1、 毕业设计说明书 (论文 ) 作 者： 学 号： 系 ： 信息工程 专 业： 通信工程 题 目： 基于 FPGA的智能交通控制系统 的设计与实现 指导者： (姓 名 ) (专业技术职务 ) 评阅者： (姓 名 ) (专业技术职务 ) 2012 年 6 月 吉 林I 毕业设计说明书（论文）中文摘要 交通灯是城市交通监管系统的重要组成部分，对于保证机动车辆的安全运行 ， 维持城市道路的顺畅起到了重要作用。 随着车辆的日益增多，交通问题将日趋严重。 可通过多修建道路或限制车辆的办法来解决，但道路的增加是有限的，而限制车辆会使汽车及其相关产业受到压制。目前，发达国家的 交通主要是向智能化交通方向发展。
2、如给汽车装上导航仪等办法，充分利用电子设备提高现有道路交通系统的运输能力。交通灯是管理城市交通的重要工具，交通灯对道路交通流的影响近年来引起广大学者的广泛注意。 本 论 文在 EDA 技术的基础上，利用 FPGA 的相关知识设计了 智能 交通灯控制系统，整个设计系统通过 Max+Plus 软件进行了模拟仿真，验证了设计的交通信号灯控制电路完全可以实现预定的功能，具有一定的实用性。 关键词 : 智能交通灯 ； EDA 技术 ； FPGA； Max+Plus - II - 毕业设 计说明书（论文）外文摘要 Title The design of Intelligent Traffic Lights
3、 Based on FPGA Abstract The traffic lights in urban traffic control system plays an important part of ensuring the safe operation of motor vehicles and played an important role in keeping smooth urban roads. With the increasing number of vehicles, traffic problems will become increasingly serious. I
4、t could be solved by constructing more road or limited the travel of traffic, but the increase in the road limited will suppress automotive industry. At present, the traffic in developed countries is mainly to intelligence traffic direction. Such as fitting a car with navigation systems and making f
5、ull use of electronic equipment to improve the existing road transport system to deliver. Traffic light plays an important tool for urban traffic management and traffic lights on the impact of road traffic aroused wide attention of scholars in recent years. This article in EDA technology design an i
6、ntelligent traffic light control system based on the use of FPGA-related knowledge.This design of system used for simulation through the Max + Plus could verify the design of the traffic light control circuit can achieve the expected function and has a certain practicality. Keywords Intelligent Traf
7、fic Lights; EDA; FPGA; Max+Plus 目 录 III 目 录 毕业设计说明书（论文）中文摘要 . 毕业设计说明书（论文）外文摘要 . 目录 . 第 1 章 绪论 . 1 1.1 课题的提出和意义 . 1 1.2 智能交通的国内外发展状况 . 1 1.2.1 国内的研究现状 . 1 1.2.2 国外的研究现状 . 3 1.3 研究内容和方法 . 5 第 2 章 EDA 相关知识介绍 . 6 2.1 EDA 技术 . 6 2.1.1 EDA 技术的发展 . 6 2.1.2 EDA 技术与传统电子设计方法比较 . 7 2.2 FPGA 概述 . 8 2.2.1 FPGA 的
