CPLD FPGA课程设计-基于FPGA的交通灯控制系统.docx

电信工程132班，赵旭智（CPLD/FPGA课程设计）CPLD/FPGA课程设计项目名称 基于FPGA的交通灯控制系统 专业班级 电信132 学生学号 学生姓名 指导教师 2016年 6 月 30 日摘 要 随着国民经济的快速发展，城市基础设施建设越来越多，我国机动车保有量飞速增长，城市交通拥堵问题越来越严重。因此研究适合我国国情的安全、快捷、高效、现代化的交通信号控制系统是解决交通问题的有效方案之一。另外，随着可编程逻辑技术的不断进步和创新，FPGA ( Field Programmable Gate Array)已被广泛应用于数字系统的设计中。论文对基于FPGA的交通信号控制器进行研究。基于FPGA的交通信号控制器具有电路简单、实时快速擦写、运算速度快、故障率低、可靠性高，而且体积小等特点。系统通过功能扩展、接口扩展可同时控制多个路口的红绿灯变换，可根据需要实现实时、快速擦写应用程序的功能。利用Verilog HDL ( HDL:Hardware DiscriptionLanguage)硬件描述语言对交通信号各种控制方案进行分模块设计，并在Quartos II开发平台上进行编译、仿真，最后下载到FPGA芯片上，结果表明控制系统能够自动实现交通信号控制器的灯色变换及倒计时显示。关键字： 交通灯； FPGA； VerilogHDL； Quartus ； Cyclone1AbstractWith the rapid development of national economy, more and more urban infrastructure construction, Chinas rapid growth, the urban traffic congestion problem more and more serious. So the suitable for Chinas national conditions of safe, quick, efficient, modern traffic signal control system is one of the effective measures to solve the traffic problems. In addition, with the constant progress of Programmable logic technology and innovation, the FPGA (Field Programmable Gate Array) has been widely applied in the design of digital system. Thesis study of traffic signal controller based on FPGA.Traffic signal controller based on FPGA has simple circuit, real-time fast wipe, quick speed, low failure rate, high reliability, small volume and etc. System through the functional extension, interface extension can control multiple intersections traffic light transformation at the same time, according to the need to implement real-time, quick wipe the functionality of the application.Using Verilog HDL (HDL: Hardware DiscriptionLanguage) Hardware description language of various traffic signal control scheme for module design, and compile on Quartos II development platform, simulation, finally downloaded to the FPGA chip, the results show that the control system can automatically realize the traffic signal