基于FPGA的交通灯控制器设计

内蒙古工业大学本科毕业设计说明书1引言随着城乡的经济发展，车辆的数量在迅速的增加，交通阻塞的问题已经严重影响了人们的出行。现在的社会是一个数字化程度相当高的社会，很多的系统设计师都愿意把自己的设计设计成集成电路芯片，芯片可以在实际中方便使用。随着EDA技术的发展，嵌入式通用及标准FPGA器件的呼之欲出，片上系统(SOC)已经近在咫尺。FPGA/CPLD以其不可替代的地位及伴随而来的极具知识经济特征的IP芯片产业的崛起，正越来越受到业内人士的密切关注。FPGA就是在这样的背景下诞生的，它在数字电路中的地位也越来越高，这样迅速的发展源于它的众多特点。交通等是保障交通道路畅通和安全的重要工具，而控制器是交通灯控制的主要部分，它可以通过很多种方式来实现。在这许许多多的方法之中，使用FPGA和VHDL语言设计的交通灯控制器，比起其他的方法显得更加灵活、易于改动，并且它的设计周期性更加短。城市中的交通事故频繁发生，威胁着人们的生命健康和工作生活，交通阻塞问题在延迟出行时间的同时，还会造成更多的空气污染和噪声污染。在这种情况下，根据每个道路的实际情况来设置交通灯，使道路更加通畅，这对构建和谐畅通的城市交通有着十分重要的意义。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书2第一章软件介绍1.1QuartusⅡ介绍本次毕业设计是基于FPGA下的设计，FPGA是现场可编程门阵列，FPGA开发工具种类很多、智能化高、功能非常的强大。可编程QuartusⅡ是一个为逻辑器件编程提供编程环境的软件，它能够支持VHDL、VerilogHDL语言的设计。在该软件环境下，设计者可以实现程序的编写、编译、仿真、图形设计、图形的仿真等许许多多的功能。在做交通灯控制器设计时选择的编程语言是VHDL语言。在这里简单的介绍一下QuartusⅡ的基本部分。图1-1-1是一幅启动界面的图片。在设计前需要对软件进行初步的了解，在图中已经明显的标出了每一部分的名称。图1-1-1启动界面开始设计前我们需要新建一个工程，首先要在启动界面上的菜单栏中找到File，单击它选择它下拉菜单中的“NewProjectWizard”时会出现图1-1-2所显示的对话框，把项目名称按照需要填好后单击Next，便会进入图1-1-3显示的界面。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书3图1-1-2创建工程框图1-1-3芯片选择框根据自己选择的实验设备选择好相应的芯片型号点击Next,进入下一个步骤当出现图1-1-5时，点击“Finish”后这个工程就建立好了。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书4图1-1-4仿真器选择框图1-1-5对话框建好工程后开始进行设计，首先在图1-1-6中单击file后选择new,接着会出现图1-1-7，在交通灯控制器的设计中我们选择的是VHDLFile,当出现图1-1-8时就可以把编辑的程序敲入编辑器中。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书5图1-1-6工程建好后的界面图1-1-7新建文件类型选择框内蒙古工业大学本科毕业设计说明书6图1-1-8程序编辑框在第一章中对QuartusⅡ软件的使用做一个简单介绍，设计中的编译和仿真步骤在后面的几章中会做出介绍。第二章交通灯控制器设计的概述2.1控制器设计描述2.1.1设计任务要求设计交通灯控制器，分别在四个方向都安装红、黄、绿三种颜色的交通指示灯，红灯表示停止，绿灯表示通行，黄灯表示左转和直行将要禁止通行，四个方向分别还安装有倒计时的计时器。2.1.2设计要求东西方向和南北方向各有组指示灯，红灯亮的时间为20S,黄灯亮的时间为5S，绿灯亮的时间为25S。三种灯亮灭的顺序为红灯、绿灯、黄灯。第三章交通灯控制器的设计过程3.1设计方案本设计课题用FPGA来实现智能交通灯的设计，本设计现要研究的问题主要有：智能交通灯的设计方案；各功能模块的设计与实现；如何用VHDL编写源程序以及进行系统仿真。