基于FPGA的交通燈控制器設(shè)計 .doc

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1、內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 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。 現(xiàn)在的社會是一個數(shù)字化程度相當(dāng)高的社會，很多的系統(tǒng)設(shè)計師都愿意把自己的設(shè)計設(shè)計成集成電路芯片，芯片可以在實際中方便使用。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。交通等是保障交通道路暢通和安全

2、的重要工具，而控制器是交通燈控制的主要部分，它可以通過很多種方式來實現(xiàn)。在這許許多多的方法之中，使用FPGA和VHDL語言設(shè)計的交通燈控制器，比起其他的方法顯得更加靈活、易于改動，并且它的設(shè)計周期性更加短。 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間的同時，還會造成更多的空氣污染和噪聲污染。在這種情況下，根據(jù)每個道路的實際情況來設(shè)置交通燈，使道路更加通暢，這對構(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 QuartusⅡ介紹 本次畢業(yè)設(shè)計是基于FPGA下的設(shè)計，F(xiàn)PGA是現(xiàn)場可編程門陣

3、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uartusⅡ是一個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語言的設(shè)計。在該軟件環(huán)境下，設(shè)計者可以實現(xiàn)程序的編寫、編譯、仿真、圖形設(shè)計、圖形的仿真等許許多多的功能。在做交通燈控制器設(shè)計時選擇的編程語言是VHDL語言。 在這里簡單的介紹一下QuartusⅡ的基本部分。圖1-1-1是一幅啟動界面的圖片。在設(shè)計前需要對軟件進(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 啟動界面 開始設(shè)計前我們需要新建一個工程，首

4、先要在啟動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”時會出現(xiàn)圖1-1-2所顯示的對話框，把項目名稱按照需要填好后單擊Next，便會進(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)自己選擇的實驗設(shè)備選擇好相應(yīng)的芯片型號點擊Next,進(jìn)入下一個步驟當(dāng)出現(xiàn)圖1-1-5時，點擊“Finish”后這個工程就建立好了。 圖 1-1-4 仿真器選擇框 圖1-1-5 對話框 建好工程后開始進(jìn)行設(shè)計，首先在圖1-1-6中單擊file后選擇new,接著會出現(xiàn)圖1-1-7，在交

5、通燈控制器的設(shè)計中我們選擇的是VHDL File,當(dāng)出現(xiàn)圖1-1-8時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QuartusⅡ軟件的使用做一個簡單介紹，設(shè)計中的編譯和仿真步驟在后面的幾章中會做出介紹。 第二章 交通燈控制器設(shè)計的概述 2.1 控制器設(shè)計描述 2.1.1 設(shè)計任務(wù) 要求設(shè)計交通燈控制器，分別在四個方向都安裝紅、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，四個方向分別還安裝有倒計時的計時器。 2.1.2 設(shè)

6、計要求 東西方向和南北方向各有組指示燈，紅燈亮的時間為20S,黃燈亮的時間為5S，綠燈亮的時間為25S。三種燈亮滅的順序為紅燈、綠燈、黃燈。 第三章 交通燈控制器的設(shè)計過程 3.1 設(shè)計方案 本設(shè)計課題用FPGA來實現(xiàn)智能交通燈的設(shè)計，本設(shè)計現(xiàn)要研究的問題主要有：智能交通燈的設(shè)計方案；各功能模塊的設(shè)計與實現(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 交通燈控制器設(shè)計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)褂嫊r為零時，控制器改變交通燈的顏色，同時倒計時開始進(jìn)入下一個倒計時。當(dāng)有緊急情況出現(xiàn)的時候，四面的交通燈都會變?yōu)榧t燈，緊急情況

7、的處理在設(shè)計中是依靠HOLD鍵來實現(xiàn)的。圖 3-1-1-1 是交通燈設(shè)計的設(shè)計框圖 特殊情況 計 時 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)計的設(shè)計框圖 系統(tǒng)的紅、黃、綠燈顯示的總時間為50s，具體的亮燈時間和亮燈順序看 表 3-1-1-2 表3-1-1-2 交通燈亮燈順序與亮燈時間安排 東西方向 （A燈） A綠燈亮 （20s） A黃燈亮 （21—25s） A紅燈亮 （26—50s） 南北方向 （B燈） B紅燈亮 （0—25s） B綠燈亮 （26—45s） B黃燈亮 （46—50

8、s） 3.1.2 工程流程圖創(chuàng)建一個新的工程 創(chuàng)建VHDL語言文件 保存輸入的程序 將程序輸入文件中 對程序進(jìn)行編譯，有錯誤的要進(jìn)行修改、再編譯，直至沒有錯 對程序進(jìn)行波形的仿真 進(jìn)行圖形電路設(shè)計、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 時序圖的假象 在時序圖中，上升沿有效，即為“1”時燈亮，好比RedA為上升沿（ “1” ）時A方向的紅燈是亮的，相對的GreenB也為上升沿（ “1” ）B方向上綠燈是亮的。具體的時序顯示見圖3-2 時序圖。 GreenA YellowA RedB YeelowB Green

