基于FPGA的数字交通灯控制器设计开题报告定版

武汉理工大学毕业设计 论文 武汉理工大学 本科生毕业设计 论文 开题报告 一 目的及意义 含国内外的研究现状分析 在世界经济飞速发展的今天 中国的经济 科技 文化各方面的发展也在 快速进行着 而伴随着中国城市化进程的加快 由此也会带来很多问题 城市 人口和车辆不断增加 我国的城市交通面临着越来越严重的问题 其中表现比 较明显的就是城市交通拥堵和交通安全 而城市的交通秩序主要靠路口的红 1 绿灯来控制 红绿灯的技术源于 19 世纪 它的存在对于疏导车流量 提高道路 使用效率有极大的提高 2 智能交通灯的设计是数字系统设计中一个典型的实例 而可编程器件的发 展和应用也为数字系统的设计带来了极大的方便 可编程逻辑器件通过软件编 程 可以使硬件设计变得和软件设计一样易于实现 自 21 世纪开始 EDA 技术 得到了充分的发展 所谓 EDA 技术 即以计算机为工作平台 以相关软件为开 发环境 以硬件描述语言为设计语言 以大规模可编程器件为载体的电子产品 自动化设计技术 而在目前的数字系统设计中 当所设计的系统比较复杂时 3 相应的电路设计难度和系统的调试难度也会提高 同时 使用的中小型集成芯 片的数量也会大大提高 导致设计成本增多 因此 在数字系统设计中使用 EDA 技术是很有必要的 目前 基于大规模可编程器件 FPGA CPLD 的 EDA 技术在不断发展 相关 应用领域也在不断扩大 在数字系统的设计中 相比其他中小规模集成电路 应用大规模可编程器件有很多优点 除了能简化设计电路方案 节省设计成本 外 而且因为它集成度较高 所以系统的运行速度快 可靠性也很好 再结合 其并行工作方式 使得它在要求较高的系统中应用很广泛 所以本文中的交 4 通灯控制系统也将采用基于 FPGA 的设计方法来实现 在运用 EDA 技术设计数字系统时 通常采用 VHDL 硬件电路描述语言 实现 系统的设计后 在集成开发环境中进行综合 仿真并下载到 FPGA 中 完成控制 系统的功能设计 VHDL 是一种比较规范的硬件描述语言 它的设计描述可以 5 被不同的工具所支持 同时也能用不同的器件来实现 利用 VHDL 语言自顶向下 武汉理工大学毕业设计 论文 的设计方法来设计交通灯控制系统 能够较好地发挥出该语言的可读性和易于 实现功能的特点 除了能实现良好的控制功能外 而且稳定 可靠 易于理解 因此 在设计交通灯控制系统时 可以用 VHDL 语言在开发平台上进行完成 6 在城市的交通灯控制系统设计中 国内大多数研究成果都采用转换时间间 隔的方法来控制路口的交通情况 但是在不同时刻 路口的车流量不同 采 7 用这个方法容易造成城市道路资源的浪费 不仅没有使城市道路得到合理的使 用 而且可能会造成城市交通的拥挤及其他交通问题 为了更好地解决此类问 题 将采用上述 EDA 技术 基于 FPGA 和 VHDL 语言对交通灯控制器进行设计 8 武汉理工大学毕业设计 论文 二 研究的基本内容 目标 拟采用的技术方案及措施 1 基本内容 在由一条主通道和支通道组成的十字路口 入口处由红 绿 黄三色信号灯 组成的交通灯控制车辆运行 设计出一个能控制路口红绿灯的交通灯 2 目标 要求基于 FPGA 设计出一个交通灯控制器 并能实现以下控制功能 红灯亮 时 禁止该通道车辆通行 绿灯亮时 允许该通道车辆通行 黄灯亮时 提示 该通道车辆停在禁行线外 同时 要求设计交通灯控制系统的主控电路 定时 电路 译码驱动电路等功能模块 给出逻辑赋值状态表并简化状态方程 设计 交通灯控制器主控电路 并实现其 VHDL 语言实现 3 技术方案及实施 首先根据所要求交通灯控制系统的功能 将各个时间段的交通灯功能状态转 换成相应的状态图 采用 EDA 技术在数字系统中自上而下的设计方法 将整个 控制系统划分成不同的几个模块 主控模块 定时器模块 译码模块和显示器模 块等 定义好各个模块的基本功能后 开始用 VHDL 语言分别对各个模块进行编 程 编译完成后对整个设计的控制系统进行仿真 最后将编写的程序下载到 FPGA 芯片中进行硬件的调试 看是否能实现所要求的功能 9 控制器模块是交通灯信号工作的核心 控制器模块程序描述的是整个功能要 实现的部分 包括正常状态和紧急状态的转换 通过控制器模块可以依据交通 