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31页
交通信号指示灯是城市中交通指挥疏导中不可缺少的智能工具。 以前用到的大多数交通灯的控制系统都是采用单片机或者 PLC 进行 设计开发的。本文将采用 VHDL 硬件描述语言来论述各模块代码, 并在 Quartus II 开发环境下进行编译,在硬件板子上进行调试和演 示。在计算机上运行成功并生产生成顶层文件后下载在 FPGA 器件 EP2C5T144 开发板子上进行验证。通过调试结果显示,本文的设计 完全可以满足现在交通指挥的需求,包括时间提示显示、相关状态控 制和主、支干道的红、黄、绿灯交替显示功能。本文在交通灯控制的 基础上,对硬件描述语言以及其设计流程做了简单介绍。 EDA 工具是一种十分重要的 VHDL 语言开发工具,它是一款能 够对设计过程中任何一个环节或者阶段进行计算机模拟的强大工具, 因而,该工具能够确保准确的设计,减少设计周期,大大降低成本。 基于 FPGA 的交通灯控制器具有较高的可靠性、擦写迅速、高效的 运算能力、故障少、设计简单、质量轻以及体积不大等优势。
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基于 FPGA的交通灯设计
-I-
摘要
交通信号指示灯是城市中交通指挥疏导中不可缺少的智能工具。
以前用到的大多数交通灯的控制系统都是采用单片机或者 PLC 进行
设计开发的。本文将采用 VHDL 硬件描述语言来论述各模块代码,
并在 Quartus II 开发环境下进行编译,在硬件板子上进行调试和演
示。在计算机上运行成功并生产生成顶层文件后下载在 FPGA 器件
EP2C5T144 开发板子上进行验证。通过调试结果显示,本文的设计
完全可以满足现在交通指挥的需求,包括时间提示显示、相关状态控
制和主、支干道的红、黄、绿灯交替显示功能。本文在交通灯控制的
基础上,对硬件描述语言以及其设计流程做了简单介绍。
EDA 工具是一种十分重要的 VHDL 语言开发工具,它是一款能
够对设计过程中任何一个环节或者阶段进行计算机模拟的强大工具,
因而,该工具能够确保准确的设计,减少设计周期,大大降低成本。
基于 FPGA 的交通灯控制器具有较高的可靠性、擦写迅速、高效的
运算能力、故障少、设计简单、质量轻以及体积不大等优势。本次设
计将采用 EP2C5T144 最小系统开发板,因为它的体积不大,可以轻
松嵌入到外围电路中,完全可以快速进行逻辑判断,数据计算以及系
统运算等。本文采用 QuartusII 软件进行开发,运用自顶向下的新型
设计方法。
关键词:自动、逻辑、交通灯、EDA、FPGA
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基于 FPGA的交通灯设计
-II-
Abstract
Traffic light controller plays a very important role in the regulation of
urban traffic. The traditional traffic light controller is based on single-chip
microcomputer or PLC. This paper introduces a scheme based on FPGA
technology and II Quartus development platform to realize the intersection
traffic light controller. Using VHDL hardware description language
description of the module program, and in the II Quartus environment to
compile, simulate, generate the top level files downloaded in the FPGA
device EPF10K10LC84 FLEX for verification. The verification results
show that the basic design to achieve the control of traffic light controller,
including the countdown time display function and main function, the
special state control, a road of red, yellow, and green light display function
alternately, indicating that the design scheme is correct. In this paper, the
design process of the traffic light controller, and briefly introduces the
hardware description bright prospect in the digital system design of VHDL
language structure model and process design, VHDL design advantages
and the language and an important position.
