基于FPGA的校內十字路口紅綠燈控制系統設計實現

陳春先 曲鳴飛 張麗 辛義

【摘要】? ? 本文就校內的十字路口，設計了基于FPGA的紅綠燈控制系統，該課題采用當下比較前沿的技術FPGA并且可以使得系統具有電路簡單，可靠性強、運算速度高的特點。系統通過功能擴展、接口擴展可同時控制多個路口的紅綠燈變換， 并實現具有根據需要實時快速擦寫應用程序的功能，為校園安全增添實時保障。

【關鍵詞】? ? 紅綠燈控制系統? ? FPGA

引言

伴隨社會經濟的不斷發展，人們的生活質量得以較大提高，近乎家家都有小轎車，當然校園內的大學生們，也隨著與社會接軌程度的加深，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不可忽略的重點，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，經過調查研究，本文設計了一種基于FPGA的控制系統，FPGA 具有可編程、高集成度、高速和高可靠性等優點，通過配置器件內部的邏輯功能和輸入/輸出端口，將原來電路板級的設計放在芯片中進行，提高了電路性能，降低了印刷電路板設計的工作量和難度，有效提高了設計的靈活性和效率。

系統可以根據校園實際情況實時更換控制功能，比如可以寒暑假期間與學期間設置不同的等燈時長，對于系統只需要改幾個數字重新下載即可，具有較好的可擴展性，系統維護也比較簡單。

一、功能需求及系統組成

1.1功能需求

為保證校園內十字路口行人和車輛有序通行， 控制需求如下：

（1）A向B向各設一組左拐燈，紅、綠、黃燈，顯示順序為：綠—黃—左拐—黃—紅

（2）雙向各設置一組倒計時顯示器

A 向左拐、綠、黃和紅燈顯示時間分別為10S，40S，5S，50S;

B 向左拐、綠、黃和紅燈顯示時間分別為10S，30S，5S，60S;

（3） 期望有五種控制模式，可以通過控制開關進行切換，以應對工作日及假期需求

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：自動按雙向燈的顯示要求交替循環。

（4）須有硬件復位控制

1.2系統組成框圖

根據需求調研，該控制系統功能框圖如下圖1所示：

采用FPGA設計實現，不僅可以降低成本，縮短設計周期，還能保證設計正確性。

二、系統硬件平臺

設計研發階段，特采用 Basys2開發板作為硬件平臺，其中資源足以實現設計任務，該平臺的資源框圖如圖2所示：

賽靈思公司的Spantan3E-100CP132作為控制器，外圍輸入用3個撥動開關作為方式控制開關和系統復位開關，8只發光二極管模擬雙向的左轉、紅、黃、綠燈，4個LED數碼管正好模擬雙向的信號燈計時數。

三、系統軟件平臺

Xilinx的 開發工具ISE，集成了FPGA開發需要的所有功能，提供了一個功能強大的設計收斂環境。ISE的主要功能包括設計輸入、綜合、 仿真、實現和 下載。

四、控制系統設計

4.1交通燈控制器功能設計

控制器需要具備控制電路模塊、計時模塊、譯碼模塊、動態掃描顯示模塊等，如下圖3所示。

依據控制器系統框圖，頂層電路設計如下所示，由控制模塊JTD_CTRL、 分頻模塊、計時模塊和譯碼顯示模塊四部分組成。CLK50M是硬件平臺提供的50MHz時鐘源，M（2：0）是控制方式撥動開關輸入，CLR為系統復位按鍵，輸出信號ABL（7：0）為信號燈顯示控制信號，接8只發光二極管，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，SEL（3：0）為4個LED的位選控制端。

4.2邏輯控制電路

該模塊根據外部信號產生系統狀態機，控制其它模塊協調工作。

自動模式下，狀態機生成8個狀態轉換，八個狀態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向左轉燈10s;

手動模式下，狀態機生成4個狀態，分別是 S1、 S3、 S5 、S7。

4.3分頻

該模塊根據平臺提供的50MHz時鐘信號，分頻出1KHz和1Hz，1Hz時鐘信號給控制模塊和計時模塊，1KHz時鐘信號給顯示控制模塊，動態掃描4個LED數碼管

4.4計時控制

該模塊根據分頻提供的1Hz時鐘信號，減1計數，為顯示電路提供倒計時時間，每種狀態下的倒計時時間見前文中狀態的邏輯抽象。

4.5掃描顯示

該模塊對計時單元輸出的計時信號進行譯碼，生成段選碼和位選碼，分頻單元輸出的1KHz時鐘信號對4位數碼管動態掃描。

4.6掃描顯示

該模塊對計時單元輸出的計時信號進行譯碼，生成段選碼和位選碼，分頻單元輸出的1KHz時鐘信號對4位數碼管動態掃描。

4.7譯碼驅動

該模塊對邏輯控制單元輸出的狀態機進行譯碼，生成A向和B向紅綠黃燈的顯示信號，輸出的信號ABL7-ABL0與燈的對應A向左轉、A向黃燈、A向綠燈、A向紅燈、B向左轉、B向黃燈、B向綠燈、B向紅燈

五、 綜合驗證

軟件平臺提供的綜合工具可以對設計文件查找語法錯誤，修正之后，對部分模塊進行仿真測試，驗證邏輯功能符合設計需求。

六、約束設計、布局布線、生成可編程代碼、下載、測試、修正

結合系統設計輸入輸出和選定的硬件測試平臺BASYS2， 資源分布完成后，布局布線，生成.bit文件，下載到硬件平臺，功能測試并調試設計過程，本設計經測試，完全可以實現設計預期。

參? 考? 文? 獻

[1] 蔣敏.VHDL語言與數字系統的設計. 應用科技.2010

[2] 羅勇. 基于FPGA的交通燈控制與實現. 電子器件.2008.

[3] 蔣敏. VHDL語言與數字系統的設計. 應用科技，2010.