【文章內(nèi)容簡介】 件基于 FPGA的交通燈設(shè)計(jì) 4 描述語言）被定為 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)（ IEEESTD1076）以來， VHDL 已被工業(yè)界廣泛認(rèn)可，并在工業(yè)界推廣開來，越來越多的人使用 VHDL語言， VHDL 已成為數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)和存檔的重要工具，極大的提高了數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水平和效率，在此方面大大的影響了工業(yè)界，給工業(yè)界帶來了無法估計(jì)的價(jià)值。 VHDL 的出現(xiàn)，不僅在工業(yè)界取得了重大作用，而且在大規(guī)模的數(shù)字電路系統(tǒng)領(lǐng)域發(fā)揮的很大的作用，比如在邏輯領(lǐng)域這塊，相比于傳統(tǒng)的方法， 利用 VHDL 將更加便捷，因此， VHDL 將成為 EDA 領(lǐng)域的重要組成部分。 VHDL 主要用于描述 數(shù)字系統(tǒng) 的結(jié)構(gòu)，行為，功能和接口。除了含有許多具有硬件特征的語句外， VHDL 的語言形式和描述風(fēng)格與句法是十分類似于一般的 計(jì)算機(jī)高 級(jí)語言 。 VHDL 的程序結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是將一項(xiàng)工程設(shè)計(jì)，分成外部 (或稱可視部分，及端口 )和內(nèi)部 (或稱不可視部分 )， 這樣分開之后，兩者分開處理， 既涉及 了 實(shí)體的內(nèi)部功能 ，又能完成 算法部分 ，大大的提高了處理水平 。 當(dāng) 對(duì)一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)體定義了外部界面后， 在處理外部界面時(shí)， 一旦其內(nèi)部開發(fā)完成后，內(nèi)部的文件就能夠被其他設(shè)計(jì)使用， 其他的設(shè)計(jì)就可以直接調(diào)用這個(gè)實(shí)體。這種將設(shè)計(jì)實(shí)體分成內(nèi)外部分的概念是 VHDL系統(tǒng)設(shè)計(jì) 的基本點(diǎn)。 EP2C5T144 最小系統(tǒng)介紹 本開發(fā)板采用的主芯片 FPGA 型號(hào)為 Altera 公司最新的 Cyclone IV 系列中的 EP2C5T144，等效門數(shù)大約為 50 萬門（是 Cyclone EP1C3（ 10 萬門）的 5 倍）。開發(fā)板的電源系統(tǒng)需要的電源大小是5V 直流電源，通過板上的 LDO 電源系統(tǒng)出來，然后給 FPGA 系統(tǒng)的各個(gè)元件提供所需的各種電壓，并且可以向外輸出 5V、 兩種電壓。電源系統(tǒng)出來后則是板上配的 EPCS4 配置芯片， JTAG 和 AS兩種下載端口，方便下載程序，以及 50MHz 有源晶振，給系統(tǒng)提供時(shí)鐘信號(hào)。 FPGA 的所有引腳均是通過兩個(gè) 40Pin 的 標(biāo)準(zhǔn)排針接口引出，引腳的大小符合國際標(biāo)準(zhǔn)，并與國際流行的 DE2 開發(fā)板上的擴(kuò)展接口管腳兼容，因此假如有先有的擴(kuò)展卡，都可以拿來使用。系統(tǒng)內(nèi)設(shè)有 8 個(gè) LED 發(fā)光二極管，其作用是用來做 I/O 的輸出基于 FPGA的交通燈設(shè)計(jì) 5 顯示。除此之外，系統(tǒng)內(nèi)還有 4 個(gè)按鍵開關(guān)、 8 位數(shù)字撥碼開關(guān)組成的 I/O 輸入，其作用是用來控制系統(tǒng)的功能。 PCB 板是采用四層板設(shè)計(jì)，板子的性能以及穩(wěn)定性相當(dāng)可靠。通過擴(kuò)展接口可以將同樣的多塊 FPGA 板以層疊的形式集成在一起簡單擴(kuò)充系統(tǒng)的 容量，相當(dāng)于多塊硬盤結(jié)合成一塊大的硬盤，這樣不僅擴(kuò)大了容量，還能省去不少空間。