1、 毕业设计开题报告 电气工程及其自动化 基于 FPGA 的交通灯控制系统设计 一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义 1. 选题 的背景和意 义 在当今这个经济高速发展的社会，人民的物质生活水平不断提高，随着城市化的推进，私家车的数量逐渐增加，全社会对道路交通的需求也越来越大，城市的交通问题越来越引起人们的关注，而交通信号控制灯是道路交通的重要组成部分。而目前，城市中十字路口的 交通灯控制系统大都采用定时控制方式。这样的交通控制系统 经常出现单方向的交通堵塞严重的问题，造成一方向车挤另一方向车松的不合理 的局面 。因此，我们有必要寻求一种具有智能的交通控制系统。 这种智能交通控制系
2、统能够依据道路车流量的不同情况改变控制方式或自动调节红绿灯的时间长度，减少十字路口的车辆滞留现象，增减交通安全，缓解交通拥挤，提高交通效益，实现十字路口交通最优控制，从而提高交通控制系统的效率，以达到减少环境污染，降低能源消耗。 就目前的现状来说，解决交通拥堵问题不仅联系着环境问题和资源问题，关系着国家的社会生产环境，而就现在的研究成果来看，虽然现在有很多研究产品问世，但是很多的研究成果还是由于当时技术的局限，还有就造价成本和可编程 性来看， Verilog HDL 设计就有一定得优越性，使用 Verilog HDL 设计的数字电路系统主要有两种实现方法： ASIC 和 FPGA。而使用 FP
3、GA 器件，后仿真会容易一些，只要使用 FPGA 厂商提供的 EDA 工具就可以方便的进行。因此，对于研究基于 FPGA 控制的智慧交通灯的控制，其研究成果不仅能够缓解由于交通拥堵带来的环境污染问题和燃油浪费问题，也节省了人们的出行时间，缓解了城市的交通。 2. 国内 外的研究 动态 对于智能交通灯控制系统的研究也有着久远的历史，早在上世纪 60 年代末期，美国就开始了关于智能交通系统 技术的研究，之后，欧洲、日本也相继加入了这一行列。经过 40 多年的发展，美国、欧洲、日本成为世界 ITS 研究的三大基地。目前，另外一些国家、地区也有相当规模，可以说，全球目前的 ITS 产业发展的速度惊人
4、，以“保障安全、提高效率、改善环境、节约能源”为目标的 ITS概念正逐步在全球形成。 其中国外最具代表性的智能控制系统有澳大利亚的 SCATS(Sydney Coordinated Adaptive Traffic System)系统、英国的 SCOOT(Split Cycle Offset Optimization Technique)系统、美国的 RT-TRACS（ Real-Time-TRaffic Adaptive Control System）系统、日本的 STREAM （ Strategic REAl time control for Megalopolis-traffic）系统、
5、 德国的 MOTION （ Method for the Optimization of Traffic signals In On-line controlled Network）系统。在我国，目前主要的研究系统成果有 HT-UTCS 系 统 和 JT-GAJ 交通控制系统。 3.各部分 简 介 3.1 检测 器 在智能交通控制器中，车辆检测器的作用也是不可忽视的，它的作用是把检测到的实时的车流量多少准确、迅速地通过传输网络传到上位机进行后处理，然后将数据传送到控制的核心部分进行优化分析处理。目前国内外在交通检测系统或交通信息采集系统中，大量应用了电磁传感技术、超声传感技术、雷达探测技术、视
6、频检测技术、计算机技术、通信技术等高新科学技术。相应地，交通信息检测器主要有：电感环检测器（环型感应线圈）、超声波检测器、红外检测器、雷达检测器、视频检测器等。 3.2 模糊 控制 模糊控制就是利用模糊数学的基本思想和理论的控制方法。也就是说对难以用已有规律描述的复杂系统，采用自然语言（如大、中、小）加以叙述，借助定性的、不精确的及模糊的条件语句来表达。它是一种基于语言的一种智能控制。 我们的主要工作是将检测到的车流量数据信号进行模糊处理，然后将这些量在模糊控制器中加以运算 , 最后再将运算结果中的模糊量转换为精确量 , 以便对各执行器进行具体的操作控制。在模糊控制中 , 存在着一个模糊量和精
