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1、內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書引 言隨著城鄉(xiāng)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，車輛的數(shù)量在迅速的增加，交通阻塞的問(wèn)題已經(jīng)嚴(yán)重影響了人們的出行?，F(xiàn)在的社會(huì)是一個(gè)數(shù)字化程度相當(dāng)高的社會(huì)，很多的系統(tǒng)設(shè)計(jì)師都愿意把自己的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)成集成電路芯片，芯片可以在實(shí)際中方便使用。隨著EDA技術(shù)的發(fā)展，嵌入式通用及標(biāo)準(zhǔn)FPGA器件的呼之欲出，片上系統(tǒng)(SOC)已經(jīng)近在咫尺。FPGA/CPLD以其不可替代的地位及伴隨而來(lái)的極具知識(shí)經(jīng)濟(jì)特征的IP芯片產(chǎn)業(yè)的崛起，正越來(lái)越受到業(yè)內(nèi)人士的密切關(guān)注。FPGA就是在這樣的背景下誕生的，它在數(shù)字電路中的地位也越來(lái)越高，這樣迅速的發(fā)展源于它的眾多特點(diǎn)。交通等是保障交通道路暢通和安全的重要工具，而控制

2、器是交通燈控制的主要部分，它可以通過(guò)很多種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。在這許許多多的方法之中，使用FPGA和VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)的交通燈控制器，比起其他的方法顯得更加靈活、易于改動(dòng)，并且它的設(shè)計(jì)周期性更加短。城市中的交通事故頻繁發(fā)生，威脅著人們的生命健康和工作生活，交通阻塞問(wèn)題在延遲出行時(shí)間的同時(shí)，還會(huì)造成更多的空氣污染和噪聲污染。在這種情況下，根據(jù)每個(gè)道路的實(shí)際情況來(lái)設(shè)置交通燈，使道路更加通暢，這對(duì)構(gòu)建和諧暢通的城市交通有著十分重要的意義。第一章 軟件介紹1.1 Quartus介紹本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是基于FPGA下的設(shè)計(jì)，F(xiàn)PGA是現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，F(xiàn)PGA開發(fā)工具種類很多、智能化高、功能非常的強(qiáng)大?？删幊蘍uart

3、us是一個(gè)為邏輯器件編程提供編程環(huán)境的軟件，它能夠支持VHDL、Verilog HDL語(yǔ)言的設(shè)計(jì)。在該軟件環(huán)境下，設(shè)計(jì)者可以實(shí)現(xiàn)程序的編寫、編譯、仿真、圖形設(shè)計(jì)、圖形的仿真等許許多多的功能。在做交通燈控制器設(shè)計(jì)時(shí)選擇的編程語(yǔ)言是VHDL語(yǔ)言。在這里簡(jiǎn)單的介紹一下Quartus的基本部分。圖1-1-1是一幅啟動(dòng)界面的圖片。在設(shè)計(jì)前需要對(duì)軟件進(jìn)行初步的了解，在圖中已經(jīng)明顯的標(biāo)出了每一部分的名稱。 圖 1-1-1 啟動(dòng)界面開始設(shè)計(jì)前我們需要新建一個(gè)工程，首先要在啟動(dòng)界面上的菜單欄中找到File，單擊它選擇它下拉菜單中的“New Project Wizard”時(shí)會(huì)出現(xiàn)圖1-1-2所顯示的對(duì)話框，把項(xiàng)目

4、名稱按照需要填好后單擊Next，便會(huì)進(jìn)入圖 1-1-3 顯示的界面。圖1-1-2 創(chuàng)建工程框圖1-1-3 芯片選擇框 根據(jù)自己選擇的實(shí)驗(yàn)設(shè)備選擇好相應(yīng)的芯片型號(hào)點(diǎn)擊Next,進(jìn)入下一個(gè)步驟當(dāng)出現(xiàn)圖1-1-5時(shí)，點(diǎn)擊“Finish”后這個(gè)工程就建立好了。圖 1-1-4 仿真器選擇框圖1-1-5 對(duì)話框 建好工程后開始進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先在圖1-1-6中單擊file后選擇new,接著會(huì)出現(xiàn)圖1-1-7，在交通燈控制器的設(shè)計(jì)中我們選擇的是VHDL File,當(dāng)出現(xiàn)圖1-1-8時(shí)就可以把編輯的程序敲入編輯器中。圖1-1-6 工程建好后的界面圖1-1-7 新建文件類型選擇框圖1-1-8 程序編輯框在第一章中對(duì)

