基于FPGA的交通燈控制器設(shè)計(jì)(共24頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上引 言隨著城鄉(xiāng)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，車輛的數(shù)量在迅速的增加，交通阻塞的問題已經(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)的發(fā)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/CPLD以其不可替代的地位及伴隨而來的極具知識(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越高，這樣迅速的發(fā)展源于它的眾多特點(diǎn)。交通等是保障交通道路暢通和安全的重要工具，而控制器是交

2、通燈控制的主要部分，它可以通過很多種方式來實(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1.1 Quartus介紹本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是基于FPGA下的設(shè)計(jì)，F(xiàn)PGA是現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，F(xiàn)PGA開發(fā)工具種類很多、智能化高、功能非常的強(qiáng)大?？删幊蘍uartus是

3、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、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VHDL語(yǔ)言。在這里簡(jiǎn)單的介紹一下Quartus的基本部分。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)出了每一部分的名稱。 圖 1-1-1 啟動(dòng)界面開始設(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”時(shí)會(huì)出現(xiàn)圖1-1-2所顯示的對(duì)話框，把項(xiàng)目名稱按

4、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)建工程框圖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VHDL File,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 工程建好后的界面圖1-1-7 新建文件類型選擇框圖1-1-8 程序編輯框在第一章中對(duì)Qua

5、rtus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2.1 控制器設(shè)計(jì)描述2.1.1 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。2.1.2 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)過程3.1 設(shè)計(jì)方案本設(shè)計(jì)課題用FPGA來實(shí)現(xiàn)智能交通燈的設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)現(xiàn)要研究的問題主要有：智能交

6、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VHDL編寫源程序以及進(jìn)行系統(tǒng)仿真。3.1.1 框圖設(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鍵來實(shí)現(xiàn)的。圖 3-1-1-1 是交通燈設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)框圖特殊情況計(jì) 時(shí) 器位選器顯示器（東、西、南、北）譯碼器控制器指示燈圖 3-1-1-1 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

7、交通燈亮燈順序與亮燈時(shí)間安排東西方向（A燈）A綠燈亮（20s）A黃燈亮（2125s）A紅燈亮（2650s）南北方向（B燈）B紅燈亮（025s） B綠燈亮（2645s）B黃燈亮（4650s）3.1.2 工程流程圖創(chuàng)建一個(gè)新的工程創(chuàng)建VHDL語(yǔ)言文件保存輸入的程序?qū)⒊绦蜉斎胛募袑?duì)程序進(jìn)行編譯，有錯(cuò)誤的要進(jìn)行修改、再編譯，直至沒有錯(cuò)對(duì)程序進(jìn)行波形的仿真進(jìn)行圖形電路設(shè)計(jì)、保存、編譯、波形仿真、管腳鎖定進(jìn)行硬件仿真圖3-1-2 工程流程圖3.1.3 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” ）

8、B方向上綠燈是亮的。具體的時(shí)序顯示見圖3-2 時(shí)序圖。GreenAYellowARedBYeelowBGreenBRedAAAAA圖3-2 時(shí)序圖 3.2 模塊設(shè)計(jì)3.2.1 主控制器模塊在Quartus按照1-1中的方法新建一個(gè)工程并新建一個(gè)文件項(xiàng)目后，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ProjectSet 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 編譯在編譯的過程中，出現(xiàn)了一些錯(cuò)誤，在我編譯主

9、控制器的程序時(shí)，出現(xiàn)的錯(cuò)誤是沒有將CLOCK放入PROCESS()中，將程序中的錯(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INSERTINSERT NODE OR BUS選項(xiàng)出現(xiàn)另一個(gè)對(duì)話框，選擇對(duì)話框中的NODE

10、FINDER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，若想讓輸出信號(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VALUECOUNT VALUE后出現(xiàn)的對(duì)話框中可以選擇自己需要顯示的進(jìn)制類型和進(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PROCESSINGSIMULATOOR TOOL,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 FUNCTIONALSTARTREPORT，就會(huì)得出我們想要的圖3-

11、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HOLD是保持信號(hào)，當(dāng)HOLD信號(hào)為有效信號(hào)（ “1” ）時(shí)，則四個(gè)方向的路燈都是紅燈亮，當(dāng)HOLD無效時(shí)，四個(gè)方向的信號(hào)燈會(huì)正常工作。RESET信號(hào)有效時(shí)，計(jì)數(shù)器的顯示就會(huì)重新從零開始。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

12、形設(shè)計(jì)前，需要先將每個(gè)程序都生成模塊，為之后的設(shè)計(jì)做好準(zhǔn)備。點(diǎn)擊FileCreateUpdadeCreate Symbol Files for Current File,完成這個(gè)操作過程后便會(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、NUMB和六個(gè)指示燈的輸出。3.2.2 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，分頻器的程序見附錄。具體的程序編譯過程和仿真的過程和主控制模塊中談到的過程是相同的。按照上面談的

13、步驟完成后就會(huì)得到圖3-2-2-1 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的脈沖通過第一模塊時(shí)變?yōu)?0hz，再經(jīng)過第二個(gè)模塊后變成1hz的脈沖。3.2.3 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NUMIN是主控制器的輸出值，NUMA和NUMB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-

14、3-2 是提取顯示值生成的模塊。提取顯示值的程序見文章的附錄。圖3-2-3-1 提取顯示值的仿真圖 仿真圖中，NUMB先從0開始計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)到9時(shí)NUMA計(jì)為1，NUMB重新從0開始計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)到9時(shí)NUMA會(huì)計(jì)為2，NUMB再次從0開始計(jì)數(shù)，當(dāng)NUMA（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3.2.4 動(dòng)態(tài)掃描模塊LED顯示的工作原理是利用人類的視覺特性。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的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臅r(shí)間很

15、短暫，亮滅的過程中留下的余光會(huì)給人一種錯(cuò)覺，人的眼睛覺得是一組靜態(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3.2.5 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3.2.6 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)，

16、程序中的NUM與動(dòng)態(tài)掃描模塊相連，將四位二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為八位二進(jìn)制數(shù)，再通過LED8輸出。譯碼器的程序編輯和編譯步驟也和前面所說的相同。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)NUM輸入“0000”時(shí)LED8便會(huì)輸出“”顯示數(shù)字“0”，當(dāng)NUM輸入“0001” 時(shí)LED8輸出“”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3.3 圖形設(shè)計(jì)3.3.1 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，要先進(jìn)行圖形的

17、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程是點(diǎn)擊FileNewBlock Diagram/Schematic File.（見圖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，就要開始編輯圖形了，要把每一個(gè)模塊都找出來，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”，這樣在元件庫(kù)中就可以找到生成的那些模塊了。選

18、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，選擇合適的工具把選擇好的模塊和元件連接起來。然后將連接好的圖形文件保存以后進(jìn)行編譯。3.3.2 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確的值，開始仿真后會(huì)出現(xiàn)圖3-3-2-1就是

19、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LED8顯示的數(shù)值變化過程，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。3.4 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)確定的器件類型和實(shí)際的硬件類型是不是一樣，選擇AssignmentsDevice，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。接下來選擇AssignmentsPins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-EP1K100QC208-3。圖3-4-3 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)表