controller of light color transformation and countdown display.Keywords: Traffic lights; FPGA; VerilogHDL; Quartus ; Cyclone目 录摘 要IAbstractII第1章 所选项目的研究意义11.1 概述11.2 交通信号控制器的研究现状及发展趋势21.1 论文的主要研究内容及基本结构2第2章 交通信号控制器的系统设计42.1 交通控制理论概述42.1.1 交通控制理论分析42.1.2 路口的交通信号灯配置流程52.2 系统设计要求52.2.1 交通信号控制器的功能52.2.2 交通信号控制器的硬件要求52.3 系统整体设计方案62.4 本章小结7第3章 交通信号控制器的硬件设计83.1 系统整体框架83.2 硬件总体设计83.3 主芯片介绍93.4 单元电路设计103.4.1 时钟电路模块103.4.2 下载模块103.4.3 七段数码管电路113.5 本章小结12第4章 交通信号控制器的软件设计及仿真134.1 定时控制方案设计134.1.1 主控模块设计144.1.2 分频模块164.1.3 交通灯倒计时模块174.2 测试与仿真184.3 本章小结20第5章 结论与展望21参考文献22附 录I23附 录II25附 录III26致谢27IV第1章 所选项目的研究意义1.1 概述随着国民经济的快速发展，城市基础设施建设越来越成为一个城市与时俱进引领时代潮流的最基本的表现特征，现代化建筑和宽阔道路的建成是推动城市发展、引进投资建设的最好源动力。然而由于人口的不断增加以及道路设施建设不够完善，交通拥堵越来越引起人们的关注，道路交通问题成了影响城市文明和谐的主要元凶之一，如果我们能协调好车、人、路它们之间的关系，就能使交通问题得到有效的解决1。红绿灯控制器已经成为当前普遍的交通指挥系统，成为疏导行人车辆，缓解路口交通压力和避免交通事故的有效手段。红绿灯作为指示信号来指挥交通早在19世纪就已经在英国伦敦的街头出现了。世界上第一盏信号灯，被安装在英国的伦敦街口，它具有红蓝两种颜色，光源是燃煤气，能用来机械式的指挥交通;1858年，以煤气为光源的红绿灯被安装在伦敦的威斯敏斯特区，它是旋转式的具有红绿两种颜色的玻璃提灯，红色表示“禁止”，绿色则用来提醒“注意”。它能很好的用来指挥议会大厦前的交通，直到1869年的1月2日，突然爆炸的煤气灯让许多居民警察都受了伤，随后被伦敦相关管理部门出于安全因素考虑而被取消。到了20世纪的初期，在纽约市的5号大街的高塔上出现了一盏具有红、黄、绿三种颜色的圆形投光器，它就是用电气来启动的信号灯。此时的红绿信号灯表示的含义和现代已经类似了， 又出现了一种带控制的红绿灯和红外线信号灯组合的交通指挥系统。其中红绿灯是由压力探测器和声控器来启动的，当车辆接近时，压力探测器通过探测到车辆压力来将红灯变成绿灯，或者司机遇到红灯时一按喇叭，扩音器就会收集到声音信号从而将红灯变成绿灯2。红外线信号灯能指挥行人，如果有人踏在那些压力敏感的路面，信号灯不但能感知到，还能通过红外光束对红灯时间延迟一些，这样就能有效地降低交通事故的发生率。由于红绿交通灯能保证车辆和人行按照一定的)匝序行驶，能有效的疏导人流道路，使道路交通得到良好的管理，并提高交通道路的运行能力，大大减少交通事故。因此在1968年，联合国颁布了道路交通和道路标志信号协定，对红绿灯交通控制系统中各个信号灯的含义做了规定，从而统一了红绿信号灯的具体含义。在协议中，绿灯表示“允许通行”，无 论车辆处在前行还是左转还是右转车道，只要当前道路显示的是绿灯信号，就可以在该道路行驶。1.2 交通信号控制器的研究现状及发展趋势当汽车作为交通工具出现在道路上的时候，此时的交通压力并不大，对于这时候的交通指挥可以采用“固定配时”的模式来控制红绿灯，从而实现对道路汽车的自动控制。随着私家汽车拥有量的以及生产制作工艺不断提高，交通流量急剧增加，使得原始的固定时间模式来控制红绿灯亮灭的交通指挥方案不能应对此时交通的随机性3。正因为一天内不同时间的车辆的经过数目不一样，各国都在极研发一种全新的红绿灯控制模式来来实现交通信号灯的分时段控制，较于此前的固定时间模式，分时段控制交通信号灯的方案有了进一步的发展。随着时间的推移，相关部门对于分时段控制交通信号灯系统做了更深的改进，通过将相邻的几个(例如五个)交叉路口的实际交通运行情况进行统一分析和研究，从而避免了相邻路口缺乏统一协调而造成频繁停车的现象界上不同的地方采用的交通控制方案和红绿灯控制系统也不一样，比如，澳大利亚采用的是SCATS系统，英国采用的是SCOOT系统，这些系统都具有很强的高效性和实用性，作为典型的交通信号控制系统，在更多的国家和地区内推广和使用，逐步成为主要大城市的交叉路口红绿灯控制系统的主流。