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)發(fā)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(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，而控制器是交通燈 控制的

2、主要部分，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1.1 Quartus U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)工具種類很 多、智能化高、功能非常的強(qiáng)大?？删幊?Quartus

3、U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 HDLg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 U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(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“ NewProject Wizard ”時(shí)會(huì)出現(xiàn)圖 1-1-2 所顯

4、示的對(duì)話框，把項(xiàng)目 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)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(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 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

5、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(guò)程3.1 設(shè)計(jì)方案本設(shè)計(jì)課題用FPG/來(lái)實(shí)現(xiàn)智

6、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。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(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交通燈亮燈順序與亮燈時(shí)間安

7、排東西方向（A丁）A錄燈亮（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”）B方向上綠燈是亮的。具體的時(shí)序顯示見(jiàn)圖3-2時(shí)序圖。圖3-2時(shí)序圖3.2模塊設(shè)計(jì)321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)

8、主控制器的程序進(jìn)行編譯，編譯的步驟 是點(diǎn)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(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，將程序中的錯(cuò)誤改正后有時(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

9、，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 INSERT NODE OR BUS項(xiàng)出現(xiàn)另一個(gè)對(duì)話框，選擇對(duì)話框中的NODFINDE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

10、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PROCESSINGSIMULATOOTOOL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 QENERATJNCTIONA-Lp STARP REPORT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)HOL信號(hào)為有效信號(hào)（“ 1” ）時(shí)，則四個(gè)方向的路燈都是

11、紅燈亮， 當(dāng)HOL無(wú)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，為之后的設(shè)計(jì)做好準(zhǔn)備。點(diǎn)擊 File PCreateUpdadePCreate 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 NU

12、M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勺頻率 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 3-2-2-1 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。3.2.3 提取顯示值模塊提取

13、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NUMI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)，NUM的最大值 輸出為5。圖3-2-3-2 提取顯

14、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(jué)特性。七段LE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臅r(shí)間很短暫， 亮滅的過(guò)程中留下的余光會(huì)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3.2.5 位選器模塊位選程序的輸入和編譯完

15、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)，程序中的NU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(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)LED8便會(huì)輸出“0011111

16、1” 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3.3 圖形設(shè)計(jì)331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)

17、，選擇Assig nment Sett in gs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 I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“ 0K,這樣在元件庫(kù)中就可以找到生成的那些模塊了。選擇Edit InsertSymbo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

18、-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(lái)。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(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LED8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

19、，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)表3-4-1管腳和相應(yīng)的功能序號(hào)