陳春先 曲鳴飛 張麗 辛義

【摘要】? ? 本文就校內(nèi)的十字路口，設(shè)計(jì)了基于FPGA的紅綠燈控制系統(tǒng)，該課題采用當(dāng)下比較前沿的技術(shù)FPGA并且可以使得系統(tǒng)具有電路簡單，可靠性強(qiáng)、運(yùn)算速度高的特點(diǎn)。系統(tǒng)通過功能擴(kuò)展、接口擴(kuò)展可同時(shí)控制多個(gè)路口的紅綠燈變換， 并實(shí)現(xiàn)具有根據(jù)需要實(shí)時(shí)快速擦寫應(yīng)用程序的功能，為校園安全增添實(shí)時(shí)保障。

【關(guān)鍵詞】? ? 紅綠燈控制系統(tǒng)? ? FPGA

引言

伴隨社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們的生活質(zhì)量得以較大提高，近乎家家都有小轎車，當(dāng)然校園內(nèi)的大學(xué)生們，也隨著與社會(huì)接軌程度的加深，開車的逐漸增多，加之校園教職工的車輛，校園安全便增加了一項(xiàng)不可忽略的重點(diǎn)，那就是校園車輛的行駛安全，尤其是路口的安全便尤為突出。

為解決上述問題，經(jīng)過調(diào)查研究，本文設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的控制系統(tǒng)，F(xiàn)PGA 具有可編程、高集成度、高速和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，通過配置器件內(nèi)部的邏輯功能和輸入/輸出端口，將原來電路板級(jí)的設(shè)計(jì)放在芯片中進(jìn)行，提高了電路性能，降低了印刷電路板設(shè)計(jì)的工作量和難度，有效提高了設(shè)計(jì)的靈活性和效率。

系統(tǒng)可以根據(jù)校園實(shí)際情況實(shí)時(shí)更換控制功能，比如可以寒暑假期間與學(xué)期間設(shè)置不同的等燈時(shí)長，對(duì)于系統(tǒng)只需要改幾個(gè)數(shù)字重新下載即可，具有較好的可擴(kuò)展性，系統(tǒng)維護(hù)也比較簡單。

一、功能需求及系統(tǒng)組成

1.1功能需求

為保證校園內(nèi)十字路口行人和車輛有序通行， 控制需求如下：

（1）A向B向各設(shè)一組左拐燈，紅、綠、黃燈，顯示順序?yàn)椋壕G—黃—左拐—黃—紅

（2）雙向各設(shè)置一組倒計(jì)時(shí)顯示器

A 向左拐、綠、黃和紅燈顯示時(shí)間分別為10S，40S，5S，50S;

B 向左拐、綠、黃和紅燈顯示時(shí)間分別為10S，30S，5S，60S;

（3） 期望有五種控制模式，可以通過控制開關(guān)進(jìn)行切換，以應(yīng)對(duì)工作日及假期需求

方式1：A向綠燈長亮，B向紅燈亮;

方式2：A向左拐燈長亮，B向紅燈亮;

方式3：B向綠燈長亮，B向紅燈亮;

方式4：B向左拐燈長亮，A向紅燈亮

方式5：自動(dòng)按雙向燈的顯示要求交替循環(huán)。

（4）須有硬件復(fù)位控制

1.2系統(tǒng)組成框圖

根據(jù)需求調(diào)研，該控制系統(tǒng)功能框圖如下圖1所示：

采用FPGA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，不僅可以降低成本，縮短設(shè)計(jì)周期，還能保證設(shè)計(jì)正確性。

二、系統(tǒng)硬件平臺(tái)

設(shè)計(jì)研發(fā)階段，特采用 Basys2開發(fā)板作為硬件平臺(tái)，其中資源足以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)任務(wù)，該平臺(tái)的資源框圖如圖2所示：

賽靈思公司的Spantan3E-100CP132作為控制器，外圍輸入用3個(gè)撥動(dòng)開關(guān)作為方式控制開關(guān)和系統(tǒng)復(fù)位開關(guān)，8只發(fā)光二極管模擬雙向的左轉(zhuǎn)、紅、黃、綠燈，4個(gè)LED數(shù)碼管正好模擬雙向的信號(hào)燈計(jì)時(shí)數(shù)。

三、系統(tǒng)軟件平臺(tái)

Xilinx的 開發(fā)工具ISE，集成了FPGA開發(fā)需要的所有功能，提供了一個(gè)功能強(qiáng)大的設(shè)計(jì)收斂環(huán)境。ISE的主要功能包括設(shè)計(jì)輸入、綜合、 仿真、實(shí)現(xiàn)和 下載。

四、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1交通燈控制器功能設(shè)計(jì)