5、Quartus軟件的使用做一個(gè)簡(jiǎn)單介紹，設(shè)計(jì)中的編譯和仿真步驟在后面的幾章中會(huì)做出介紹。第二章 交通燈控制器設(shè)計(jì)的概述2.1 控制器設(shè)計(jì)描述2.1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)要求設(shè)計(jì)交通燈控制器，分別在四個(gè)方向都安裝紅、黃、綠三種顏色的交通指示燈，紅燈表示停止，綠燈表示通行，黃燈表示左轉(zhuǎn)和直行將要禁止通行，四個(gè)方向分別還安裝有倒計(jì)時(shí)的計(jì)時(shí)器。2.1.2 設(shè)計(jì)要求東西方向和南北方向各有組指示燈，紅燈亮的時(shí)間為20S,黃燈亮的時(shí)間為5S，綠燈亮的時(shí)間為25S。三種燈亮滅的順序?yàn)榧t燈、綠燈、黃燈。第三章 交通燈控制器的設(shè)計(jì)過(guò)程3.1 設(shè)計(jì)方案本設(shè)計(jì)課題用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)智能交通燈的設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)現(xiàn)要研究的問(wèn)題主要有：

6、智能交通燈的設(shè)計(jì)方案；各功能模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；如何用VHDL編寫源程序以及進(jìn)行系統(tǒng)仿真。3.1.1 框圖設(shè)計(jì)交通燈控制器設(shè)計(jì)的框圖中包括控制器、分頻器、顯示器、指示燈、譯碼器、位選器。當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)為零時(shí)，控制器改變交通燈的顏色，同時(shí)倒計(jì)時(shí)開始進(jìn)入下一個(gè)倒計(jì)時(shí)。當(dāng)有緊急情況出現(xiàn)的時(shí)候，四面的交通燈都會(huì)變?yōu)榧t燈，緊急情況的處理在設(shè)計(jì)中是依靠HOLD鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)的。圖 3-1-1-1 是交通燈設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)框圖特殊情況計(jì) 時(shí) 器位選器顯示器（東、西、南、北）譯碼器控制器指示燈圖 3-1-1-1 交通燈設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)框圖系統(tǒng)的紅、黃、綠燈顯示的總時(shí)間為50s，具體的亮燈時(shí)間和亮燈順序看 表 3-1-1-2表3-1-1

7、-2 交通燈亮燈順序與亮燈時(shí)間安排東西方向（A燈）A綠燈亮（20s）A黃燈亮（2125s）A紅燈亮（2650s）南北方向（B燈）B紅燈亮（025s） B綠燈亮（2645s）B黃燈亮（4650s）3.1.2 工程流程圖創(chuàng)建一個(gè)新的工程創(chuàng)建VHDL語(yǔ)言文件保存輸入的程序?qū)⒊绦蜉斎胛募袑?duì)程序進(jìn)行編譯，有錯(cuò)誤的要進(jìn)行修改、再編譯，直至沒(méi)有錯(cuò)對(duì)程序進(jìn)行波形的仿真進(jìn)行圖形電路設(shè)計(jì)、保存、編譯、波形仿真、管腳鎖定進(jìn)行硬件仿真圖3-1-2 工程流程圖3.1.3 時(shí)序圖的假象 在時(shí)序圖中，上升沿有效，即為“1”時(shí)燈亮，好比RedA為上升沿（ “1” ）時(shí)A方向的紅燈是亮的，相對(duì)的GreenB也為上升沿（ “1