8、基本结构 . 8 2.2.2 FPGA 编程开发 . 8 2.2.3 FPGA 设计流程 . 9 2.3 VHDL 硬件描述语言 . 11 2.3.1 VHDL 语言特点 . 12 2.3.2 VHDL 语言的基本结构 . 13 2.3.3 结构体的描述方式 . 14 2.3.4 自上而下（ TOP DOWN）的设计方法 . 14 2.4 MAX+PLUS II . 15 2.4.1 Max+plus概述 . 15 2.4.2 Max+plus设计过程 . 16 第 3 章 具体设计以及模块划分 . 18 3.1 设计任务及要求 . 18 东北电力大学信息工程学院毕业论文 - IV - 3.2
9、 工作原理 . 19 3.3 交通灯工作说明 . 19 第 4 章 系统设计 . 22 4.1 顶层电路设计 . 22 4.2 CLK 时钟秒脉冲发生电路 . 23 4.3 交通灯主控模块 . 24 4.4 定时单元以及显示控制、译码电路 . 25 4.5 手动自动控制信号 . 31 第 5 章 仿真分析 . 33 5.1 交通灯控制模块仿真结果 . 33 5.2 45s 定时单元仿真结果 . 33 5.3 10s 定时单元仿真结果 . 34 5.4 5s 定时单元仿真结果 . 34 5.5 60s 定时单元仿真结果 . 35 5.6 译码模块仿真结果 . 35 5.7 显示 控制模块仿真结果
10、 . 36 总结 . 37 参考文献 . 38 附录 . 40 致谢 . 54 第 1 章 绪 论 - 1 - 第 1 章 绪 论 1.1 课题的提出和意义 以往单一模式的定时控制已不能满足客观需要，所以我们要求寻找一种可以随时针对通道上车辆的密集程度来控制和调节主支干道的通禁时间，从而减少不合理的堵车现象的发生。 利用 EDA 技术对传统机电设备的电器控制系统进行重新设计或进行技术改造，不但设计周期短、设计成本低，而且将提高产品或设备的性能，缩小产品体积，提高产品的技术含 量，提高产品的附加值。 通过 设计一个交通信号灯控制系统，从而锻炼自己的动手能力，深入了解一下交通灯的工作原理。综合应用
11、 EDA 等课程方面的知识，熟练掌握仿真系统的使用方法，达到提高综合应用相关知识的能力，掌握系统全部设计过程 的目的 。通过课程设计，熟练掌握汇编语言的编程方法，将理论联系到实践中去，提高我们的动脑和动手的能力 ， 提高我们的逻辑抽象能力。 1.2 智能交通的国内外发展状况 1.2.1 国内的研究现状 随着社会的发展，人们的消费水平不断的提高，私人车辆不断的增加。人多、车多道路少的道路交通状况已经很 明显了。车辆的增加反映出了国家的整体进步，但是也给人民带来了其他的一些负面的影响。我国是 13 亿多人口的大国，到 2006 年，全国的机动车保有量超过了 8000 万，而全国公路通车总里程只有
12、14.8 万公里。静态比例为：人均车辆越0.5 辆，而人均道路只有 0.00011 公里；每辆车均道路占有量约为 0.002 公里；且其中 90%的道路属于机动车与非机动车和行人混杂。今后几年机动车辆数字还在急剧增加，道路超负荷承载，致使交通事故逐年增加。因此我们需要开发新型的交通控制系统。 公路交通运输的发展，交通拥挤、道路阻塞和交通事故频 繁发生等问题越来越严重地困扰着世界各大城市。在我国，长期以来城市人均道路面积一直处于低水平状态，近十年东北电力大学信息工程学院毕业论文 - 2 - 有了较快发展，人均面积由 2.8 平方米上升到 6.6 平方米。尽管其增长幅度较快，仍赶不上城市交通流量年
13、均 20%的增长速度。目前全国 32 个百万人口以上的大城市中，有 27 个城市的人均道路面积低于全国平均水平。另外，最近几年也是大城市机动车增长速度最快的年份，轿车、客车、面包车以及摩托车的增幅年均在 15%以上。以广州为例，广州市近 10年来机动车年均增长速度为 17%，其中轿车为 19%，摩托车为 35%。相对于交通运输工具 的飞速发展，我国交通配套设施建设明显滞后，道路安全网络、道路标识、交通指挥中心仍然不足。单独从车辆方面或道路方面考虑，均很难有效地解决交通问题。通过采用信息通信技术、电子技术以及其他科学技术把它们联系起来，并实现智能化的 ITS 才能解决根本问题 ， 交通信息化需要
