FPGA的智能路灯系统设计
FPGA的智能路灯系统设计[20191223124304]
摘 要
近年来随着城市的发展、道路的拓宽，路灯的数量逐渐增多，由于没有智能化管理造成的负面影响也日益严重。而随着科学技术的飞速发展，计算机技术和通信技术为解决传统路灯带来的一系列问题创造了条件，基于嵌入式系统的智能路灯系统应运而生。
以FPGA为基础设计的智能控制系统具有智能化管理，运营成本低，运行速度快，具有并行串行工作方式，质量稳定，标准产品不需要测试，开发工具功能齐全，成本低，开发周期短，规模类型大，可靠性高等优点，因而能有效应用于设计智能路灯系统。
本课题依据传统路灯运作原理，利用FPGA作为控制核心，通过VHDL语言编程，进行功能模块调用，对路灯进行控制。通过大量实践调试，基本实现了智能控制路灯的功能，达到本课题预定目标。
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关键字:路灯控制FPGAVHDL
目 录
1. 引言 1
1.1 研究现状与发展趋势 1
1.2本课题研究内容 2
2. FPGA软硬件介绍 3
2.1 软件 3
2.1.1 QUARTUSⅡ简介 3
2.1.2 VHDL语言优点 4
2.1.3 系统框图 5
2.2硬件 6
2.2.1 FPGA各个模块功能介绍 6
2.2.1 基本特点 8
2.2.2 型号为Cyclone ep1c3t144n的FPGA最小系统开发板 8
2.2.3 时钟模块简述 9
2.2.4 输入输出模块简述 10
2.2.5 检测模块简述 11
3. 本课题设计分析 12
4. 本课题运行结果 14
4.1 软件仿真结果 14
4.1.1 时钟模块仿真结果及其分析 14
4.1.2 整个系统模块仿真结果及其分析 15
4.1.3 整个系统模块电路图 17
4.2 FPGA路灯智能系统设备结果 19
4.3 结果分析 20
结束语 21
参考文献 22
致谢 23
1. 引言
1.1 研究现状与发展趋势
基于渐渐提高的芯片生产工艺技术水平，FPGA的芯片密度、性能均在不停地提高。二十世纪八十年代末美国的XILINX和ALTER公司选取EECMOS工艺技术，分别推出了大规模类型、超大规模类型的CPLD和FPGA，这种芯片在达到高度集成的同时，与VLSI和LSI电路相比较而言，这种芯片具有无法比拟的多组态功能和应用灵活性。九十年代，FPGA发展速度更快，不但具备点擦除特性，同时还研发了在线编程以及边缘扫描等高级特性。除此之外，在外围I/O扩展模块的影响下，此芯片在系统中的扩展性和应用范围也得到了迅速地提升。
在高吞吐量I/O和高性能计计算应用方面，FPGA取代了专用的DSP芯片，成为最佳的解决方案。FPGA功耗大的缺点也限制了它的发展，所以大量的开发商针对这个缺点开发出新的计数来解决这个问题，而且已经有了[16]十分有用的成果。总而言之，FPGA器件向着更灵活、更强功能、更高集成度和更高速的方向发展，不但已经成为了标准逻辑器件的一个强劲有力的竞争对手，同样成为了掩模式专用集成电路的竞争者，同时也不断取代集成电路。
以FPGA芯片为基础的可编程系统(SOPC)计数正在慢慢走向成熟。SOPC（System On Programmable Chip）在可编程器件领域的应用范围愈来愈广泛。FPGA芯片内部中的微处理器是这种技术的核心。XILINX公司以Power PC为基础设计了针对硬核方面的解决方案。同样ALTERA[16]公司以NIOSⅡ为基础也设计了关于软核的解决方案。与此同时，ALTERA公司为NIOSⅡ软核处理器设计了全部的硬软件解决方案，用户能够轻易地完成SOPC系统的调试工作和构建。
伴随着FPGA芯片密度的不断提高，针对传统HDL代码设计方法的不足，一种新的FPGA设计方法—以IP核为基础的设计方法应运而生。
基于IP库设计的主要工作是找到构建系统需要的IP核，挨下来将这些IP核整合起来，借此完成顶层系统的设计。因为商业化的IP核均是通过了验证的，所以对系统的验证工作和仿真，就是验证IP核的接口逻辑的[16]设计是否正确。
