【導讀】能力，增強編程能力,增強實踐應用能力。設計一種交通燈控制系統(tǒng)實現(xiàn)城市十字交叉路口紅綠燈的控制。對所設計的交通燈控制系統(tǒng)進行QuartusⅡ仿真實現(xiàn)，驗證算法性能。畢業(yè)設計論文一篇，需符合學校要求；[3]李景華，可編程邏輯器件與EDA技術.[M].東北大學出版.2021。[4]劉昌華，數(shù)字邏輯EDA設計與實踐，北京.國防工業(yè)出版社，[6]王正勇,.基于FPGA的交通信號控制器的設計[J].電子測量技術,2021,.試調試，并不斷修改完善。統(tǒng)硬件功能的實現(xiàn),極大地提高了設計效率,縮短了設計周期,節(jié)省了設計成本。因此,在設計中采用EDA技術,應用目前廣泛應用的VerilogHDL. 軟件集成開發(fā)環(huán)境進行綜合、仿真,并下載到FPGA中完成系統(tǒng)的控制作用。費,加重了道路交通壓力。本文通過綜合分析與比較后確定EDA技術為本文欲采取。的最佳設計方案。將硬件電路與軟件編程相結合使得各模塊的實現(xiàn)功能變得詳實而具體。部分調試過程中出現(xiàn)的問題也進行了描述以及提供了解決的方法。

　　

【正文】 多片 FPGA。串行模式可以采用串行PROM 編程 FPGA。外設模式可以將 FPGA 作為微處理器的外設，由微處理器對其編程。 系列器件以及 EPF10K10 芯片特點 FLEX10K 系列具有以下特點 : (l)高密度 :提供 10000~250000個可用門， 6144~40960位內部 RAM。 (2)低功耗 :多數(shù)器件在靜態(tài)模式下電流小于 ，在 、 或 下工作 。 (3)高速度 :時鐘鎖定和時鐘自舉選項分別用于減少時鐘延時 /過沖和時鐘倍 頻 。器件內建立樹形分布的低失真時鐘 。具有快速建立時間和時鐘到輸出延時 的外部寄存器 。 (4)靈活的互連方式 :快速、互連延時可預測的快速通道 (Fast Track)連續(xù)式 布線結構，快速，可預測延時 。實現(xiàn)快速加法、計數(shù)、比較等算術邏輯功能的專用進位鏈 。實現(xiàn)高速、多輸入 (扇入 )邏輯功能的專用級聯(lián)鏈 。實現(xiàn)內部三態(tài)的三態(tài)模擬 。多達六個全局的時鐘信號和四個全局清除信號 。 (5)支持多電壓 FO 接口 。強大的 FO 引腳功能 :每個引腳都有一個獨立的三態(tài)輸出使能控制及漏極開路配置選項及可編程輸出速率控制 。FLEX10KA、 10LE、 IOKS 器件都支持熱插拔 。 (6)多種配置方式 :內置 JTAG 邊界掃描測試電路，可通過外部 EPROM、智能控制或 JTAG 接口實現(xiàn)在電路重構 (ICR) (7)嵌入式陣列塊 (EAB)，每個 EAB 提供 2k比特位，可用來做存儲器或用來實現(xiàn)邏輯功能 。 (8)邏輯單元采用查找表 (LUT)結構，嵌入式可編程邏輯器件，提供了集成系統(tǒng)于單個可編程邏輯器件中的性能 。 (9)多種封裝形式 :引腳范圍為 8小 600，封裝形式有 TQFP、 PQFP、 BGA 和 PLCC 等，同一封裝的 FLEXIOK 系列器件的引腳相兼容。 EPF10K10LC84芯片特點介紹 : 本設計驗證采用的是 ALTERA 公司 FLEXIOK 系列的 EPF10K10LC84。使用的軟件是。在此主要介紹 EPFl0K10LC844的結構和特點。 EPF10K10LC84一 4屬于 FLEX10K 系列，是 ALTERA 公司于 1995年推出的，它結合了 CPLD 和FPGA 的優(yōu)點，采用 CMOSSRAM 工藝，以及快速，可預測延時的連續(xù)式布線結構，具有更高的集成度和豐富的寄存器資源。 14 基本開發(fā)流程與開發(fā)工具 ??7 FPGA 基本開發(fā)流程主要包括設計輸入 。設計仿真 。設計綜合 。布局布線 。配置五個主要步驟。