fpga的十字路口交通信号灯控制系统设计(附件)【字数：16334】
摘 要摘 要十字路口车辆穿梭，行人熙攘，有条不紊，需要交通信号灯的有序控制。随着现代城市规模不断扩大和高速发展，交通堵塞和交通事故频繁发生，致使城市有序通行的压力愈发严重，因此十分有必要研究和设计出一种合理的智能交通灯控制系统。专业集成电路（ASIC）和用户现场可编辑门阵列（FPGA）技术的飞速发展和广泛应用，促进了交通行业电子设计技术的蓬勃发展，使得城市交通灯管理系统更加多元化。FPGA技术在交通灯管理系统设计中的应用，带动了智能交通灯控制系统领域的长久进步，开启了城市交通道路系统的智能化管理进程，拉开了数字化城市的序幕。本次毕业设计基于FPGA设计的交通控制系统具有电路简单、可控性强、可实时修改、体积较小以及超高的运算速率等特点，用于实现路口各种信号灯的自主智能转换和控制。具体设计的交通灯控制系统以Altrea公司的CycloneⅣ系列EP4EE15F17C8型号FPGA芯片为核心，采用Verilog HDL硬件描述语言，在quartus 15.0软件上进行软件编程和调试，设计出了完整的、多功能的十字路口交通灯控制系统。关键词FPGA，交通灯，Verilog HDL，控制系统Abstract
目 录
第一章 绪 论 1
1.1研究背景及意义 1
1.2交通灯发展历史 1
1.3国内外研究现状 2
1.4本文结构框架 2
1.5本章小结 3
第二章 系统的开发平台 4
2.1 FPGA简介 4
2.2 FPGA技术应用方向 4
2.3软件开发环境 5
2.3.1 QuartusⅡ软件概述 6
2.3.2 QuartusⅡ的设计流程 6
2.3.3硬件下载测试 7
2.4本章小结 9
第三章 系统设计要求和分析 10
3.1设计要求 10
3.2功能分析 11
3.3设计思路 12
3.4本章小结 13
第四章 功能模块设计仿真 14
4.1时钟模块设计与仿真 14
4.2倒计时模块 16
4.2.1数码管编码 17 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
4.2.2十位取位模块 18
4.2.3倒计时显示模块 20
4.3交通灯控制模块设计 23
4.3.1南北直行模块 24
4.3.2东西直行模块 25
4.3.3交通灯控制模块仿真 26
4.4本章小结 28
第五章 硬件设计 29
5.1硬件电路的设计 29
5.1.1电源子系统 29
5.1.2时钟电路 30
5.1.3复位电路 30
5.1.4显示子系统设计 32
5.1.5芯片的配置 32
5.2传感器子系统 34
5.3 FPGA验证 35
5.4本章小结 38
总 结 39
参 考 文 献 41
附 录 43
第一章 绪 论
1.1研究背景及意义
漫漫长夜，世界各处都显现出车水马龙、灯火阑珊的景象，这一切都离不开交通灯控制系统对城市高效又智能化的管理。
交通堵塞是我国大中城市的一个通病，交通的通行率成为衡量整个城市生活水平和经济发展的一个标志，当前城市中交通灯控制系统的配时是固定的，而且没有所有路口的交通信号灯倒计时，制约着城市经济的发展[1]。那么如何能够快速指挥和疏导交通，规范和约束行人和车辆的行为，构建合理规范的交通秩序，是目前的当务之急。
经研究调查发现，城市中拥堵的主要因素是由当前城市交通指挥制度以及管理机制等问题不完善造成的，现今城市正准备打造一个智慧城市，其中的包含智慧交通，而智能交通正是城市道路上最重要的一部分[2]。基于FPGA设计的交通控制系统满足了智慧交通的理念。它将实现城市的每个路口运用交通控制系统从而控制整个城市的交通，包括系统的改进，道路的疏通，以及各路口的指挥[3]。尤其是在十字路口，它将把现代化技术融入其中，打造成一个智慧的交通路口。为了确保路口行人与车辆能够合理、有序、安全和快速的通过相关区域，采用交通信号灯来进行指挥和疏导交通情况，将大大降低事故发生的几率以及确保交通通畅，人车有序通过。随着生活水平的提高，人们对生活质量的要求不断增加，汽车的数量还在不断增加，研究和设计现代智能交通灯具有很好实际意义[4]。
纵观历史，从古代内河航运引导城市布局、到近代铁路交通促进城镇迅速崛起、再到现代高速公路推进沿线地区城市化、以及后来的综合交通带动城市群的发展。这些无一不表明了交通控制系统对城市甚至是国家的发展有着不可言语的重要性。因此合理又智能的交通信号控制系统的设计对于提高交通路口的通行率、缓解交通堵塞有着重要的意义[5]。
1.2交通灯发展历史
在英国伦敦市中心会议大厦的广场上出现了世界上最早的被命名为提灯—煤气信号灯的十字路口交通灯，它是被本地名为德哈特的机械师于1868年设计[6]。它具有交通的指挥作用是由于被设计成可以通过拉动控制线从而改变提灯的颜色；短短过了不到7年的时间，“电气信号灯”出现在了美国的克科夫市，紧接着纽约、芝加哥等城市也相继出现了类似的十字路口交通信号灯，而出现在纽约时尚街头的一座高塔之上的交通信号灯才是真正意义上的第一盏的交通灯，然而，实际上它仅是应用了一个三色圆形的四面的投影器，而最具划时代意义的到交通灯控制系统的是1963年首次被应用在了加拿大的多伦多市，它标志着人们正式的接触到了交通控制系统这一新的领域，它促进了城市的发展，提高了数字化城市建设[7]。
1.3国内外研究现状
