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1、 交通灯信号控制器设计 学 院: 信息工程学院专 业: 通信工程班 级:姓 名:指导教师: 完成日期: 2010年6月1日目 录引言1一绪论1（一）课题背景与意义1（二）课题任务要求2二 FPGA技术与开发工具介绍2（一） FPGA芯片2（二）VHDL语言简介4(三) MAX+PLUS II软件6三基于VHDL交通灯控制器设计和仿真7（一）设计思想介绍7（二）系统各功能模块的实现8（三）系统综合设计与仿真10（四）软件调试过程中遇到的问题11四系统调试与实现12（一）GW48-CK系统概述12（二） GW48-CK系统工作原理13（三）实验电路与管脚定义14（四）实验箱上验证时遇到的一些问题1
2、6（五）交通灯信号控制硬件测试16五毕业设计总结20结束语21参考文献21摘 要自从交通灯诞生以来，其部的电路控制系统就不断的被改进，设计方法也开始多种多样，从而使交通灯显得更加智能化。本设计主要在 MAX+plus环境下运用VHDL进行交通灯信号控制设计，并在GW48-CK型开发实验箱上的FPGA器件EPF10K10LC84-4芯片上进行硬件模拟实现。关键词：智能化，交通灯，VHDL，MAX+plusAbstractSince the inception of traffic lights, the internal of the circuit control systems have b
3、een continuously improved ,and start variety of design,which make the traffic lights more intelligent . The design mainly using VHDL for traffic signal control design in the MAX + plus environment, and Conduct Hardware Simulation in the device EPF10K10LC84-4 chip of FPGA in GW48-CK-type development
4、boxKeyword:IntelligentTraffic lights VHDL MAX + plus 引 言随着电子设计自动化（EDA）的发展,电子系统的设计技术和设计工具发生了深刻的变化。利用硬件描述语言对数字系统的硬件电路进行描述是EDA的关键技术之一。VHDL (Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language)语言是目前主流的硬件描述语言,它具有很强的电路描述和建模能力,且有与具体硬件电路无关和与设计平台无关的特性,在语言易读性和层次化结构设计方面表现出强大的生命力和应用潜力。在城市车流量日益增加的今天
5、,交通信号控制器扮演着越来越重要的角色。目前交通信号控制器可采用MCU、PLC和PLD等多种形式进行控制。其中采用MCU进行控制的特点是系统可塑性较强,控制模式灵活多样,但系统的组成除单片机芯片外还需要扩展较多的外围电路;采用PLC进行控制的特点是编程较方便,容易扩展输入输出通道,但系统硬件成本较高;采用PLD器件进行控制的特点是控制简单灵活,仅需要配置简单的外围电路即可实现特定的功能,这对于简化交通信号控制器的设计、普与交通信号控制器的应用将起到积极的推动作用。文中采用VHDL语言,运用计数器设计方法对交通信号控制器进行设计,并且利用EDA开发工具MAX+PLUS II对代码分别进行全程编译
6、和仿真,最后在FPGA器件上进行下载验证一 绪 论本设计系统是基于VHDL的模拟交通灯控制系统，具有一定的现实意义。本课题的目的是以VHDL为基础，通过可编程逻辑器件CPLD/FPGA 的EPF10K10LC84-4,LED数码管显示和LED灯完成十字路口的工作状态模拟，并且通过按键有效的监视控制主，支干道是否有车辆通过，由监控结果自动调节主，支干道的放行时间，等待时间和状态转换时间。（一） 课题背景与意义随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计
7、算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。随着城市机动车量的不断增加，许多大城市如、等出现了交通超负荷运行的情况，因此，自80年代后期，这些城市纷纷修建城市高速道路，在高速道路建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。然而，随着交通量的快速增长和缺乏对高速道路的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用。而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路耦合处交通状况的制约。所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部
8、门亟待解决的主要问题。和谐的城市交通具有很重要的现实意义。城市交通是城市经济生活的命脉，是衡量一个城市文明进步的标志，对于城市经济的发展和人们说水平的提高起着十分重要的作用。作为城市交通网的主要组成部分，交叉口是道路通行能力的瓶颈和交通堵塞与事故的多发地。城市的交通堵塞，大部分由于交叉口的通行能力不足或没有充分利用造成的，这导致车流中断，事故增多，延误严重。对交叉口实行科学的管理与控制是交通控制工程的重要研究课题，是保障交叉口的交通安全和充分发挥交叉口的通行能力的重要措施，是解决城市交通问题的有效途径。（二）课题任务要求1.运用VHDL实现对十字路口交通灯信号控制编程，在MAX+PLUS II
