基于FPGA的智能交通燈的設(shè)計(jì)9943264337

1、第1章 緒 論1.1 交通控制系統(tǒng)以及交通紅綠燈控制電路的發(fā)展現(xiàn)狀 隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市交通問題越來越引起人們的關(guān)注。出行交通的協(xié)調(diào)，已成為交通管理部門需要解決的重要問題之一。城市交通控制系統(tǒng)是用于城市交通數(shù)據(jù)監(jiān)測、交通信號燈控制與交通疏導(dǎo)的計(jì)算機(jī)綜合管理系統(tǒng)，它是現(xiàn)代城市交通監(jiān)控指揮系統(tǒng)中最重要的組成部分。 隨著城市機(jī)動(dòng)車量的不斷增加，許多城市出現(xiàn)了交通超負(fù)荷運(yùn)行的情況，因此，自80年代后期，這些城市紛紛修建城市高速道路，在高速道路建設(shè)完成的初期，它們也曾有效地改善了交通狀況。然而，隨著交通量的快速增長和缺乏對高速道路的系統(tǒng)研究和控制，高速道路沒有充分發(fā)揮出預(yù)期的作用。而城市高速道路在構(gòu)

2、造上的特點(diǎn)，也決定了城市高速道路的交通狀況必然受高速道路與普通道路耦合處交通狀況的制約。所以，如何采用合適的控制方法，最大限度利用好耗費(fèi)巨資修建的城市高速道路，緩解主干道與匝道、城區(qū)同周邊地區(qū)的交通擁堵狀況，越來越成為交通運(yùn)輸管理和城市規(guī)劃部門亟待解決的主要問題。 車輛的數(shù)量持續(xù)增加，不斷新建道路已不能很好地解決交通擁堵的現(xiàn)狀，這還需要好的交通疏導(dǎo)，但交通的問題日益突出，單單依靠人力來指揮交通已經(jīng)不可行了,所以，設(shè)計(jì)交通燈來完成這個(gè)需求就顯保十字路口的行人和車輛順利、暢通地通過,往往采用電子控制的交通信號來進(jìn)行指揮。智能交通紅綠燈控制電路是用于城市交通疏導(dǎo)的管理系統(tǒng)，它是現(xiàn)代城市交通監(jiān)控指揮系

3、統(tǒng)中最重要的組成部分。智能的交通信號燈指揮著人和各種車輛的安全運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)紅、黃、綠燈的自動(dòng)指揮是城鄉(xiāng)交通管理現(xiàn)代化的重要課題.在城鄉(xiāng)街道的十字交叉路口,為了保證交通秩序和行人安全,一般在每條道路上各有一組紅、黃、綠交通信號燈.交通燈控制電路自動(dòng)控制十字路口兩組紅、黃、綠交通燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)換,指揮各種車輛和行人安全通行,實(shí)現(xiàn)十字路口城鄉(xiāng)交通管理自動(dòng)化.1.2 智能交通紅綠燈控制電路技術(shù)的現(xiàn)狀 通信號控制系統(tǒng)大體上分為三種類型：定周期的信號機(jī)、多時(shí)段且具有無電纜協(xié)調(diào)功能的微電腦型信號機(jī)以及聯(lián)網(wǎng)式自適應(yīng)多相位智能型信號機(jī)。具體采用哪種類型，應(yīng)根據(jù)其應(yīng)用場合及特點(diǎn)加以確定。其中，第一種類型以其成本低，設(shè)計(jì)