7、确量之间相互转化的问题。 3.3 FPGA与 Verilog HDL语 言 FPGA（现场可编程 门阵列），它是在 PAL、 GAL、 CPLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为 专用集成电路 （ ASIC）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。 FPGA 最大的特点就是他们可以快速成品，可以修改程序中的错误，以便宜它的造价。 在 FPGA 芯片中，本文采用的是 Verilog HDL 语言编写程序， Verilog HDL 是 目前应用最为广泛的硬件描述语言 Verilog HDL 可以用来进行各种层次的逻辑设计，也可
8、以进行 数字系统 的逻辑综合，仿真验证和时序分析等。 Verilog HDL 适合算法级，寄存器级，逻辑级，门级和版图级等各个层次的设计和描述。 Verilog HDL 进行设计最大的优点是其工艺无关性这使得工程师在功能设计，逻辑验证阶段可以不必过多考虑门级及工艺实现的具体细节，只需根据系统设计的 要求施加不同的约束条件，即可设计出实际电路 3.4 系 统 的 仿真软 件 Modelsim SE 在 FPGA的技 术 仿真中，本文 选 用 Modelsim 软 件 进 行技 术 仿真， Modelsim 是 业 界最优秀的 HDL语 言 仿真软 件 ，它支持 Verilog、 VHDL 以及他
9、 们 的混合仿真，它可以 将 整 个 程序分步 执 行，使 设计者直接看到他的程序下一步要 执 行的 语 句，而且在程 序执 行的任何步 骤 任何 时 刻都可以查看任意 变量的 当 前值，可以在 Dataflow 窗口查看某一 单 元或模 块 的 输 入 输 出的 连续变 化等，它采用直接优化的 编译 技 术 、 Tcl/Tk 技 术 、和 单 一 内 核仿真技 术 ， 编译 仿真速度快， 编译 的代 码 与平台 无关 ，便于保 护 IP 核， 个 性化的 图 形接口和用 户 接口， 为 用 户 加快 调错 提供 强 有力的手段，是 FPGA/ASIC 设计 的首 选仿真软 件。目前 Mode
10、lSim 软 件的版本有很多种，本文 应 用 ModelSim SE 进 行仿真 。 二、研究的基本内容，拟解决的主要问题： 1. 通过本课题的设计，了解 FPGA 的相关知识，学会 VerilogHDL 语言。 在 Modesim下通过软件实现交通灯控制系统的设计。 该设计 借助 FPGA 芯片，使用 Verilog HDL 语 言 灵 活 编 程 来实现 多方面的 计费 ，使其不拘泥于硬件，具有更 强 的移植性， 实 用价值高。 利用 FPGA 的相 关 知 识设计 了交通 灯 控制系 统 ，可以根据 实际 情 况对灯 亮 时间进 行自由 调 整，并采用 ModelSim 仿真工具 进 行
11、相 关 的 时 序仿真， 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。 三、研究步骤、方法及措施： 1. 寻找相关数据，了解并熟悉交通灯智能控制的设计思路及原理。 2. 了解 FPGA 的相关知识，学会 VerilogHDL 语言。 3. 学会使用 Modesim软件，并在此软件上实现交通灯控制系统的设计。 以图书馆中的书籍和数据以及网上丰富的资源为依托，指导教师定期对学生进行指导，听取学生的汇报，随时解答（或探讨）学生设计中遇到的问题。 四、参考文献 1 韦绍 波 智能交通信 号灯设计 思路 J. 广 西民族 学 院 学报 ， 1995 1(
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