在我国，由于接触交通信号灯智能控制系统时间较晚，也就是在20世纪末才启动对交通信号灯智能控制的调研，并于2000年建立了全国智能交通系统协调发展指导小组，指出了中国ITS创新体系的结构和战略的部署，从此开启了我国交通信号灯智能控制系统的新篇章4。以2001年来由科技部开发的国家“十五科学技术攻关”智能交通系统关键技术的项目还有示范工程的隆重启动为标志，顺利促进了中国ITS的进展。中国很多科研者和开发机构都做了相当大的工作，如应用CPLD, PLC、单片机、微机原理、FPGA技术、数字电路等实现对交通信号灯控制系统的设计。最具代表性的是我国公安部交通管理研究所将交通建模和控制方法结合起来所研制的JT GAJ控制系统，它是由管理单个十字路口的路口控制级、管理5个比邻十字路口的中央控制级、负责一个区域内全部交叉。1.1 论文的主要研究内容及基本结构 论文以交通信号控制理论为基础，对传统的定周期的多种信号相位变换模式，然后以CycloneII FPGA芯片为核心，以EPCS 16作为配置芯片，通过扩展主板电路与外围电路，完成了基于FPGA的交通信号控制器专用芯片的硬件电路设计5;同时对FPGA的片上可编程系统进行分析和研究，设计出交通信号控制器的控制算法，采用Verilog硬件描述语言对交通信号各种控制模式进行了分模块设计，并在Quartos II集成开发平台上进行编译、仿真，最后下载到FPGA芯片上进行验证。本文分为五个部分，具体如下:第1章 所选项目的研究意义。阐述了本课题的研究背景和研究意义;介绍了交通信号控制系统的国内外研究现状，以及未来的发展趋势;总结了本课题的主要研究内容和完成的工作。第2章 第二章交通信号控制器的系统设计。本章节主要对交通信号控制的基本理论和概念进行概述;研究了基于平面交叉口的多种信号控制方案，包括定时控制;然后根据交通信号控制器的系统控制需求，设计出控制系统的整体运行方案。第3章 第三章交通信号控制器的硬件设计。本章节分析了系统的整体框架和硬件总体设计;介绍了交通信号控制器主芯片的功能及特点;对交通信号控制器硬件部分的各单元电路进行设计，包括电源电路、时钟电路、下载电路、存储电路、显示电路、复位电路等。 第四章交通信号控制器的软件设计及仿真。本章节主要是根据交通信号控制器的系统运行方案，通过Quartos II集成开发环境，应用Verilog语言对交通信号控制器的各个模块以及定时控制模块进行编程，并对其进行仿真，根据仿真结果来分析程序是否实现交通信号控制器的运行需求。第五章总结与展望。本章节对论文所做的工作进行总结和评价，并且对未来工作进行计划和展望。第2章 交通信号控制器的系统设计2.1 交通控制理论概述 交通信号控制理论的研究对象是交通信号控制模型，它是交通学赖以生存和发展的基础，在交通信号灯控制模型的基础上，本着减少各个道路的交通拥挤和堵塞以保证城市道路畅通和避免交通事故发生为目的，通过改变交叉路口的交通灯的颜色变化来模拟现实生活中城市交叉路口的交通状况。交通信号灯控制模型的建立是通过数学建模的方式，以函数表达式为基本表现方式来描述各个交通性能指标(如延误时间、停车次数等)6。随着信号控制参数(如信号周期、绿信比以及信号相位)的变化而改变的现象。交通控制理论的主要概念有信号周期、信号相位、绿信比、交通流量、饱和流量、通行能力、饱和度、车道交通流量比、临界车道组交通流量比等。2.1.1 交通控制理论分析交通信号灯的控制主要是对城市各个交叉路口的红绿灯亮灭的控制，从而为各个流向的交通流分配一定时间的通行权的一种交通指挥方案。如何控制红绿灯的亮灭已经不再是交通信号灯控制的难题，让红绿灯如何亮、亮多久才是现在交通信号控制理论的难题。在当今的交通信号控制理论中，交通信号灯的定时控制和感应控制是交叉路口红绿灯控制系统的发展基础，在理论研究和实际应用中都起到了非常重要的作用。所以对于交通信号控制理论的研究，弄明白红绿灯的定时控制和感应控制是非常重要的。FPGA是Field-Programmable Gate Array的缩写，意为可编程器件。本次课题设计采用的是可编程片上系统，它利用可编程逻辑技术实现了将整个系统放在一块硅芯片上，它是由单个芯片来为整个系统提供可运行的载体从而完成系统的主要功能，同时片上系统可编程、可裁减、可扩充、可升级，非常灵活地实现软硬件在整个系统开发过程中的可编程的功能6。