4、簡單，安裝及維護(hù)方便等特點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用。本文討論的城鄉(xiāng)交通燈控制系統(tǒng)就屬于該種類型。而隨著各種控制器件的推出，交通燈控制電路得以更易實(shí)現(xiàn)并趨向智能化。 交通燈控制系統(tǒng)主要由時(shí)間發(fā)生器電路、光電檢測電路、控制電路等幾個(gè)部分組成。 目前設(shè)計(jì)交通燈的方案有很多，有應(yīng)用CPLD設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)交通信號燈控制器方法;有應(yīng)用PLC實(shí)現(xiàn)對交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì);有應(yīng)用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對交通信號燈設(shè)計(jì)的方法。目前，國內(nèi)的交通燈一般設(shè)在十字路門，在醒目位置用紅、綠、黃三種顏色的指示燈。加上一個(gè)倒計(jì)時(shí)的顯示計(jì)時(shí)器來控制行車。對于一般情況下的安全行車，車輛分流尚能發(fā)揮作用，但根據(jù)實(shí)際行車過程中出現(xiàn)的情況，還存在以下缺點(diǎn)：1兩車道

5、的車輛輪流放行時(shí)間相同且固定， 在十字路口，經(jīng)常一個(gè)車道為主干道，車輛較多，放行時(shí)間應(yīng)該長些；另一車道為副干道，車輛較少，放行時(shí)間應(yīng)該短些。2沒有考慮緊急車通過時(shí)，兩車道應(yīng)采取的措施，臂如，消防車執(zhí)行緊急任務(wù)通過時(shí)，兩車道的車都應(yīng)停止，讓緊急車通過。這些控制方法的功能修改及調(diào)試都需要硬件電路的支持，在一定程度上增加了功能修改及系統(tǒng)調(diào)試的困難。1.3 選題意義伴隨著社會的發(fā)展以及人類生活水平的提高,汽車的數(shù)量在迅速增加。DEA技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大與深入，EDA技術(shù)在電子信息，通信，自動(dòng)，控制及計(jì)算機(jī)應(yīng)用等領(lǐng)域的重要性日益突出。隨著技術(shù)市場與人才市場對DEA的不斷的增加,交通的問題日益突出，

6、單單依靠人力來指揮交通已經(jīng)不可行了,所以，設(shè)計(jì)交通燈來完成這個(gè)需求就顯的越加迫切了.為了確保十字路口的行人和車輛順利、暢通地通過,往往采用電子控制的交通信號來進(jìn)行指揮。以下就是運(yùn)用數(shù)字電子設(shè)計(jì)出的交通燈：其中紅燈亮,表示該條路禁止通行；黃燈亮表示停車；綠燈亮表示允許通行。因此，在設(shè)計(jì)中采用EDA技術(shù)，應(yīng)用目前廣泛應(yīng)用的VHDL硬件電路描述語言，實(shí)現(xiàn)交通燈系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)，利用Multisim8集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行綜合、仿真，并下載到CPLD可編程邏輯器件中，完成系統(tǒng)的控制作用。 1.4 本設(shè)計(jì)的工作1、任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)交通紅綠燈控制電路。 2、要求（1）設(shè)東、西方向?yàn)橹髀?、南、北方向?yàn)檩o路；（2）當(dāng)東

7、、西方向綠燈亮（表示允許東西方向本輛直行或左拐能過十字路口），南、北方向亮紅燈，反之，當(dāng)南、北方向綠燈時(shí)，東、西方向應(yīng)亮紅燈；（3）采用超聲波自動(dòng)檢（必需完成部分）（可采用CD4046BE鎖相環(huán)作為接收處理模塊）測交通狀況并產(chǎn)生控制信號對信號燈進(jìn)行控制，東、西方或南、北方向紅綠信號應(yīng)能每隔一定時(shí)間交替地顯示；當(dāng)主路綠燈后，若此時(shí)輔路無車時(shí)，綠燈時(shí)間最短不超少于40S；當(dāng)輔路方向綠燈后，若此時(shí)主路無車時(shí)，綠燈時(shí)間最長不超過25S；（4）在交替之前，從第1S開始黃燈應(yīng)以1Hz頻率閃動(dòng)至交替結(jié)束，交替時(shí)間為5S；（5）有倒計(jì)時(shí)顯示功能。（6）確定調(diào)試方案，選擇測試儀器；（7）安裝電路和調(diào)試電路達(dá)到設(shè)

