通信工程毕业设计论文基于FPGA的交通灯控制系统.doc
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1、 毕 业 设 计(论 文)基于FPGA的交通灯控制系统系别:电子工程系专业名称:通信工程学生姓名:学号:指导教师姓名、职称:完成日期 2009年 05月20日毕业设计(论文)任务书系 别:电子工程系专 业:05通信工程学 生 姓 名:学 号:设计(论文)题目基于FPGA的交通灯控制系统起 迄 日 期:2008年10月1日2009年5月30日设计(论文)地点:电子科技大学中山学院指 导 教 师:专业教研室负责人:发任务书日期:2008年11月15日毕 业 设 计(论 文)任 务 书1.本毕业设计(论文)课题应达到的目的:通过这次毕业设计,使学生掌握并利用EDA的软件编程技术,运用所学的VHDL电
2、路设计、电路知识设计系统实现交通灯系统控制,并运用Quartus进行仿真实现,检验该方法性能,最后完成基本的交通灯系统控制设计,从而达到提高对移动通信原理理解能力,增强编程能力,增强实践应用能力。2.本毕业设计(论文)课题任务的内容和要求(包括原始数据、技术要求、工作要求等):(1)设计一种交通灯控制系统实现城市十字交叉路口红绿灯的控制。利用基于VHDL的EDA设计工具,采用大规模可编程逻辑器件FPGA,通过设计芯片来实现系统功能(2)对所设计的交通灯控制系统进行Quartus仿真实现,验证算法性能。毕 业 设 计(论 文)任 务 书3.对本毕业设计(论文)课题成果的要求包括毕业设计、论文、图
3、表、实物样品等:毕业设计论文一篇,需符合学校要求;4.主要参考文献:1.2 辛春艳,VHDL硬件描述语言M,北京.国防工业出版社.2002.P33 李景华,可编程逻辑器件与EDA技术.M.东北大学出版.2000。P2434刘昌华,数字逻辑EDA设计与实践,北京.国防工业出版社,2006.85赵丹. 逻辑控制在交通灯上的研究与应用D. 武汉理工大学: ,2008.6王正勇,. 基于FPGA的交通信号控制器的设计J. 电子测量技术,2008,(10).7李国栋,任志平,. 基于FPGA技术的交通灯控制系统设计J. 现代电子技术,2008,(17).8罗勇,韩晓军,. 基于FPGA的交通灯控制与实现
4、J. 电子器件,2008,(3).9蓝运维,. 基于FPGA的交通灯控制系统的仿真J. 现代电子技术,2006,(9).10David.R.coelho.The VHDL Handbook.Boston:Vantage Analysis.inc,1993.11Altera Corportation.Max+plusHandbook.毕 业 设 计(论 文)任 务 书5.本毕业设计(论文)课题工作进度计划:起 迄 日 期工 作 内 容2008.102008.12 学习VHDL电路设计、交通技术、EDA编程知识。2009.012009.03研究并分析交通灯系统,用VHDL 和Quartus实现并测
5、试调试,并不断修改完善。2009.042009.04进一步的完善软件,并开始着手论文的写作。2009.052009.05完善论文的写作及相关程序的整理工作,准备毕业答辩。指导教师审查意见:同意实施指导教师(签名): 2008年 11月10日 基于FPGA的交通灯控制系统 摘要EDA技术是依靠功能强大的电子计算机,在EDA工具软件平台上,对以硬件描述语言HDL(Hardware Description Language为系统逻辑描述手段完成的设计文件,自动地完成逻辑编辑、化简、分割、综合、优化和仿真,直至下载到FPGA,实现既定的电子电路设计功能。EDA技术使得电子电路设计者的工作仅限于利用硬件
6、描述语言和EDA软件平台来完成对系统硬件功能的实现,极大地提高了设计效率,缩短了设计周期,节省了设计成本。实现路口交通灯系统的控制方法很多,可以用标准逻辑器件,可编程控制器PLC,单片机等方案来实现。但是这些控制方法的功能修改及调试都需要硬件电路的支持,在一定程度上增加了功能修改及系统调试的困难。因此,在设计中采用EDA技术,应用目前广泛应用的Verilog HDL硬件电路描述语言,实现交通灯系统控制器的设计,利用Xilinx公司的Xilinx ISE8.2i和Model-Sim6.1f软件集成开发环境进行综合、仿真,并下载到FPGA中完成系统的控制作用。交通灯是城市交通监管系统的重要组成部分
7、,对于保证机动车辆的安全运行,维持城市道路的顺畅起到了重要作用。目前很多城市交叉路口的交通灯实行的是定时控制,灯亮的时间是预先设定好的,在时间和空间方面的应变性能较差,一定程度上造成了交通资源的浪费,加重了道路交通压力。实现路口交通灯的控制方法很多。本文通过综合分析与比较后确定EDA技术为本文欲采取的最佳设计方案。然后用VHDL硬件描述语言分别对各个模块进行参数设计以及软件编程。将硬件电路与软件编程相结合使得各模块的实现功能变得详实而具体。本文在最后对各个部分调试过程中出现的问题也进行了描述以及提供了解决的方法。而且给出了部分模块的波形仿真图.关键词:可编程逻辑控制(FPGA),EDA技术,V
8、HDL。 Fpga-based Control System for Traffic Lights AbstractEDA technology is relying on a powerful computer in the EDA software platform, on the hardware description language HDL (Hardware Description Language to describe the logic for the system means the completion of the design documents, automati