随着商业化的IP库种类会愈来愈全面，专用IP库设计公司的不停增加，商业化的IP库种类会变得愈来愈全面，所支持的FPGA器件类型也将会愈来愈广泛，基于IP核的设计方法将会得到广泛的应用[16]。
现今，国内的研究主要侧重于采用路灯智能控制方式，采用树状式结构，以监控中心作为重点，通过中心将信息发送至监控基站，再由监控基站实行无线通信来控制单灯控制器。单灯控制器即以一个路灯为一个单位通过监控终端来控制灯的开关，并且数据之间具有流通性，具有智能传感器的优点，即称之为智能节点。
监控中心在整个控制系统中处于核心地位，对整个系统包括监控基站及其智能节点的电压，电流，功率，度数等有效参数进行采集极其数据分析并通过表格或者曲线图来表示该系统具体的运作情况，管理人员只需通过图形就能简洁明了的对系统的各位部分进行相应的维护与检修。监控中心具有本地局域网及无线网络通信协议，可以扩展全球定位系统模块，利用其模块可以将设置周围的地形，参数与布线的逻辑关系互相结合，从直观上对该设施进行最有效的管理。
实行远程监控需要网络化通信。其监控系统具有复杂程度高，分布点较多等不利因素。所以从设计的角度来说应当要考虑网络的便捷化及低成本等优点。
综合考虑国内外的发展现状，本课题主要在路灯系统智能化控制的方面进行设计研究，至于通过通信线路进行远程监控的设计，将会在今后的发展过程中逐步完善。
1.2本课题研究内容
本课题的主要研究内容主要包括基于FPGA的智能路灯系统设计的硬件电路设计部分和软件设计部分。
本课题基于FPGA的智能路灯系统设计，通过三个模式工作，三个模式中优先级最高的是光感模式，其次是手动模式，最低的是定时器模式。通过这三个模式，可以科学的调整路灯的点亮时间，更好的节能。光感模式是通过外围光线强度传感器得到光线强度参数来控制路灯的点亮，手动模式是通过基本输出输入来点亮路灯，定时器模式是通过FPGA自身设定的时钟来点亮路灯。系统部分由FPGA最小系统开发板，基本输入输出模块、传感器模块、定时器模块构成。
设计部分的主要完成以下几个方面的工作：
（1） 查找文献资料，理解智能路灯系统的组成。
（2） 将智能路灯控制系统分成各个模块。
（3） 利用MULTISIM和QUARTUSII进行硬件电路的设计以及仿真。通过QUARTUS II进行程序的编写及编译。
（4） 将各个模块有机结合起来，完成调试与校准工作，检测智能路灯系统功能，确定本设计的各方面是否达标。
2. FPGA软硬件介绍
2.1 软件
QUARTUSⅡ的设计环境是可编程逻辑，因为它具有灵活的设计能力和简单易用的接口，倍受设计者的青睐。
2.1.1 QUARTUSⅡ简介
QUARTUSⅡ是ALTERA公司供给的适用于可编程片上系统设计的一个综合开发环境。它是进行SOPC设计的基本条件。ALTEA公司的QUARTUSⅡ设计软件提供了整个多平台设计环境，为SOPC提供全国的设计环境。QUARTUSⅡ软件的设计方案囊括了CPLD和FPGA设计所有阶段。QUARTUSⅡ集成环境含有以下内容：系统级设计，嵌入式软件开发，可编程逻辑器件设计，可编程逻辑器件设计综合，布局和布线，验证和仿真。
QUARTUSⅡ设计工具支持基于VHDL、VHDL VERILOG HDL的设计，QUARTUSⅡ的内部嵌有VHDL、VERILOG HDL逻辑综合器，能够以FPGA的DSP系统为基础进行开发。利用QUARTUSⅡ内嵌的SOPC Builder ,基于NIOSⅡIDE集中开发环境，能够开发NIOSⅡ嵌入式软核处理器。该软件具有下面几个明显的特点：
1、QUARTUS II 的优点
该软件具有界面简洁明了，使用方便，功能众多的特点。它是一个具有完全集成化特性的可编程逻辑设计环境。在整个EDA工具软件中，它是较为先进的。该软件具有模块化工具、丰富的设计库、完全集成化、多平台、与结构无关、开放性等特点，VERILOG HDL、VHDL、支持原理图和多种设计输入形式，内嵌自带的综合器和仿真器。设计输入到硬件配置的完整PLD设计流程可以通过它来完成。
QUARTUS II能够在XP、Linux和Unix操作系统上使用，除能够使用TCL脚本实现设计流程外，还供给了更新过的图形界面设计方法。它拥有易学易用，功能集中，界面统一，运行速度快等特点。