14、融合科技力量才能使目前的交通问题得到改善 。 我国城市交通信息化目前还处于起步阶段，无论是交通管理中心、信息服务中心的平台建设，还是交通工具的导航系统配备都不够完善，智能交通系统中的各部门、各环节之间的衔接、配合还存在问题。这些因素严重制约着我国城市交通信息 化的发展。全国大中城市普遍存在着道路拥挤、车辆堵塞、交通秩序混乱的现象。概括起来，目前我们城市交通主要呈现出下列特点和问题：城市规模逐步扩大，运输压力沉重 ； 机动车增长加快，道路容量不足 ； 路网不合理，交通管理水平低下 ； 公共交通萎缩，出行结构不合理 . 交通信号灯是交通信号中的重要组成部分，是道路交通的基本语言。交通信号灯由红灯（
15、表示禁止通行）、绿灯（表示允许通行）、黄灯（表示警示）组成 。 道路交通信号灯是交通安全产品中的一个类别，是为了加强道路交通管理，减少交通事故的发生，提高道路使用效率，改善交通状况的一种重要 工具。适用于十字、丁字等交叉路口，由道路交通信号控制机控制，指导车辆和行人安全有序地通行。城市交通信号控制是通过对交通流量的调节以达到改善人和货物的安全运输，提高运营效率。交通系统是一个具有随机性、模糊性和不确定性的复杂系统，建立数学模型非常困难，有时甚至无法用现有的数学方法加以描述。目前大多采用的是自适应信号控制，它需要数学建模，且不考虑交通延误、停车次数等。所以经典控制法很难得到满意的效果。而 智能
16、控制是一种无须建立数学模型的控制方法，它能模仿有经验的交警指挥交通时的思路，达到很好的控制效果。当今世界各国的大城市无不存在着交通拥挤问题。目前我国汽车保有量约占世界的 2，交通事故死亡人数却占到 15左右。交通安全问题成为严重制约和谐社会建设的重要因素。道路交通系统的运行也正面临着极大挑战，道路交通安全形势极其严峻。然而有限的土地和经济制约使得道路建设不可能达到相对满意的里程数，所以要求在不断扩张道路规模的同时，提高交第 1 章 绪 论 - 3 - 通路网的通行能力。这就需要综合运用现代信息与通讯技术等手段来提高交通运输效率。智能交通系统 ITS（ Intelligent Transport
17、ation System ITS）便是旨在对上述问题提出一些根本性解决方案。 我国的 ITS 研究和实施起步较晚， 90 年代中期以来，在交通部的组织下，我国交通运输界的科学家和工程技术人员开始跟踪 ITS 技术，并取得了长足进步。我国政府在继续加快基础建设的同时，已提出将智能交通作为我国未来交通运输领域发展的重要方向和优先领域予以重点支持。 1998 年 1 月交通部批准成立了国家智能交通系统工程研究中心，依托单位为交通部公路科学研究所。在交通部的组织下，该中心承担了部重点科研项目 “智能交通系统发展战略研究 “。通过该项目的研究，提出我国智能交通系统发展的整体框架，为交通运输界 提供指导性
18、意见。在 “ 十五 ” 期间，由科学技术部牵头，国家智能交通系统工程技术研究中心承担、全国 20 余所高校和研究所参与的国家重大攻关项目 “ITS 体系框架 ” 和 “ITS 标准体系及关键标准制定 ” 已经通过国家鉴定。这将为我国顺利实施 ITS 打下良好的基础。 从上不难看出我国政府对 ITS 产业的高度重视和大力支持，以及社会各界对此的关注和积极参与。发展类似于智能交通系统这样的高技术产业，是我国实施第三步战略部署的一个重要环节。从当今的国际政治经济发展趋势也不难看出，高技术产业已经成为当前世界经济发展的动力，成为世界大国争 夺的战略制高点。高技术产业的发展水平，不但决定着国际竞争力的高
19、低，而且决定着一个国家在世界经济中的分工地位，从而决定了在国际贫富两极分化中的国家前途。 “十五 “及以后一段时期，是我国经济社会发展的重要阶段，是进行经济结构战略性调整的关键时期，加快发展智能交通系统这样的高技术产业是经济结构战略性调整的重要任务之一，所以国家对 ITS 产业的支持和重视将会持续下去并会不断加强。 1.2.2 国外的研究现状 从国际上智能交通系统的发展历史来看，各国普遍认为起步于 60 70年代的交通管理计算机化就是智能交通系统的萌芽。 随着社会的发展和技术的进步，交通管理和交通工程逐步发展成智能交通系统，但是智能交通系统与原来意义上的交通管理和交通工程有着本质的区别，智能交
20、通系统强调的是系统性、信息的交互性以及服务的广泛性，其核心技术东北电力大学信息工程学院毕业论文 - 4 - 是交通流理论、信息技术、通信技术、智能控制技术和系统工程等。 智能交通系统目前在欧美等发达国家正得到广泛应用。据则，应用智能交通系统后，可有效提高效能运输效益，使交通拥挤降低 20%，延误损失减少 10-25%，车祸降低 50-80%，油料消耗减少 30%。 美国 ITS 发展状况 ： 美国是应用 ITS 较为成功的国家之一。 1995 年 3月，美国交通部出版了 “ 国家智能交通系统项目规划 ” ，明确规定了智能交纱统的 7 大领域和 29个用户服务功能，并确定了到 2005 年的年度