8、計(jì)要求。第2章 硬件部分簡介2.1 具體方案論證與設(shè)計(jì) 主控?cái)?shù)字部分采用CPLD控制方案1：根據(jù)原理框圖，使用分立的外圍元件采用555時(shí)基電路做成1Hz時(shí)基電路和40kHz超聲波信號產(chǎn)生器。555定時(shí)器是一種雙極型模擬數(shù)字兼容的集成器件，只需在其外部配上少量的阻容元件，就可以構(gòu)成單穩(wěn)觸發(fā)器、多諧振蕩器、施密特觸發(fā)器等脈沖電路。由于它使用靈活、方便，電源范圍大，因而廣泛地應(yīng)用在波形產(chǎn)生、變換、測量與控制等方面。以下為NE555管腳圖及內(nèi)部原理圖常譯碼器采用的是七段字型譯碼器，其作用是將輸入的4位BCD碼DCBA譯成與其對應(yīng)的七段字型輸出，用于驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，顯示從0-9的數(shù)字。本實(shí)驗(yàn)采用74LS47

9、譯碼器，用來驅(qū)動(dòng)共陰極的發(fā)光二極管顯示器。中規(guī)模集成電路74LS47，是一種常用的七段顯示譯碼器，該電路的輸出為低電平有效，即輸出為0時(shí)，對應(yīng)字段點(diǎn)亮；輸出為1時(shí)對應(yīng)字段熄滅。該譯碼器能夠驅(qū)動(dòng)七段顯示器顯示015共16個(gè)數(shù)字的字形。輸入A3、A2、A1和A0接收4位二進(jìn)制碼，輸出Qa、Qb、Qc、Qd、Qe、Qf和Qg分別驅(qū)動(dòng)七段顯示器的a、b、c、d、e、f和g段。方案2：采用Verilog語言編寫智能交通燈中計(jì)數(shù)部分控制部分以及譯碼部分，然后下載到芯片CPLD中，加上分頻和超聲波電路就可以實(shí)現(xiàn)其功能。由于采用VHDL語言編寫程序時(shí)CPLD片內(nèi)資源不夠用，于是部分分頻則由外部電路輔助完成。超

10、聲波電路經(jīng)測試，采用COX20106的信號處理電路一般用于測距電路，如若只用其信號作為檢測信號，信號的處理會比較的復(fù)雜，不便于調(diào)試。因?yàn)樾盘栔皇怯脕頇z測車輛的有無，故采用鎖相環(huán)電路來實(shí)現(xiàn)超聲波車輛的檢測。2.2 主控芯片的簡介CPLD是從PAL和GAL器件發(fā)展出來的器件，相對而言規(guī)模大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，屬于大規(guī)模集成電路范圍。是一種用戶根據(jù)各自需要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路。其基本設(shè)計(jì)方法是借助集成開發(fā)軟件平臺，用原理圖、硬件描述語言等方法，生成相應(yīng)的目標(biāo)文件，通過下載電纜（“在系統(tǒng)”編程）將代碼傳送到目標(biāo)芯片中，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的數(shù)字系統(tǒng)。CPLD主要是由可編程邏輯宏單元(MC，Macro Cell

11、)圍繞中心的可編程互連矩陣單元組成。其中MC結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，并具有復(fù)雜的I/O單元互連結(jié)構(gòu)，可由用戶根據(jù)需要生成特定的電路結(jié)構(gòu)，完成一定的功能。由于CPLD內(nèi)部采用固定長度的金屬線進(jìn)行各邏輯塊的互連，所以設(shè)計(jì)的邏輯電路具有時(shí)間可預(yù)測性，避免了分段式互連結(jié)構(gòu)時(shí)序不完全預(yù)測的缺點(diǎn)。器件特點(diǎn)：它具有編程靈活、集成度高、設(shè)計(jì)開發(fā)周期短、適用范圍寬、開發(fā)工具先進(jìn)、設(shè)計(jì)制造成本低、對設(shè)計(jì)者的硬件經(jīng)驗(yàn)要求低、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品無需測試、保密性強(qiáng)、價(jià)格大眾化等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的電路設(shè)計(jì)，因此被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品的原型設(shè)計(jì)和產(chǎn)品生產(chǎn)(一般在10,000件以下)之中。幾乎所有應(yīng)用中小規(guī)模通用數(shù)字集成電路的場合均可應(yīng)用CPLD器

