【正文】 2020 屆電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 概述 概述 隨著世界范圍內(nèi)城市化和機(jī)動化 進(jìn)程的加快，城市交通越來越成為一個全球化的問題。城市交通基礎(chǔ)設(shè)施供給滯后于高速機(jī)動化增長需求，道路堵塞日趨加重，交通事故頻繁，環(huán)境污染加劇等問題普遍存在 。目前， 全國大中城市普遍存在著道路擁擠、車輛堵塞、交通秩序混亂的現(xiàn)象 ，交通事故頻發(fā)，這給人民的生命財產(chǎn)安全帶來了極大的損失 。如何解決城市交通問題已成為全社會關(guān)注的焦點(diǎn)和大眾的迫切呼聲。探究城市交通發(fā)展中存在問題的原因，無論是從宏觀上還是從微觀上分析，其根本原因在于城市交通系統(tǒng)的管理機(jī)制不適應(yīng)。城市交通控制系（ UTC ， Urban Traffic Control System）是現(xiàn)代城市智能交通系統(tǒng)（ IDJ ， Intelligent transport system）的組成之一，主要用于城市道路交通的控制與管理。城市平交路口實(shí)現(xiàn)交通信號控制是城市交通管理現(xiàn)代化的基本標(biāo)志之一，是提高交通管理效能的重要技術(shù)手段。路口信號控制器是控制交叉路口交通信號的設(shè)備，它是交通信號控制的重要組成部分。各種交通控制方案，最終都要由路口信號控制器來實(shí)現(xiàn)。為了確保十字路口的行人和車輛順利、暢通地通過 ,往往采用電子控制的交通信號來進(jìn)行指揮。伴隨著社會的發(fā)展以及人類生活水平的提高 ,汽車的數(shù) 量在 不斷增加， EDA技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域 也在不斷 的擴(kuò)大與深入，機(jī)械、電子、通信、航空航天、化工、礦產(chǎn)、生物、醫(yī)學(xué)、軍事等各個領(lǐng)域的重要性日益突出。 利用 EDA技術(shù) 設(shè)計交通燈來完成這個需求就顯的 更 加迫切 ，同樣也是非常的實(shí)用和合理。 FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列 )和 CPLD（復(fù)雜可編程邏輯器件）都是可編程邏輯器件，他們是在PAL,GAL等邏輯器件的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同以往的 PAL,GAL相比較 FPGA/CPLD的規(guī)模比較大，它可以替代幾十甚至幾千塊通用 IC芯片。這樣的 FPGA/CPLD上就是一個子系統(tǒng)部件。這種芯片 收到世界范圍內(nèi)電子工程設(shè)計人員的廣泛關(guān)注和普遍歡迎。比較典型的就是 Altera公司和 Xilinx公司的 CPLD器件系列和 FPGA器件系列，他們開發(fā)較早，占用了較大的 PLD市場。 FPGA/CPLD芯片都是特殊的 ASIC芯片，除了具有 ASIC的特點(diǎn)外，還具有以下幾個優(yōu)點(diǎn)： 隨著 VLSI(超大集成電路 )工藝的不斷提高單一芯片內(nèi)部可以容納上百萬個晶體管， FPGA/CPLD芯片的規(guī)模也越來越大，其單片邏輯門數(shù)已達(dá)上百萬門，它所實(shí)現(xiàn)的功能也越來越強(qiáng)，同時也可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成，即片上系統(tǒng) SOC。 FPGA/CPLD芯片在 出廠之前都做過百分之百的測試，不需要設(shè)計人員承擔(dān)芯片風(fēng)險和費(fèi)用，設(shè)計人員只需在自己的實(shí)驗(yàn)室就可以通過相關(guān)的軟硬件環(huán)境來完成芯片的最終功能設(shè)計。所以，F(xiàn)PGA/CPLD的資金投入就少，減少了潛在的花費(fèi)。 用戶可以反復(fù)的編程，擦除，使用或者在外圍電路不動的情況下用不同軟件就可實(shí)現(xiàn)不同的功能。 FPGA/CPLD軟件包中有各種輸入工具和仿真工具，及版圖設(shè)計工具和編程器等全線產(chǎn)品，電路設(shè)計人員在很短的時間內(nèi)就可完成電路的輸入，編譯，優(yōu)化，仿真，直至最后芯片的制作。當(dāng)電路有少量的改動，更能顯示 FPGA/CPLD的優(yōu)勢。 :FPGA 設(shè)計交通燈的意義 FPGA是一個功能強(qiáng)大的可編程邏輯芯片，采用 FPGA設(shè)計 ASIC 電路，用戶不需要投片生產(chǎn)，吳思林：基于 FPGA 交通燈控制器設(shè)計 2 就能得到所需的芯片。 FPGA 內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和 I/O 引腳。 FPGA 是 ASIC 電路中設(shè)計周期最短、開發(fā)費(fèi)用最低、風(fēng)險最小的器件之一。 FPGA采用高速 CHMOS 工藝，功耗低，可以與 CMOS、TTL電平兼容。所以用 FPGA完成交通燈的設(shè)計合理可行。 ：硬件描述語言 VHDL 硬件描述語言 HDL是 EDA技術(shù)的重要組成部分，常見的 HDL 有下列幾種： VHDL、 Verilog HDL、System Verilog、和 System C。其中 VHDL、 Verilog 在現(xiàn)在 EDA 設(shè)計中使用最多，也得到幾乎所有的主流 EDA工具的支持。 