21、开发计划。 7 大领域包括：出行和交通管理系统，出行需求管理系统，公共交通运营系统，商用车辆运营系统，电子收费系统，应急管理系统，先进的车辆控制和安全系统。据报道，目前 ITS 在美国的应用已达 80%以上。而且相关的产品也较先进。美国 ITS 应用在车辆安全系统（占 51%），电子收费（占 37%），公路及车辆管理系统（占 28%），导航定位系统（占 20%），商业车辆管理系统（占 14%）方 面发展较快。美国联邦政府 1990-1997 年用于 ITS 研究开发的年度预算总计为 12.935 亿美元， 20 年发展规划投资预算约为 400 亿美元。美国政府要求将 ITS 的发展与建设纳入各
22、级政府的基本投资计划之中，大部分资金由联邦、州和各级地方政府提供，也注重调动私营企业的投资积极性。 日本 ITS 发展状况 ： 日本早在 1973 年就开始了对智能交通系统的研究。日本 ITS 规划体系包括：先进的导航系统，安全辅助系统，交通管理最优化系统，道路交通管理高效化系统，公交支援系统，车辆运营管理系统，行人诱导系统和紧急车辆支援系统。日本的 ITS主要应用在交通信息提供、电子收费、公共交通、商业车辆管理以及紧急车辆优先等方面，目前在日本已有超过 1800 万人的汽车导航系统用户。日本政府 1996-1997 年用于 ITS 研究开发的预算为 161 亿日元，用于 ITS 实用化和基础
23、设施建设的预算为 1285 亿日元。 1996 年，“ 推进 ITS 总体构想 ” 推出了一个投资预算 7.8 兆日元的 20 年规划。日本走政府与民间企业相互合作的道路，如车辆信息通讯系统（ VICS）的运作方式极大地调动了企业的积极性，加速了日本 ITS 的开发与应用。 欧洲 ITS 发展状况 ： 欧洲在 ITS 应用方面的 进展介于日本和美国之间。目前正在进行Telematic 的全面开发，计划在全欧洲建立专门的交通（以道路交通为主）无线数据通信网，并正在开发先进的出行信息服务系统（ ATIS），车辆控制系统（ AVCS），商业车辆运行系统（ ACVO），电子收费系统等。在 20 世纪
24、80 年代中期，欧洲 10 多个国家投资 50 多亿美元，旨在完善道路设施，提高服务水平。欧盟从 1984 年到 1998 年仅用于 ITS 共同研究开第 1 章 绪 论 - 5 - 发项目的预算就达 280 亿欧洲货币单位。 其他国家 ITS 发展状况 ： 韩国 ITS 示范工程选在光州市，预计耗资 100 亿韩元，选取了交通感 诮信号系统，公共车乘客信息系统，动态线路引导系统，自动化，及时播报系统，电子收费系统，停车预报系统，动态测重系统， ITS 中心等 9 项内容 ； 马来西亚 ITS 建设集中在多媒体超级走廊，从位于吉隆坡 88层的国油双峰塔开始，南伸至雪邦新国际机场，达750 平方
25、公里。目标是利用兆位光纤网络，把多媒体资讯城，国际机场，新联邦首都等大型基础设施联系起来 ； 新加坡 ITS 建设集中在先进的城市交通管理系统方面，该系统除了具有传统功能，如信号控制，交通检测，交通诱导外，还包括用电子计费卡控制车流量。在高峰时段和拥挤路段还可以自动提高通行 费，尽可能合理地控制道路的使用效率。 1.3 研究内容和方法 本设计就是针对交通信号灯控制器的设计问题，提出了基于 VHDL 语言的交通信号灯系统的 EDA 实现方法。 在设计中应用课上所学的 EDA 技术和课下时间自己对 EDA 中的主要部分的学习，积极总结电子信息类高等学科教科书，分析和研究基础课程。首先通过对系统所实
26、现的功能进行结构分析和大框的规划，画出总体框图，将系统分为六大主要模块。信号发生器模块，黄绿灯主控模块，定时单元，倒计时模块，译码模块，显示模块。不断查阅资料来丰富自己的设计，当然遇见了许多不懂的地方， 借鉴了前人的经验和教训。 采用可编程逻辑器件来实现 ,该设计方案以 FPGA 器件为核心，用 VHDL 编程实现各计时单元以及控制电路的功能，在 Max+Plus 软件上仿真调试，观察其波形，证明所设计的交通灯控制电路完全可以实现预定的功能。显示电路采用 7 段得共阴数码管。 采用了层次化的设计方法，给出了各个模块的 VHDL 程序，并且利用 Max Plus 对应用程序进行了仿真，并给出了相应的仿真结果。在用 VHDL 语言进行电路设计时 ,应充分认识到 VHDL 语言的特点 ,从设计思想、语句运用及描述方法上等多方面对电路进行优化设计 。通过电路优化设计 ,可以使用规模更小的可编程逻辑芯片 ,从而降低系统成本。综合运用所学过的计算机组成原理知识，独立分析、解决计算机技术实际问题。