控制器需要具備控制電路模塊、計(jì)時(shí)模塊、譯碼模塊、動(dòng)態(tài)掃描顯示模塊等，如下圖3所示。

依據(jù)控制器系統(tǒng)框圖，頂層電路設(shè)計(jì)如下所示，由控制模塊JTD_CTRL、 分頻模塊、計(jì)時(shí)模塊和譯碼顯示模塊四部分組成。CLK50M是硬件平臺(tái)提供的50MHz時(shí)鐘源，M（2：0）是控制方式撥動(dòng)開關(guān)輸入，CLR為系統(tǒng)復(fù)位按鍵，輸出信號(hào)ABL（7：0）為信號(hào)燈顯示控制信號(hào)，接8只發(fā)光二極管，模擬AB雙向的左拐、黃、綠、紅燈，LED（6：0）為7段LED的段選控制信號(hào)，SEL（3：0）為4個(gè)LED的位選控制端。

4.2邏輯控制電路

該模塊根據(jù)外部信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)，控制其它模塊協(xié)調(diào)工作。

自動(dòng)模式下，狀態(tài)機(jī)生成8個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換，八個(gè)狀態(tài)S0—S7邏輯抽象如下：

S0（000）：A向紅燈，B向黃燈5s; S1（001）：A向綠燈40s，B向紅燈; S2（010）：A向黃燈5S，B向紅燈; S3（011）：A向左轉(zhuǎn)燈10s，B向紅燈; S4（010）：A向黃燈5S，B向紅燈; S5（011）：A向紅燈，B向綠燈30s; S6（110）：A向紅燈，B向黃燈5s; S7（111）：A向紅燈，B向左轉(zhuǎn)燈10s;

手動(dòng)模式下，狀態(tài)機(jī)生成4個(gè)狀態(tài)，分別是 S1、 S3、 S5 、S7。

4.3分頻

該模塊根據(jù)平臺(tái)提供的50MHz時(shí)鐘信號(hào)，分頻出1KHz和1Hz，1Hz時(shí)鐘信號(hào)給控制模塊和計(jì)時(shí)模塊，1KHz時(shí)鐘信號(hào)給顯示控制模塊，動(dòng)態(tài)掃描4個(gè)LED數(shù)碼管

4.4計(jì)時(shí)控制

該模塊根據(jù)分頻提供的1Hz時(shí)鐘信號(hào)，減1計(jì)數(shù)，為顯示電路提供倒計(jì)時(shí)時(shí)間，每種狀態(tài)下的倒計(jì)時(shí)時(shí)間見前文中狀態(tài)的邏輯抽象。

4.5掃描顯示

該模塊對(duì)計(jì)時(shí)單元輸出的計(jì)時(shí)信號(hào)進(jìn)行譯碼，生成段選碼和位選碼，分頻單元輸出的1KHz時(shí)鐘信號(hào)對(duì)4位數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描。

4.6掃描顯示

該模塊對(duì)計(jì)時(shí)單元輸出的計(jì)時(shí)信號(hào)進(jìn)行譯碼，生成段選碼和位選碼，分頻單元輸出的1KHz時(shí)鐘信號(hào)對(duì)4位數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描。

4.7譯碼驅(qū)動(dòng)

該模塊對(duì)邏輯控制單元輸出的狀態(tài)機(jī)進(jìn)行譯碼，生成A向和B向紅綠黃燈的顯示信號(hào)，輸出的信號(hào)ABL7-ABL0與燈的對(duì)應(yīng)A向左轉(zhuǎn)、A向黃燈、A向綠燈、A向紅燈、B向左轉(zhuǎn)、B向黃燈、B向綠燈、B向紅燈

五、 綜合驗(yàn)證

軟件平臺(tái)提供的綜合工具可以對(duì)設(shè)計(jì)文件查找語法錯(cuò)誤，修正之后，對(duì)部分模塊進(jìn)行仿真測(cè)試，驗(yàn)證邏輯功能符合設(shè)計(jì)需求。

六、約束設(shè)計(jì)、布局布線、生成可編程代碼、下載、測(cè)試、修正

結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)輸入輸出和選定的硬件測(cè)試平臺(tái)BASYS2， 資源分布完成后，布局布線，生成.bit文件，下載到硬件平臺(tái)，功能測(cè)試并調(diào)試設(shè)計(jì)過程，本設(shè)計(jì)經(jīng)測(cè)試，完全可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)預(yù)期。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1] 蔣敏.VHDL語言與數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì). 應(yīng)用科技.2010

[2] 羅勇. 基于FPGA的交通燈控制與實(shí)現(xiàn). 電子器件.2008.

[3] 蔣敏. VHDL語言與數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì). 應(yīng)用科技，2010.