基于FPGA的交通灯课程设计报告.doc

1、1现代通信网设计报告课程名称： 现代通信网课程设计 设计名称： 基于 FPGA 的交通灯设计 姓 名： 学 号: 班 级： 指导教师： 起止日期： 方 向 设 计 任 务 书学生班级： 学生姓名： 学号： 设计名称： 基于 FPGA 的交通灯设计 起止日期： 指导教师： 2设计要求：应用场景如图所示，主干道通行时间 100s，次干道通行时间 30s，黄灯时间 5s，要求实现上述场景的交通灯设计，并能实现交警对红绿灯的任意控制。3方 向 设 计 学 生 日 志时间 设计内容2016.06.04-05 ISE 软件安装，学习并应用熟悉 ISE 软件2016.06.06-09 学习 FPGA 教材相

2、关知识，参考教材交通灯设计例题2016.06.12-13 设计题目分析，构造设计思路2016.06.14-18 各模块程序代码的编写，修改2016.06.19-21 程序代码整合，调试，修改，并进行仿真测试2016.06.25 对相关的 FPGA 管脚地认知，学习2016.06.26-28 绑定管脚，下载程序到板子上运行调试2016.06.29-30 编写，完善课程设计报告4基于 FPGA 的交通灯设计一、 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

3、 要 作 用 。 据 了 解 ， 传 统 的 交 通 灯 是 定 时 控 制 的 ， 即控 制 时 间 是 预 先 已 经 设 定 好 的 ， 这 样 不 利 于 实 时 控 制 交 通 信 号 ， 不 能 根 据 实 际 情 况及 时 的 调 整 交 通 信 号 ， 容 易 导 致 道 路 资 源 ， 时 间 的 浪 费 ， 同 时 也 不 便 于 突 发 情 况 的预 处 理 。 通 过 这 次 的 课 程 设 计 ， 我 将 对 此 情 况 作 出 一 些 改 进 行 的 设 计 。 我 将 基 于FPGA 设 计 交 通 灯 控 制 系 统 ， 为 了 对 交 通 灯 系 统 进 行

4、精 确 控 制 ,采 用 FPGA 实 验板 ,在 ISE 软 件 环 境 下 ,分 别 实 现 脉 冲 发 生 模 块 、 状 态 定 时 模 块 、 交 通 灯 显 示 模 块 进行 仿 真 实 验 和 硬 件 下 载 ,获 得 的 测 试 结 果 满 足 设 计 要 求 。二、 设计目的和意义狭 义 上 ， 通 过 本 次 课 程 设 计 ， 应 用 基 于 FPGA 的 现 代 数 字 系 统 设 计 以 及 现 代 通 信 网 和 通 信 原 理 等 所 学 的 相 关 知 识 ， 完 成 简 易 的 十 字 路 口 交 通 灯 控制 通 信 系 统 设 计 ， 达 到 理 论 和

5、实 践 的 有 效 结 合 ， 进 一 步 提 高 我 们 综 合 应 用 所 学 知 识 和设 计 能 力 。 并 且 经 过 这 次 设 计 ， 可 以 让 我 对 FPGA 的 相 关 知 识 有 更 深 一 层 的 认 识 ，对 ISE 程 序 设 计 软 件 有 了 更 清 楚 的 认 知 ， 对 通 信 的 基 本 架 构 也 有 清 晰 的 理 解 。通 过 本 次 的 设 计 ， 对 交 通 信 号 灯 的 控 制 ， 工 作 原 理 有 了 进 一 步 的 认 知 ， 这 对 以 后根 据 发 展 后 的 实 际 情 况 对 信 号 灯 的 控 制 进 行 进 一 步 的 修

6、 改 ， 完 善 ， 奠 定 了 一 定 基 础 ，同 时 也 让 自 己 获 得 了 一 点 软 件 系 统 设 计 的 经 验 。培 养 动 手 能 力 ， 能 够 实 际 操 作 ， 有 利 于 以 后 工 作 生 活 ， 让 我 们 体 会 到 通 信 的 根 本 含义 。宏 观 上 ， 由 于 采 用 了 EDA 技 术 ,使 数 字 系 统 设 计 的 效 率 显 著 提 高 。 FPGA 技 术飞 速 发 展 ， FPGA 的 应 用 领 域 不 断 扩 大 ， 用 FPGA 来 设 计 交 通 灯 控 制 器 是 现 代 社会 交 通 的 需 要 ， FPGA 侵 蚀 原 有