9、c completion of the logic of editing, simplification, segmentation, integration, optimization and simulation, until downloaded to the FPGA, to achieve the established function of electronic circuit design. EDA technology enables designers of electronic circuits work is limited to the use of hardware
10、 description language and EDA software platform to complete the function of the realization of system hardware, has greatly improved the design of efficiency and shortened the design cycle, saving the cost of the design. the realization of the junction of traffic signal systems to control many ways,
11、 you can use standard logic devices, programmable logic controller PLC, single-chip and other programs to achieve. However, such controls the function of modification and commissioning will need the support of hardware circuit, to some extent, an increase of functional changes and system debugging d
12、ifficulties. Therefore, in the design of the use of EDA technologies, applications currently widely used Verilog HDL hardware description language, to achieve the traffic light system controller the design, the use of Xilinx Corporation Xilinx ISE8.2i and Model-Sim6.1f software integrated developmen
13、t environment integrated, simulation, and downloaded to the FPGA in the completion of system control.Traffic lights urban traffic monitoring system is an important part in ensuring the safe operation of motor vehicles, maintenance of city roads played an important role in smoothly. At present, many
14、cities at the crossroads of traffic lights is one of timing control, lights the time is pre-set right, in time and space contingency poor performance, to some extent, resulted in traffic waste of resources, increased the pressure on road traffic.To achieve the control of traffic lights at the juncti
15、on many ways. In this paper, after a comprehensive analysis and comparison of EDA technology to determine the best of this article For design. And then use the VHDL hardware description language, respectively, the parameters of each module design and software programming. The hardware circuits and s
