毕业设计（论文）-基于FPGA的交通控制系统的设计.doc

基于fpga的交通控制系统的设计 李素奇摘 要通过分析现有的几种交通控制模式，讨论几种常用的交通控制系统技术，介绍了利用eda技术基于fpga芯片设计制作的交通控制系统，其优势是运行速度快、应用灵活及低功耗等。只需要修改fpga芯片的程序即可修改整个系统的功能,最大限度的简化外围电路。本设计有几个独立模块，他们相互辅助工作。fpga主控芯片控制程序运行，其中计数器进行减计时，主支干道控制器来控制主支干道减计数器的选择和信号灯的控制，数码管扫描控制部分控制每个数码管十位数及个位数计数的分配，七段显示译码器控制数码管显示相应数字；信号源提供系统所需扫描信号和秒脉冲； 74ls138译码器用来选通相应数码管进行工作，使主支干道互不影响，同一时间只有一组数码管工作；硬件外围电路进行显示，是整个系统功能的直接表现。关键词：交通控制、eda、硬件描述语言、计数器、振荡器viabstractby analyzing several modes of traffic control,discussing several common traffic control system technology, introduces the use of eda technology which is based on fpga chip design for the traffic control system.its advantages is the operational speed, application flexibility and low power consumption . it only need to modify the fpga chip program when need to modify the functions of the entire system ,which maximizes the simplified external circuit.this design has several independent modules, each of which supports their work. master control program fpga chip runs the whole system,and the counter is to reduce the time. the main and branch trunk controller is to control the main roads by supporting the choice of the counter and signal control, the digital scan control part is to control every bits of each digital distribution. the seven-segment display decoder corresponding digital control digital display; the signal source is to provide the necessary signal; the 74ls138 decoder is used to strobe the corresponding digital control work, affect each main branch roads and digital control work at the same time ;the hardware peripheral circuits is a direct function of the whole system performance.keywords: traffic control, eda, hardware description language, counters, oscillators目 录前 言vi第一章 交通灯控制技术的现状与发展11.1交通灯控制技术的发展过程11.2我国信号灯产品发展及标准情况11.3我国交通灯控制发展趋势21.4目前我国信号机产品存在主要问题21.5.