7、ASIC 市 场 的 用 量 极 为 可 观 。 此 也 成 为 近 年 来 众 人关 注 FPGA 的 首 要 焦 点 ， 不 过 也 因 为 过 于 聚 焦 高 用 量 、 大 市 场 的 观 察 ， 使 FPGA 的 其 他 新 应 用 发 展 被 人 所 忽 略 ， 但 这 些 应 用 却 也 极 具 意 义 。三、 设计原理53.1、功能描述:实现一个由一条主干道和一条支干道的汇合点形成的十字路口的交通灯控制 器，具体功能：(1) 主、支干道各设有一个绿、黄、红指示灯（用LED灯表示）。(2) 主干道处于长允许通行状态，而支干道有车来时才允许通行。当主干道允许通行亮绿灯时，支干道亮红

8、灯。而支干道允许通行亮绿灯时，主干道亮红灯。(3) 当主干道、支干道均有车时，两者交替允许通行，主干道每次通行100s，支干道每次通行30秒，在每次由绿灯向红灯转换的过程中，要亮5秒的黄灯作为过渡，并进行减计时显示。每个周期结束时都要进行支干道是否有车的检测，若有车则进行下一个周期，若没有，则主干道亮绿灯，支干道亮红灯，直到检测到支干道有车。3.2、系统原理图根据题目要求，设计如下总的系统框图交通灯控制系统框图主 控 制 器 清零复位状态选择信号绿 黄 红 绿 黄 红定 时 计 数 器时钟信号63.3、系统的引脚根据 3.1 系统框图，很明显可得出系统设计时，各个引脚的情况（即系统的输入输出引

9、脚分别有哪些）。具体的引脚情况如下表：I/O管脚的描述名称 方向 电平 位宽 功能clk Input 3.3V 1 系统时钟信号（50MHZ）MODE_SEL Input 3.3V 3 输入控制模式信号rst Input 3.3V 1 复位信号以及6个LED灯连接引脚。系统的引脚描述表注：MODE_SEL为3位的开关控制信号输入，用于选择控制十字路口灯光的亮灭状态，其具体更能如下000：正常模式，红黄绿交替亮001：主干道绿灯亮，支干道红灯亮010：主干道黄灯亮，支干道红灯亮011：主干道红灯亮，支干道绿灯亮100：主干道红灯亮，支干道黄灯亮101：全为绿灯110：全为红灯111：全部灯熄灭，

10、封路状态3.4、系统模块组成分 频 模 块 、 状 态 定 时 模 块 、 交 通 灯 显 示 模 块 、 控 制 模 块注 ： 各 模 块 详 细 内 容 见 后 面 详 细 设 计 步 骤 章 节 。7四、 详细设计步骤4.1、系统引脚声明部分这一模块，我把它命名为 Traffic_Light，它的主要目的是对后面所有模块中将会用到的一些引脚变量进行定义声明，定义一些符号常量，同时也对 LED 灯引脚进行对应赋值。因为我根据参考资料，用自顶向下的设计方法来完成这次设计，所以，我就在Traffic_Light 模块中先将整个系统可能会用到的量值进行预先定义，然后再根据需求逐个完成各个功能模块

11、。考虑到后面有可能会随时增减变量，导致 Traffic_Light 模块中的内容会有改动，因此，这一模块中几乎就不存在任何逻辑结构，也不要求实现什么具体的功能，只是负责定义声明各个变量，常量，以及一些固定不变的赋值。Traffic_Light 流程图 分频模块流程图 4.2、分 频 模 块在红绿灯交通信号系统中，大多数的情况是通过自动控制的方式指挥交通的。因此，为了避免意外事件的发生，电路必须给出一个稳定的时钟才能让系统正常的工作。因此时钟发生模块最主要的功能就是产生一些稳定的输出信号，并将其用做后面几个电路的使能控制与8同步信号。通过编程实现 1Hz 脉冲的产生。系统的动态扫描需要 10KH

12、Z 的脉冲，而系统时钟计时模块需要 1HZ 的脉冲。分频模块主要为系统提供所需的时钟计时脉冲。该模块将 10KHZ 的脉冲信号进行分频，产生 1S 的方波（占空比为 50%），作为系统时钟计时信号。通过计算可以得到以下数据：F=50MHz,t=2* s=0.2ns; T=1,N=COUNT_VALUE=0.5/(2 * 810)=2.5 * 710 因为 25 位 2 进制可表示到 335544322.5 * 710810所以 COUNT_VALUE=25d2500_0000一开始的复位状态先给 COUNT_VALUE 和 clk_1Hz 赋值为 0，每一次脉冲上升沿到则COUNT_VALUE