摘 要
近年来随着城市的发展、道路的拓宽，路灯的数量逐渐增多，由于没有智能化管理造成的负面影响也日益严重。而随着科学技术的飞速发展，计算机技术和通信技术为解决传统路灯带来的一系列问题创造了条件，基于嵌入式系统的智能路灯系统应运而生。
以FPGA为基础设计的智能控制系统具有智能化管理，运营成本低，运行速度快，具有并行串行工作方式，质量稳定，标准产品不需要测试，开发工具功能齐全，成本低，开发周期短，规模类型大，可靠性高等优点，因而能有效应用于设计智能路灯系统。
本课题依据传统路灯运作原理，利用FPGA作为控制核心，通过VHDL语言编程，进行功能模块调用，对路灯进行控制。通过大量实践调试，基本实现了智能控制路灯的功能，达到本课题预定目标。
查看完整论文请+Q: 3519,1607,2
关键字:路灯控制FPGAVHDL
目 录
1. 引言 1
1.1 研究现状与发展趋势 1
1.2本课题研究内容 2
2. FPGA软硬件介绍 3
2.1 软件 3
2.1.1 QUARTUSⅡ简介 3
2.1.2 VHDL语言优点 4
2.1.3 系统框图 5
2.2硬件 6
2.2.1 FPGA各个模块功能介绍 6
2.2.1 基本特点 8
2.2.2 型号为Cyclone ep1c3t144n的FPGA最小系统开发板 8
2.2.3 时钟模块简述 9
2.2.4 输入输出模块简述 10
2.2.5 检测模块简述 11
3. 本课题设计分析 12
4. 本课题运行结果 14
4.1 软件仿真结果 14
4.1.1 时钟模块仿真结果及其分析 14
4.1.2 整个系统模块仿真结果及其分析 15
4.1.3 整个系统模块电路图 17
4.2 FPGA路灯智能系统设备结果 19
4.3 结果分析 20
结束语 21
参考文献 22
致谢 23
1. 引言
1.1 研究现状与发展趋势
基于渐渐提高的芯片生产工艺技术水平，FPGA的芯片密度、性能均在不停地提高。二十世纪八十年代末美国的XILINX和ALTER公司选取EECMOS工艺技术，分别推出了大规模类型、超大规模类型的CPLD和FPGA，这种芯片在达到高度集成的同时，与VLSI和LSI电路相比较而言，这种芯片具有无法比拟的多组态功能和应用灵活性。九十年代，FPGA发展速度更快，不但具备点擦除特性，同时还研发了在线编程以及边缘扫描等高级特性。除此之外，在外围I/O扩展模块的影响下，此芯片在系统中的扩展性和应用范围也得到了迅速地提升。
在高吞吐量I/O和高性能计计算应用方面，FPGA取代了专用的DSP芯片，成为最佳的解决方案。FPGA功耗大的缺点也限制了它的发展，所以大量的开发商针对这个缺点开发出新的计数来解决这个问题，而且已经有了[16]十分有用的成果。总而言之，FPGA器件向着更灵活、更强功能、更高集成度和更高速的方向发展，不但已经成为了标准逻辑器件的一个强劲有力的竞争对手，同样成为了掩模式专用集成电路的竞争者，同时也不断取代集成电路。
以FPGA芯片为基础的可编程系统(SOPC)计数正在慢慢走向成熟。SOPC（System On Programmable Chip）在可编程器件领域的应用范围愈来愈广泛。FPGA芯片内部中的微处理器是这种技术的核心。XILINX公司以Power PC为基础设计了针对硬核方面的解决方案。同样ALTERA[16]公司以NIOSⅡ为基础也设计了关于软核的解决方案。与此同时，ALTERA公司为NIOSⅡ软核处理器设计了全部的硬软件解决方案，用户能够轻易地完成SOPC系统的调试工作和构建。
伴随着FPGA芯片密度的不断提高，针对传统HDL代码设计方法的不足，一种新的FPGA设计方法—以IP核为基础的设计方法应运而生。
基于IP库设计的主要工作是找到构建系统需要的IP核，挨下来将这些IP核整合起来，借此完成顶层系统的设计。因为商业化的IP核均是通过了验证的，所以对系统的验证工作和仿真，就是验证IP核的接口逻辑的[16]设计是否正确。
随着商业化的IP库种类会愈来愈全面，专用IP库设计公司的不停增加，商业化的IP库种类会变得愈来愈全面，所支持的FPGA器件类型也将会愈来愈广泛，基于IP核的设计方法将会得到广泛的应用[16]。