规则或者实际情况 相应地改变交通灯的工作状态 特别的时当实际中交通出 现突发事件或特殊情况时 控制器可以及时控制交通信号的改变 同时 控 10 制器根据定时计数器的计数情况 对交通信号的亮灭和持续时间进行控制 并 控制显示模块将信号倒计时数值显示在数码管上 它还可以手动调节各信号灯 的倒计时持续时间 根据实际车流量改变路口放行和禁止通行的时间 主控 11 制器要实现四个正常状态的循环 可以用两片集成计数器 74LS192 来完成 但 是 用时序逻辑器件设计电路 会用到较多芯片和导线 使整个系统的设计变 得极其复杂 所以采用 VHDL 语言来编写程序 利用集成器件 FPGA 更能简单高 效地完成系统功能 12 武汉理工大学毕业设计 论文 定时计数器模块采用倒数计时的方式 由控制器模块确定计时的起始 终止 时间和倒计时持续时间 对交通信号的持续状态进行计数 在常用的时序逻 13 辑器件中 有很多功能比较实用的集成计数器 如 异步集成计数器 74LS90 同步集成计数器 74161 二进制可逆集成计数器 74LS169 等等 利用两片十进 制同步加 减计数器 74190 和一些简单的逻辑器件也可以实现定时计数器的功能 但是集成器件 FPGA 本身就可以定义出这些逻辑器件 为了不使设计的系统复杂 不用再另外使用这些器件 对于译码器和显示器模块来说 主要功能是将控 14 制器输出的四种正常的工作状态 用动态扫描方式 轮流驱动四个数码管 将 两个方向路口的红绿灯信号显示出来 并将倒计时时间也显示出来 用 2 线 4 线译码器 74LS139 能将从计数器模块过来的信号 转换成能控制数码管发光的 驱动信号 这样分别将这些模块用 VHDL 语言编写出来 再下载到 FPGA 器件 15 上 就能完成交通灯控制器的系统设计 三 进度安排 1 查阅文献 完成系统总体框架 2015 3 3 3 10 2 编写程序并下载到 FPGA 中 2015 3 11 3 25 3 完成程序的仿真和调试 2015 3 26 4 1 4 撰写毕业论文 2015 4 1 4 20 武汉理工大学毕业设计 论文 四 参考文献 1 刘小艳 我国城市交通现状及对策分析 北京 中国学术期刊电子杂志出版社 2012 2 赵宪文 王兰兰 交通灯控制的 verilog 实现 北京 硅谷杂志社 2011 3 王艳玲 基于 EDA 技术的数字电路课程设计 广西 桂林师范高等专科学校校报 2009 4 Sheldon Waite Erdal Oruklu FPGA Based Traffic Sign Recognition for Advanced Driver Assistance Systems Department of Electrical and Computer Engineering Illinois Institute of Technology 2013 5 杨杨 基于 Verilog HDL 语言的复杂交通指标灯设计与实现 南京 南京师范大学 2011 6 杨贵 基于 FPGA 的交通灯控制器实现 湖南 湖南大学电气与信息工程学院 2003 7 袁海林 基于 FPGA 的交通灯的设计与实现 四川 成都理工大学 2013 8 刘建科 基于 VHDL 交通控制器的设计及仿真 青海 青海师范大学 2011 9 杨捷 基于 VHDL 语言的交通灯控制器设计 河南 河南机电高等专科学校学报 2008 10 黄鸿锋 交通灯控制器的设计与实现 广西 广西职业技术学院 2010 11 沈晟 基于 FPGA 的交通灯控制系统的设计实现 云南 昆明理工大学 2010 12 姜庚 交通灯控制系统的设计原理探究 辽宁 产业与科技论坛 2013 13 G Kalogeropoulos G C Sirakoulis I Karafyllidis Cellular automata on FPGA for real time urban trafficsignals control 2013 14 付铭骥 基于 FPGA 的交通灯系统控制设计 上海 东华大学 2011 15 Liu Zhenggang FPGA Based Dual Mode Traffic Lights SystemDesign School of Information Scien