12、件。CPLD器件已成為電子產(chǎn)品不可缺少的組成部分，它的設(shè)計(jì)和應(yīng)用成為電子工程師必備的一種技能。電路如下EPM240芯片EPM240電源JTAG及晶振EPM240,數(shù)碼管EPM240排針印制電路板第3章 智能交通燈控制電路原理3.1 智能交通燈控制電路原理框圖分頻電路(分成4K)CD4046BE 超聲波信號檢測（車輛檢測）紅、綠、黃燈七段數(shù)碼時(shí)鐘顯示CPLD主控電路（譯碼、控制） 3.2 主控電路 采用CPLD開發(fā)板來實(shí)現(xiàn)，其中可以用程序?qū)崿F(xiàn)時(shí)基電路，5秒、25秒、50秒的定時(shí)，以及信號處理，譯碼驅(qū)動(dòng)等功能。3.3 超聲波自動(dòng)檢測電路超聲波簡介超聲檢測是指用超聲波來檢測材料和工件、并以超聲檢測儀

13、作為顯示方式的一種無損檢測方法。超聲檢測是利用超聲波的眾多特性（如反射和衍射），通過觀察顯示在超聲檢測儀上的有關(guān)超聲波在被檢材料或工件中發(fā)生的傳播變化，來判定被檢材料和工件的內(nèi)部和表面是否存在缺陷，從而在不破壞或不損害被檢材料和工件的情況下，評估其質(zhì)量和使用價(jià)值。     超聲波是頻率大于 20 kHz 的一種機(jī)械波（相對于頻率范圍在 20 Hz 20 kHz 的聲波而言）。超聲檢測用的超聲波，其頻率范圍一般在 0.25 MHz 15 MHz 之間。用于金屬材料超聲檢測的超聲波，其頻率范圍通常在 0.5 MHz 10 MHz 之間；而用于普通鋼

14、鐵材料超聲檢測的超聲波，其頻率范圍通常為 1 MHz 5 MHz。    超聲波具有眾多與眾不同的特性，如：聲束指向性好（能量集中）；聲壓聲強(qiáng)大（能量高），傳播距離遠(yuǎn)；穿透能力強(qiáng)；在界面處會產(chǎn)生反射、透射（或折射）和波型轉(zhuǎn)換，以及產(chǎn)生衍射等。如下原理圖，采用CD4046BE作為接收處理模塊。先由4M的晶振產(chǎn)生40Khz的信號，然后經(jīng)過信號的處理驅(qū)動(dòng)LST發(fā)射出車輛檢測信號，然后通過另一端LSR接受超聲波信號，當(dāng)有車通過路口時(shí)，在SIGNA IN就會輸出一個(gè)低電平信號至CPLD主控電路超聲波發(fā)送信號電路：超聲波接收信號電路：當(dāng)超聲波探頭沒有遇到障礙物時(shí)14

15、腳的頻率波形如下：當(dāng)超聲波探頭遇到了障礙物時(shí)的14腳的頻率波形如下：有關(guān)鎖相環(huán)CD4046BE的介紹：3.4 分頻電路用三個(gè)74LS163將一個(gè)4M的晶振分成4K的頻率74LS04：74LS00：Verilog編寫程序如下：/ 程序說明開始/ =/ 功能： 通過超聲波探測返回信號，對十字路口的交通燈實(shí)施智能控制/ 參數(shù)： en, clk, lampm, lampn, msignal, nsignal,segout,bitout/ 輸入?yún)?shù)： en,clk,msignal,nsignal/ 輸出參數(shù)： lampm，lampn,segout,bitout/ 主要思路： 本設(shè)計(jì)分為設(shè)置各亮燈時(shí)間，設(shè)