8、” ）B方向上綠燈是亮的。具體的時(shí)序顯示見圖3-2 時(shí)序圖。GreenAYellowARedBYeelowBGreenBRedAAAAA圖3-2 時(shí)序圖 3.2 模塊設(shè)計(jì)3.2.1 主控制器模塊在Quartus按照1-1中的方法新建一個(gè)工程并新建一個(gè)文件項(xiàng)目后，在圖1-1-8程序編輯框中將主控制器的程序輸入后保存。接著需要對(duì)主控制器的程序進(jìn)行編譯，編譯的步驟是點(diǎn)擊ProjectSet as Top將文件置頂，具體的參考圖3-2-1-1 置頂，接著點(diǎn)擊圖3-2-1-2 的Start Compilation 進(jìn)行編譯。圖3-2-1-1 置頂圖3-2-1-2 編譯在編譯的過(guò)程中，出現(xiàn)了一些錯(cuò)誤，在我

9、編譯主控制器的程序時(shí)，出現(xiàn)的錯(cuò)誤是沒(méi)有將CLOCK放入PROCESS()中，將程序中的錯(cuò)誤一一改正后有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)些Warning，有些Warning并不會(huì)影響后面的設(shè)計(jì)步驟。將上面的錯(cuò)面都改正后，就會(huì)顯示圖3-2-1-3 所顯示的對(duì)話框。下一步就是對(duì)程序進(jìn)行時(shí)序仿真，圖3-2-1-3 編譯成功 程序編譯無(wú)措后在當(dāng)前的工程下面新建一個(gè)文件，點(diǎn)擊File出現(xiàn)圖3-2-1-4 新建文件對(duì)話框，選擇圖中顯示藍(lán)色的選項(xiàng)就會(huì)出現(xiàn)我們想要的界面，把鼠標(biāo)移在圖3-2-1-5 時(shí)序仿真編輯框中左邊的空白處，然后點(diǎn)擊右鍵，選擇INSERTINSERT NODE OR BUS選項(xiàng)出現(xiàn)另一個(gè)對(duì)話框，選擇對(duì)話框中的NO

10、DE FINDER后就會(huì)產(chǎn)生新的對(duì)話框，點(diǎn)擊LIST是在左下角的空白處會(huì)出現(xiàn)很多的引腳，我們選中需要的引腳后確定后，我們需要的引腳就會(huì)出現(xiàn)在時(shí)序仿真編輯中左邊的空白處，我們對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行設(shè)定，若想讓輸出信號(hào)顯示為十六進(jìn)制數(shù)，我們可以選中輸出信號(hào)然后點(diǎn)擊鼠標(biāo)的右鍵選擇VALUECOUNT VALUE后出現(xiàn)的對(duì)話框中可以選擇自己需要顯示的進(jìn)制類型和進(jìn)制數(shù)的定時(shí)等。對(duì)輸出輸入信號(hào)編輯完成后保存。在菜單工具欄中選擇PROCESSINGSIMULATOOR TOOL,出現(xiàn)圖3-2-1-6的對(duì)話框，按照對(duì)話框顯示的進(jìn)行設(shè)定，點(diǎn)擊QENERAT FUNCTIONALSTARTREPORT，就會(huì)得出我們想要的

11、圖3-2-1-7 主控制器時(shí)序仿真圖。圖3-2-1-4 新建文件對(duì)話框圖3-2-1-5 仿真編輯框圖3-2-1-6 仿真工具對(duì)話框圖3-2-1-7 主控制器的仿真圖圖3-2-1-7中顯示的仿真結(jié)果和設(shè)計(jì)前預(yù)計(jì)的時(shí)序仿真圖的結(jié)果是相符合的。時(shí)序圖中的HOLD是保持信號(hào)，當(dāng)HOLD信號(hào)為有效信號(hào)（ “1” ）時(shí)，則四個(gè)方向的路燈都是紅燈亮，當(dāng)HOLD無(wú)效時(shí)，四個(gè)方向的信號(hào)燈會(huì)正常工作。RESET信號(hào)有效時(shí)，計(jì)數(shù)器的顯示就會(huì)重新從零開始。圖中四個(gè)方向的指示燈的亮滅順序是正確的。圖3-2-1-8 主控制器的模塊主控制器的時(shí)序仿真完成后，一個(gè)程序的設(shè)計(jì)、仿真就已經(jīng)暫時(shí)結(jié)束了，下一步還要進(jìn)行圖形的設(shè)計(jì)，在