EDA tools for electronic design personnel is extremely important, it can in
each stage of electronic design, the level of computer simulation and
verification, to ensure the design accuracy and can shorten the design
cycle and reduce design cost. Can realize the automatic control of traffic
lights crossroads traffic lights. Based on the FPGA design of traffic lights
system has high reliability, real-time flash, high operation speed, the
failure rate is low, the circuit is simple, and the volume is small. This
design uses Altera cycloneii series ep2c5t144 chip as the core of the
minimum system, it can easily embed into the actual traffic lights
application system, can realize the function of the simple logic control,
data acquisition, signal processing and mathematical computing; using
QuartusII software as a development platform; using top-down design
Keywords : automatic, logic, traffic lights, EDA, FPGA
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基于 FPGA的交通灯设计
-III-
目录
摘要 .................................................................................................... I
Abstract .......................................................................................... II
目录 ................................................................................................. III
前言 ................................................................................................... 1
1 绪论 ............................................................................................... 2
1.1论文研究背景及意义 ............................................................... 2
1.2 FPGA开发的历史及简介 ........................................................ 3
1.3 EP2C5T144最小系统介绍 ...................................................... 4
1.4 本文研究的主要内容 ............................................................. 5
2 硬件设计 ....................................................................................... 7
2.1硬件开发环境介绍 ................................................................... 7
2.2硬件开发环境平台搭建 ........................................................... 7
2.3原理图设计 ............................................................................. 12
3 软件设计 ..................................................................................... 16
3.1软件开发平台介绍 .................................................................... 16
3.2软件开发平台搭建 .................................................................... 17
3.3程序设计 .................................................................................... 18
3.3.1 程序设计分析 .................................................................... 18
3.3.2 程序设计中需要注意的问题 ............................................ 19
4 实物模型展示 ............................................................................. 23
4.1 实物模型介绍 .......................................................................... 23
4.2 实物模型演示方法 .................................................................. 24
4.2 仿真说明 .................................................................................. 24
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基于 FPGA的交通灯设计
-IV-
总结 ................................................................................................. 26
参考文献 ............................................................ 错误!未定义书签。
致谢 .................................................................... 错误!未定义书签。
附件1 部分程序源代码 .................................... 错误!未定义书签。
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基于 FPGA的交通灯设计
-1-
前言
交通灯控制指挥系统,其本质就是规范和管理行人和车辆穿越路
口的行为,从确保人和车辆能够安全、快速、合理和有效通过。在现
在,交通灯控制器安装在各个路口上,大大提高了路口行人和车辆的
通行安全性和规范性,减少了交通事故的发生几率。目前实现交通灯
控制有很多方案,比如采用 PLC
[1]
(可编程序控制器)、标准逻辑器
件、51 单片机
[2]
等方案来进行开发。若采用单片机平台进行开发设
计,其大致电路框架包括基于单片机的主控电路、电源电路、显示电
路和无线收发控制电路四个部分组成。控制电路的芯片为51 单片机
或者 STC 单片机都可以。同时需要一个 3.3V 或者 5.5CV 的 DCDC,
数码管显示电路和无线收发控制电路是由数据发射模块和编码芯片两
部分组成。电路设计相对复杂不说,而且还需要进行软件的设计。虽
然基于单片机的交通灯控制系统具有运行稳定,功能较多,灵活性比
较好等优势,但是任然存在许多问题。特别是电路的修改比较花费时
间,设计比较繁琐,在一定程度下增加了设计成本和维护周期。可编
程控制器 PLC 的优势在于是可靠性较好和稳定性较高,但是其也有
诸多问题。PLC 是一个封闭的结构,所以不同 PLC 控制器的兼容性
较差,而且不同的 PLC 在程序设计上也存在着差异。这就意味着,
一旦选择一种 PLC 之后,就只能按照该型号 PLC 的相关方式进行编
编程,而且需要学习相关的设计语言规律,这些问题大大的的限制了
PLC 的灵活性和多元性。与前两者相比,基于 FPGA 的开发方案,
不仅具有很好灵活性,稳定性,而且编程语言是完全统一性,而且更
简单和稳定。因而,此次交通灯的控制器开发设计采用基于 VHDL
语言,FPGA 的方式进行设计,不仅经济节约和而且更加可靠稳定。
其开发设计也相对更加简单,故障维护也比较容易,更加适合目前城
市交通指挥的需求。
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