基于FPGA的交通控制燈設計

郭昭利 張哲 曾健 王彥博 段品凡 王穎

摘要：為實現智能交通控制燈的功能，以FPGA應用設計為基礎，使用Verilog HDL 語言編寫并且使用Quartus Ⅱ進行仿真。本設計包含主控模塊、電源模塊、時鐘模塊、LED顯示模塊，實現設計功能且驗收效果良好。

關鍵詞：FPGA；Verilog；Quartus Ⅱ

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2019）06-0252-01

在當今社會上，車流量的高速增長，加重了交通安全事故的發生，人、車、路三者之間的協調關系成為交通部門首要難題。而一個智能控制的交通燈能有效地控制車流量，減少交通事故的發生。

1 原理

1.1 FPGA簡介

FPGA（Field-Programmable Gate Array），即現場可編程門陣列，它于80年代中期Xilinx推出，是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發展的產物。FPGA是作為專用集成電路（ASIC）領域中的一種半定制電路而出現的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數有限的缺點。FPGA以并行運算為主，以硬件描述語言來實現；相比于PC或單片機（無論是馮諾依曼結構還是哈佛結構）的順序操作有很大區別，FPGA開發需要從頂層設計、模塊分層、邏輯實現、軟硬件調試等多方面著手。

1.2 主控模塊介紹

主控模塊使用Verilog HDL 語言編寫，并用Quartus Ⅱ仿真，模擬交通十字路口的紅綠燈使用情況。

2 總體設計

3 仿真

主控模塊為整個設計的核心，其仿真圖如下：

上圖CPA為分頻器輸出1秒的時鐘脈沖，CPB在5個時鐘脈沖后置1，并累加一次。此時執行狀態0：R2、G1為1，其他為0，持續4個CPB脈沖；當CPB第5個脈沖來臨時，執行狀態1：R2為1，G1閃爍，其他為0，持續1個CPB脈沖；當CPB第6個脈沖來到，執行狀態2：R2、Y1為1，其他為0，持續1個CPB脈沖；當CPB第7個脈沖來到，執行狀態3：G2、R1為1，其他為0，持續4個CPB脈沖；當CPB第11個脈沖來到時，執行狀態4：R1為1，G2閃爍，其他為0，持續1個CPB脈沖；當CPB第12個脈沖來臨時，執行狀態5：Y2、R1為1，其他為0，持續1個CPB脈沖，后返回狀態1重復執行。

4 驗收

根據設計要求交通控制系統的各個干道都有紅綠黃三色指示燈，并實現其交替閃爍，其中東西方向干道用R1、Y1、G1示意，南北方向干道用R2、Y2、G2示意驗收表如下：

5 總結

本設計采用Verilog HDL 語言編寫，進行分層設計，實現紅綠黃三種指示燈的交替點亮。通過本次的學習我進一步加深了對電子產品設計的了解。并能夠較為熟練地對QuartusII軟件進行操作。在編寫程序的過程中，雖然遇到了很多問題，但通過與同學探討和請教老師，最終成功地把問題都解決了，并加深了對交通燈原理和設計思路的認知。同時也掌握了做課程設計的一般流程，為以后的設計積累了一定的經驗。總之，通過本次的設計，較系統地了解EDA技術，收獲頗大，對軟件編程、調試排錯及相關儀器設備的使用等方面得到較全面的鍛煉與提高。

參考文獻：

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[3] 吳延海.EDA技術及應用[M].陜西：西安電子科技大學出版社，2012.

【通聯編輯：唐一東】