软硬件结合原理31.6软硬件结合优势3第二章 交通灯控制系统设计32.1系统设计的性能指标和系统框图32.1.1性能指标32.1.2系统框图及工作原理32.2硬件设计52.2.1 设计框图52.2.2设计过程52.2.3信号源制作原理图52.2.4电路板制作电路图62.2.5数码管扫描控制电路72.2.6数码管显示部分72.2.7交通灯部分72.2.8信号源部分72.3软件系统设计8第三章 单元电路的设计93.1主支干道5进制减计数器电路93.2主支干道20进制减计数器电路103.2.1主支干道20进制减计数器模块图103.2.2基本原理103.2.3源程序113.2.4主支干道20进制减计数器电路仿真图123.3主干道35进制减计数器电路123.3.1主干道35进制减计数器电路模块图123.3.2基本原理123.3.3源程序123.3.4主干道35进制减计数器电路仿真图133.4支干道35进制减计数器电路143.4.1支干道35进制减计数器电路模块图143.4.2基本原理143.4.3源程序143.4.3支干道35进制减计数器电路仿真图153.5主干道数据选择及红绿灯控制器153.5.1主干道数据选择及红绿灯控制器模块图153.5.2基本原理163.5.3源程序163.6支干道数据选择及红绿灯控制器173.6.1支干道数据选择及红绿灯控制器模块图173.6.2基本原理173.6.3源程序173.7数码管扫描控制器193.7.1数码管扫描控制器模块图193.7.2基本原理193.7.3源程序193.8七段显示译码器203.8.1七段显示译码器模块图203.8.2基本原理213.8.3源程序213.9分频器223.9.1分频器模块图223.9.2基本原理223.9.3源程序223.9.4分频器模块仿真图223.10系统仿真图23第四章 测试结果244.1引脚设定244.2测试结果244.3实物照片244.4结论26第五章 设计总结275.1软件设计部分275.2硬件设计部分275.2.1 pcb板的制作275.2.2电路的连接275.2.3焊接285.2.4测试28参考文献29致 谢30前 言交通一直都非常引人重视。俗话说“要想富，先修路”。随着现代科技的急速发展，交通事业也蓬勃发展。而交通信号灯则是交通行业不可或缺的一员，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。所以，人们对交通灯控制电路的性能有了越来越高的要求，交通灯控制电路的设计也越来越趋于现代化。自从1946年世界上第一台电子数字计算机（eniac）在美国诞生以后，计算机开始逐渐走入人们的生活，成为科技发展中不可缺少的工具。人们越来越期望于利用计算机实现生活的智能化控制。而交通灯控制技术也坐上了科技发展的列车，迈入了微机控制的新时代。尤其是各种制作软件的问世，更是对其提供了发展的平台。于是，传统的硬件制作开始融入科技成分，计算机的加入实现了其智能化。鉴于此发展方向，本设计采用软件和硬件结合的方式，来实现交通灯系统设计。根据社会实际情况，本人选择制作十字路口交通灯，以此为例介绍运用quartus ii 软件和protel 99 se软件，软硬件结合实现交通灯可调控制的原理和方法。在这次毕业设计的任务中，运用到了altera公司开发的quartus ii 软件和protel公司的protel 99 se软件和555振荡原理，软硬件结合实现交通灯可调控制。并将其化为实际立体模型，以便更加直观的了解其功能及特点。31第一章 交通灯控制技术的现状与发展1.1交通灯控制技术的发展过程当今，红绿灯安装在各个道口上，已经成为疏导交通车辆最常见和最有效的手段。但这一技术在19世纪就已出现了。 1858年，在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红，蓝两色的机械扳手式信号灯，用以指挥马车通行。这是世界上最早的交通信号灯。1868年，英国机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上，安装了世界上最早的煤气红绿灯。它由红绿两以旋转式方形玻璃提灯组成，红色表示“停止”，绿色表示“注意”。1869年，煤气灯爆炸，使警察受伤，遂被取消。 电气启动的红绿灯出现在美国，这种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成，1914年始安装于纽约市5号大街的一座高塔上。红灯亮表示“停止”，绿灯亮表示“通行”。 1918年，又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。带控制的红绿灯，一种是把压力探测器安在地下，车辆一接近红灯便变为绿灯；另一种是用扩音器来启动红绿灯，司机遇红灯时按一下嗽叭，就使红灯变为绿灯。红外线红绿灯当行人踏上对压力敏感的路面时，它就能察觉到有人要过马路。红外光束能把信号灯的红灯延长一段时间，推迟汽车放行，以免发生交通事故。 信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。1968年，联合国道路交通和道路标志信号协定对各种信号灯的含义作了规定。绿灯是通行信号，面对绿灯的车辆可以直行，左转弯和右转弯，除非另一种标志禁止某一种转向。左右转弯车辆都必须让合法地正在路口内行驶的车辆和过人行横道的行人优先通行。红灯是禁行信号，面对红灯的车辆必须在交叉路口的停车线后停车。黄灯是警告信号，面对黄灯的车辆不能越过停车线，但车辆已十分接近停车线而不能安全停车时可进入交叉路口。