設計輸入主要有原理圖輸入和 HDL 輸入兩種方式，一 般開發(fā)商都同時支持兩種輸入方式。有些熟悉硬件設計的工程師開始喜歡利用原理圖進行設計，這種方法非常直觀，但基于可移植性和規(guī)范化方面的考慮，絕大部分深入 FPGA 設計和 ASIC 設計的工程師最終都將統(tǒng)一到 HDL平臺上來。設計仿真包含功能仿真和時序仿真兩項主要內容，功能仿真忽略了綜合和布局布線導致的時延等因素，僅僅從邏輯上進行仿真，這對設計思路的驗證是有幫助的，但必須通過時序仿真作進一步驗證，發(fā)現(xiàn)并修正時序問題。設計綜合將 HDL 語言生成用于布局布線的網(wǎng)表和相應的約束。綜合效果直接導致設計的性能和邏輯門的利用效率，因此 ，許多可編程邏輯器件開發(fā)商都支持第三方綜合和仿真工具，比較著名的有 :Single Chip Microputer 和 Modelsim 等。布局布線工具利用綜合生成的網(wǎng)表，在 FPGA 內部進行布局布線，并生成可用于配置的比特流文件。布局布線工具與可編程邏輯器件工藝及其布線資源密切相關，一般由可編程邏輯器件開發(fā)商直接提供。 單片機控制系統(tǒng)的設計技術 單片機的發(fā)展以及應用 單片機誕生于 20世紀 70年代末，經(jīng)歷了 SCM、 MCU、 SOC 三大階段。 SCM 即單片微型計算機 (Single Chip Microputer)階段，主要是尋求最佳的單片形態(tài)嵌入式系統(tǒng)的最佳體系結構。 MCU 即微控制器 (Micro Controller Unit)階段，主要的技術發(fā)展方向是 :不斷擴展?jié)M足嵌入式應用時，對象系統(tǒng)要求的各種外圍電路與接口電路，突顯其對象的智能化控制能力。 單片機是嵌入式系統(tǒng)的獨立發(fā)展之路，向 MCU 階段發(fā)展的重要因素，就是尋求應用系統(tǒng)在芯片上的最大化解決 。因此，專用單片機的發(fā)展自然形成了 SOC 化趨勢。隨著微電子技術、 IC 設計、 EDA工具的發(fā)展，基于 SOC 的單片機應系統(tǒng)設計會 有較大的發(fā)展。因此，對單片機的理解可以從單片微型計算機、片微控制器延伸到單片應用系統(tǒng)。 單片機作為微型計算機的一個重要分支，應用面很廣，發(fā)展很快。自單機誕生至今，已發(fā)展為上百種系列的近千個機種。 如果將 8位單片機的推出作為起點，那么單片機的發(fā)展歷史大致可分為下幾個階段。 (l)第一階段 (1976一 1978):單片機的探索階段。以 Intel 公司的 MCS48為代表。 (2)第二階段 (1978一 1982):單片機的完善階段。 Intel 公司在 MCS48基礎上推出了完善的、典型的單片機系列 MCS 一 51。它在以下幾個方面奠定了典型的通用總線型單片機體系結構。 ①完善的外部總線。 MCS 一 51設置了經(jīng)典的 8位單片機的總線結構，包括位數(shù)據(jù)總線、 16位地址總線、控制總線及具有很多機通信功能的串行通信接口。 15 ② CPU 外圍功能單元的集中管理模式。 ③體現(xiàn)工控特性的位地址空間及位操作方式。 ④指令系統(tǒng)趨于豐富和完善，并且增加了許多突出控制功能的指令。 （ 3）第三階段 (1982一 1990):8位單片機的鞏固發(fā)展及 16位單片機的推出階段，也是單片機向微控制器發(fā)展的階段。 Intel 公司推出的 MCS 一 96系列單片機，將一些用于 測控系統(tǒng)的模數(shù)轉換器、程序運行監(jiān)視器、脈寬調制器等納入片中，體現(xiàn)了單片機的微控制器特征。隨著 MCS 一 51系列的廣應用，許多電氣廠商競相使用 8OC51為內核，將許多測控系統(tǒng)中使用的電路技術、接口技術、多通道 A\D轉換部件、可靠性技術等應用到單片機中，增強了外圍電路路功能，強化了智能控制的特征。 (4)第四階段 (1990一 ):微控制器的全面發(fā)展階段。隨著單片機在各個領域全面深入地發(fā)展和應用，出現(xiàn)了高速、大尋址范圍、強運算能力的 8位 /l6位 /32位通用型單片機，以及小型廉價的專用型單片機。 目前，單片機正朝 著高性能和多品種方向發(fā)展趨勢將是進一步向著 CMOS 化、低功耗、小體積、大容量、高性能、低價格和外圍電路內裝化等幾個方面發(fā)展。下面是單片機的主要發(fā)展趨勢。 CMOS 化。近年由于 CHMOS 技術的進小，大大地促進了單片機的 CMOS 化。 CMOS 芯片除了低功耗特性之外，還具有功耗的可控性，使單片機可以工作在功耗精細管理狀態(tài)。這也是今后以 8OC51取代 8051為標準 MCU 芯片的原因。因為單片機芯片多數(shù)是采用 CMOS(金屬柵氧化物 )半導體工藝生產(chǎn)。 CMOS 電路的特點是低功耗、高密度、低速度、低價格。采用雙極型半導體 工藝的 TTL 電路速度快，但功耗和芯片面積較大。隨著技術和工藝水平的提高，又出現(xiàn) HMOS(高密度、高速度 MOS)和 CHMOS 工藝。 CHMOS 和 HMOS 工藝的結合。目前生產(chǎn)的CHMOS 電路己達到 LSTTL 的速度，傳輸延遲時間小于 2ns，它的綜合優(yōu)勢已在于 TTL 電路。因而，在單片機領域 CMOS 正在逐漸取代 TTL 電路。 低功耗化。單片機的功耗已從 Ma 級，甚至 1認以下 。使用電壓在 3~6V 之間 ,完全適應電池工作。低功耗化的效應不僅是功耗低，而且?guī)砹水a(chǎn)品的高可靠性、高抗干擾能力以及產(chǎn)品的便攜化。 低電壓化。 幾乎所有的單片機都有 WAIT、 STOP 等省電運行方式。允許使用的電壓范圍越來越寬，一般在 3~6V 范圍內工作。低電壓供電的單片機電源下限己可達 1~2V。目前 供電的單片機已經(jīng)問世。 低噪聲與高可靠性為提高單片機的抗電磁干擾能力，使產(chǎn)品能適應惡劣的工作環(huán)境，滿足電磁兼容性方面更高標準的要求，各單片廠家在單片機內部電路中都采用了新的技術措施。 大容量化。以往單片機內的 ROM 為 IKB~4KB， RAM 為 64~128B。但在需要復雜控制的場合，該存儲容量是不夠的，必須進行外接擴充。為了適應這種領域的要 求，須運用新的工藝，使片內存儲器大容量化。目前，單片機內 ROM 最大可達 64KB， RAM 最大為 2KB。 16 高性能化。主要是指進一步改進 CPU 的性能，加快指令運算的速度和提高系統(tǒng)控制的可靠性。采用精簡指令集 (RISC)結構和流水線技術，可以大幅度提高運行度?，F(xiàn)指令速度最高者已 100MIPS(Million Instruction Per Seconds，即兆指令每秒 )，并加強了位處理功能、中斷和定時控制功能。這類單片機的運算速度比標準的單片機高出 10倍以上。由于這類單片機有極高的指令速度，就可以用軟件模擬其 I\O功能，由此引入了虛擬外設的新概念。 小容量、低價格化與上述相反，以 4位、 8位機為中心的小容量、低價格化也是發(fā)展動向之一。這類單片機的用途是把以往用數(shù)字邏輯集成電路組成的控制電路單片化，可廣泛用于家電產(chǎn)品。 外圍電路內裝化。這也是單片機發(fā)展的主要方向。隨著集成度的不斷提高，有可能把眾多的各種處圍功能器件集成在片內。除了一般必須具有的 CPU、 ROM、 RAM、定時器 /計數(shù)器等以外，片內集成的部件還有模 /數(shù)轉換器、 DMA 控制器、聲音發(fā)生器、監(jiān)視定時器、液晶顯示驅動器、彩色電視機和錄像機用的鎖相電路 等。 串行擴展技術。在很長一段時間里，通用型單片機通過三總線結構擴展外圍器件成為單片機應用的主流結構。隨著低價位 OTP(One Time Programble)及各種類型片內程序存儲器的發(fā)展，加之處圍接口不斷進入片內，推動了片機“單片”應用結構的發(fā)展。