9、B RedAAAAA 圖3-2 時序圖 3.2 模塊設(shè)計 3.2.1 主控制器模塊 在QuartusⅡ按照1-1中的方法新建一個工程并新建一個文件項目后，在圖1-1-8程序編輯框中將主控制器的程序輸入后保存。接著需要對主控制器的程序進(jìn)行編譯，編譯的步驟是點擊Project→Set as Top將文件置頂，具體的參考圖3-2-1-1 置頂，接著點擊圖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)了一些錯誤，在我編譯主控制器的程序時，出現(xiàn)的錯誤是沒有將CLOCK放入PROCESS(

10、)中，將程序中的錯誤一一改正后有時還會出現(xiàn)些Warning，有些Warning并不會影響后面的設(shè)計步驟。將上面的錯面都改正后，就會顯示圖3-2-1-3 所顯示的對話框。下一步就是對程序進(jìn)行時序仿真， 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文件，點擊File出現(xiàn)圖3-2-1-4 新建文件對話框，選擇圖中顯示藍(lán)色的選項就會出現(xiàn)我們想要的界面，把鼠標(biāo)移在圖3-2-1-5 時序仿真編輯框中左邊的空白處，然后點擊右鍵，選擇INSERT→INSERT NODE OR BUS選項出現(xiàn)另一個對話框，選擇對話框中的NODE FINDER后就會產(chǎn)生新的對話框，點擊L

11、IST是在左下角的空白處會出現(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出現(xiàn)在時序仿真編輯中左邊的空白處，我們對輸入信號進(jìn)行設(shè)定，若想讓輸出信號顯示為十六進(jìn)制數(shù)，我們可以選中輸出信號然后點擊鼠標(biāo)的右鍵選擇VALUE→COUNT VALUE后出現(xiàn)的對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)的定時等。對輸出輸入信號編輯完成后保存。在菜單工具欄中選擇PROCESSING→SIMULATOOR TOOL,出現(xiàn)圖3-2-1-6的對話框，按照對話框顯示的進(jìn)行設(shè)定，點擊QENERAT FUNCTIONAL…→START→REPORT，就會得出我們想要的圖3-2-1-7 主控制器時序仿真圖

12、。 圖3-2-1-4 新建文件對話框 圖3-2-1-5 仿真編輯框 圖3-2-1-6 仿真工具對話框 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)計前預(yù)計的時序仿真圖的結(jié)果是相符合的。時序圖中的HOLD是保持信號，當(dāng)HOLD信號為有效信號（ “1” ）時，則四個方向的路燈都是紅燈亮，當(dāng)HOLD無效時，四個方向的信號燈會正常工作。RESET信號有效時，計數(shù)器的顯示就會重新從零開始。圖中四個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 主控制器的時序仿真完成后，一個程序的設(shè)計、仿真就已經(jīng)暫時結(jié)束了，下一步還要

13、進(jìn)行圖形的設(shè)計，在總的圖形設(shè)計前，需要先將每個程序都生成模塊，為之后的設(shè)計做好準(zhǔn)備。點擊File→Create\Updade→Create Symbol Files for Current File,完成這個操作過程后便會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和六個指示燈的輸出。 3.2.2 分頻器模塊 設(shè)計中需要用到1秒鐘的脈沖，分頻這個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

14、控制模塊中談到的過程是相同的。按照上面談的步驟完成后就會得到圖3-2-2-1 分頻模塊的時序仿真圖。 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變?yōu)?0hz，再經(jīng)過第二個模塊后變成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，得到的是顯示時間值的十位和個位。圖3-2-3-1 提取顯示值的時序仿真圖中NUMIN是主控制器的輸出值，NUMA和NUMB兩個輸出端口是要顯示的值的高位和低位。

15、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開始計數(shù)，當(dāng)計到9時NUMA計為1，NUMB重新從0開始計數(shù)，當(dāng)計到9時NUMA會計為2，NUMB再次從0開始計數(shù)，當(dāng)NUMA（高位）計數(shù)到2時，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

16、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。每段管子不是同時被點亮的并且點亮的時間都是極短的，又因為變化的時間很短暫，亮滅的過程中留下的余光會給人一種錯覺，人的眼睛覺得是一組靜態(tài)的顯示燈。具體的動態(tài)掃描的程序請看正文后的附錄。圖3-2-4-1 是動態(tài)掃描的時序仿真圖，圖3-2-4-2是動態(tài)掃描生成的模塊。 圖3-2-4-1 動態(tài)掃描的時序仿真圖 圖3-2-4-2 動態(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序仿真圖，另一幅是位選程序生成的模塊。見圖3-2

17、-5-1和圖3-2-5-2。 圖3-2-5-1 位選時序仿真圖 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)動七段數(shù)碼管的信號，程序中的NUM與動態(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 譯碼器的時序仿真。像時序仿真圖中顯示的一樣，當(dāng)NUM輸入“0000”時LED8便會輸出“00111111”顯示數(shù)字“0”，當(dāng)NUM輸入“0001” 時LED8輸出“00000110”顯示數(shù)字“1”。圖3-2-6-2 是