它将现场可编程门阵列集合在一块芯片上，通过特定的软件并使用Verilog C Very Highspeed Integrated Circuit Hardware Description Language)语言进行编程，从而使FPGA可编程芯片内部的门阵列按照编程者的意愿重组，以实现各种功能。由于FPGA具有现场可编程的特性，如此一来，不仅减少了传统硬件开发过程中构建控制系统整体硬件的复杂和繁琐，更可以利用简单电路快速地通过实时快速擦写应用程序来调试整个交通信号控制系统。2.1.2 路口的交通信号灯配置流程 对交叉路口的交通信号灯计算出信号周期和实际绿灯时间后，需要不断地对设计方案进行论证，通过实际的交通检验和修改，就可以对交通信号灯进行配置。一般的，先要选择能够体现交叉路口实际交通情况的一个小时内的交通流量，然后对其设计合理的信号相位和确定黄灯时间和损失时间，从而得到总的损失时间，然后根据交叉路口的通行能力计算出各个信号周期中的临界车道组交通流量比，从而计算出最佳信号周期，最后计算出各个信号周期中实际的绿灯时间，通过交通检验和修改之后，即可配置到交通信号灯的控制系统中，从而完成交通信号灯配时，进而指挥交叉路口的交通流通行。2.2 系统设计要求2.2.1 交通信号控制器的功能交通信号控制器要依照交通常规中“红灯停，绿灯行，黄灯提醒”的基本原则，由时间控制器来设定各色交通信号灯的亮灭、亮度时间以及信号周期的长短，在红绿灯状态切换时，有黄灯亮来提示，从而起到提醒的作用。2.2.2 交通信号控制器的硬件要求 交叉路口的交通信号灯，要求每个道路口都有左拐、右拐、直行三种指示灯，每组指示灯有红、绿、黄三种颜色，并配备有数码管对各个交通指示灯状态变化时进行倒数计时，针对四个道路口的十二组红绿灯和数码管，要求各自独立，互不影响，单路工作电流为SA，这样也就避免了某路交通指示灯硬件电路出现问题导致其他路灯不能工作的现象发生。其中定时控制同时整个交通信号控制系统能够提供USB单机型通信端口，可与RS232上位机通信接口进行连接通信，方便交通管理部门通过便携电脑下载程序或者为交通控制指挥中心的指挥协调提供控制接口。针对交叉路口交通信号控制器的自我保护措施，要求有自动掉电保护模块，红绿灯的时钟参数在设定后，没有人为参与的情况下，至少保存180天不变，对于交通信号灯的工作寿命，至少要正常工作在十年以上。2.3 系统整体设计方案 交叉路口的交通信号灯的运行方案，在每个信号周期内，信号相位的变化是保持不变的，也就是说，随着时间的推移，不同路口之间车辆通行的顺序是不会发生变化的，实际上为了保证交叉路口在不同的信号周期内不同道路口的交通流量不同时，也尽量减少交叉路口交通拥堵的情况发生而进行的信号周期以及绿信比的调整，是交叉路口整个交通信号控制系统最为关键的部分。同时为了能够满足不同交通状况的发生，我们设计了多个信号相位变化方案，来应对交叉路口的复杂多变的交通量，而不同信号周期间信号周期长度的设计以及绿信比的变化，则是按照定时控制，分时段控制以及智能控制的运行方案来对其进行控制，在不同的控制模式下，使得交叉路口的交通信号控制器能够根据实际的情况来应对复杂的交通状况。不同信号周期之间的变化，主要是指信号周期长度以及绿信比的变化，而信号周期内的周期长度以及绿信比变化方案则是根据交叉路口交通流量的变化来设定，根据不同的交通流量变化，我们主要设定了定时控制方案，针对交叉路口交通流量变化幅度小的交通状况，分时段控制模式则是针对一天内交叉路口交通流量变化相对较为规律的交通状况，智能控制方案则是应对交叉路口交通量变化不规律随机性大的交通状况。 定时控制方案是将每个信号周期内的交通信号灯变化的周期长度和绿信比设定后不会改变，交通信号灯根据固定的亮灭时间长度按照固定的信号相位变化来指挥交通；分时段控制则是定时控制的升级，它是根据一天内交通量变化规律在某个时间段内不会改变信号周期长度和绿信比，而随着时间推移，当交叉路口的交通流量发生明显变化后，控制系统会改变原有的信号周期长度和绿信比来对交通进行指挥;智能控制方案又称为模糊控制，它是实时地对交叉路口的各个道路口的交通流量进行检测，然后将检测值进行一定的运算处理，反馈给交叉路口交通信号控制系统，控制系统根据当前检测值改变下一个运行周期的信号周期长度和绿信比，从而使下一个交通信号灯运行周期适应当前的交通流量，从而减少交通拥堵7。从数据变化方式的角度来看，定时控制的信号周期长度和绿信比的变化是线性的，是固定不变的;分时段控制的信号周期长度和绿信比的变化则是是分段线性的，是根据不同时段的交通流量来改变的;智能控制的信号周期和绿信比的变化是非线性的，是根据每个信号周期内的交通流量而实时变化的。