特別是 I2C、SPI 等串行總線的引入，可以使單片機的引腳設計得更少，單片機系統(tǒng)結構更加簡化及規(guī)范化。 隨著半導體集成工藝的不斷發(fā)展，單片機的集成度將更高、體積將更小、功能將列強。在單片機家族中， 80C51系列是其中的佼佼者，加之 Intel公司將其 MCS一 51系列中的 SOC51內核使用權以專利互換或出售形式轉讓給全世界許多著名 IC 制造廠商，如 Philips、 NEC、Atmel、 AMD、華邦等，這些公司都在保持與 80C51單片機兼容的基礎上改善了 80C51的許多特性。這樣， 80C51就 變成有眾多制造廠商支持的、發(fā)展出上百品種的大家族，現(xiàn)統(tǒng)稱為 80C51系列。 80C51單片機己成為單片機發(fā)展的主流。專家認為，雖然世界上的 MCU 品種繁多，功能各異，開發(fā)裝置也互不兼容，但是客觀發(fā)展表明， 80C51可能最終形成事實上的標準 MCU 芯片。 單片機的組成以及特點 單片機是微型機的一個主要分支，在結構上的最大特點是把 CPU、存儲器、定時器和多種輸入 /輸出接口電路集成在一塊超大規(guī)模集成電路芯片上。就其組成和功能而言，一塊單片機芯片就是一臺計算機。 (l)單片機的組成 單片機的典型組成是通過內部總線把計算機的各主要部件接為一體，其內部總線包括地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。其中，地址總線的作用是在進行數(shù)據(jù)交換時提供地址， CPU通過它們將地址輸出到存儲器或 I/O 接口 。數(shù)據(jù)總線的作用是在 CPU 與存儲器或 I/O 接口之間，或存儲器與外設之間交換數(shù)據(jù) 。控制總線包括 CPU 發(fā)出的控制信號線和外部送入 CPU的應答信號線等。 17 (2)單片機的特點 由于單片機的這種結構形式及它所采取的半導體工藝，使其具有很多顯著的特點，因而在各個領域都得到了迅猛的發(fā)展。單片機主要發(fā)如下特點 : ①有優(yōu)異的性能價格比。 ②集成度高、體積小、有很高的可靠性。單片機把各功能部件集成在一塊芯片上，內部采用總線結構，減少了各芯片之間的連線，大大提高了單片機可靠性與抗干擾能力。另外，其 體積小，對于強磁場環(huán)境易于采取屏蔽措施，適合在惡劣環(huán)境下工作。 ③控制功能強。為了滿足工業(yè)控制的要求，一般單片機的指令系統(tǒng)中均有極豐富的轉移指令、 I/O 口的邏輯操作以及位處理功能。單片機的邏輯控制功能及運行速度均高于同一檔次的微機。 ④低功耗、低電壓，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品。 ⑤外部總線增加了 I2C(InterIntegrated Circuit)及 SPI(serial Peripheral)等串行總線方式，進一步縮小了體積，簡化了結構。 ⑥單片機的系統(tǒng)擴展和系統(tǒng)配置較典型、規(guī)范，容易 構成各種規(guī)模的應用系統(tǒng)。 EDA 與單片機技術的方案確認 目前，單片機在我國電子系統(tǒng)中的設計已經(jīng)得到了廣泛的應用，使我國的電子系統(tǒng)智能化水平在廣度和深度上發(fā)生了質的飛躍。在基于單片機的數(shù)字系統(tǒng)設計中，用戶能過通過編程方式改變器件邏輯功能只有兩條途徑 :即單片機的軟件編程和特定器件的控制配置。如果想任意確定器件引腳功能的硬件方式是不可能的。在數(shù)字系統(tǒng)中，盡管采用了單片機和存儲器，但仍需大量的中、小規(guī)模的數(shù)字集成電路來進行各種邏輯控制。而對于系統(tǒng)構成的設計過程只能對器件功能和電路板圖分別進行設計和確定 ，通過設計板來規(guī)劃系統(tǒng)功能，花大量時間用于