1.2我国信号灯产品发展及标准情况 我国第一台信号机是1921年由外国商人办的一家电力公司在上海南京东路浙江路口设置的，当时信号灯色只有红绿二种灯色，信号机控制是手动扳动开关控制交通信号。1978年10月，上海市研制成功我国第一台自动控制信号机，其实也就是定周期式的。1979年4月，公安部在广州召开全国城市交通管理工作会议之后，各市开始研制自动控制信号机，主要有多时段定时式和感应式信号机。 1985年上海市公安局引进了澳大利亚的scats系统，在中心商业区安装了28台awa公司的集中协调式信号机。目前联网的信号机达到900多台。北京市公安局引进了英国的scoot系统，目前联网的信号机达到1320多台。1987年深圳市引进了日本（株式会社）京三制作所的katnet系统，在罗湖、福田二个中心区安装了52台a01型集中协调式信号机。 1987年公安部组织研发 “七.五”国家重点科技攻关项目城市交通控制系统。由公安部交通管理科研所、同济大学、电子部28研究所、南京交警支队共同研发。系统以南京市中区为依托共安装41台集中协调式信号机，系统于一九九一年二月通过了国家鉴定验收，该系统是我国自行研制开发的第一个实时自适应城市交通控制系统，系统整体水平达到了国际八十年代先进水平。 目前，全国共有590余个城市（包括县级市）建成了集警情采集、交通流信息采集、交通控制等功能于一体的交通指挥系统，400余个城市实现了信号区域控制或主次干道“绿波带”（线协调控制）控制。1.3我国交通灯控制发展趋势 交通信号控制产品今后的发展，一是要结合我国交通特点，研究在线实时控制，要求所应用的交通模型应该尽可能简单；二是针对我国混合交通情况，考虑连续交通流与间断交通流的特点，研究开发更适合的自适应控制模型与优化算法；三是不断提高交通信号控制产品的可靠性；四是研究不同厂家（包括进口产品）共用的交通信号控制系统集成平台。1.4目前我国信号机产品存在主要问题从整个行业现状来说，生产企业规模普遍较小，研究开发和创新能力不强，质量水平不高。近年来，国家对国内生产信号机企业进行了质量监督抽查，产品合格率仅为36.4%，从各地实际使用情况来看，基本反映了国内信号机质量水平。主要质量问题为信号机故障监测功能缺失、电磁抗扰度性能不达标、基本功能不达标、可行性差等。 信号机全天候工作在野外，苛刻的环境可想而知，因此对信号机的可靠性要求非常高。由于信号机的故障，对道路交通安全必将产生极大的威胁。一些生产企业的产品对绿冲突、红灯熄灭等严重故障无检测功能。另外，ga47-2002道路交通信号控制机标准规定当信号机通电开始运行时信号机应先进行自检，然后按如下时序启动： a）信号相位应先进入黄闪信号，持续时间至少10s； b）黄闪信号结束后各信号相位应进入全红信号，持续时间至少5s； c）启动时序结束后，信号机按预设置的方式运行。 在现实中，有的信号机根本无以上启动时序，通电开始工作后直接进入信号控制相位，这也是非常危险的。以上启动时序是为了清空路口车辆，确保车辆安全。1.5.软硬件结合原理 通过quartus ii 软件进行编程，实现对交通信号灯的控制，利用protel 99 se软件画电路图绘制电路板，然后通过腐蚀、焊接等技术进行硬件制作。1.6软硬件结合优势 硬件控制部分由软件实现控制，原理清晰明了，程序编制简单，容易实现；且易于修改，可实现电路循环多处利用，易于实现大规模制作和大范围使用；施行智能化管理，易于发现、检修和排除故障；抗干扰能力强，反应时间短。 软件部分负责控制，简化了硬件电路，提高了整个系统的稳定性和可靠性。由于fpga具有低功耗的特性，降低了系统耗能，节约了能源。第二章 交通灯控制系统设计2.1系统设计的性能指标和系统框图2.1.1性能指标控制红、黄、绿灯和数码管的显示状态。主干道放行35s，支干道放行20s，绿灯变换为红灯的过程中，黄灯亮5s，并进行减计时显示。2.1.2系统框图及工作原理 系统框图如图2-1所示： 振荡电路主支干道时间显示电路 fpga 信号 显示 电路 图2-1系统框图由振荡器提供整个电路所需信号；fpga进行程序控制，控制整个电路的运行，是整个系统的核心；硬件显示部分负责显示电路运行结果。系统工作原理如图2-2所示： 图 2-2 系统工作原理图 主干道采用计数器cnt35,cnt5和cnt20。支干道采用计数器swith_cnt35,cnt5和cnt20。计数器与主支干道的clk相同，均采用co控制，从0到62一循环。主干道数据选择分别为：0到35时cnt35(350),35到41时cnt5(50), 42到62时cnt20(200),当 co=62时进入下一循环。支干道数据选择分别为：0到5时cnt5(50),5到41时cnt35(350), 42到62时cnt20(200),当 co=62时进入下一循环。红绿灯变换为：主干道是绿35s，黄5s，红20s。支干道为黄5s，红35s，绿20s。计数器低端4位表示个位数，高端2位表示十位数。