VHDL 的英文全名是 VHSIC（ Very High Speed Integrated Circuit） Hardware Description Language，于 1983年有美國國防部（ DOD）發(fā)起創(chuàng)建，由 IEEE(The Institute of Electrical and Electronics Engineers)進(jìn)一步發(fā)展并在 1987 年 作為“ IEEE 標(biāo)準(zhǔn) 1076”發(fā)布。從此， VHDL 成為硬件描述語言的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)之一。自 IEEE公布了 VHDL的標(biāo)準(zhǔn)版本之后，各 EDA公司相繼推出了自己的 VHDL設(shè)計環(huán)境，或宣布自己的設(shè)計工具支持 VHDL。此后 VHDL在電子設(shè)計領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，并逐步取代了原有的非標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語言。 VHDL 語言具有很強(qiáng)的電路描述和建模能力，能從多個層次對數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行建模和描述，從而大大簡化了硬件設(shè)計任務(wù)，提高了設(shè)計效率和可靠性。 VHDL 具有與具體硬件電路無關(guān)和設(shè)計平臺無關(guān)的特性，并且具有良好的電路行為描述和系統(tǒng)描述的能力， 在語言易讀性和層次化結(jié)構(gòu)化設(shè)計方面表現(xiàn)了強(qiáng)大的生命力和應(yīng)用潛力。用 VHDL 進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計的一個很大優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計者可以專心致力于其功能的實(shí)現(xiàn)，而不需對不影響功能的與工藝有關(guān)的因素花費(fèi)過多的時間和精力。 2020 屆電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 2 系統(tǒng)分析與總體方案 ：系統(tǒng)介紹 設(shè)計交通燈是為了自動控制各個十字路口倒計時器和交通信號燈，從而使行人和各種車輛能夠安全通過。 本文設(shè)計要求東西、南北兩條干道的紅、綠、黃交通燈按要求循環(huán)變化，并以倒計時方式指示干道通行或禁止的維持時間。硬件設(shè)計采用的是 FPGA器件 CycloneII系列 EP2C5T144，要在硬件中實(shí)現(xiàn)交通燈的功能首先要在軟件中仿真成功，然后設(shè)置芯片的管教和程序端口的對應(yīng)關(guān)系。，以及 LED 發(fā)光 并將程序 在 QuartusⅡ 軟件環(huán)境中設(shè)計、仿真 。 ：設(shè)計任務(wù) 本論文通過設(shè)計一個十字路口的交通燈來形象指揮行人和車輛的安全通行。十字路口處，方向分為東西南北四個方向。東西方向的交通信號燈狀態(tài)保持一致，南北方向的交通信號燈狀態(tài)也保持一致。其中每個方向有左轉(zhuǎn)燈、紅燈、綠燈和黃燈，共四盞。左轉(zhuǎn)燈亮說明車輛可以左轉(zhuǎn)通行；紅燈亮說明禁止車輛直行和左轉(zhuǎn)；綠燈亮說明允許車輛直 行和右轉(zhuǎn)；黃燈亮說明即將禁止車輛直行和左轉(zhuǎn)。在每個方向上均設(shè)有一個倒計時顯示器，以顯示禁止或允許通行的倒計時間。十字路口交通燈如圖 21所示 圖 21交通燈系統(tǒng) 系統(tǒng)設(shè)計仿真 本畢業(yè)論文設(shè)計是基于 QuartusII軟件，底層設(shè)計和頂層設(shè)計均采用 VHDL進(jìn)行描述設(shè)計 ,同時為了使設(shè)計變得形象簡明，通過頂層設(shè)計生成了原理圖。 吳思林：基于 FPGA 交通燈控制器設(shè)計 4 ：系統(tǒng)分析 通過分析可以知道，所要設(shè)計的十字路口交通燈控制電路要能夠使南北、東西各四個燈（紅、黃、綠、左轉(zhuǎn)），四個燈能夠按順序依次亮滅。而且 要求綠燈亮轉(zhuǎn)紅燈亮或者轉(zhuǎn)左轉(zhuǎn)燈亮之前要先轉(zhuǎn)黃燈亮 5秒，左轉(zhuǎn)燈亮轉(zhuǎn)紅燈亮之前也要先轉(zhuǎn)黃燈亮 5秒，紅燈亮可以直接轉(zhuǎn)綠燈或左轉(zhuǎn)燈亮（四種燈的循環(huán)順序如圖 21所示）。還要求四種燈的點(diǎn)亮?xí)r間能夠以倒計時的形式顯示出來?？梢杂肰HDL語言合理設(shè)計系統(tǒng)功能，使紅黃綠左轉(zhuǎn)燈的轉(zhuǎn)換有一個準(zhǔn)確的時間間隔和轉(zhuǎn)換順序。 圖 21 四種燈的循環(huán)順序 使用基于 FPGA的方法具有周期短、使用靈活、易于修改等明顯的優(yōu)點(diǎn)。而且，隨著 FPGA器件，設(shè)計語言和電子設(shè)計自動化工具的發(fā)展和 改進(jìn)，越來越多的電子系統(tǒng)采用 FPGA來設(shè)計。未來使用FPGA器件設(shè)計的產(chǎn)品將出現(xiàn)在各個領(lǐng)域。因此此次的交通燈控制器將基于 FPGA的設(shè)計方案來實(shí)現(xiàn)所需要的功能。 ：設(shè)計的總體方案