基于FPGA的交通灯控制系统设计【开题报告】.doc

1、 毕业论文开题报告 电气工程及其自动化 基于 FPGA 的交通灯控制系统设计 一、课题研究意义及现状 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。当今社会，人们平均生活水平提高，私家车也越来越多。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。实现路口交通灯系统的控制方法很多，继电器、可编程序控制器 PLC、单片机等方案来实现，继电器价格便宜，但安装复杂 ，事故较多。 PLC 接线方便，容易检修，但价格昂贵。单片机的编程麻烦，可读性

2、差，实时控制不太占优势，但成本低，控制方式比较灵活。但是这些控制方法的功能修改及调试都需要硬件电路的支持，在一定程度上增加了功能修改及系统调试的困难 FPGA 普遍被认为是建构原型和开发设计的最快途径。 FPGA 硅芯片由于能够进行编程、除错、再编程和重复操作，还可透过其现场编程能力延长产品在市场上的寿命。 FPGA入门套件是由 FPGA 供货商提供的完整设计解决方案，能让设计人员提高开发效率，实现最快的上市时间。 FPGA 既缩短了研发周期，又大大 节约了成本。因此，基于 FPGA 设计的交通灯控制系统具有电路简单、可靠性强、运算速度高的特点。系统通过功能扩展、接口扩展可同时控制多个路口的红

3、绿灯变换，并实现具有根据需要实时快速擦写应用程序的功能。 本次毕业设计 是设计一个基于 FPGA 的交通灯控制系统。要求交通灯控制系统实现自动控制和手动控制其红绿灯的变化 , 并结合人行道通行情况进行相关设置，除了指示灯提示，更增加了提示音。 二、课题研究的主要内容和预期目标 1.主要内容 结合实时现场设计一个交通等控制系统，其中主控部分应用 FPGA 芯片来实现。 系统总体指标及功 能要求：分别显示道路东西和南北通行和禁止的倒计时时间；设置道路东西和南北两侧通行和禁止的倒计时时间，最大设置时间为 99 秒，最小设置时间为 1秒；交通灯用红、绿、黄三种发光二极管（ LED）显示控制的结果；红、

4、绿、黄灯显示的次序应符合实际交通道路控制的要求；结合人行道通行情况进行相关设置（指示灯，声音等）； 其他相关设置，需综合考虑各个环节设计，体现优化。 2.预期目标 1）根据设计任务，结合实际过程应用确定：方向分为东南西北四个方向。东西方向的红灯和绿灯状态一样，南北方向的红绿灯状态一样。每个方向上，有四盏灯，分 别是左转灯、红灯、绿灯、和黄灯。左拐灯亮表示左转车辆可以通行；红灯亮表示左转和直行车禁止通行；绿灯亮表示直行车辆和右转车辆可以通行；黄灯亮表示左转和直行的车辆即将禁止通行；倒计时显示器用来显示允许通行或禁止通行的时间倒计时。设置道路东西和南北两侧通行和禁止的倒计时时间，最大设置时间为 9

5、9 秒，最小设置时间为 1秒。结合人行道通行情况进行相关设置，除了指示灯提示，更增加了提示音。 2）主控部分：考虑设计的系统主要由分频模块、倒计定时模块、主控制模块、报警提示模块和译码显示模块构成。其中分频模块主要将系统输入的基准 时钟信号转换为1HZ 的激励信号 ,驱动倒计定时模块和主控制模块。主控模块根据计数器的计数情况对交通灯的亮灭及持续时间进行控制 ,并通过分位电路将灯亮时间以倒计时的形式通过数码管显示出来。倒计定时模块作为外部 LED 显示模块倒计时初始值的预设与传递，报警提示模块用于主次干道闯红灯记录警示，译码显示模块是个外部 LED 的显示模块，显示红绿灯倒计时间。 3）课题要求

6、要求完成交通灯控制系统设的软件设计和调试，并最终完成软硬件结合通过 ,完成 实现自动控制和手动控制其红绿灯的变化 。 运用模块化的思想设计实现交通灯控制控制系统设计 的全部过程，包括模块的划分和相应模块的 VHDL 设计实现。 我选择使用 FPGA 来制作交通灯控制系统，不但 要求交通灯控制系统实现自动控制和手动控制其红绿灯的变化 , 并且要求结合人行道通行情况进行相关设置，更增加了提示音和指示灯提示。 使用 FPGA 来制作交通灯控制系统，不但具有了 FPGA 的稳定性和成熟性，且具有控制能力。 4）如果条件允许 ,可以做出相应的控制模型，也可以增加一定的智能控制。 三、课题研究的方法及措施