13、 自加一次，当 COUNT_VALUE 达到 2500_000 时则有 clk_1Hz 发生反转一次。通过两次 clk_1Hz 的反转则得到一个完整的周期方波，即为：1S。模块框图如下：I/O 管脚描述如下：表二：时钟分频模块 I/O 端口描述4.3、状 态 定 时 模 块 ：主 要 是 周 期 的 计 时 器 模 块 ， 根 据 题 目 要 求 ， 当 信 号 灯 处 于 正 常 工 作 时 ， 循 环 依名称 方向 电平 位宽 功能clk_50MHz input 3.3V 1 系统时钟（50MHz）rst_n input 3.3V 1 复位信号clk_1Hz output 3.3V 1 分

14、频后时钟信号（1HZ）9次 为 主 绿 、 主 黄 、 主 红 、 次 黄 ， 四 次 状 态 时 间 周 期 相 加 为 140s,所 以 需 要 一 个140 秒 的 计 时 周 期 模 块 控 制 。通 过 上 诉 的 分 频 器 我 们 得 到 了 1Hz 的 信 号 脉 冲 ， 在 此 我 们 通 过 1Hz 的 脉 冲的 每 一 个 上 升 沿 对 circular_value 加 一 处 理 ， 为 状 态 的 转 换 提 供 条 件 。4.4、交 通 灯 显 示 模 块 ：这 一 模 块 功 能 主 要 是 输出电平信号赋值，将 LED 灯的亮灭情况的控制值分别赋给对应引脚的变

15、量。case(current) reset:begin LED_DATA = 6b111_111; end/全部熄灭S1:begin LED_DATA = 6b110_011; end/主干道绿灯 ,支干道红灯S2:begin LED_DATA = 6b101_011; end/主干道黄灯 ,支干道红灯S3:begin LED_DATA = 6b011_110; end/主干道红灯 ,支干道绿灯S4:begin LED_DATA = 6b011_101; end/主干道红灯 ,支干道黄灯S5:begin LED_DATA = 6b110_110; end/全为绿灯S6:begin LED_DA

16、TA = 6b011_011; end/全为红灯default:begin LED_DATA = 6b111_111; end/全部熄灭4.5、控 制 模 块 ：这一模块根据主干道、支干道输入信号以及时钟信号CLK，发出主、支干道指示灯的控制信号，同时向各个定时单元、显示控制单元发出使能控制信号产生系统的状态机，控制其他部分协调工作。控制模块采用状态机进行设计，可以定义出7种状态，分别为S1:主干道绿灯，支干道红灯；S2:主干道黄灯，支干道红灯；S3: 主干道红灯，支干道绿灯；S4:主干道红灯，支干道黄灯；S4:主干道红灯，支干道黄灯；S5 ：全为绿灯;S6：全为红灯;reset:全部熄灭。它

17、 分 别 包 含 了 输入控制信号的接受处理模块、状态转换模块。接受处理模块：在这一模块中，采用状态机进行设计，可以定义出7种状态，具体情况在前面已经介绍。同时用MODE_SEL信号控制，由3个开关控制，它是 3位二进制，可以有8种模式，其中000为正常模式，其他情况下都是特殊模式。这一模块是实现手动随机控制的关键。具体情况如下：000：正常模式，红黄绿交替亮001：主干道绿灯亮，支干道红灯亮010：主干道黄灯亮，支干道红灯亮011：主干道红灯亮，支干道绿灯亮100：主干道红灯亮，支干道黄灯亮101：全为绿灯110：全为红灯111：全部灯熄灭，封路状态需要注意的是：当有特殊情况时候，即输入的控

18、制信号不是000，则开启了特殊模式，在特殊模式下前四个模式会跳转到状态转移模式下，而其他的则直接执行不经过普通状态跳转。因此，交通管理者就可以根据实际道路情况，随时的调整交通信号灯，使得道路能得到充分的利用，减少时间，空间的浪费。10状态转换模块：正常模式下，交通灯按 4 种状态正常亮灭。在这一模块中，它的核心是计数时间，因为从 S1 到 S2 要 100s,S2 到 S3 要 5s,S3 到 S4 要30s,S4 回到 S1 要 5s,所以计数时间一次变化为 100s，105s，135s ，140s。具体情况如下：parameter PASS_TIME_SN =8d100,/主干道通行时间 100sYELLOW_TIME_SN = 8d105,/黄灯时间 5sPASS_TIME_EW = 8d135,/次干道通行时间 30sYELLOW_TIME_EW = 88d140;普通模式的状态图如下所示S1:主干道绿灯亮，支干道红灯亮S2:主干道黄灯亮，支干道红灯亮S3:主干道红灯亮，支干道绿灯亮S4:主干道红灯亮，支干道黄灯亮五、 设计结果及分析5.1、程序代码编译测试程序编写工作完成后，终于可以编译测试，一探究竟了。在一开始的程序编译S1S2 S4S3