2.4 本章小结本章节主要对交通信号控制的基本概念以及基本的理论公式进行了介绍，然后根据交通信号控制的基本概念介绍了韦伯斯特和阿克塞力克提出的在交叉路口不同饱和度的情况下的最佳信号周期计算公式，最后根据现有的交通信号灯控制方案，着重介绍了定时控制运行方案、分段式控制运行方案以及智能控制运行方案，即根据不同的情况和外界因素来改变交通信号灯的信号周期和信绿比，从而实现对交通信号灯的线性控制、段式线性控制和非线性控制。然后对FPGA的发展历程及其系统的基本构成做了简单介绍，在此基础上，展开了对FPGA系统开发技术的阐述，然后根据FPGA系统的硬件开发和软件开发，介绍了FPGA技术的开发流程，从而为FPGA系统的开发和应用奠定了基础。最后根据系统的整体需求，从功能需求和硬件细节出发来对交叉路口的交通信号控制系统进行分析，最后对系统整体的运行方案做了设计，主要是为每一个信号周期内信号相位的变化设计了运行方案以及不同信号周期长度和绿信比的变化的控制方案，来实现交叉路口交通信号灯的亮灭控制。第3章 交通信号控制器的硬件设计3.1 系统整体框架基于FPGA的交通信号控制系统主要由主控模块、电源模块、时钟模块、程序下载模块、红绿灯和七段数码管的显示模块等组成，各个模块在中央控制器的控制下协调工作。系统框架结构图如图3-1所示。 图31系统框架结构图电源电路为整个控制系统供电后，时钟电路为FPGA系统提供稳定的时钟信号，传感器信号将交叉路口的实时交通流量传送到智能控制模块，使用程序设计语言对FPGA以及Nios II处理器内核进行定制的硬件开发，并通过编程语言在Nios II IDE内完成对Nios II系统的软件开发8，下载电路将程序下载到FPGA芯片内，按键电路可以人为选择合适的交通控制方案，来控制交通灯的亮灭及数码管倒计时显示，从而完成基于FPGA的交通信号控制器的整体设计。3.2 硬件总体设计作为典型的交通信号控制器，系统对功耗、体积、可靠性有苛刻的要求。基于FPGA的交通信号控制器的硬件设计主要包括FPGA系统核心板的设计与扩展板的设计。核心板主要是对系统开发中完成FPGA核心器件的选取、内存构建、配置芯片及配置电路的设计等。系统的硬件结构如图3-2所示。8 图32 系统的硬件结构图核心器件是Altera公司生产的Cyclone II系列FPGA C EP2C35F484C8N )，其关键技术是在Quartos II, SOPC Builder及Nios IDE平台上实现可配置、可剪裁系统的设计;核心电路采用SRAM+SDRAM和EPCS+FLASH的存储方案，为系统开发提供了足够的存储资源，可以方便地对逻辑资源进行配置，缩短开发时间;配置芯片采用EPCS 169。提供两种配置模式:JTAG和AS。此外配置管脚通过插针引出，可支持用户今后设计使用CPLD+FIash的配置模式;电源电路是为整个控制系统提供所需要的电能;时钟电路为FPGA控制器及计时模块等提供稳定的时钟信号，从而完成系统的控制、预算以及模块的正常工作;按键电路的主要功能一是上电复位，低电平有效，按下按键则系统复位;二功能选择，通过按键来选择交通信号控制方案。 红绿灯和七段数码管为电路的显示部分，根据内部控制模块的控制信号来控制红绿灯的亮灭以及数码管倒计时显示。3.3 主芯片介绍 本设计的可编程逻辑芯片采用Altera公司生产的Cyclone II系列FPGA(EP2C35F484C8N)，该芯片的密度较高、功耗小，而且配备了强大的I/O引脚功能，极大地降低了系统开发的成本。Alters Cyclone II芯片具有1.2伏SRAM的工艺设计，是全铜层、而且低K值、所以整个芯片的外形尺寸达到最小，性能最优。同时，它采用了300毫米晶圆，TSMC90nm低K绝缘材料工艺技术，更加降低了Alters的成本，以小成本换取了更大容量的芯片器件。Alters的Nios II系列软核处理器能够兼容Cyclone II FPGA系列。Nios II系列具有软核处理器，它的逻辑价格非常便宜，可以用于Cyclone II器件的开发中。同时Nios II的设计在1处理器的工作效率和性能上面有了近一倍的提高，开发站通过使用该处理器，可在任何Cyclone II器件上搭建完整的FPGA系统，从而代替中低规模的电路功能设计。 此外，Cyclone II器件提供了充足的逻辑单元(LE)，加上专门的18bits乘以18bits的乘法器、外部存储专用接口、4k的内嵌存储器、锁相环等专门的功能模块，能够完成相应很多实际等功能。 同时，Alters为配置Cyclone II FPGA，而采用的都是性价比非常高的串行配置芯片，可被大数量的应用，成本极低。