数码管扫描控制：sel1.0，当为00时，显示主干道数据个位数，01显示主干道十位数，10显示支干道数据个位数，11显示支干道十位数。由于主支干道互不影响，所以各自循环。又因其循环均为62秒，保证数码管显示的重复可靠性。2.2硬件设计2.2.1 设计框图 硬件设计框图如图2-3所示：555振荡器数码管fpga 显示灯 图2-3 硬件设计框图2.2.2设计过程1、确定实验方案2、进行硬件验证3、制作电路板4、硬件检查及验证2.2.3信号源制作原理图信号源电路图如图2-4所示： 图2-4 信号源电路图2.2.4电路板制作电路图 系统主板pcb板如图2-5所示： 图2-5 系统主板电路图 数码管、交通灯模块pcb板如图2-6所示：图2-6 数码管、交通灯模块电路图 信号源模块pcb板如图2-7所示： 图 2-7 信号源电路图2.2.5数码管扫描控制电路本实验所用数码管为共阴极，所以选择74ls138选择驱动。八个（共两对，一对四个）数码管需两个输入控制端a0、a1（对应于程序设计部分的sel0和sel1）和四个输出控制端y0y3。a3悬空时默认为高电平，所以做接地处理。多余输出端y4y7悬空。主干道十位数、主干道个位数、支干道十位数和支干道个位数，分别由y1、y0、y3、y2控制选择驱动。a0、a1四种状态下至右一个输出端为低电平，其他三个输出高所以同一时刻只有一个数码管驱动。因扫描控制信号频率很高，由于人眼视觉暂留效应，所有数码管同时工作，但各自显示其驱动信号而互不干扰。2.2.6数码管显示部分所选数码管为共阴极，所有显示控制端ag并接，输入控制信号从fpga芯片取得，同一时刻显示该时刻所选择的数码管输出信号。2.2.7交通灯部分采用发光二极管显示，外加300欧姆保护电阻，避免二极管两端电压过高损坏。2.2.8信号源部分本实验所用信号为1hz的秒脉冲和100hz的扫描脉冲，分别控制程序倒数计时器的频率和数码管扫描频率。利用555振荡器产生100hz的脉冲源。2.3软件系统设计 软件系统设计总图如图2-8 所示：图2-8 软件设计图第三章 单元电路的设计3.1主支干道5进制减计数器电路3.1.1主支干道5进制减计数器模块图 主支干道5进制减计数器电路模块如图3-1所示： 图3-1 主支干道5进制减计数器模块图3.1.2基本原理在62s的时间里，当clr为0或cnt为0和到第0秒、第35秒、第62秒时，cnt变成5，开始倒计时，其他时间cnt从5循环倒计时。3.1.3源程序library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity cnt5 isport(clr:in std_logic; clk:in std_logic; cnt:buffer std_logic_vector(5 downto 0); co:buffer integer range 0 to 62);end cnt5;architecture two of cnt5 is begin process(clr,clk)begin if(clr=0) then co=62) then co=0;elseco=co+1;end if;end if;if(clr=0) then cnt=000101; elsif clkevent and clk=1 then if(cnt=000000 or co=62 or co=35)then cnt=000101; elsecnt=cnt-1;end if;end if;end process;end two;3.1.4主支干道5进制减计数器电路仿真图主支干道5进制减计数器电路仿真如图3-2所示： 图3-2 主支干道5进制减计数器电路仿真图3.2主支干道20进制减计数器电路3.2.1主支干道20进制减计数器模块图主支干道20进制减计数器电路模块如图3-3所示： 图3-3 主支干道20进制减计数器模块图3.2.2基本原理在62s的时间里，当clr为0或cnt为0和到第0秒、第41秒时，cnt变成20，开始倒计时，其他时间cnt从20循环倒计时。3.2.3源程序library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity cnt20 isport(clr:in std_logic; clk:in std_logic; cnt:buffer std_logic_vector(5 downto 0); co:buffer integer range 0 to 62);end cnt20;architecture three of cnt20 is begin process(clr,clk)begin if(clr=0) then co=62) then co=0;elseco=co+1;end if;end if;if(clr=0) then cnt=100000;elsif clkevent and clk=1 thenif(cnt=000000 or