基于fpga的交通灯控制电路设计毕业设计(论文)(编辑修改稿)

基于fpga的交通灯控制电路设计毕业设计(论文)(编辑修改稿)内容摘要：

人工智能及电子技术等有效地综合运用于交通运输管理体系统中，建立一种在大范围内、全方位发挥作用的准时、准确、高效的交道运输管理体系。 早期的智能交通研究工作，可以追溯到 1970 年，当时美国开发出了 ERGS电子道路诱导系统 (Electronic Route Guidance system)。 随后，日本在 1973 年，开发出了 eATes 汽车交通综合控制系统 (emprehensive Automobile afficeontrol system)。 与此同时，德国也在七十年代开发出了 ALI 驾驶员引导和公路信息系统 (Autofahrer Leitund hiformation System)。 但是，智能交通系统这一概念的正式提出，应该从 1990 年美国智能交通学会 (当时称美国智能车辆公路学会， HvTS)开始的。 对智能交通系统研究和实施的大力开展也是从这个时候步入了飞速发展的阶段。 经过了十几年的研究、试行和发展。 现已证明，解 决目前经济发展所带来交通问题的最理想方案便是智能交通系统。 智能交通系统是将信息处理、通讯、计算机和电子技术集成到一起的一项新技术领域。 智能交通系统能最佳利用现有宏观交通设施 (道路、桥梁、隧道等 )，有效地缓解交通堵塞，减少交通事故，建立舒适安全的交通环境。 迄今为止，在世界范围内都己经有了成功应用的范例。 美国于 1992 年制定了《美国智能交通系统战咯规划》，规划中将智能交通系统划分为先进交通管理系统 (ATMS)、先进出行信息系统 (ATIS)、先进车辆控制与安全系统 (AVcsS)、车辆操作系统 (Cvo)、先进公共 交通系统 (APTS)、农区交通系统 (RTS)等研究开发领域。 5 与此同时，大规模的智能交通试验项目在美国地方政府、企业和有关院校的支持下迅速展开。 美国在以下几个方面的应用与实践中取得了丰富的经验，比如城市交通监控与管理、智能化交通指挥、交通信息诱导、电子收费、无人管理城市停车 、 商务车辆的智能化管理与调度、智慧卡与预付卡在公共交通中的应用、505 急救电话以及系统互联等等。 这些系统的应用面积已经覆盖了美国 80%以上的国土。 欧洲和日本等一些发达国家，在智能交通系统的研究与应用中也取得了不错的成效。 与美国不同的是，日 本对于智能交通系统的研究更加侧重于城市交通管理和交通信息系统，取得了很多重要成就，比如都市交通监控与智能交通信号控制、高速公路监控系统、实用城市停车系统、出行信息系统、车辆导航系统、车辆定位系统、公共汽车定位与到站预报系统、电子收费系统、隧道监视及事故检测系统、数字地图系统等等。 我国的智能交通系统还处于起步阶段，还没有制定统一的标准。 但是智能交通系统的出现给我国的交通运输行业带来了巨大的机遇和挑战，交通设施、交通管理以及交通工具都会发生巨大的变革。 交通灯控制系统是城市交通控制系统的重要组成部分，也是智能交 通系统的重要组成部分。 二、可编程逻辑器件的发展状况 早期的可编程逻辑器件 [6]只有可编程只读存贮器 (PROM)、紫外线可擦除只 读存贮器 (EPROM)和电可擦除只读存贮器 (EEPROM)三种。 由于结构的限制，它们只能完成简单的数字逻辑功能。 之后，出现的一类可编程芯片在结构上稍微复杂一些，即可编程逻辑器件 (PLD)，它能够完成各种数字逻辑功能。 典型的 PLD由一个“或”门和一个“与”门阵列组成，而任意一个组合逻辑都可以用“与一或”表达式来描述，所以 PLD 能以乘积和的形式完成大量的组合逻辑功能。 这一阶 段的产品主要有 PAL(可编程阵列逻辑 )和 GAL(通用阵列逻辑 )。 PAL 由一个可编程的“与”平面和一个固定的“或”平面构成，或门的输出可以通过触发器有选择地被置为寄存状态。 PAL 器件是现场可编程的，它的实现工艺有反熔丝技术、 EPROM 技术和 EEPROM 技术。 还有一类结构更为灵活的逻辑器件是可编程逻辑阵列 (PLA)，它也由一个“与”平面和一个“或”平面构成，但是这两个平面的连接关系是可编程的。 PLA 器件既有现场可编程的，也有掩膜可编程的。 在 PAL 的基础上，又发展了一种通用阵列逻辑 GAL(Generic Array Logic)，如 GAL16V8,GAL22V10 等。 