现今，国内的研究主要侧重于采用路灯智能控制方式，采用树状式结构，以监控中心作为重点，通过中心将信息发送至监控基站，再由监控基站实行无线通信来控制单灯控制器。单灯控制器即以一个路灯为一个单位通过监控终端来控制灯的开关，并且数据之间具有流通性，具有智能传感器的优点，即称之为智能节点。
监控中心在整个控制系统中处于核心地位，对整个系统包括监控基站及其智能节点的电压，电流，功率，度数等有效参数进行采集极其数据分析并通过表格或者曲线图来表示该系统具体的运作情况，管理人员只需通过图形就能简洁明了的对系统的各位部分进行相应的维护与检修。监控中心具有本地局域网及无线网络通信协议，可以扩展全球定位系统模块，利用其模块可以将设置周围的地形，参数与布线的逻辑关系互相结合，从直观上对该设施进行最有效的管理。
实行远程监控需要网络化通信。其监控系统具有复杂程度高，分布点较多等不利因素。所以从设计的角度来说应当要考虑网络的便捷化及低成本等优点。
综合考虑国内外的发展现状，本课题主要在路灯系统智能化控制的方面进行设计研究，至于通过通信线路进行远程监控的设计，将会在今后的发展过程中逐步完善。
1.2本课题研究内容
本课题的主要研究内容主要包括基于FPGA的智能路灯系统设计的硬件电路设计部分和软件设计部分。
本课题基于FPGA的智能路灯系统设计，通过三个模式工作，三个模式中优先级最高的是光感模式，其次是手动模式，最低的是定时器模式。通过这三个模式，可以科学的调整路灯的点亮时间，更好的节能。光感模式是通过外围光线强度传感器得到光线强度参数来控制路灯的点亮，手动模式是通过基本输出输入来点亮路灯，定时器模式是通过FPGA自身设定的时钟来点亮路灯。系统部分由FPGA最小系统开发板，基本输入输出模块、传感器模块、定时器模块构成。
设计部分的主要完成以下几个方面的工作：
（1） 查找文献资料，理解智能路灯系统的组成。
（2） 将智能路灯控制系统分成各个模块。
（3） 利用MULTISIM和QUARTUSII进行硬件电路的设计以及仿真。通过QUARTUS II进行程序的编写及编译。
（4） 将各个模块有机结合起来，完成调试与校准工作，检测智能路灯系统功能，确定本设计的各方面是否达标。
2. FPGA软硬件介绍
2.1 软件
QUARTUSⅡ的设计环境是可编程逻辑，因为它具有灵活的设计能力和简单易用的接口，倍受设计者的青睐。
2.1.1 QUARTUSⅡ简介
QUARTUSⅡ是ALTERA公司供给的适用于可编程片上系统设计的一个综合开发环境。它是进行SOPC设计的基本条件。ALTEA公司的QUARTUSⅡ设计软件提供了整个多平台设计环境，为SOPC提供全国的设计环境。QUARTUSⅡ软件的设计方案囊括了CPLD和FPGA设计所有阶段。QUARTUSⅡ集成环境含有以下内容：系统级设计，嵌入式软件开发，可编程逻辑器件设计，可编程逻辑器件设计综合，布局和布线，验证和仿真。
QUARTUSⅡ设计工具支持基于VHDL、VHDL VERILOG HDL的设计，QUARTUSⅡ的内部嵌有VHDL、VERILOG HDL逻辑综合器，能够以FPGA的DSP系统为基础进行开发。利用QUARTUSⅡ内嵌的SOPC Builder ,基于NIOSⅡIDE集中开发环境，能够开发NIOSⅡ嵌入式软核处理器。该软件具有下面几个明显的特点：
1、QUARTUS II 的优点
该软件具有界面简洁明了，使用方便，功能众多的特点。它是一个具有完全集成化特性的可编程逻辑设计环境。在整个EDA工具软件中，它是较为先进的。该软件具有模块化工具、丰富的设计库、完全集成化、多平台、与结构无关、开放性等特点，VERILOG HDL、VHDL、支持原理图和多种设计输入形式，内嵌自带的综合器和仿真器。设计输入到硬件配置的完整PLD设计流程可以通过它来完成。
QUARTUS II能够在XP、Linux和Unix操作系统上使用，除能够使用TCL脚本实现设计流程外，还供给了更新过的图形界面设计方法。它拥有易学易用，功能集中，界面统一，运行速度快等特点。
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