7、 1.研究方法 先阅读相关资料 ,结合原有的设计方案，确定自己的实现方案。结合实施方案将系统主要分 为：分频模块、倒计定时模块、主控制模块、报警提示模块和译码显示模块。其中分频模块主要将系统输入的基准时钟信号转换为 1 Hz 的激励信号 ,驱动倒计定时模块和主控制模块。主控模块根据计数器的计数情况对交通灯的亮灭及持续时间进行控制 ,并通过分位电路将灯亮时间以倒计时的形式通过数码管显示出来。 2.研究措施 1）收 集查阅相关资料，了解不同的数据采集卡设计实现方法，比较现有 FPGA， CPLD的相关方案，确定本课题研究和实现方案，然后对方案中的各单元进行了必要的分析和研究。通过对交通灯控制系统的

8、了解分析将系统分为分频模 块、倒计定时模块、主控制模块、报警提示模块和译码显示模块。其中分频模块使系统工作于同步状态下，将外部提供的 40M 的晶振频率进行分频，得到我们所需要的时钟信号；倒计定时模块作为外部LED 显示模块倒计时初始值的预设与传递；主控制模块负责控制整个系统控制信号的采集与使能信号的适时输出；报警提示模块用于主次干道闯红灯记录警示；译码显示模块是个外部 LED 的显示模块，显示红绿灯倒计时间。 2） 加 入人工控制端，即当遇有需进行交通管制等情形时，可以由交通警察来 手工控制路口信号灯的转换 ，紧急状态显示灯开启 ,只允许主干道通行。 3） 通过在 Quartus 软件中的模

9、拟仿真，验证了该电路可以实现预定功能 ，并 将整体程序下载到目标 FPGA 器件，使用相应的硬件电路相配合，进行硬件调试，也验证了该电路工作情况良好，与软件仿真的结果完全相符合，说明我们所设计的交通信号灯控制电路通过了软件仿真和硬件的测试预定功能。 四、课题研究进度计划 1 2010 年 10 月 15 日至 2010 年 12 月 3 日 查阅交通控制系统课题相关的资料；进行方案的考虑和设计；完成开题报告、中、英文翻译和文献综述。 2 2010 年 12 月 4 日至 2010 年 12 月 31 日 确定交通控制系统最佳设计方案；推算和确定有关参数设计；设计出总体实现软件的构架。 3 20

10、11 年 1 月 1 日至 2011 年 3 月 31 日 对交通控制系统单元模块进行仿真，调节参数并通过仿真；然后实现总设计图的仿真通过；完成软硬件综合调试。 5 2011 年 4 月 1 日至 2011 年 4 月 24 日 制作好交通控制系统硬件模型和软件程序，红灯 绿灯 黄灯 倒计时显示 倒计时显示 红灯 绿灯 黄灯 交警 指挥台 人行道 人行道 完成毕业设计论文；做好答辩用的 PPT，并作好答辩准备。 五、参考文献 教师指定： 1 周润景 等 .基于 Quartus的 FPGA/CPLD 数字系统设计实例 M.北京：电子工业出版社， 2007 年 8 月 . 2 杨晓慧 等 .基于

11、FPGA 的 EDA/SOPC 技术与 VHDLM.北京：国防工业出版 社， 2007 年10 月 . 3 王诚 等 .Altera FPGACPLD 设计 (基础篇 )M.北京：人民邮电出版社， 2005 年 7 月 . 4 Stephen Brown,Zvonko Vranesic.Fundamentals of Digital Logic with Verilog Design(2nd Edition)M.New York:McGraw-Hill,2007,5. 5 Ming-Bo Lin.Digital System Designs and Practices: Using Veril

12、og HDL and FPGAsM.New York:McGraw-Hill,2008,8. 6 徐光辉 .基于 FPGA 的嵌入式开发与应用 M.北京：电子工业出版社， 2006 年 9 月 . 7 文畅 .基于 FPGA/CPLD 和 VHDL 语言的交通灯控制系统设计 J.电脑知识与技术 (学术交流 ),2007,06-08. 自己选择： 1 瞿逐春 .EDA 技术综合应用实例与分析 M.西安 :西安电子科技大学出版社， 2004 年11 月 . 2 杨少军 .基于 DSP 的移频机车信号分析研究与实现 D.武汉 :武汉大学 ,2006. 3 余俊 .基于 FPGA 的 IDE 协议实现的研究 J.电子科技 .2008 年 9 月， 12（ 8） 144156. 4 任晓东 .CPLD/FPGA 高级应用开发指南 M.北京：电子工业出版社， 2003 年 9 月 .