基于FPGA的數(shù)字交通燈控制器設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告定版

武漢理工高校本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告一.目的及意義（含國(guó)內(nèi)外的探討現(xiàn)狀分析）在世界經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的今日，中國(guó)的經(jīng)濟(jì)、科技、文化各方面的發(fā)展也在快速進(jìn)行著。而伴隨著中國(guó)城市化進(jìn)程的加快，由此也會(huì)帶來(lái)許多問(wèn)題：城市人口和車輛不斷增加，我國(guó)的城市交通面臨著越來(lái)越嚴(yán)峻的問(wèn)題，其中表現(xiàn)比較明顯的就是城市交通擁堵和交通平安。而城市的交通秩序主要靠路口的紅綠燈來(lái)限制，紅綠燈的技術(shù)源于19世紀(jì)，它的存在對(duì)于疏導(dǎo)車流量、提高道路運(yùn)用效率有極大的提高。智能交通燈的設(shè)計(jì)是數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一個(gè)典型的實(shí)例，而可編程器件的發(fā)展和應(yīng)用也為數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的便利，可編程邏輯器件通過(guò)軟件編程，可以使硬件設(shè)計(jì)變得和軟件設(shè)計(jì)一樣易于實(shí)現(xiàn)。自21世紀(jì)起先，EDA技術(shù)得到了充分的發(fā)展，所謂EDA技術(shù)，即以計(jì)算機(jī)為工作平臺(tái)，以相關(guān)軟件為開(kāi)發(fā)環(huán)境，以硬件描述語(yǔ)言為設(shè)計(jì)語(yǔ)言，以大規(guī)?？删幊唐骷檩d體的電子產(chǎn)品自動(dòng)化設(shè)計(jì)技術(shù)。而在目前的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，當(dāng)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)比較困難時(shí)，相應(yīng)的電路設(shè)計(jì)難度和系統(tǒng)的調(diào)試難度也會(huì)提高，同時(shí)，運(yùn)用的中小型集成芯片的數(shù)量也會(huì)大大提高，導(dǎo)致設(shè)計(jì)成本增多。因此，在數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中運(yùn)用EDA技術(shù)是很有必要的。目前，基于大規(guī)?？删幊唐骷‵PGA/CPLD）的EDA技術(shù)在不斷發(fā)展，相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大。在數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，相比其他中小規(guī)模集成電路，應(yīng)用大規(guī)模可編程器件有許多優(yōu)點(diǎn)，除了能簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)電路方案，節(jié)約設(shè)計(jì)成本外，而且因?yàn)樗啥容^高，所以系統(tǒng)的運(yùn)行速度快，牢靠性也很好，再結(jié)合其并行工作方式，使得它在要求較高的系統(tǒng)中應(yīng)用很廣泛，所以本文中的交通燈限制系統(tǒng)也將采納基于FPGA的設(shè)計(jì)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。在運(yùn)用EDA技術(shù)設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)時(shí)，通常采納VHDL硬件電路描述語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)后，在集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中進(jìn)行綜合、仿真并下載到FPGA中，完成限制系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)。VHDL是一種比較規(guī)范的硬件描述語(yǔ)言，它的設(shè)計(jì)描述可以被不同的工具所支持，同時(shí)也能用不同的器件來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用VHDL語(yǔ)言自頂向下的設(shè)計(jì)方法來(lái)設(shè)計(jì)交通燈限制系統(tǒng)，能夠較好地發(fā)揮出該語(yǔ)言的可讀性和易于實(shí)現(xiàn)功能的特點(diǎn)，除了能實(shí)現(xiàn)良好的限制功能外，而且穩(wěn)定、牢靠、易于理解。因此，在設(shè)計(jì)交通燈限制系統(tǒng)時(shí)，可以用VHDL語(yǔ)言在開(kāi)發(fā)平臺(tái)上進(jìn)行完成。在城市的交通燈限制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，國(guó)內(nèi)大多數(shù)探討成果都采納轉(zhuǎn)換時(shí)間間隔的方法來(lái)限制路口的交通狀況，但是在不同時(shí)刻，路口的車流量不同，采納這個(gè)方法簡(jiǎn)潔造成城市道路資源的奢侈，不僅沒(méi)有使城市道路得到合理的運(yùn)用，而且可能會(huì)造成城市交通的擁擠及其他交通問(wèn)題。為了更好地解決此類問(wèn)題，將采納上述EDA技術(shù)，基于FPGA和VHDL語(yǔ)言對(duì)交通燈限制器進(jìn)行設(shè)計(jì)。二.探討的基本內(nèi)容、目標(biāo)、擬采納的技術(shù)方案及措施1.基本內(nèi)容在由一條主通道和支通道組成的十字路口，入口處由紅，綠，黃三色信號(hào)燈組成的交通燈限制車輛運(yùn)行，設(shè)計(jì)出一個(gè)能限制路口紅綠燈的交通燈。2.目標(biāo)要求基于FPGA設(shè)計(jì)出一個(gè)交通燈限制器，并能實(shí)現(xiàn)以下限制功能：紅燈亮?xí)r，禁止該通道車輛通行；綠燈亮?xí)r，允許該通道車輛通行；黃燈亮?xí)r，提示該通道車輛停在禁行線外。