12、總的圖形設(shè)計(jì)前，需要先將每個(gè)程序都生成模塊，為之后的設(shè)計(jì)做好準(zhǔn)備。點(diǎn)擊FileCreateUpdadeCreate Symbol Files for Current File,完成這個(gè)操作過(guò)程后便會(huì)生成主控制器的模塊，具體的看圖3-2-1-8 主控制器的模塊。模塊中主要有CLOCK、RESET、HOLD、NUMA、NUMB和六個(gè)指示燈的輸出。3.2.2 分頻器模塊 設(shè)計(jì)中需要用到1秒鐘的脈沖，分頻這個(gè)模塊就是為了改變頻率脈沖波，使20Mhz的頻率最終變?yōu)?hz的脈沖，這樣就可以得到一個(gè)周期是1秒鐘的脈沖，分頻器的程序見附錄。具體的程序編譯過(guò)程和仿真的過(guò)程和主控制模塊中談到的過(guò)程是相同的。按照上

13、面談的步驟完成后就會(huì)得到圖3-2-2-1 分頻模塊的時(shí)序仿真圖。圖3-2-2-1 分頻模塊的仿真圖圖3-2-2-2 分頻模塊 分頻的程序經(jīng)過(guò)編譯和時(shí)序仿真圖后生成的模塊是圖3-2-2-2 分頻模塊所顯示的20mhz的脈沖通過(guò)第一模塊時(shí)變?yōu)?0hz，再經(jīng)過(guò)第二個(gè)模塊后變成1hz的脈沖。3.2.3 提取顯示值模塊 提取顯示值的功能是在10hz的速度下提取顯示值，得到的是顯示時(shí)間值的十位和個(gè)位。圖3-2-3-1 提取顯示值的時(shí)序仿真圖中NUMIN是主控制器的輸出值，NUMA和NUMB兩個(gè)輸出端口是要顯示的值的高位和低位。高位的最大輸出值是為二的四位二進(jìn)制數(shù)，低位的最大輸出值是為九的四位二進(jìn)制數(shù)。圖3

14、-2-3-2 是提取顯示值生成的模塊。提取顯示值的程序見文章的附錄。圖3-2-3-1 提取顯示值的仿真圖 仿真圖中，NUMB先從0開始計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)到9時(shí)NUMA計(jì)為1，NUMB重新從0開始計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)到9時(shí)NUMA會(huì)計(jì)為2，NUMB再次從0開始計(jì)數(shù)，當(dāng)NUMA（高位）計(jì)數(shù)到2時(shí)，NUMB的最大值輸出為5。圖3-2-3-2 提取顯示值的模塊3.2.4 動(dòng)態(tài)掃描模塊LED顯示的工作原理是利用人類的視覺(jué)特性。七段LED數(shù)字顯示塊是由“a、b、c、d、e、f、g、dp”這幾段組成的，LED的顯示原理就是要看這八段中的哪幾段是亮的，那幾段是滅的。每段管子不是同時(shí)被點(diǎn)亮的并且點(diǎn)亮的時(shí)間都是極短的，又因?yàn)樽兓?/p>

15、時(shí)間很短暫，亮滅的過(guò)程中留下的余光會(huì)給人一種錯(cuò)覺(jué)，人的眼睛覺(jué)得是一組靜態(tài)的顯示燈。具體的動(dòng)態(tài)掃描的程序請(qǐng)看正文后的附錄。圖3-2-4-1 是動(dòng)態(tài)掃描的時(shí)序仿真圖，圖3-2-4-2是動(dòng)態(tài)掃描生成的模塊。圖3-2-4-1 動(dòng)態(tài)掃描的時(shí)序仿真圖圖3-2-4-2 動(dòng)態(tài)掃描的模塊3.2.5 位選器模塊 位選程序的輸入和編譯完成后，對(duì)程序進(jìn)行仿真，仿真的步驟依然和上面談到的一樣，下面兩幅圖一張是位選程序的時(shí)序仿真圖，另一幅是位選程序生成的模塊。見圖3-2-5-1和圖3-2-5-2。圖3-2-5-1 位選時(shí)序仿真圖圖3-2-5-2 位選模塊3.2.6 譯碼器模塊 譯碼器是將要顯示的數(shù)字轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)七段數(shù)碼管的

