著需要對(duì)主控制器的程序進(jìn)行編譯， 編譯的步驟是點(diǎn)擊Project f Set as Top將文件置頂，具體的參考圖3-2-1-1置頂， 接著點(diǎn)擊圖3-2-1-2 的Start Compilation進(jìn)行編譯。圖3-2-1-1置頂圖3-2-1-2 編譯在編譯的過(guò)程中，出現(xiàn)了一些錯(cuò)誤，在我編譯主控制器的程序時(shí)，出現(xiàn)的錯(cuò)誤是沒(méi)有將CLOC放入PROCESS中，將程序中的

9、錯(cuò)誤一一改正后有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)些 Warning，有些Warning并不會(huì)影響后面的設(shè)計(jì)步驟。將上面的錯(cuò)面都改正后，就會(huì)顯示圖3-2-1-3所顯示的對(duì)話框。下一步就是對(duì)程序進(jìn)行時(shí)序仿真，圖3-2-1-3編譯成功程序編譯無(wú)措后在當(dāng)前的工程下面新建一個(gè)文件，點(diǎn)擊File出現(xiàn)圖3-2-1-4新建文件對(duì)話框，選擇圖中顯示藍(lán)色的選項(xiàng)就會(huì)出現(xiàn)我們想要的界面，把鼠標(biāo)移在圖3-2-1-5 時(shí)序仿真編輯框中左邊的空白處，然后點(diǎn)擊右鍵，選擇INSERP INSERTNODEDRBU魁項(xiàng)出現(xiàn)另一個(gè)對(duì)話框，選擇對(duì)話框中的 NODINDE后就會(huì)產(chǎn)生新的對(duì) 話框，點(diǎn)擊LIST是在左下角的空白處會(huì)出現(xiàn)很多的引腳， 我們選中需要

10、的引腳后確定 后，我們需要的引腳就會(huì)出現(xiàn)在時(shí)序仿真編輯中左邊的空白處， 我們對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行 設(shè)定，假設(shè)想讓輸出信號(hào)顯示為十六進(jìn)制數(shù)， 我們可以選中輸出信號(hào)然后點(diǎn)擊鼠標(biāo)的右 鍵選擇VALUE> COUNT VALUE出現(xiàn)的對(duì)話框中可以選擇自己需要顯示的進(jìn)制類(lèi)型和 進(jìn)制數(shù)的定時(shí)等。 對(duì)輸出輸入信號(hào)編輯完成后保存。 在菜單工具欄中選擇 PROCESSING pSIMULATOOR TOO出現(xiàn)圖3-2-1-6的對(duì)話框，按照對(duì)話框顯示的進(jìn)行設(shè)定，點(diǎn)擊 QENERAT FUNCTIONALSTARPREPORT就會(huì)得出我們想要的圖3-2-1-7 主控制器 時(shí)序仿真圖。圖 3-2-1-4 新建文件對(duì)話

11、框圖 3-2-1-5 仿真編輯框圖 3-2-1-6 仿真工具對(duì)話框圖 3-2-1-7 主控制器的仿真圖圖3-2-1-7 中顯示的仿真結(jié)果和設(shè)計(jì)前預(yù)計(jì)的時(shí)序仿真圖的結(jié)果是相符合的。時(shí) 序圖中的HOL是保持信號(hào)，當(dāng)HOLES號(hào)為有效信號(hào)“ 1 時(shí)，那么四個(gè)方向的路 燈都是紅燈亮，當(dāng)HOLDS效時(shí)，四個(gè)方向的信號(hào)燈會(huì)正常工作。RESE信號(hào)有效時(shí)，計(jì)數(shù)器的顯示就會(huì)重新從零開(kāi)始。圖中四個(gè)方向的指示燈的亮滅順序是正確的。圖 3-2-1-8 主控制器的模塊主控制器的時(shí)序仿真完成后， 一個(gè)程序的設(shè)計(jì)、 仿真就已經(jīng)暫時(shí)結(jié)束了， 下一步 還要進(jìn)行圖形的設(shè)計(jì)， 在總的圖形設(shè)計(jì)前， 需要先將每個(gè)程序都生成模塊， 為之