例如四个串行配置器件就可以为FPGA节省8脚或者16脚的SOIC封装，极大地增加了FPGA芯片的实用价值。 Alters还根据客户需求，为Cyclone II添加了四十多个定制IP软核，极大地优化了Cyclone II的系统框架，增强了FPGA芯片的性能。3.4 单元电路设计3.4.1 时钟电路模块 采用有源晶振产生5OMHz的频率。电路如图3-3所示。我们将FPGA的全局时钟引脚直接接入集成了晶体振荡电路的时钟发生器的有源晶振的输出信号，从而产生稳定的频率。使用起来十分方便可靠。因为FPGA芯片的I/O口电平为3.3V，所以我们选用3.3 V供电的有源晶振。 图3-3 5OMHz的时钟电路图3.4.2 下载模块 本论文设计了两个下载模块接口，分别是JTAG接口和AS接口，这两个接口均通过插针接出，主要通过数据线对程序进行下载调试。采用JTAG加AS模式，在设计开发初期先用JTAG下载模式进行前期调试，把程序修改完善以后再用AS下载模式把开发程序下载到串行配置芯片中去。这样做有一个明显的优点:当程序不能用AS下载模式下到开发板的时候，可以用开发软件生成jic文件，这种文件在JTAG下载模式下也可以使用，这样就可以验证是否是串行配置芯片出了问题。 图3-4 JTAG模式电路图 图3-5 AS模式电路图3.4.3 七段数码管电路 七段数码管是由七个发光二极管组成。将这七个发光二极管的公共端，接GND(共阴极数码管)或接VCC(共阳极数码管)，将数码管的段选信号和位选信号分别接到FPGA芯片的I/O口，段选信号控制数码管显示0-9的数字，位选信号用来对数码管进行选择，被选通的数码管显示数字，其余关闭10。 图3-6七段数码管显示电路 论文采用共阴极数码管的动态扫描连接，东南西北每个方向设置2个数码管，四个方向的4组数码管共用一套显示驱动电路，即四组数码管的a, b, e,d, e, f, g共用一套数据总线，使能引脚各自独立，这样就节省了FO资源以及内部逻辑资源。动态扫描是利用时分原理及人类的视觉暂留效应。当用时钟信号轮流驱动数码管时，数码管是轮流点亮，但因人的视觉暂留效应，看起来就是四组数码管同时点亮。3.5 本章小结 本章分析了系统的整体框架和硬件总体设计;介绍了交通信号控制器的主芯片Altera公司生产的Cyclone II系列FPGA芯片的特性;采用模块划分的设计思想，对交通信号控制器硬件部分各单元电路进行设计，包括时钟电路、下载电路、显示电路等。完成了基于FPGA的交通信号控制器专用芯片的硬件设计。该系统具有33万个等效门电路，16MB Flash存储器，32MB SDRAM. JTAG, AS模式下载调试接口，475个可高速扩展I/O口。核心电路采用SRAM+SDRAMEPCS+FLASH的存储方案，为后续开发提供了足够的存储资源，可以方便地对逻辑资源进行配置，缩短开发时间。第4章 交通信号控制器的软件设计及仿真 基于FPGA的交通信号控制系统的软件设计包括对Nios II处理器的定制和FPGA芯片的硬件设计以及通过Nios II IDE软件对FPGA各个控制模块和输出模块的软件设计，在对FPGA系统完成硬件设计和软件设计后，就可以在Nios II仿真器内或者下载到目标板中进行运行调试，来验证设计的交通信号控制系统是否符合实际所需。4.1 定时控制方案设计基于FPGA的交通信号控制系统的逻辑控制模块由分频模块、交通灯主控模块、倒计时显示模块组成，并在FPGA芯片内部通过Verilog语言来实现每个模块的功能。分频模块将系统的5OMHZ基准信号转换成合适的lhz, lkhhz的激励信号，来驱动计时模块和控制模块工作。主控模块控制各个红绿灯按照一定的顺序进行亮灭及灯亮的时间，译码显示电路用来实现地址译码和结果译码，并将倒计时间显示在七段数码管上。 图4-1 信号灯逻辑控制模块图4.1.1 主控模块设计CLK为同步时钟；EN为使能信号；LAMPA控制A方向的四盏灯的亮灭；其中LAMPA0LAMPA3,分别控制A方向的左拐灯、绿灯、黄灯和红灯。LAMPB控制B方向的四盏灯的亮灭；其中LAMPB0LAMPB3,分别控制B方向的左拐灯、绿灯、黄灯和红灯。ACOUNT用于A方向的时间显示，8位，可驱动两个数码管；BCOUNT用于B方向的时间显示，8位，可驱动两个数码管。 