同時(shí)，要求設(shè)計(jì)交通燈限制系統(tǒng)的主控電路、定時(shí)電路、譯碼驅(qū)動(dòng)電路等功能模塊，給出邏輯賦值狀態(tài)表并簡(jiǎn)化狀態(tài)方程。設(shè)計(jì)交通燈限制器主控電路，并實(shí)現(xiàn)其VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。3.技術(shù)方案及實(shí)施首先依據(jù)所要求交通燈限制系統(tǒng)的功能，將各個(gè)時(shí)間段的交通燈功能狀態(tài)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的狀態(tài)圖。采納EDA技術(shù)在數(shù)字系統(tǒng)中自上而下的設(shè)計(jì)方法，將整個(gè)限制系統(tǒng)劃分成不同的幾個(gè)模塊:主控模塊，定時(shí)器模塊，譯碼模塊和顯示器模塊等，定義好各個(gè)模塊的基本功能后，起先用VHDL語(yǔ)言分別對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行編程，編譯完成后對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)的限制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，最終將編寫(xiě)的程序下載到FPGA芯片中進(jìn)行硬件的調(diào)試，看是否能實(shí)現(xiàn)所要求的功能。限制器模塊是交通燈信號(hào)工作的核心，限制器模塊程序描述的是整個(gè)功能要實(shí)現(xiàn)的部分，包括正常狀態(tài)和緊急狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。通過(guò)限制器模塊可以依據(jù)交通規(guī)則或者實(shí)際狀況，相應(yīng)地變更交通燈的工作狀態(tài)，特殊的時(shí)當(dāng)實(shí)際中交通出現(xiàn)突發(fā)事務(wù)或特殊狀況時(shí)，限制器可以剛好限制交通信號(hào)的變更。同時(shí)，限制器依據(jù)定時(shí)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)狀況，對(duì)交通信號(hào)的亮滅和持續(xù)時(shí)間進(jìn)行限制，并限制顯示模塊將信號(hào)倒計(jì)時(shí)數(shù)值顯示在數(shù)碼管上，它還可以手動(dòng)調(diào)整各信號(hào)燈的倒計(jì)時(shí)持續(xù)時(shí)間，依據(jù)實(shí)際車流量變更路口放行和禁止通行的時(shí)間。主限制器要實(shí)現(xiàn)四個(gè)正常狀態(tài)的循環(huán)，可以用兩片集成計(jì)數(shù)器74LS192來(lái)完成。但是，用時(shí)序邏輯器件設(shè)計(jì)電路，會(huì)用到較多芯片和導(dǎo)線，使整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得極其困難。所以采納VHDL語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)程序，利用集成器件FPGA更能簡(jiǎn)潔高效地完成系統(tǒng)功能。定時(shí)計(jì)數(shù)器模塊采納倒數(shù)計(jì)時(shí)的方式，由限制器模塊確定計(jì)時(shí)的起始、終止時(shí)間和倒計(jì)時(shí)持續(xù)時(shí)間，對(duì)交通信號(hào)的持續(xù)狀態(tài)進(jìn)行計(jì)數(shù)。在常用的時(shí)序邏輯器件中，有許多功能比較好用的集成計(jì)數(shù)器，如：異步集成計(jì)數(shù)器74LS90，同步集成計(jì)數(shù)器74161，二進(jìn)制可逆集成計(jì)數(shù)器74LS169等等，利用兩片十進(jìn)制同步加/減計(jì)數(shù)器74190和一些簡(jiǎn)潔的邏輯器件也可以實(shí)現(xiàn)定時(shí)計(jì)數(shù)器的功能，但是集成器件FPGA本身就可以定義出這些邏輯器件，為了不使設(shè)計(jì)的系統(tǒng)困難，不用再另外運(yùn)用這些器件。對(duì)于譯碼器和顯示器模塊來(lái)說(shuō)，主要功能是將限制器輸出的四種正常的工作狀態(tài)，用動(dòng)態(tài)掃描方式，輪番驅(qū)動(dòng)四個(gè)數(shù)碼管，將兩個(gè)方向路口的紅綠燈信號(hào)顯示出來(lái)，并將倒計(jì)時(shí)時(shí)間也顯示出來(lái)。用2線-4線譯碼器74LS139能將從計(jì)數(shù)器模塊過(guò)來(lái)的信號(hào)，轉(zhuǎn)換成能限制數(shù)碼管發(fā)光的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，這樣分別將這些模塊用VHDL語(yǔ)言編寫(xiě)出來(lái)，再下載到FPGA器件上，就能完成交通燈限制器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。三.進(jìn)度支配1.查閱文獻(xiàn)，完成系統(tǒng)總體框架2015.3.3—3.102.編寫(xiě)程序并下載到FPGA中2015.3.11—3.253.完成程序的仿真和調(diào)試2015.3.26—4.14.撰寫(xiě)畢業(yè)論文2015.4.1—4.20四.參考文獻(xiàn)[1]劉小艷.我國(guó)城市交通現(xiàn)狀及對(duì)策分析.北京:中國(guó)學(xué)術(shù)期刊電子雜志出版社,2012.[2]趙憲文,王蘭蘭.交通燈限制的verilog實(shí)現(xiàn).北京:硅谷雜志社,2011.[3]王艷玲.基于EDA技術(shù)的數(shù)字電路課程設(shè)計(jì).廣西:桂林師范高等?？茖W(xué)校校報(bào),2009.[4]SheldonWaite,ErdalOruklu.FPGA-BasedTrafficSignRecognitionforAdvancedDriverAssistanceSystems.DepartmentofElectricalandComputerEngineering,IllinoisInstituteofTechnology.2013.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