16、信號(hào)，程序中的NUM與動(dòng)態(tài)掃描模塊相連，將四位二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為八位二進(jìn)制數(shù)，再通過(guò)LED8輸出。譯碼器的程序編輯和編譯步驟也和前面所說(shuō)的相同。當(dāng)譯碼器編譯成功后進(jìn)行仿真，仿真的結(jié)果見圖3-2-6-1 譯碼器的時(shí)序仿真。像時(shí)序仿真圖中顯示的一樣，當(dāng)NUM輸入“0000”時(shí)LED8便會(huì)輸出“00111111”顯示數(shù)字“0”，當(dāng)NUM輸入“0001” 時(shí)LED8輸出“00000110”顯示數(shù)字“1”。圖3-2-6-2 是譯碼器程序生成的模塊。圖3-2-6-1 譯碼器的時(shí)序仿真圖圖3-2-6-2 譯碼器模塊3.3 圖形設(shè)計(jì)3.3.1 圖形設(shè)計(jì)的生成將每個(gè)程序都編譯、仿真完成后，下一步就是要設(shè)計(jì)圖形仿真，

17、在進(jìn)行圖形的時(shí)序仿真前，要先進(jìn)行圖形的編輯和編譯。要建立一個(gè)新工程和圖形編輯的文件的的過(guò)程是點(diǎn)擊FileNewBlock Diagram/Schematic File.（見圖3-3-1-1）圖3-3-1-1 新建一個(gè)文件的對(duì)話框新建了一個(gè)文件以后，就要開始編輯圖形了，要把每一個(gè)模塊都找出來(lái)，選擇AssignmentSettings后出現(xiàn)圖3-3-1-2 的對(duì)話框，在左邊找到libraries，單擊它以后會(huì)出現(xiàn)圖3-3-1-2 右邊顯示的內(nèi)容，再點(diǎn)擊處可以找到之前生成的那些模塊所在的文件夾，把它們一次性添加在libraries中，這樣可以為后面圖形設(shè)計(jì)做好準(zhǔn)備，全部添加完成后點(diǎn)擊“OK”，這樣在

18、元件庫(kù)中就可以找到生成的那些模塊了。選擇EditInsert Symbol后出現(xiàn)圖3-3-1-3 的對(duì)話框，在這里就可以顯示出上面生成的模塊和軟件中原本存在的元器件，按照設(shè)計(jì)中的需要選出模塊和元件。圖3-3-1-2 libraries對(duì)話框圖3-3-1-3 元件庫(kù)對(duì)話框圖3-3-1-4 編譯對(duì)話框圖3-3-1-4 中標(biāo)明了每個(gè)快捷工具的用途，選擇合適的工具把選擇好的模塊和元件連接起來(lái)。然后將連接好的圖形文件保存以后進(jìn)行編譯。3.3.2 仿真結(jié)果圖3-3-2-1 圖形設(shè)計(jì)的時(shí)序仿真圖圖形設(shè)計(jì)編譯完成以后按照程序的時(shí)序仿真的過(guò)程對(duì)圖形設(shè)計(jì)進(jìn)行時(shí)序仿真，給CLK適當(dāng)?shù)男盘?hào)，并且要給輸入值定義正確的值