18、譯碼器程序生成的模塊。 圖3-2-6-1 譯碼器的時序仿真圖 圖3-2-6-2 譯碼器模塊 3.3 圖形設(shè)計 3.3.1 圖形設(shè)計的生成 將每個程序都編譯、仿真完成后，下一步就是要設(shè)計圖形仿真，在進(jìn)行圖形的時序仿真前，要先進(jìn)行圖形的編輯和編譯。要建立一個新工程和圖形編輯的文件的的過程是點擊File→New→Block Diagram/Schematic File.（見圖3-3-1-1） 圖3-3-1-1 新建一個文件的對話框 新建了一個文件以后，就要開始編輯圖形了，要把每一個模塊都找出來，選擇Assignment→Settings后出現(xiàn)圖3-3-1-2 的對話框，在

19、左邊找到libraries，單擊它以后會出現(xiàn)圖3-3-1-2 右邊顯示的內(nèi)容，再點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)計做好準(zhǔn)備，全部添加完成后點擊“OK”，這樣在元件庫中就可以找到生成的那些模塊了。選擇Edit→Insert Symbol后出現(xiàn)圖3-3-1-3 的對話框，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)計中的需要選出模塊和元件。 圖3-3-1-2 libraries對話框 圖3-3-1-3 元件庫對話框 圖3-3-1-4 編譯對話框 圖3-3-1-4 中標(biāo)明了每個快捷工具的

20、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)計的時序仿真圖 圖形設(shè)計編譯完成以后按照程序的時序仿真的過程對圖形設(shè)計進(jìn)行時序仿真，給CLK適當(dāng)?shù)男盘?，并且要給輸入值定義正確的值，開始仿真后會出現(xiàn)圖3-3-2-1就是編譯后的時序仿真圖。圖形設(shè)計的時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，時序圖中可以很容易看出當(dāng)計時數(shù)計數(shù)到某一個值的時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

21、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)計都完成后，接著要對圖形設(shè)計進(jìn)行管腳的鎖定。先確定設(shè)計時確定的器件類型和實際的硬件類型是不是一樣，選擇Assignments→Device，在出現(xiàn)的對話框中認(rèn)真確定選擇的器件是不是正確的。接下來選擇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)計中使用到的芯片ACEX1K-EP1K100QC208-3。圖3-4-3 是完成編譯、時序仿真、管腳鎖定這些步驟后的圖形設(shè)計。 圖3-

22、4-1 管腳鎖定對話框 圖3-4-2 芯片ACEX1K-EP1K100QC208-3 圖3-4-3 最終的圖形設(shè)計 表3-4-1 管腳和相應(yīng)的功能 序號 名稱 功能 管腳口 1 CLK 時鐘信號 79 2 HOLD 保持鍵 7 3 RESET 復(fù)位鍵 8 4 RedA A路口的紅燈 11 5 GreenA A路口的綠燈 13 6 YellowA A路口的黃燈 15 7 RedB B路口的紅燈 12 8 GreenB B路口的綠燈 14 9 YellowB B路口的黃燈 16 10 LED8 LE

23、D數(shù)碼管 24-31 11 SI 位選 36-39 在這次畢業(yè)設(shè)計中，我們用的芯片是ACEX1K-EP1K100QC208-3，圖3-4-3就是設(shè)計所用的芯片，褐色小點是設(shè)計中鎖定的管腳。而表3-4-1是鎖定的管腳和相應(yīng)的功能。 結(jié) 論 經(jīng)過了兩個多月的努力，畢業(yè)設(shè)計終于完成了。這次的畢業(yè)設(shè)計是在大學(xué)期間完全沒有接觸過的知識，在兩個月的時間里我已經(jīng)對FPGA有了一定的認(rèn)識，又學(xué)到了新的知識。 剛開始做這個課題時，我從知網(wǎng)和圖書館找了很多的資料，在對這些資料整理的過程中開始一點點的熟悉FPGA和VHDL語言，最初我連最基本的程序都看不懂，經(jīng)過努力后，我不僅可以看懂程序還可以利用QuartusⅡ軟件對程序進(jìn)行編譯、仿真。這次畢業(yè)設(shè)計的經(jīng)歷提高了我的自學(xué)能力，當(dāng)我遇到一個問題的時候，我會認(rèn)真的查找出錯的地方，然后想辦法把它解決掉，一個程序的仿真結(jié)果出來后，我還會認(rèn)真的查看仿真的結(jié)果是不是正確的。在做硬件實驗時，開始我反復(fù)琢磨了很久都沒有做出來，通過和老師同學(xué)的交流，我終于成功的做出了硬件的仿真。這次的畢業(yè)設(shè)計結(jié)果可以按照設(shè)計的正常運(yùn)行。 這次畢業(yè)設(shè)計告訴我，只要努力、認(rèn)真，再難再陌生的東西都能夠做的出來。 24