3.1.1框图设计内蒙古工业大学本科毕业设计说明书7交通灯控制器设计的框图中包括控制器、分频器、显示器、指示灯、译码器、位选器。当倒计时为零时，控制器改变交通灯的颜色，同时倒计时开始进入下一个倒计时。当有紧急情况出现的时候，四面的交通灯都会变为红灯，紧急情况的处理在设计中是依靠HOLD键来实现的。图3-1-1-1是交通灯设计的设计框图图3-1-1-1交通灯设计的设计框图系统的红、黄、绿灯显示的总时间为50s，具体的亮灯时间和亮灯顺序看表3-1-1-2表3-1-1-2交通灯亮灯顺序与亮灯时间安排东西方向（A灯）A绿灯亮（20s）A黄灯亮（21—25s）A红灯亮（26—50s）南北方向（B灯）B红灯亮（0—25s）B绿灯亮（26—45s）B黄灯亮（46—50s）3.1.2工程流程图图3-1-2工程流程图3.1.3时序图的假象在时序图中，上升沿有效，即为“1”时灯亮，好比RedA为上升沿（“1”）时A方向的红灯是亮的，相对的GreenB也为上升沿（“1”）B方向上绿灯是亮的。具体创建一个新的工程创建VHDL语言文件保存输入的程序将程序输入文件中对程序进行编译，有错误的要进行修改、再编译，直至没有错对程序进行波形的仿真进行图形电路设计、保存、编译、波形仿真、管脚锁定进行硬件仿真特殊情况计时器位选器显示器（东、西、南、北）译码器控制器指示灯内蒙古工业大学本科毕业设计说明书8的时序显示见图3-2时序图。图3-2时序图3.2模块设计3.2.1主控制器模块在QuartusⅡ按照1-1中的方法新建一个工程并新建一个文件项目后，在图1-1-8程序编辑框中将主控制器的程序输入后保存。接着需要对主控制器的程序进行编译，编译的步骤是点击Project→SetasTop将文件置顶，具体的参考图3-2-1-1置顶，接着点击图3-2-1-2的StartCompilation进行编译。图3-2-1-1置顶GreenAYellowARedBYeelowBGreenBRedAAAAA内蒙古工业大学本科毕业设计说明书9图3-2-1-2编译在编译的过程中，出现了一些错误，在我编译主控制器的程序时，出现的错误是没有将CLOCK放入PROCESS()中，将程序中的错误一一改正后有时还会出现些Warning，有些Warning并不会影响后面的设计步骤。将上面的错面都改正后，就会显示图3-2-1-3所显示的对话框。下一步就是对程序进行时序仿真，图3-2-1-3编译成功内蒙古工业大学本科毕业设计说明书10程序编译无措后在当前的工程下面新建一个文件，点击File出现图3-2-1-4新建文件对话框，选择图中显示蓝色的选项就会出现我们想要的界面，把鼠标移在图3-2-1-5时序仿真编辑框中左边的空白处，然后点击右键，选择INSERT→INSERTNODEORBUS选项出现另一个对话框，选择对话框中的NODEFINDER后就会产生新的对话框，点击LIST是在左下角的空白处会出现很多的引脚，我们选中需要的引脚后确定后，我们需要的引脚就会出现在时序仿真编辑中左边的空白处，我们对输入信号进行设定，若想让输出信号显示为十六进制数，我们可以选中输出信号然后点击鼠标的右键选择VALUE→COUNTVALUE后出现的对话框中可以选择自己需要显示的进制类型和进制数的定时等。对输出输入信号编辑完成后保存。在菜单工具栏中选择PROCESSING→SIMULATOORTOOL,出现图3-2-1-6的对话框，按照对话框显示的进行设定，点击QENERATFUNCTIONAL…→START→REPORT，就会得出我们想要的图3-2-1-7主控制器时序仿真图。图3-2-1-4新建文件对话框内蒙古工业大学本科毕业设计说明书11图3-2-1-5仿真编辑框图3-2-1-6仿真工具对话框内蒙古工业大学本科毕业设计说明书12图3-2-1-7主控制器的仿真图图3-2-1-7中显示的仿真结果和设计前预计的时序仿真图的结果是相符合的。时序图中的HOLD是保持信号，当HOLD信号为有效信号（“1”）时，则四个方向的路灯都是红灯亮，当HOLD无效时，四个方向的信号灯会正常工作。RESET信号有效时，计数器的显示就会重新从零开始。