16、置亮燈順序并實(shí)行減法計(jì)數(shù)，最后顯示倒計(jì)時(shí)時(shí)間和各種燈，在探測信號發(fā)生變化時(shí)會有新的計(jì)時(shí)時(shí)間/ 日期： 2009/9/ 版本：/ 程序編寫人員：/ 程序測試記錄：/ =/ 模塊說明結(jié)束module traffic(en, clk, lampm, lampn, msignal, nsignal,segout,bitout);input en , nsignal , msignal ; /定義兩條路的探測信號input clk; /時(shí)鐘信號50Moutput2 :0 lampm , lampn ; /定義燈的輸出output3 :0 segout ; /數(shù)碼管輸出位選output6 :0 bitou

17、t ; /數(shù)碼管輸出段選reg 2 : 0 lampm ,lampn ;reg 31 : 0 clk_for_1HZ ; reg clk_1HZ ; /將50M信號分頻至1HZreg 6 : 0 moutg , mouts , noutg , nouts ;reg 7 : 0 numm , numn ;reg tempm = 0 , tempn = 0 ;reg 1 : 0 countm = 2'b00 , countn = 2'b00 ; /兩路狀態(tài)變量reg 7 : 0 mred , mgreen , myellow, nred, ngreen, nyellow; /各燈亮

18、時(shí)間/task shown;input3:0 in;output6:0 out;begin case(in) / 數(shù)碼管譯碼輸出0 : out = 7'b0000001 ; 1 : out = 7'b1001111 ;2 : out = 7'b0010010 ;3 : out = 7'b0000110 ;4 : out = 7'b1001100 ;5 : out = 7'b0100100 ; 6 : out = 7'b0100000 ;7 : out = 7'b0001111 ;8 : out = 7'b0000000 ;

19、9 : out = 7'b0000100 ; default : out <= 7'bzzzzzzz ; endcaseendendtask/ always (numm or numn) begin shown(numm3:0,moutg); / 調(diào)用函數(shù)shown，輸出顯示譯碼 shown(numm7:4,mouts); shown(numn3:0,noutg); shown(numn7:4,nouts); end/always (posedge clk) begin /1HZ的分頻程序 if (clk_for_1HZ = 32'd25_000_000) beg

20、in clk_for_1HZ = 32'd0 ; clk_1HZ = clk_1HZ ; end else clk_for_1HZ = clk_for_1HZ + 1 ; end/LED inst_shuma (.D1(moutg) , .D2(mouts) , .D3(noutg) , / 調(diào)用shuma實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)掃描 .D4(nouts) , .clk(clk) , .segout(segout) , .bitout(bitout) ); /=/功能：交通燈的工作邏輯，兩路亮燈對應(yīng)為 主路 輔路/ 綠 30s 紅 35s/ 黃 5s 紅/ 紅 20s 綠 15s/ 紅 黃 5s/ 在

21、探測到信號時(shí)執(zhí)行新的時(shí)序 /=always (posedge clk_1HZ) begin /主路邏輯 if(!en) begin if(!tempm) /減法計(jì)數(shù)控制，為0時(shí)輸入計(jì)數(shù)初值 begin tempm <= 1; /啟動(dòng)減法計(jì)數(shù)，等待置數(shù) if(countn = 2'b00 && countm = 2'b00) begin if(nsignal = 0) mgreen <= 8'b0101_0000 ; else mgreen <= 8'b0011_0000 ; if(msignal = 0) mred <=