12、后的 設(shè)計(jì)做好準(zhǔn)備。點(diǎn)擊File Create'Updade Create Symbol Files for Current File, 完成這個(gè)操作過(guò)程后便會(huì)生成主控制器的模塊，具體的看圖 3-2-1-8 主控制器的模 塊。模塊中主要有CLOCK RESET HOLD NUMA NUM和六個(gè)指示燈的輸出。分頻器模塊設(shè)計(jì)中需要用到 1秒鐘的脈沖，分頻這個(gè)模塊就是為了改變頻率脈沖波，使20Mhz的頻率最終變?yōu)?hz的脈沖，這樣就可以得到一個(gè)周期是1秒鐘的脈沖，分頻器的程序 見(jiàn)附錄。具體的程序編譯過(guò)程和仿真的過(guò)程和主控制模塊中談到的過(guò)程是相同的。 按 照上面談的步驟完成后就會(huì)得到圖 3-2

13、-2-1 分頻模塊的時(shí)序仿真圖。圖 3-2-2-1 分頻模塊的仿真圖圖 3-2-2-2 分頻模塊分頻的程序經(jīng)過(guò)編譯和時(shí)序仿真圖后生成的模塊是圖 3-2-2-2 分頻模塊所顯示 的20mhZ勺脈沖通過(guò)第一模塊時(shí)變?yōu)?0hz，再經(jīng)過(guò)第二個(gè)模塊后變成1hz的脈沖。提取顯示值模塊提取顯示值的功能是在10hz的速度下提取顯示值，得到的是顯示時(shí)間值的十位 和個(gè)位。圖3-2-3-1提取顯示值的時(shí)序仿真圖中NUMII是主控制器的輸出值，NUM和 NUM 兩個(gè)輸出端口是要顯示的值的高位和低位。 高位的最大輸出值是為二的四位二進(jìn) 制數(shù)，低位的最大輸出值是為九的四位二進(jìn)制數(shù)。 圖3-2-3-2 是提取顯示值生成的模

14、 塊。提取顯示值的程序見(jiàn)文章的附錄。圖 3-2-3-1 提取顯示值的仿真圖仿真圖中，NUM先從0開(kāi)始計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)到9時(shí)NUM計(jì)為1, NUM重新從0開(kāi)始計(jì)數(shù)， 當(dāng)計(jì)到9時(shí)NUM會(huì)計(jì)為2，NUM再次從0開(kāi)始計(jì)數(shù)，當(dāng)NUM高位計(jì)數(shù)到2時(shí)，NUMB 的最大值輸出為 5。圖 3-2-3-2 提取顯示值的模塊動(dòng)態(tài)掃描模塊LED顯示的工作原理是利用人類(lèi)的視覺(jué)特性。七段 LED數(shù)字顯示塊是由“ a、b、c、 d、e、f、g、dp這幾段組成的，LED勺顯示原理就是要看這八段中的哪幾段是亮的， 那幾段是滅的。 每段管子不是同時(shí)被點(diǎn)亮的并且點(diǎn)亮的時(shí)間都是極短的， 又因?yàn)樽兓?的時(shí)間很短暫， 亮滅的過(guò)程中留下的余光會(huì)

15、給人一種錯(cuò)覺(jué)， 人的眼睛覺(jué)得是一組靜態(tài) 的顯示燈。 具體的動(dòng)態(tài)掃描的程序請(qǐng)看正文后的附錄。 圖3-2-4-1 是動(dòng)態(tài)掃描的時(shí)序 仿真圖，圖 3-2-4-2 是動(dòng)態(tài)掃描生成的模塊。圖3-2-4-1 動(dòng)態(tài)掃描的時(shí)序仿真圖圖 3-2-4-2 動(dòng)態(tài)掃描的模塊位選器模塊位選程序的輸入和編譯完成后，對(duì)程序進(jìn)行仿真，仿真的步驟依然和上面談 到的一樣，下面兩幅圖一張是位選程序的時(shí)序仿真圖， 另一幅是位選程序生成的模塊 見(jiàn)圖3-2-5-1 和圖 3-2-5-2 。圖 3-2-5-1 位選時(shí)序仿真圖圖 3-2-5-2 位選模塊譯碼器模塊譯碼器是將要顯示的數(shù)字轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)七段數(shù)碼管的信號(hào)，程序中的 NU與動(dòng)態(tài)掃 描模

