基于FPGA的交通灯控制器设计

摘 要：本文主要介绍十字路口交通灯控制器的设计。首先，介绍EDA计数的现状；然后采用硬件描述语言进行的交通灯控制器设计。重点介绍了控制系统各部分的设计，以及各个模块之间的同步处理。最后，通过仿真，测试控制器的正确性。 关键词：VHDL，交通灯，控制器 引言 城市交通是一个集经济性与社会公益性于一体的领域，包括管理体制、城市布局、投融资体制、交通方式选择、公共交通运营组织、交通需求管理、交通流量控制与管理等等方面的内容，涉及到管理、法规、、工程、财政、教育、环境、能源、信息以及人文等社会经济诸多学科领域。这些方面集成在一起形成一个错综复杂的城市交通大系统。系统问题就必须通过系统方法来解决，解决系统问题的基本方法是建立有效的信息传导、控制和反馈机制，实现各子系统联动从而提高整体系统有效运行并实现其目标。从这个意义上讲，城市交通问题的核心就是如何建立一个有效的管理机制，保证各子系统及系统要素有机衔接与互动，从而实现城市交通系统的良性运转。? 随着社会经济发展和城市人口的膨胀，中国大中城市交通均面临着诸多问题，其中特别突出的是交通拥堵。拥堵的频繁发生和严重程度已经严重影响了城市的正常运转，给城市居民带来生活不便，衍生交通事故，加剧了城市环境污染。引起拥堵的原因为交叉口运行不畅；路网布局不合理；交通结构不合理；交通秩序不佳。交通拥堵的发生使汽车被迫减速和加速，甚至停车，导致了汽车行驶油料消耗和废气排放增加，根据国外有关资料和国内环境专家研究成果表明，机动车在怠速状态下所排放的一氧化碳、氮氧化物是正常行驶状态下的3~5倍。因此拥堵加大了对城市环境的污染。通过采取有效措施的实行和实施交通新技术，将有利于缓解交通拥堵状况，从而节约城市能源和降低环境污染。 1.2 EDA技术的国内外现状 1.2.1 EDA技术 电子设计自动化（EDA—Electronic Design Automation）的含义是指利用计算机来完成电子系统的设计。EDA技术是以计算机硬件和系统软件为操作平台，借鉴前人在电路和系统、数据库管理、图形学、图论和拓扑逻辑、编译原理、计算数学、人工智能、微电子学和集成电路设计等领域中的最新科技成果而研制开发的商品化EDA通用支撑软件和应用软件包，目的是帮助设计人员在计算机上完成数字系统的逻辑综合、布局布线、设计仿真和印刷电路板设计等工作。 进入20世纪90年代以后，EDA技术的发展和普及给电子系统设计带来了革命性的变化，传统的“固定功能模块＋连线”的设计方法正在逐步退出历史舞台，而基于芯片的设计方法正在成为电子系统设计的主流。在基于芯片的设计方法中，EDA技术扮演了越来越重要的角色，逐渐成为设计人员不可或缺的重要设计手段。如今，无论是逻辑芯片设计还是电子系统设计，所以的设计工作都需要在计算机上借助相应的EDA工具进行，否则将会很难完成相应的设计任务。 目前，可编程逻辑器件和EDA技术的结合为电子系统的设计带来了极大的方便，它们已经逐渐成为设计人员进行硬件设计的最强有力工具。现在设计人员只要拥有一台计算机、一套相应的EDA开发工具和可编程逻辑器件，那么基本上就可以实现电子系统的设计操作。可以毫不夸张的说，任何的电子系统设计都离不开可编程逻辑器件和EDA开发工具。现在，很大电子系统设计相关领域的各大公司和科研单位都采用可编程逻辑器件和EDA工具的结合来进行相应的设计，这样可以大大缩短系统的设计周期，以适应当今品种多、批量小的电子市场的需求，提高产品的竞争能力。 1.2.2 EDA设计技术的发展历史 从EDA设计技术的发展历史来看，大致经历了三个阶段。 1、CAD阶段（20世纪60年代中期～20世纪80年代初期） 这个阶段分别研制了一些单独的软件工具，主要有PCB（Printed CircuitBoard）布线设计、电路模拟、逻辑模拟及版图的绘制等，从而可以利用计算机将设计人员从大量繁琐、重复的计算和绘图工作中解脱出来。例PCB布线软件TANGO以及用于电路模拟的SPICE软件和后来产品化的IC版图编辑与设计规则检查系统等软件，都是这一时期的产品。20世纪80年代初由于集成电路规模越来越大，制作也越来越复杂，EDA技术有了较快的发展，许多软件公司如Mentor、Daisy System及Logic System等公司进入市场，软件工具的产品增多。这一时期的软件主要针对产品开发分为设计、分析、生产、测试等多个独立的软件包，但存在两个方面的问题：首先，由于各个工具是由不同的公司和专家开发的，只解决了一个领域的问题，若将一个软件工具的输出作为另一个软件工具的输入,就需要人工处理，这往往很繁琐，影响了设计速度；第二，对于复杂电子系统设计，当时的EDA工具不能提供系统级的仿真和综合。由于缺乏系统级的设计考虑，常常在产品开发的后期才发现设计有所错误，此时再要进行修改十分困难。 2、CAE阶段（20世纪80年代初～20世纪90年代初） 这个阶段在集成电路和电子系统设计方法学以及设计工具集成化方面取得了许多成果，各种设计工具，如原理图输入、编译与链接、逻辑模拟、测试码生成、版图自动布局以及各种单元库均已齐全，由于采用了统一的数据管理技术，因此能够将各个工具集成为CAE（Computer Aided Engineering）系统。