16、oftware programming makes the combination of the module features become detailed and concrete. In this paper, in the final of the various parts of debugging problems arising in the course have also been described, as well as provide a solution. And given some of the waveform simulation module map.Ke
17、y words: programmable logic control (FPGA), EDA Technology,VHDL.目 录1绪 论11.1引言11.2国内外研究现状21.3 课题研究的目的和意义42 VHDL电路理论62.1硬件描述语言介绍62.2 VHDL语言的发展与特点72.3 VHDL语言的开发流程82.4 可编程逻辑器件简介102.5 本章小结113 FPGA的控制系统的设计技术123.1可编程逻辑器件以及EDA技术123.2FPGA的概述123.3FLEX10K系列器件以及EPF10K10芯片特点133.4FPGA基本开发流程与开发工具143.5 单片机控制系统的设计技术
18、143.5.1单片机的发展以及应用143.5.2单片机的组成以及特点163.6 EDA与单片机技术的方案确认173.7本章小结184十字路口交通控制器结构设计194.1系统的功能194.2 十字路口交通控制系统设计194.2.1设计要求194.2.2 系统设计194.2.3 红绿灯交通控制器的层次化设计方案204.3本章小结345 总结和展望355.1 总结355.2 工作展望35参 考 文 献36致 谢37 1绪 论 1.1引言随着城市化的进程加快和汽车的普及,交通拥挤加剧,事故频发,环境日益恶化,交通问题己经成为困扰全世界的严重问题。交通秩序的恶化已影响了现代化的城市建设和国民经济的发展。
19、其中交通灯信号是管理交通网络的最重要元素,而街道各路口又是车辆通行瓶颈所在。研究车辆的通行规律,根据实际情况制定相应的通行规则对缓解交通阻塞,提高路口车辆通行的效率具有非常重要的现实意义。本文就是通过对城市十字路口各交通灯的控制情况进行分析,找出共同的特征和规律,并用逻辑控制的思想制定相应的交通规则,以保证各路口车辆的顺利通行。逻辑控制中引入了语言叙述的“系统陈述”最基本的方法。实际上是试图将“系统陈述”从自然语言对系统的描述中解放出来,从而形成突出逻辑规律的可运算的符号设计方法。接近人类思维本身而便于复杂系统设计和电路设计。将逻辑控制用于交通灯的控制中,用语言的方式将控制规则陈述出来,其过程
20、简单易懂。20世纪末,数字电子技术飞速发展,有力地推动和促进了社会生产力的发展和社会信息化的提高,数字电子技术经渗透到人类生活的各个方面。从计算机到手机,从数字电话到数字电视,从家用电器到军用设备,从工业自动化航天技术,都尽可能采用了数字电子技术。现代电子设计技术的核心是EDA技术。EDA(电子设计自动化)技术就是以计算机为工具,在EDA软件平台上,对硬件语言HDL为系统逻辑描述手段完成的设计文件,自动的完成逻辑编译、逻辑化简、逻辑综合及优化、逻辑仿真,直至对特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作(文本选用的开发工具为Altera公司的Quartusll)。EDA的仿真测试技术只需要
21、通过计算机就能对所设计的电子系统从各种不同层次的系统性能特点完成一系列准确的测试与仿真操作,大大提高了大规模系统电子设计的自动化程度。利用硬件描述语言(如VHDL)的优势即可以直接从程序中修改错误及系统功能而不需要硬件电路的支持。实现路口交通灯系统的控制方法很多,可以用标准逻辑器件,可编程控制器PLC,单片机等方案来实现。但是这些控制方法的功能修改及调试都需要硬件电路的支持,在一定程度上增加了功能修改及系统调试的困难。因此,在设计中采用EDA技术,应用目前广泛应用的Verilog HDL硬件电路描述语言,实现交通灯系统控制器的设计,利用Xilinx公司的Xilinx ISE8.2i和Model
22、-Sim6.1f软件集成开发环境进行综合、仿真,并下载到FPGA中完成系统的控制作用。将EDA技术用于智能交通灯上,可对交通灯的各种变化情况进行一一地编程、测试与分析,从而完成对整个十字路口交通灯系统设计。EDA技术的实现,极大地提高了设计效率,缩短了设计周期,节省了设计成本。1.2国内外研究现状 实现路口交通灯系统控制的方法很多,可以用标准逻辑器件、可编程控制器PLC、单片机等方案来实现。使用单片机则利用89C51为控制核心来实现交通灯智能控制,只能执行定时算法,以RSZ犯或者RS485作为通一讯方式;PLC多半与模糊控制相结合,设计出模糊控制器;但是这些控制方法的功能修改都需要硬件电路的支
23、持,在一定程度上增加了设计难度。在国外几个先进的国家已经采用智能方式来控制交通信号,其中主要运用GPS全球定位系统等,但相对来说成本较高。不适合国内目前的发展状况。但随着EDA技术的出现,人们可以在没有设计电路之前就把CPLD或FPGA焊接在印刷电路板上,然后利用VHDL语言随心所欲地改变整个电路的硬件逻辑关系而不必改变电路板的布局布线。利用FPGA的可重复编程和动态系统重构的特性,大大地提高了数字系统设计的灵活性和通用性。EDA是指以计算机为工作平台,融合应用电子技术、计算机技术、智能化技术最新成果而研制成的电子CAD通用软件包,主要能辅助进行三方面的设计工作:IC设计,电子电路设计,PCB
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