除此之外， PCB 板形成了多 Nios 嵌入式并行處理器的小型實(shí)驗(yàn) 系 統(tǒng) ， 可 以 駁 接 SRAM 、 SDARM 、 七 段 LED 、 LCD 、Video/Audio、 AD/DA 等設(shè)備和其他各種形式的用戶外設(shè)接口板。該開發(fā)板主要是為學(xué)習(xí) FPGA/HDL/嵌入式 Nios 等數(shù)字邏輯的學(xué)生和愛好者提供一種簡單廉價(jià)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。 開發(fā)板要求的輸入電壓是 5V。通過 U2： 的 LDO 芯片出來將會(huì)到 的電壓。再通過 的 LDO 芯片，通過 的 LDO 芯片 U4 產(chǎn)生 FPGA Cyclone IV 芯片內(nèi)部PLL 所需要的獨(dú)立電源。其中有 電壓是給 FPGA 的 IO 提供的。也就是說本設(shè)計(jì)采用了簡化的 FPGA IO 引腳電平是 +，而不提供給用戶 Cyclone IV 其它不同電平標(biāo)準(zhǔn)的 I/O 電平選擇方式。 + 電壓是提供給 FPGA 內(nèi)核的工作電壓， + 是 FPGA 內(nèi)部PLL 的專用工作電壓。 電壓的純凈程度要求比較高，故采用鉭電容濾波。 本文研究的主要內(nèi)容 交通燈控制電路是的作用主要是用于城市的交通疏通 ，每當(dāng)有大量車輛出入造成堵塞的時(shí)候，交通燈控制電路就能體現(xiàn)它的用處了。交通信號(hào)燈在人與車輛交替行駛時(shí)，能實(shí)現(xiàn)紅燈、黃燈、綠燈的自動(dòng)指揮，更好的實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化交通管理。交通燈指示告訴我們， 綠燈亮?xí)r，準(zhǔn)許車輛通行，但轉(zhuǎn)彎的車輛不得妨礙被放行的直行車輛、行人通行；黃燈亮?xí)r，已越過停止線的車輛可以繼續(xù)通行；紅燈亮?xí)r，禁止車輛通行。 在每個(gè)城鄉(xiāng)的十字路口，一般都在每條道路上各有一組紅、黃、綠交通信號(hào)燈，這樣的用意就是在于保證交通秩序和行人安全。 在未設(shè)置信號(hào)燈的路口， 車輛 和行人應(yīng)當(dāng)按照機(jī)動(dòng)車信號(hào)燈的表示通行。 交通燈控制電路將 會(huì)自動(dòng)控制十字路口的交通燈的切換，安全的指揮各種車輛以及行人通過，真正的實(shí)現(xiàn)城鄉(xiāng)交通的自能化管基于 FPGA的交通燈設(shè)計(jì) 6 理。一個(gè)十字路口的交通控制器，不光是交通燈的切換，更重要的是將十字路口的四個(gè)方向合理運(yùn)轉(zhuǎn)，方向有東南西北，東西方向的紅綠燈狀態(tài)一樣，南北方向的紅綠燈狀態(tài)一樣，每個(gè)方向上，有四盞燈，分別是左轉(zhuǎn)燈、紅燈、綠燈和黃燈。左拐燈亮表示左轉(zhuǎn)車輛可以通行；紅燈亮表示左轉(zhuǎn)和直行車輛禁行；綠燈亮表示直行車輛和右轉(zhuǎn)的車輛可以通行；黃燈亮表示左轉(zhuǎn)和直行的車輛即將禁行。 本論文則簡要的介紹了 FPGA 芯片的特點(diǎn)以及設(shè)計(jì)意義，本系統(tǒng)是以 QuartusII 軟件為開發(fā)平臺(tái)，然后通過 VHDL 硬件描述語言來編寫程序，以及設(shè)計(jì)原理圖以輸入方式來設(shè)計(jì)交通燈。 FPGA 芯片是一款功能非常強(qiáng)大，可多次編程及擦除的邏輯芯片，本系統(tǒng)采用了 FPGA 設(shè)計(jì) ASIC 電路，用戶將不需要投片生產(chǎn)，基于 FPGA 交通燈控制器設(shè)計(jì)就能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。 FPGA 的內(nèi)部有著豐富的觸發(fā)器和 I/O 引腳。 FPGA 芯片 是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一 。 FPGA 的開發(fā)，是 ASIC 電路中風(fēng)險(xiǎn)最小、開發(fā)費(fèi)用最低、設(shè)計(jì)周期最短的器件之一。 FPGA 采用高速的CHMOS 工藝，功耗低，性能強(qiáng)， 可直接與 CMOS 和 TTL 電平兼容。