智能交通控制系统它具有实时、准确、高效的特性。它是把信息、数据通讯传输、电子传感、电子控制及计算机处理等技术合理且有效的集成，运用在整个地面交通灯管理系统[8]。
在国外的城市智能化交通控制系统，英国有TRANSYT系统和SCOOT系统、澳大利亚有SCATS系统等；其中的TRANSYT系统、SCOOT系统和SCATS系统因其较高的时效性而被广泛的应用在世界各大城市[9]。然而无论是SCATS系统还是TRANSYT系统在系统的结构性和可操作性方面都有一定的局限性，对系统内部参数的优化，交通灯控制系统的时长的设置和修改，也有或多或少的限制[10]。
目 录
第一章 绪 论 1
1.1研究背景及意义 1
1.2交通灯发展历史 1
1.3国内外研究现状 2
1.4本文结构框架 2
1.5本章小结 3
第二章 系统的开发平台 4
2.1 FPGA简介 4
2.2 FPGA技术应用方向 4
2.3软件开发环境 5
2.3.1 QuartusⅡ软件概述 6
2.3.2 QuartusⅡ的设计流程 6
2.3.3硬件下载测试 7
2.4本章小结 9
第三章 系统设计要求和分析 10
3.1设计要求 10
3.2功能分析 11
3.3设计思路 12
3.4本章小结 13
第四章 功能模块设计仿真 14
4.1时钟模块设计与仿真 14
4.2倒计时模块 16
4.2.1数码管编码 17 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
4.2.2十位取位模块 18
4.2.3倒计时显示模块 20
4.3交通灯控制模块设计 23
4.3.1南北直行模块 24
4.3.2东西直行模块 25
4.3.3交通灯控制模块仿真 26
4.4本章小结 28
第五章 硬件设计 29
5.1硬件电路的设计 29
5.1.1电源子系统 29
5.1.2时钟电路 30
5.1.3复位电路 30
5.1.4显示子系统设计 32
5.1.5芯片的配置 32
5.2传感器子系统 34
5.3 FPGA验证 35
5.4本章小结 38
总 结 39
参 考 文 献 41
附 录 43
第一章 绪 论
1.1研究背景及意义
漫漫长夜，世界各处都显现出车水马龙、灯火阑珊的景象，这一切都离不开交通灯控制系统对城市高效又智能化的管理。
交通堵塞是我国大中城市的一个通病，交通的通行率成为衡量整个城市生活水平和经济发展的一个标志，当前城市中交通灯控制系统的配时是固定的，而且没有所有路口的交通信号灯倒计时，制约着城市经济的发展[1]。那么如何能够快速指挥和疏导交通，规范和约束行人和车辆的行为，构建合理规范的交通秩序，是目前的当务之急。
经研究调查发现，城市中拥堵的主要因素是由当前城市交通指挥制度以及管理机制等问题不完善造成的，现今城市正准备打造一个智慧城市，其中的包含智慧交通，而智能交通正是城市道路上最重要的一部分[2]。基于FPGA设计的交通控制系统满足了智慧交通的理念。它将实现城市的每个路口运用交通控制系统从而控制整个城市的交通，包括系统的改进，道路的疏通，以及各路口的指挥[3]。尤其是在十字路口，它将把现代化技术融入其中，打造成一个智慧的交通路口。为了确保路口行人与车辆能够合理、有序、安全和快速的通过相关区域，采用交通信号灯来进行指挥和疏导交通情况，将大大降低事故发生的几率以及确保交通通畅，人车有序通过。随着生活水平的提高，人们对生活质量的要求不断增加，汽车的数量还在不断增加，研究和设计现代智能交通灯具有很好实际意义[4]。
纵观历史，从古代内河航运引导城市布局、到近代铁路交通促进城镇迅速崛起、再到现代高速公路推进沿线地区城市化、以及后来的综合交通带动城市群的发展。这些无一不表明了交通控制系统对城市甚至是国家的发展有着不可言语的重要性。因此合理又智能的交通信号控制系统的设计对于提高交通路口的通行率、缓解交通堵塞有着重要的意义[5]。
1.2交通灯发展历史
在英国伦敦市中心会议大厦的广场上出现了世界上最早的被命名为提灯—煤气信号灯的十字路口交通灯，它是被本地名为德哈特的机械师于1868年设计[6]。它具有交通的指挥作用是由于被设计成可以通过拉动控制线从而改变提灯的颜色；短短过了不到7年的时间，“电气信号灯”出现在了美国的克科夫市，紧接着纽约、芝加哥等城市也相继出现了类似的十字路口交通信号灯，而出现在纽约时尚街头的一座高塔之上的交通信号灯才是真正意义上的第一盏的交通灯，然而，实际上它仅是应用了一个三色圆形的四面的投影器，而最具划时代意义的到交通灯控制系统的是1963年首次被应用在了加拿大的多伦多市，它标志着人们正式的接触到了交通控制系统这一新的领域，它促进了城市的发展，提高了数字化城市建设[7]。
1.3国内外研究现状
智能交通控制系统它具有实时、准确、高效的特性。它是把信息、数据通讯传输、电子传感、电子控制及计算机处理等技术合理且有效的集成，运用在整个地面交通灯管理系统[8]。
在国外的城市智能化交通控制系统，英国有TRANSYT系统和SCOOT系统、澳大利亚有SCATS系统等；其中的TRANSYT系统、SCOOT系统和SCATS系统因其较高的时效性而被广泛的应用在世界各大城市[9]。然而无论是SCATS系统还是TRANSYT系统在系统的结构性和可操作性方面都有一定的局限性，对系统内部参数的优化，交通灯控制系统的时长的设置和修改，也有或多或少的限制[10]。
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