co=41)then cnt=100000;elsif(cnt(3 downto 0)=0000) then cnt(3 downto 0)=1001;cnt(5 downto 4)=cnt(5 downto 4)-1;else cnt=cnt-1;end if;end if;end process;end three;3.2.4主支干道20进制减计数器电路仿真图 主支干道20进制减计数器电路仿真如图3-4所示： 图3-4 主支干道20进制减计数器电路仿真图3.3主干道35进制减计数器电路 3.3.1主干道35进制减计数器电路模块图主干道35进制减计数器电路模块如图3-5所示： 图3-5 主干道35进制减计数器模块图3.3.2基本原理在62s的时间里，当clr为0或cnt为0和到第0秒时，cnt变成35，开始倒计时，其他时间cnt从35循环倒计时。3.3.3源程序library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity cnt35 isport(clr:in std_logic; clk:in std_logic; cnt:buffer std_logic_vector(5 downto 0); co:buffer integer range 0 to 62);end cnt35;architecture one of cnt35 is begin process(clr,clk)begin if(clr=0) then co=62) then co=0;elseco=co+1;end if;end if;if(clr=0) then cnt=110101;elsif clkevent and clk=1 thenif(cnt=000000 or co=62)then cnt=110101;elsif(cnt(3 downto 0)=0000) then cnt(3 downto 0)=1001;cnt(5 downto 4)=cnt(5 downto 4)-1;else cnt=cnt-1;end if;end if;end process;end one;3.3.4主干道35进制减计数器电路仿真图 主干道35进制减计数器电路仿真如图3-6所示： 图3-6 主干道35进制减计数器电路仿真图3.4支干道35进制减计数器电路3.4.1支干道35进制减计数器电路模块图 支干道35进制减计数器电路模块如图3-7所示： 图3-7 支干道35进制减计数器模块图3.4.2基本原理在62s的时间里，当clr为0或cnt为0和到第5秒时，cnt变成35，开始倒计时，其他时间cnt从35循环倒计时。3.4.3源程序library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity swith_cnt35 isport(clr:in std_logic; clk:in std_logic; cnt:buffer std_logic_vector(5 downto 0); co:buffer integer range 0 to 62);end swith_cnt35;architecture four of swith_cnt35 is begin process(clr,clk)begin if(clr=0) then co=62) then co=0;elseco=co+1;end if;end if;if(clr=0) then cnt=110101;elsif clkevent and clk=1 thenif(cnt=000000 or co=5)then cnt=110101;elsif(cnt(3 downto 0)=0000) then cnt(3 downto 0)=1001;cnt(5 downto 4)=cnt(5 downto 4)-1;else cnt=0 and count=35) then cnt=cnt35; r1=0; g1=1; y1=36 and count=41) then cnt=cnt5; r1=0; g1=0; y1=42 and count=62) then cnt=cnt20; r1=1; g1=0; y1=0 and count=5) then cnt=cnt5; r2=0; g2=0; y2=6 and count=41) then cnt=cnt35; r2=1; g2=0; y2=42 and count=62) then cnt=cnt20; r2=0; g2=1; y2=0;end if;end process;end six;3.7数码管扫描控制器3.7.1数码管扫描控制器模块图数码管扫描控制器模块如图3-11所示： 图3-11 数码管扫描控制器模块图3.7.2基本原理在100hz的高频率作用下，内部计数器进行计时，从三到0进行倒计时。当计数器为0时，主干道个位数数码管工作。