它采用了 EEPROM 工艺，实现了电可按除、电可改写，其输出结构是可编程的逻辑宏单元，因而它的设计具有很强的灵活性，至今仍有许多人使用。 这些早期的 PLD 器件的一个共同特点是可以实现速度特性较好的逻辑功能，但其过于简单的结构也使它们只能实现规模较小的电 6 路。 为了弥补这一缺陷，上世纪八十年代中期， Xilinx 和 Altera 分别推出了类似于 PAL 结构的扩展型 CPLD(Complex Programmab1e Logic Dvice)和与标准门 阵列类似的 FPGA(Field Programmable Gate Array)，它们都具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点。 这两种器件兼容了 PLD 和通用门阵列的优点，可实现较大规模的电路，编程也很灵活。 与门阵列等其它ASIC(Application Specific IC)相比，它们又具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定以及可实时在线检验等优点，因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产 (一般在 10000 件以下 )之中。 几乎所有应用门阵列、 PLD 和中 小规模通用数字集成电路的场合均可应用 FPGA 和CPLD 器件。 经过 25 年的发展，制造工艺不断进步， FPGA 和 CPLD 器件受到越来越多的电子系统设计师的关注，其优越性也渐渐显现，主要表现在以下几方面： ① FPGA 的可编程性是与生俱来的，它导致了电子设计的软硬件协调和并行，极大地提高了设计效率并减少了资源占用。 ②由于掩膜成本、工具成本和开发成本 (人年数 )居高不下， ASIC 设计的NRE(一次性工程费用 )又变得难以接受 (45 纳米工艺 ASIC 的投片成功率理论上为 50%)，相反 FPGA 比 ASIC 的开发时间平均少 55%，所以近 3 年来电子系统用 ASIC 的设计下降了 50%。 ③从 1990 年到 20xx 年， FPGA 的价格下降到原来的 1/2500，集成度提高了1000 倍，功耗降低到原来的 1/250，速度提高了 200 倍。 ④从只用于原型设计，到代替定制芯片， FPGA 市场迅速扩展到 ASIC 的传统市场，将来很多系统会以 FPGA 为中心来设计。 随着国家的重视，目前国内研究和开发 FPGA 的机构逐渐增多，包括学校、科研院所及公司，但真正在市场上能够卖的产品并不多。 中国作为一个大国，站在国家的战略层面上看， FPGA 是必须发展的，即使 没有自主创新的技术，但至少也要做到自主可控。 因为 FPGA 代表了集成电路非常重要的方向，今后有可能像 CPU 一样。 当国内企业的水平离那些发达国家很远的时候，还能够购买到一些产品。 但随着国内企业技术水平的逐渐提高，以至于和其越来越接近，这时候，发达国家对核心器件的控制就会很严格，核心技术和产品便不能轻易得到。 国内FPGA 最有可能突破的领域主要是以下两个：第一是应用在国家核心安全部门的FPGA，如军事及航空航天领域，这些领域会比较强地体现国家意志；第二是用量比较大的嵌入式应用，就是把 FPGA 嵌入到 SoC 的电路中。 在 可编程器件生产及应用方面，国内企业虽然起步晚，但在由中国制造模式转变为中国创造模式 7 的发展趋势下，中国自己的 FPGA 企业必有崭露头角的一天。 第三节 本文行文安排 本文行文安排如下： 第一章 主要论述本课题的研究意义及背景，表明了本课题研究的重要性。 然后回顾了国内外智能交通系统与可编程逻辑器件的发展历史与现状，并对本文做了安排，给读者一个清晰的论文框架。 第二章 对 FPGA 做了系统描述，其中主要包括 FPGA 的概述、应用，为下文奠定了理论基础。 第三章主要详细描述了 VHDL 语言程序基本结构，包括实体、结构体、库，接着论述 了 VHDL 的文字规则、数据对象、数据类型、顺序语句、并行语句，给了读者清晰的概念，为下文的程序设计奠定了基础。 第四章主要叙述了本课题的系统介绍，包括设计任务和要求，然后主要介绍了系统设计仿真，包括顶层框图的设计、时序状态图的设计、工程设计流程框图、芯片的选择、最后是各个模块的设计与仿真，基本完成了实验的各部分设计，实现了系统要求。 第五章总结了全文所做的研究，并对未来的研究做出了展望。 第四节 本章小结 本章对论文的研究意义及研究背景进行了阐述，明确了论文的工作重点。 