图4-2交通灯主控部分模块图控制部分Verilog语言关键代码为:always (EN) if(!EN) begin ared =8d55;ayellow=8d5 ;agreen =8d40;aleft =8d15;bred =8d65;byellow=8d5 ;bgreen =8d15;bleft =8d30; endassign ACOUNT=numa;assign BCOUNT=numb;seg m1(SCLK,ACOUNT,BCOUNT,SEG,wei);always(posedge CLK) begin if(EN) begin if(!tempa) begintempa=1; case(counta) /控制灯的循环亮灭0:begin numa=agreen; LAMPA=2;counta=1;end1:begin numa=ayellow; LAMPA=4;counta=2;end2:begin numa=aleft; LAMPA=1;counta=3;end3:begin numa=ayellow; LAMPA=4;counta=4;end4:begin numa=ared; LAMPA=8;counta=0;enddefault: LAMPA1) if(numa3:0=0) begin numa3:0=4b1001; numa7:4=numa7:4-1; end else numa3:0=numa3:0-1;if(numa=2) tempa=0; end end else begin LAMPA=4b1000; counta=0; tempa=0; end end4.1.2 分频模块clkm是接入芯片的50mhz频率，CLK是经过分频后输出的1hz的频率，用于主控的时钟输入；SCLK是经过分频后输出的1khz的频率，用于扫描数码管显示。 图4一3分频模块图分频模块关键代码为:always(posedge clkm)begincounter1= counter1+1b 1;if(counter1=24d24_999_999) begin counter1=24d0; CLK=CLK; endendhonglvdeng p1(CLK,EN,LAMPA,LAMPB,ACOUNT,BCOUNT);seg p2(SCLK,ACOUNT,BCOUNT,SEG,wei);always(posedge clkm)begincounter2= counter2+1b 1;16if(counter2=24d24999) begin counter2=24d0; SCLK=SCLK; endend4.1.3 交通灯倒计时模块seg,为数码管的段选信号，通过对八段LED发光二极管的控制，能译码输出0-9这十个数据。wei为八段数码管的位选信号，用来对选择数码管的亮灭进行选择。为了便于显示灯亮的时间，计数器的输出均采用BCD码，显示由4个数码管完成相对的时间显示。 图4-4 8位十进制倒计时显示模块倒计时模块关键代码为:always(posedge SCLK)begin yiwei=yiwei+1; /移位刷新数码管 case(yiwei) 2b00:wei=4b0001; 2b01:wei=4b0010; 2b10:wei=4b0100;11 2b11:wei=4b1000; endcase case(wei) /位选输出 4b0001:shu=ACOUNT%7d1001/4d10; 4b0010:shu=ACOUNT%4d10; 4b0100:shu=BCOUNT%7d1001/4d10; 4b1000:shu=BCOUNT%4d10; default:shu=0; endcaseendalways(shu)Begin /输出对应 case(shu) 4h0:SEG=8h3F; 4h1:SEG=8h06; 4h2:SEG=8h5B; 4h3:SEG=8h4F; 4h4:SEG=8h66; 4h5:SEG=8h6D; 4h6:SEG=8h7D; 4h7:SEG=8h07; 4h8:SEG=8h7F; 4h9:SEG=8h69; default:SEG=0; endcaseend4.2 测试与仿真整个系统通过Quartos II 11.0软件平台进行了时序仿真，如图4-5 、4-6、4-7将程序下载到交通信号控制器的专用芯片中，红绿灯依次按照指示轮流通行。 图4-5 红绿灯时序仿真图 图4-6 EN为0时，初始化配置图19 图4-7 数码管动态的扫描显示图4.3 本章小结本章节主要是对定时控制方案进行了模块化设计，通过逻辑设计与时序仿真，结果表明系统能完成时间自由可调、模式灵活可选的功能;在定时控制模式的基础上，设计了一个多时段选择、模式可调的分时段控制方案;最后对不定相序的智能控制方案流程进行了研究与设计。