当计数器为1时，主干道十位数数码管工作。当计数器为2时，支干道个位数数码管工作。当计数器为3时，支干道十位数数码管工作。3.7.3源程序library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;use ieee.std_logic_arith.all;entity smg isport(clk,reset:in std_logic; m: in std_logic_vector(5 downto 0); s: in std_logic_vector(5 downto 0); ledout: out std_logic_vector(3 downto 0); selout: out std_logic_vector(1 downto 0);end smg;architecture seven of smg is signal count: std_logic_vector(1 downto 0);beginselout=count;process(clk,reset)begin if(reset=0) then count=11) then count=00;elsecountledoutledout(3 downto 2)=00; ledout(1 downto 0)ledoutledout(3 downto 2)=00; ledout(1 downto 0)null;end case;end process;end seven;3.8七段显示译码器3.8.1七段显示译码器模块图七段显示译码器模块如图3-12所示： 图3-12 七段显示译码器模块图3.8.2基本原理通过点亮相应端口，控制数码管显示对应数字。3.8.3源程序library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;entity led7 is port(num:in bit_vector(3 downto 0); ledn:out bit_vector(6 downto 0);end led7;architecture eight of led7 is beginprocess(num) begin case(num)is when 0000 =lednlednlednlednlednlednlednlednlednlednnull; end case; end process;end eight; 3.9分频器3.9.1分频器模块图分频器模块如图3-13所示： 图3-13 分频器模块图3.9.2基本原理设定一计数脉冲，每隔所需分频时间输出一个脉冲，从而起到分频作用。3.9.3源程序library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;entity fenpin isport(clk,clr:in std_logic; lclk: out std_logic);end fenpin;architecture seven of fenpin is signal count: std_logic_vector(6 downto 0);beginprocess(clk,clr)begin if(clr=0) then count=0000000;lclk=1100011) then count=0000000;lclk=1;elsecount=count+1;lclk=0;end if;end if;end process;end seven;3.9.4分频器模块仿真图分频器电路仿真如图3-14所示：图3-14 分频器电路仿真图3.10系统仿真图 主干道计数变化为35-0，5-0，20-0.支干道为5-0，35-0，20-0。然后，进入下一循环。 系统仿真图如图3-15和图3-16所示：图3-15 系统仿真图1图3-16 系统仿真图2第四章 测试结果4.1引脚设定 引脚设定如图4-1 所示：图4-1 引脚设定图4.2测试结果 系统各模块正常工作，数码管及信号灯正常发光。4.3实物照片验证图片如下所示：图 4-2 主支干道实物验证图1图 4-3 主支干道实物验证图2图 4-4 主支干道实物验证图34.4结论 振荡器正常工作，产生了100hz信号，数码管及信号灯正常发光，并按照程序设定正常显示，信号灯显示如表格5-1所示： 时间区间 干道选择 0-5s 6-35s 36-41s 42-62s 主干道 绿灯 绿灯 黄灯 红灯 支干道 黄灯 红灯 红灯 绿灯 表格4-5 主支干道信号灯转换示意图主支干道绿灯转换为红灯的过程中，均有黄灯亮5s作为缓冲。减计数器选择如表格5-2所示： 时间区间 干道选择 0-5s 6-35s 36-41s 42-62s 主干道 主干道35s减计数器 主干道35s 减计数器 主支干道 5s减计数器 主支干道20s减计数器 支干道 主支干道 5s减计数器