回顾了国内外智能交通系统以及可编 程逻辑器件的发展历史与现状， 最后 讲述了论文的基本框架，明确了每个章节的主要内容和重点，对论文的主要工作有个清楚的认识。 8 第二章 FPGA 的简介 FPGA(Field Programmable Gates Array，现场可编程门阵列 )[7]是可编程逻辑器件，他们的规模比较大，适合于时序、组合等逻辑电路的应用。 它可以替代几十甚至上百块通用 IC 芯片。 这种芯片具有可编程和实现方案容易改动等特点。 由于芯片内部硬件连接关系的描述可以存放在磁盘、 ROM、 PROM 或 E2PROM中，因而在可编程门阵列芯 片及外围电路保持不动的情况下，换一块 EPROM 芯片，就能实现一种新的功能。 它具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定以及可实时在线检验等优点，因此可广泛应用于产品的原型设计和产品生产之中。 它是作为 专用集成电路 领域中的一种半定制电路而出现的 ， 既解决了定制电路的不足 ， 又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。 目前以硬件描述语言所完成的电路设计 ， 可以经过简单的综合与布局 ，快速的烧录至 FPGA 上进行测试 ， 是现代 IC 设计验证的技术主流。 第一节 FPGA 的设计流程 FPGA的设计流程就是利用 EDA 开发软件和编程工具对 FPGA芯片进行开发的过程 ,开发流程图如图所示： 制 定 设 计 方 案设 计 输 入功 能 仿 真综 合 优 化 实 现(翻 译 ,映 射 ，布 局 布 线 ）时 序 仿 真 验 证在 载 配 置 在 线调 试 图 FPGA 开发一般流程示意图 9 FPGA 的设计流程一般包括以下几个步骤 :电路功能设计、设计输入、功能仿真、综合及时序分析、实现、加载配置和测试几个阶段 [8],开发流程图如上图所示。 各个阶段都可以用不同的方法和工具实现 ,论文主要介绍一些最基本的流程 ,其他流程只是根据实际的项目作了少量的修改 ,在本质上没有变 化。 FPGA 设计的最基本流程包括 :设计输入、编写 VHDL 语言和仿真、综合及时序分析、实现、加载配置和调试。 以下对每一步作简要的解释。 一、设计输入 设计输入就是将所设计的系统或者电路以开发软件要求的某种形式表示出来 ,并输入给 EDA 工具的过程。 常用的输入方法有硬件描述语言 (verilog 或者VHDL 等 )、原理图输入方式以及波形图输入方式。 由于采用硬件描述语言具有可移植性好、易维护、效率高等特点 ,目前大部分设计都采用这种方式。 硬件描述语言输入的方式在实质上可以理解为编写具有 RTL 风格的代码 ,把所要实现的电路描 述出来。 二、功能仿真 代码编写完成以后就进入了功能仿真阶段 ,这一阶段的主要任务就是Quartus II 仿真。 Quartus II 是 Altera 公司 的综合性 PLD/FPGA 开发 软件 ，支持原理图、 VHDL、 VerilogHDL 以及 AHDL（ Altera Hardware Description Language）等多种设计输入形式，内嵌自有的综合器以及 仿真器 ，可以完成从设计输入到硬件配置的完整 PLD 设计流程。 Quartus II 提供了完全集成且与电路结构无关的开发包环境，具有数字逻辑设计的全部特性，包括：可利用原理图、结构框图、VerilogHDL、 AHDL 和 VHDL 完成电路描述，并将其保存为设计实体文件；芯片（电路）平面布局连线编辑。 功能强大的逻辑综合工具；完备的电路功能仿真与时序逻辑仿真工具等。 三、综合及时序仿真 综合是这样一个过程 ,将较高级抽象层次的描述转化为较低层次的描述。 即将设计输入编译成由与门、或门、非门、 RAM、触发器等基本门逻辑单元组成的逻辑连接网表 ,并非是真是的门级电路。 真实的门级电路需要利用 FPGA 制造商的布局布线功能 ,根据综合后生成的标准门级结构网表来产生。 10 四、实现 实现是将综合生成的逻辑网表配置到具体的 FPGA 芯片当中。 综合工具输出的网表包括了各种基本门电路以及它们之间的连接关系 ,但是 FPGA 内部并不存在这些门电路的物理结构 ,只有查找表、触发器等物理单元 ,因此需要把综合输出的网表配置到 FPGA 上 ,这个过程就是实现。 FPGA 的实现具体包含了翻译、映射以及布局布线这三个步骤。 实现之后 ,有的清况下需要进行后仿真 (也可以叫做功能仿。