16、塊相連，將四位二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為八位二進(jìn)制數(shù)， 再通過(guò)LED8俞出。譯碼器的程序 編輯和編譯步驟也和前面所說(shuō)的相同。 當(dāng)譯碼器編譯成功后進(jìn)行仿真， 仿真的結(jié)果見(jiàn) 圖3-2-6-1譯碼器的時(shí)序仿真。像時(shí)序仿真圖中顯示的一樣，當(dāng) NU輸入“ 0000時(shí) LED便會(huì)輸出“ 00111111顯示數(shù)字“0，當(dāng)NU輸入“0001時(shí)LED8俞出“00000110' 顯示數(shù)字“ 1。圖3-2-6-2 是譯碼器程序生成的模塊。圖 3-2-6-1 譯碼器的時(shí)序仿真圖圖 3-2-6-2 譯碼器模塊圖形設(shè)計(jì)圖形設(shè)計(jì)的生成將每個(gè)程序都編譯、 仿真完成后， 下一步就是要設(shè)計(jì)圖形仿真， 在進(jìn)行圖形的時(shí) 序仿真前， 要先

17、進(jìn)行圖形的編輯和編譯。 要建立一個(gè)新工程和圖形編輯的文件的的過(guò) 程是點(diǎn)擊 File NewBlock Diagram/Schematic File.見(jiàn)圖 3-3-1-1 圖 3-3-1-1 新建一個(gè)文件的對(duì)話框 新建了一個(gè)文件以后，就要開(kāi)始編輯圖形了，要把每一個(gè)模塊都找出來(lái)，選擇AssignmentSettings 后出現(xiàn)圖 3-3-1-2 的對(duì)話框，在左邊找到 libraries ，單擊它 以后會(huì)出現(xiàn)圖 3-3-1-2 右邊顯示的內(nèi)容，再點(diǎn)擊處可以找到之前生成的那些模塊所在 的文件夾，把它們一次性添加在 libraries 中，這樣可以為后面圖形設(shè)計(jì)做好準(zhǔn)備， 全部添加完成后點(diǎn)擊“OK,這樣

18、在元件庫(kù)中就可以找到生成的那些模塊了。選擇EditInsert Symbol 后出現(xiàn)圖 3-3-1-3 的對(duì)話框，在這里就可以顯示出上面生成的模塊 和軟件中原本存在的元器件,按照設(shè)計(jì)中的需要選出模塊和元件。圖 3-3-1-2 libraries 對(duì)話框圖 3-3-1-3 元件庫(kù)對(duì)話框圖 3-3-1-4 編譯對(duì)話框圖3-3-1-4 中標(biāo)明了每個(gè)快捷工具的用途, 選擇適宜的工具把選擇好的模塊和元件連接起來(lái)。然后將連接好的圖形文件保存以后進(jìn)行編譯。仿真結(jié)果圖3-3-2-1 圖形設(shè)計(jì)的時(shí)序仿真圖圖形設(shè)計(jì)編譯完成以后按照程序的時(shí)序仿真的過(guò)程對(duì)圖形設(shè)計(jì)進(jìn)行時(shí)序仿真，給CLK適當(dāng)?shù)男盘?hào)，并且要給輸入值定義正

19、確的值，開(kāi)始仿真后會(huì)出現(xiàn)圖3-3-2-1就是編 譯后的時(shí)序仿真圖。圖形設(shè)計(jì)的時(shí)序仿真圖中主要顯示的是紅、黃、綠燈之間的亮滅關(guān)系和LED顯示的數(shù)值變化過(guò)程，還有位選輸出端的變化，時(shí)序圖中可以很容易看出 當(dāng)計(jì)時(shí)數(shù)計(jì)數(shù)到某一個(gè)值的時(shí)候東西方向和南北方向是什么顏色的指示燈在工作。當(dāng)A路的綠燈亮?xí)r，B路的紅燈亮，A路的綠燈亮20秒后，A路的黃燈亮5秒由此可以 很容易的看出指示燈的亮滅是正確的。管腳的鎖定管腳鎖定是為了為硬件仿真做準(zhǔn)備。當(dāng)所有的設(shè)計(jì)都完成后，接著要對(duì)圖形設(shè)計(jì)進(jìn)行管腳的鎖定。先確定設(shè)計(jì)時(shí)確定的器件類(lèi)型和實(shí)際的硬件類(lèi)型是不是一樣，選擇Assignments Device，在出現(xiàn)的對(duì)話框中認(rèn)真確定選擇的器件是不是正確的。接 下來(lái)選擇Assignments Pins進(jìn)入圖3-4-1中，用鼠標(biāo)雙擊Location就可以設(shè)定管腳 了。圖3-4-2 是在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中使用到的芯片 ACEX1K-EP1K100QC208圖343 是 完成編譯、時(shí)序仿真、管腳鎖定這些步驟后的圖形設(shè)計(jì)。圖3-4-1管腳鎖定對(duì)話框圖 3-4-2 芯片 ACEX1K-EP1K100QC208-3圖3-4-3最終的圖形設(shè)計(jì)