9、环境编译，仿真，综合，并在GW48-CK型开发实验箱上实现硬件验证。2. 主干道和支道交叉路口的信号灯控制：优先保证主干道的畅通 。平时处于“主干道绿灯，支道红灯”状态，只有在支道有车辆通行要穿行主干道时，才将交通灯切向“主干道红灯支道绿灯” 此外，每次通行时间不得短于30S，状态交换过程出现的状态持续时间都为4S二 FPGA技术与开发工具介绍（一） FPGA芯片1. FPGA的结构特点尽管FPGA和CPLD与其他类型的PLD的结构各有其特点和长处，但概括起来，它们是由三大部分组成的：二维的可配置逻辑功能模块（ConfigurableLogic Blocks, CLB），构成了PLD器件的逻辑
10、组成核心；输入输出模块（Input/Output Blocks, IOB），连接逻辑块的互连资源；可编程部互连资源(Programmable Interconnection, PI)，由各种长度的连线线段组成，其中也有一些可编程的连接开关，用于逻辑快之间、逻辑快与输入/输出块之间的连接。2.FPGA的优点FPGA芯片是特殊的ASIC芯片，除了具有ASIC的特点之外，还具有以下几个优点：（1）随着超大规模集成电路VLSI（Very Large Scale IC）工艺的不断提高，单一芯片部可以容纳上百万个晶体管。FPGA芯片的规模也越来越大，其单片逻辑门数已经达到上百万门，所能实现的功能也越来越强
11、，同时还可以实现系统集成。（2）FPGA芯片在出厂前100都做过测试，不需要设计人员承担投片风险和费用。设计人员只需在自己的实验室里就可以通过相关的软硬件环境来完成芯片的最终功能设计。所以，FPGA投入资金少，节省了许多潜在的花费。（3）用户可以反复的编程、擦除、使用，或者在外围电路部动的情况下，用不同软件就可以实现不同的功能；因此，用FPGA试制样片，能以最快的速度占领市场。FPGA软件包中有各种输入工具、仿真工具、版图设计工具与编程器等全线产品，使电路设计人员在很短的时间就可以完成电路的输入、编译、优化、仿真，直至最后芯片的制作。当电路中有少量改动时，更能显示出FPGA的优势。电路设计人员
12、使用FPGA进行电路设计时，不需要具备专门的IC深层次的知识。FPGA软件易学易用，可以使设计人员集中精力进行电路设计，快速将产品推向市场。3.FPGA的分类和使用在FPGA开发软件中完成设计以后，软件会产生一个最终的编程文件（如：.pof）。如何将编程文件烧到FPGA芯片上呢？(1）SRAM BaseSRAM Base的FPGA本身就像一个SRAM，在开机后其必须经过一个称为Configuration（配置）的过程。Configuration可将设计加载到电路板上的FPGA中，其方式一般通过各家厂商提供的特殊Download cable（下载电缆），或是在FPGA旁边加块PROM的方式实现。
13、但在关机后，FPGA的容消失，直到下次重新开机Configuration后，FPGA才能恢复正常的功能，Altera、Xilinx、Lucent等公司都采用这种方式，也是现在用的最多一种方式。由于LUT （Look-up table）主要适合SRAM工艺生产，所以目前大部分FPGA都是基于SRAM工艺的，而SRAM工艺的芯片在掉电后信息就会丢失，一定需要外加一片专用配置芯片，在上电的时候，由这个专用配置芯片把数据加载到FPGA中，然后FPGA就可以正常工作，由于配置时间很短，不会影响系统正常工作。(2）Anti-FuseAnti-Fuse（反熔丝）的FPGA本身则像一个fuse-array，将
14、设计载入FPGA的过程一般称为刻录，因为它是将FPGA的fuse熔断，因此在执行这个动作以后，FPGA的功能就固定了，即使掉电后重起其功能仍然存在。对于这种FPGA，就不需要外加专用的配置芯片。但是这种方式的FPGA只能写一次，所以危险性很大，初期的开发过程比较麻烦，费用也比较高。但反熔丝技术也有许多优点：布线能力更强，系统速度更快，功耗更低，同时抗辐射能力强，可耐高低温，可以加密，所以它在一些有特殊要求的领域中运用更多，如军事与航空航天。（二）VHDL语言简介VHDL语言是一种用于电路设计的高级语言。它在80年代的后期出现。最初是由美国国防部开发出来供美军用来提高设计的可靠性和缩减开发周期的
15、一种使用围较小的设计语言。但是，由于它在一定程度上满足了当时的设计需求，于是他在1987年成为ANSI/IEEE的标准（IEEESTD1076-1987）。1993年更进一步修订，变得更加完备，成为ANSI/IEEE的ANSI/IEEESTD1076-1993标准。目前，大多数的CAD厂商出品的EDA软件都兼容了这种标准。VHDL的英文全写是：VHSIC（VeryHighSpeedIntegratedCircuit）HardwareDescriptiongLanguage.翻译成中文就是超高速集成电路硬件描述语言。因此它的应用主要是应用在数字电路的设计中。目前，它在中国的应用多数是用在FPGA/CPLD/EPLD的设计中。1. VHDL的优点：当前ASIC制造商都自己开发了HDL语言，但是都不通用，只有美国国防部开发的VHDL语言成为了IEEE. STD_1076标准，并在全世界得到了承认。该语言集成了各种HDL语言的优点，使数字系统设计更加简单和容