因此用 FPGA 完成交通燈的設(shè)計(jì)不光要合理，更注重的是芯片的選用。本論文通過設(shè)計(jì)交通安全指揮燈，從而來形象的指揮行人和車輛的安全通行。在十字路口處，是發(fā)生危險(xiǎn)的重點(diǎn)去，因此在十字路口的東西南北四個(gè)方向必須合理安排。東西方向的交通信號(hào)燈狀態(tài)保持一致，南北方向的交通信號(hào)燈狀態(tài)也保持一致。其中每個(gè)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(gè)方向上均設(shè)有一個(gè)倒 計(jì)時(shí)顯示器，以顯示禁止或允許通行的倒計(jì)時(shí)間。 基于 FPGA的交通燈設(shè)計(jì) 7 2 硬件設(shè)計(jì) 硬件開發(fā)環(huán)境介 在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，筆者的硬件開發(fā)環(huán)境是 AD14，即 Altium Designer 14 硬件開發(fā)環(huán)境。 AD14 是 Altium Designer 是原 Protel 軟件開發(fā)商 Altium 公司推出的一體化的電子產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)，主要運(yùn)行在 Windows 操作系統(tǒng)。 該軟件全面集成了原理圖設(shè)計(jì)、原件繪制、原件封裝繪制、 PCB 板圖繪制以及電氣仿真等等功能，為開發(fā)者提供一個(gè)優(yōu)秀的開發(fā)環(huán)境和靈活的運(yùn)用平臺(tái)， 目前最高版本為 Altium Designer 。 Altium Designer 開發(fā)工具 全面 包括 繼承包括 Protel 99SE、 Protel DXP 在內(nèi)的 以前相關(guān)版本的相關(guān)功能和優(yōu)勢(shì)外 ， 繼續(xù)添加了一些新的創(chuàng)新的功能， 該平臺(tái)拓寬了板級(jí)設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)界面，全面集成了FPGA 設(shè)計(jì)功能和 SOPC 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)功能，從而允許工程設(shè)計(jì)人員能將系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的 FPGA 與 PCB 設(shè)計(jì)及嵌入式設(shè)計(jì)集成在一起。 由于Altium Designer 在繼承先前 Protel 軟件功能的基礎(chǔ)上，綜合了 FPGA設(shè)計(jì)和嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)功能， Altium Designer 對(duì)計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)需求比先前的版本要高一些。 Altium Designer 不僅擁有強(qiáng)大的 PCB 設(shè)計(jì)能力，而且還有強(qiáng)大的邏輯仿真分析能力，是一款特別適合初學(xué)者使用的 PCB 繪制軟件。 該軟件 主要 任務(wù) 包括： 1.. 電氣 原理圖 開發(fā)回執(zhí) ； 電氣屬性 電路板 PCB 設(shè)計(jì)； 程序及其仿真 的 設(shè)計(jì) ； 4 .嵌入式 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 開發(fā)； 5. 3D PCB 模型繪制及其演示 。 硬件開發(fā)環(huán)境平臺(tái)搭建 上一節(jié)筆者介紹本次硬件設(shè)計(jì)的軟件為 Altium Designe ， 下面筆者簡單介紹 AD14 如何建立工程項(xiàng)目工程。 基于 FPGA的交通燈設(shè)計(jì) 8 步驟一：啟動(dòng) AD 軟件，如下圖 ： 圖 AD 啟動(dòng)界面 步驟 二：在啟動(dòng)后的界面如下圖 所示： 基于 FPGA的交通燈設(shè)計(jì) 9 圖