19、，開始仿真后會(huì)出現(xiàn)圖3-3-2-1就是編譯后的時(shí)序仿真圖。圖形設(shè)計(jì)的時(shí)序仿真圖中主要顯示的是紅、黃、綠燈之間的亮滅關(guān)系和LED8顯示的數(shù)值變化過(guò)程，還有位選輸出端的變化，時(shí)序圖中可以很容易看出當(dāng)計(jì)時(shí)數(shù)計(jì)數(shù)到某一個(gè)值的時(shí)候東西方向和南北方向是什么顏色的指示燈在工作。當(dāng)A路的綠燈亮?xí)r，B路的紅燈亮，A路的綠燈亮20秒后，A路的黃燈亮5秒由此可以很容易的看出指示燈的亮滅是正確的。3.4 管腳的鎖定 管腳鎖定是為了為硬件仿真做準(zhǔn)備。當(dāng)所有的設(shè)計(jì)都完成后，接著要對(duì)圖形設(shè)計(jì)進(jìn)行管腳的鎖定。先確定設(shè)計(jì)時(shí)確定的器件類型和實(shí)際的硬件類型是不是一樣，選擇AssignmentsDevice，在出現(xiàn)的對(duì)話框中認(rèn)真確定

20、選擇的器件是不是正確的。接下來(lái)選擇AssignmentsPins進(jìn)入圖3-4-1中，用鼠標(biāo)雙擊Location就可以設(shè)定管腳了。圖3-4-2 是在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中使用到的芯片ACEX1K-EP1K100QC208-3。圖3-4-3 是完成編譯、時(shí)序仿真、管腳鎖定這些步驟后的圖形設(shè)計(jì)。圖3-4-1 管腳鎖定對(duì)話框圖3-4-2 芯片ACEX1K-EP1K100QC208-3圖3-4-3 最終的圖形設(shè)計(jì)表3-4-1 管腳和相應(yīng)的功能序號(hào)名稱功能管腳口1CLK時(shí)鐘信號(hào)792HOLD保持鍵73RESET復(fù)位鍵84RedAA路口的紅燈115GreenAA路口的綠燈136YellowAA路口的黃燈157Red

21、BB路口的紅燈128GreenBB路口的綠燈149YellowBB路口的黃燈1610LED8LED數(shù)碼管24-3111SI位選36-39在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我們用的芯片是ACEX1K-EP1K100QC208-3，圖3-4-3就是設(shè)計(jì)所用的芯片，褐色小點(diǎn)是設(shè)計(jì)中鎖定的管腳。而表3-4-1是鎖定的管腳和相應(yīng)的功能。結(jié) 論經(jīng)過(guò)了兩個(gè)多月的努力，畢業(yè)設(shè)計(jì)終于完成了。這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)是在大學(xué)期間完全沒(méi)有接觸過(guò)的知識(shí)，在兩個(gè)月的時(shí)間里我已經(jīng)對(duì)FPGA有了一定的認(rèn)識(shí)，又學(xué)到了新的知識(shí)。剛開始做這個(gè)課題時(shí)，我從知網(wǎng)和圖書館找了很多的資料，在對(duì)這些資料整理的過(guò)程中開始一點(diǎn)點(diǎn)的熟悉FPGA和VHDL語(yǔ)言，最初我連最基本的程序都看不懂，經(jīng)過(guò)努力后，我不僅可以看懂程序還可以利用Quartus軟件對(duì)程序進(jìn)行編譯、仿真。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的經(jīng)歷提高了我的自學(xué)能力，當(dāng)我遇到一個(gè)問(wèn)題的時(shí)候，我會(huì)認(rèn)真的查找出錯(cuò)的地方，然后想辦法把它解決掉，一個(gè)程序的仿真結(jié)果出來(lái)后，我還會(huì)認(rèn)真的查看仿真的結(jié)果是不是正確的。在做硬件實(shí)驗(yàn)時(shí)，開始我反復(fù)琢磨了很久都沒(méi)有做出來(lái)，通過(guò)和老師同學(xué)的交流，我終于成功的做出了硬件的仿真。這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)結(jié)果可以按照設(shè)計(jì)的正常運(yùn)行。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)告訴我，只要努力、認(rèn)真，再難再陌生的東西都能夠做的出來(lái)。 24