11第5章 结论与展望本文提出了基于FPGA系统的交叉路口的交通信号控制器的研究与设计，根据交叉路口的不同的交通状况提出了定时控制方案、分时段控制方案以及智能控制方案。在交通信号控制器的研究和设计中，采用从理论到实践的研究过程，先是对交通信号的控制理论做了研究和学习后针对FPGA系统的交通信号控制器的整体设计做了阐述，详细学习了FPGA技术以及其基本的结构框架，并对其开发流程和器件使用的开发工具做了深入学习。在这些理论知识的基础上，设计了基于FPGA系统的交通信号控制系统的总构框架，同时个别电路进行了分析和介绍，并在Quartos II内做了对定时控制模式做了程序设计和软件仿真。本文以定时控制模式为基本单元，以单点控制方式为研究对象，对交叉路口的交通控制进行了深入仔细的探讨。由于时间紧迫，难以对各个方面进行仔细的研究，所以在此将本文的主要研究内容和需要进一步研究的问题做一个总结。 对于FPGA系统的学习，主要对其该系统的发展、相关技术以及开发流程进行了学习，包括学习FPGA的发展流程、FPGA发展背景和有MCU加DSP加FPGA三合一的基本结构构成、FPGA的开发流程进行了学习，同时对FPGA系统开发的工具SOPC Builder Quartos II以及Nios II IDE进行学习和介绍。 对FPGA系统的辅助的硬件电路和软件开发进行了学习，包括了车辆检测系统、时钟电路、电源电路做了学习和研究，并对红绿灯和七段数码管的控制模块做了学习和介绍，最后通过Quartos II对 FPGA的定时控制模式进行仿真，并对结果做了简单分析。参考文献1杨贵，郑善贤.基于FPGA的交通灯控制器实现J.中国仪器仪表，2003 (9): 41-43.2王正勇.基于FPGA的交通信号控制器的设计闭.电子测量技术，2008, 31(10): 188-190.3王永强.基于FPGA的交通灯控制器的设计J.中国对外贸易(英文版)， 2011 (12): 426-426.4穆艳.四相位交叉路口交通灯控制算法的研究D.大连理工大学2007.5许钊.城市交通信号智能控制系统的研究与实现田.华北电力大学(北京) 2009.6赵凯.城市智能交通信号控制系统D.西北工业大学2001.7高俊侠.城市单交叉口交通信号模糊控制系统的设计与仿真D.北京工业大 学2004.8李灵犀，高海军，王飞跃.两相邻路口交通信号的协调控制明.自动化学报， 2004, 29(6): 94?-952.9陈淑燕，陈林发.单路口交通的多相位实时模糊控制J.系统工程理论与实 践，2003, 23(1): 110-115.10陈德望，汤淑明，宫晓燕，刘小明.城市交叉口交通信号控制研究的发展与 展望J.自动化博览.2002(01):13 -14.附 录I/*红绿灯控制模块，A,B分别控制ac，bd面*/module honglvdengkongzhi(CLK,EN,LAMPA,LAMPB,ACOUNT,BCOUNT);output 7:0 ACOUNT,BCOUNT; /计时控制output 3:0 LAMPA,LAMPB; /控制灯的亮灭input CLK,EN; /时钟输入和使能输入reg 7:0 numa,numb; /时钟中间变量reg tempa,tempb;reg 2:0 counta,countb;reg 7:0 ared,ayellow,agreen,aleft,bred,byellow,bgreen,bleft;reg 3:0 LAMPA,LAMPB;always (EN)if(!EN)Begin /使能初始化ared =8d55;ayellow=8d5 ;agreen =8d40;aleft =8d15;bred =8d65;byellow=8d5 ;bgreen =8d15;bleft =8d30;endassign ACOUNT=numa;assign BCOUNT=numb;seg m1(SCLK,ACOUNT,BCOUNT,SEG,wei);always(posedge CLK) beginif(EN)beginif(!tempa) begintempa=1;case(counta) /灯的循环亮灭0:begin numa=agreen; LAMPA=2;counta=1;end1:begin numa=ayellow; LAMPA=4;counta=2;end2:begin numa=aleft; LAMPA=1;counta=3;end3:begin numa=ayellow; LAMPA=4;counta=4;end4:begin numa=ared; LAMPA=8;counta=0;enddefault: LAMPA1)if(numa3