22、8'b0011_0000 ; else mred <= 8'b0010_0000 ; myellow<= 8'b0000_0101 ; end case(countm) / 設(shè)置主路亮燈秩序 2'b00: begin numm <= mgreen; /有車執(zhí)行既定的30S綠燈時(shí)間lampm <= 3'b101; /亮綠燈countm <= 2'b01; /轉(zhuǎn)至下一狀態(tài) end 2'b01: begin numm <= myellow; lampm <= 3'b110;countm <

23、= 2'b10; end /黃燈時(shí)間維持不變 2'b10: begin numm <= mred; /有車信號執(zhí)行既定時(shí)間 lampm <= 3'b011; /亮紅燈countm <= 2'b00; /返回至初始狀態(tài) enddefault: begin numm <= mgreen; lampm <= 3'b101; countm <= 2'b01; end /出錯(cuò)亮紅燈 endcase end else begin / tempm = 1進(jìn)行減法計(jì)數(shù) if(numm > 1) if(numm3:0=0)

24、 begin numm3:0 <= 4'b1001; /十進(jìn)制的減法計(jì)數(shù) numm7:4 <= numm7:4-4'd1; end else numm3:0 <= numm3:0-4'd1; if(numm = 2) tempm<=0; /減法計(jì)數(shù)到2，開始置數(shù)； end end else begin /en無效亮紅燈，計(jì)數(shù)初值為0，等待置數(shù) lampm <= 3'b100; countm <= 0; tempm <= 0; endend / end always模塊/always (posedge clk_1HZ) b

25、egin /輔路邏輯 if(!en) begin if(!tempn) /減法計(jì)數(shù)控制，為0時(shí)輸入計(jì)數(shù)初值 begin tempn<=1; /啟動(dòng)減法計(jì)數(shù)，等待置數(shù) if (countn = 2'b00 && countm = 2'b00 )beginif(nsignal = 0) nred <= 8'b0101_0101 ; elsenred <= 8'b0011_0101 ;if(msignal = 0)ngreen <= 8'b0010_0101 ;elsengreen <= 8'b0001_0

26、101 ;nyellow<= 8'b0000_0101 ;end case(countn) 2'b00: begin numn <= nred; /有車執(zhí)行既定的35S紅燈時(shí)間 lampn <= 3'b011; /亮紅燈countn<= 2'b01; /轉(zhuǎn)下一狀態(tài) end 2'b01: begin numn <= ngreen; /否則執(zhí)行既定時(shí)間15Slampn <= 3'b101; /亮綠燈countn <= 2'b10; /轉(zhuǎn)下一狀態(tài) end 2'b10: begin numn &l

27、t;= nyellow; /維持黃燈時(shí)間不變lampn <= 3'b110 ;countn <= 2'b00 ; end default: begin numn <= nred; lampn <= 3'b011;countn<= 2'b01; end /出錯(cuò)亮紅燈 endcase end / 進(jìn)行減法計(jì)數(shù) else begin if(numn >1) if(!numn3:0) beginnumn3:0 <= 4'b1001; numn7:4<=numn7:4-4'd1; end else numn3

28、:0 <= numn3:0-4'd1; if (numn = 2) tempn <= 0; end end else begin lampn <=3'b100; tempn <=0; countn <=0; endend / end always模塊/endmodule/ =/ LED動(dòng)態(tài)掃描verilog 代碼，D14為數(shù)碼管輸入/ 2009/9 By duan wen/ =module LED(clk , segout , bitout , D1 , D2 , D3 , D4);input clk ; / 時(shí)鐘信號50Minput 6 : 0 D1 , D2 , D3 , D4 ; / 輸入信號output 3 : 0 segout ; / 輸出位選output 6 : 0 bitout ; / 輸出段選reg 3 : 0 segout ;reg 6 : 0 bitout ;reg 14 : 0 count_for_clk ; /延時(shí)計(jì)數(shù)器always (posedge clk) begin /延時(shí)程序 count_for_clk <= count_for_clk + 14'd1 ;