图中四个方向的指示灯的亮灭顺序是正确的。图3-2-1-8主控制器的模块主控制器的时序仿真完成后，一个程序的设计、仿真就已经暂时结束了，下一步还要进行图形的设计，在总的图形设计前，需要先将每个程序都生成模块，为之后的设计做好准备。点击File→Create\Updade→CreateSymbolFilesforCurrentFile,完成这个操作过程后便会生成主控制器的模块，具体的看图3-2-1-8主控制器的模块。模块中主要有CLOCK、RESET、HOLD、NUMA、NUMB和六个指示灯的输出。3.2.2分频器模块设计中需要用到1秒钟的脉冲，分频这个模块就是为了改变频率脉冲波，使20Mhz的频率最终变为1hz的脉冲，这样就可以得到一个周期是1秒钟的脉冲，分频器的程序内蒙古工业大学本科毕业设计说明书13见附录。具体的程序编译过程和仿真的过程和主控制模块中谈到的过程是相同的。按照上面谈的步骤完成后就会得到图3-2-2-1分频模块的时序仿真图。图3-2-2-1分频模块的仿真图图3-2-2-2分频模块分频的程序经过编译和时序仿真图后生成的模块是图3-2-2-2分频模块所显示的20mhz的脉冲通过第一模块时变为10hz，再经过第二个模块后变成1hz的脉冲。3.2.3提取显示值模块提取显示值的功能是在10hz的速度下提取显示值，得到的是显示时间值的十位和个位。图3-2-3-1提取显示值的时序仿真图中NUMIN是主控制器的输出值，NUMA和NUMB两个输出端口是要显示的值的高位和低位。高位的最大输出值是为二的四位二进制数，低位的最大输出值是为九的四位二进制数。图3-2-3-2是提取显示值生成的模块。提取显示值的程序见文章的附录。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书14图3-2-3-1提取显示值的仿真图仿真图中，NUMB先从0开始计数，当计到9时NUMA计为1，NUMB重新从0开始计数，当计到9时NUMA会计为2，NUMB再次从0开始计数，当NUMA（高位）计数到2时，NUMB的最大值输出为5。图3-2-3-2提取显示值的模块3.2.4动态扫描模块LED显示的工作原理是利用人类的视觉特性。七段LED数字显示块是由“a、b、c、d、e、f、g、dp”这几段组成的，LED的显示原理就是要看这八段中的哪几段是亮的，那几段是灭的。每段管子不是同时被点亮的并且点亮的时间都是极短的，又因为变化的时间很短暂，亮灭的过程中留下的余光会给人一种错觉，人的眼睛觉得是一组静态的显示灯。具体的动态扫描的程序请看正文后的附录。图3-2-4-1是动态扫描的时序内蒙古工业大学本科毕业设计说明书15仿真图，图3-2-4-2是动态扫描生成的模块。图3-2-4-1动态扫描的时序仿真图图3-2-4-2动态扫描的模块3.2.5位选器模块位选程序的输入和编译完成后，对程序进行仿真，仿真的步骤依然和上面谈到的一样，下面两幅图一张是位选程序的时序仿真图，另一幅是位选程序生成的模块。见图3-2-5-1和图3-2-5-2。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书16图3-2-5-1位选时序仿真图图3-2-5-2位选模块3.2.6译码器模块译码器是将要显示的数字转换成驱动七段数码管的信号，程序中的NUM与动态扫描模块相连，将四位二进制数转换为八位二进制数，再通过LED8输出。译码器的程序编辑和编译步骤也和前面所说的相同。当译码器编译成功后进行仿真，仿真的结果见图3-2-6-1译码器的时序仿真。像时序仿真图中显示的一样，当NUM输入“0000”时LED8便会输出“00111111”显示数字“0”，当NUM输入“0001”时LED8输出“00000110”显示数字“1”。图3-2-6-2是译码器程序生成的模块。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书17图3-2-6-1译码器的时序仿真图图3-2-6-2译码器模块3.3图形设计3.3.1图形设计的生成将每个程序都编译、仿真完成后，下一步就是要设计图形仿真，在进行图形的时序仿真前，要先进行