运用这种系统，按照设计方法学制定的某种设计流程，可以实现由RT级开始，从设计输入到版图输出的全程设计自动化。这个阶段主要采用基于单元库的半定制设计方法。采用门阵列和标准单元设计的各种ASIC得到了极大的发展，将集成电路工业推入了ASIC时代。多数CAE系统中还集成了PCB自动布局布线软件以及热特性、噪声、可靠性等分析软件，进而可以实现电子系统设计自动化。这个阶段典型的CAE系统有Mentor Graphics、Valid Daisy等公司的产 品。 3、EDA阶段（20世纪90年代以来） 20世纪90年代以来，微电子技术以惊人的速度发展，其工艺水平已达到深亚微米级，在一个芯片上可以集成数百万乃至上千万只晶体管，工作速度可以达到Gb/s，这为制造出更大、速度和信息容量很高的芯片系统提供了基础条件。同时也对EDA系统提出了更高的要求，并大大促进了EDA技术的发展。20世纪90年代以后，主要出现了高级语言描述、系统仿真和综合技术为特征的第三代EDA技术，它不仅极大地提高了系统的设计效率，而且是设计者摆脱了大量的辅助性工作，将精力集中于创造性的方案与概念的构思上。 1.2.3 EDA设计技术的工具 目前，EDA设计技术的开发工具包括编辑器、仿真工具、检查/分析工具和优化/综合工具等。 1、编辑器 编辑器的主要功能是用来设计输入进行图形或文本等方面的编辑操作，它通常包括图形编辑器、文本编辑器和波形编辑器。图形编辑器可以用于硬件设计的各种层次：在版图级，图形编辑器用来表示器件的几何图形；在其他级，图形编辑器用来编辑硬件系统的框图和原理图等。文本编辑器在系统级上用来编辑硬件系统的自然描述语言，在其他层次上用来编辑电路的硬件描述语言文本。在设计的过程中，文本编辑器在门级，寄存器以及芯片级所用的硬件描述语言通常是VHDL和Verilog HDL。波形编辑器的主要作用是用来编辑电子系统的仿真波形。通过波形编辑器，设计人员可以给出各种测试所需的输入波形，然后根据仿真工具的输出波形来验证系统设计的正确性。 2、仿真工具 在EDA设计技术中，仿真技术是一项非常重要的技术，它是对系统设计进行验证的重要手段。顾名思义，仿真工具就是用来完成设计仿真操作的EDA开发工具。一般来说。逻辑仿真工具能够验证系统设计的功能，时序仿真可以用来估算设计系统的延迟时间。另外，高级的仿真工具还可以对系统的延迟时间、驱动能力、电磁兼容特性、机械特性和热学特性进行仿真操作。可以看出，仿真工具的主要作用是确定设计系统的输入输出关系，所采用的方法是把每个数字逻辑器件映射为一个和几个进程，把整个系统映射为由进程互连组成的网络，也就是设计的仿真模型。 3、检查/分析工具 通常，在集成电路设计的各个层次和阶段都会用到相应的检查/分析工具，它的主要功能是用在对设计的逻辑产生可能性、电路的电气特性以及时序关系等进行检查或分析。在版图级，设计人员必须采用相应的设计规则检查工具来保证版图所表示的电路能够被可靠地制造出来，在逻辑门级，设计人员可以采用检查/分析工具来检查设计中是否有违反扇出规则的连接关系。一般来说，通过检查/分析工具产生的各种报表文件，设计人员可以对设计系统的错误、系统性能、系统相应的技术指标和各种时序关系等有一个比较清晰的认识。在这种情况下，设计人员可以很容易地对设计中的错误进行修改，或者对系统设计的性能进行改进，以满足系统设计的具体要求。 4、优化/综合工具 优化/综合工具用来把一种硬件描述转换为另一种描述，在转换的过程中伴随着设计的某种优化。例如，在逻辑门级，可以用逻辑最小化对布尔式进行简化；在寄存器级，优化工具可以用来确定控制序列和数据路径的最优组合。EDA工具主要分为两种：物理工具和逻辑工具。物理工具用来完成设计中的实际物理问题，例如芯片布局，印刷板电路布线等。同时它们也能够提供一些对设计的电气性能的分析，例如设计规则检查等。逻辑工具是基于网表、布尔逻辑和传输时序等概念的，首先由原理图编辑器或硬件描述语言进行设计输入，然后利用EDA工具进行综合、仿真和优化等过程，最后生成物理工具可以接受的网表或一组逻辑方程。 目前，国际上具有代表性的EDA工具提供商主要包括Cadence公司、Synopsys公司、Mentor公司和Logic System公司等。在过去很长一段时间内，EDA工具软件价格十分昂贵，它的操作平台是工作站和UNIX操作系统，硬件环境要求十分高级，这些大大阻碍了EDA工具的迅速普及。最近10年内，经过EDA工具厂商和科研人员的共同努力和推广，EDA工具的PC平台化进展速度十分显著，例如Xilinx公司的Foundation和ISE，Altera公司的MAX＋plusII和QuartusII都是可以在Windows或WindowsNT操作系统中运行的EDA工具。这些基于PC平台的EDA工具包含逻辑设计、仿真、综合和优化等工具，而且价格比较便宜，目前已经得到了十分广泛的应用。 1.3 本论文的主要工作 本论文主要介绍十字路口交通灯控制器的设计。1）主要介绍交通灯控制系统相关技术原理及总体方案设计；2）介绍系统硬件电路设计，包括可编程逻辑器件的发展状况，以及设计方法的介绍，最后重点介绍交通灯控制器的设计；3）交通灯控制器的VHDL设计及仿真，包括接口部的设计，时序脉冲信号的产生等等。