智能交通灯的设计及fpga毕业论文.docx

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智能交通灯的设计及fpga毕业论文

智能交通灯的设计及fpga毕业论文

2020届毕业生

毕业论文

题目:

智能交通灯的设计及其FPGA实现

院系名称：

国际学院

专业班级：

电子信息工程技术07级03班

学生姓名：

李鹏飞学号：

20073930320

指导教师：

付麦霞教师职称：

讲师

2010年06月02日

摘要

交通灯是都市交通监管系统的重要组成部分，关于保证机动车辆的安全运行，坚持都市道路的顺畅起到了重要作用。

随着车辆的日益增多，交通问题将日趋严峻。

可通过多修建道路或限制车辆的方法来解决，但道路的增加是有限的，而限制车辆会使汽车及其相关产业受到压制。

目前，发达国家的交通要紧是向智能化交通方向进展。

如给汽车装上导航仪等方法，充分利用电子设备提高现有道路交通系统的运输能力。

交通灯是治理都市交通的重要工具，交通灯对道路交通流的阻碍近年来引起宽敞学者的广泛注意。

目前绝大部分交通灯其时刻差不多上设定好的，不管是车流高峰依旧低谷，红绿灯的时刻都固定不变，还有一些交通灯能依照简单划分的时刻段来调整时刻，但操纵起来都不是专门灵活，这使得都市车流的调剂不能达到最优。

本论文在EDA技术的基础上，利用FPGA的相关知识设计了智能交通灯操纵系统，能够依照实际情形对灯亮时刻进行自由调整，整个设计系统通过Max+PlusⅡ软件进行了模拟仿真，并下载到FPGA器件中进行硬件的调试，验证了设计的交通信号灯操纵电路完全能够实现预定的功能，具有一定的有用性。

关键词：

智能交通灯EDA技术FPGAMax+PlusⅡ

TitleThedesignofIntelligentTrafficLightsbasedonFPGA

Abstract

Thetrafficlightsinurbantrafficcontrolsystemplaysanimportantpartofensuringthesafeoperationofmotorvehiclesandplayedanimportantroleinkeepingsmoothurbanroads.Withtheincreasingnumberofvehicles,trafficproblemswillbecomeincreasinglyserious.Itcouldbesolvedbyconstractingmoreroadorlimitethetraveloftraffic,buttheincreaseintheroadlimitedwillsuppresseautomotiveindustry.Atpresent,thetrafficindevelopedcountriesismainlytointelligencetrafficdirection.Suchasfitingacarwithnavigationsystemsandmakingfulluseofelectronicequipmenttoimprovetheexistingroadtransportsystemtodeliver.Trafficlightplaysanimportanttoolforurbantrafficmanagementandtrafficlightsontheimpactofroadtrafficarousedwideattentionofscholarsinrecentyears.Atpresentmostoftheirtimetrafficlightsaresetandsometrafficlightsdividethetimebyasimpletoadjustthetime,butcontrolthemunflexible,whichmakestheregulationofurbantrafficworse.

ThisarticleinEDAtechnologydesignanintelligenttrafficlightcontrolsystembasedontheuseofFPGA-relatedknowledge.ItcouldadjustfreelyaccordingtotheactualsituationonthelightstimeThisdesignofsystemusedforsimulationthroughtheMax+PlusⅡ,anddownloadtotheFPGAhardwaredevicestodebug.Itcouldverifythedesignofthetrafficlightcontrolcircuitcanachievetheexpectedfunctionandhasacertainpracticality.

Keywords:

IntelligentTrafficLightsEDAFPGAMax+PlusⅡ

1绪论

交通信号灯是交通信号中的重要组成部分，是道路交通的差不多语言。

交通信号灯由红灯〔表示禁止通行〕、绿灯〔表示承诺通行〕、黄灯〔表示警示〕组成。

道路交通信号灯是交通安全产品中的一个类别，是为了加强道路交通治理，减少交通事故的发生，提高道路使用效率，改善交通状况的一种重要工具。

适用于十字、丁字等交叉路口，由道路交通信号操纵机操纵，指导车辆和行人安全有序地通行。

都市交通信号操纵是通过对交通流量的调剂以达到改善人和物资的安全运输，提高运营效率。

交通系统是一个具有随机性、模糊性和不确定性的复杂系统，建立数学模型专门困难，有时甚至无法用现有的数学方法加以描述。

目前大多采纳的是自适应信号操纵，它需要数学建模，且不考虑交通延误、停车次数等。

因此经典操纵法专门难得到中意的成效。

而智能操纵是一种无须建立数学模型的操纵方法，它能仿照有体会的交警指挥交通时的思路，达到专门好的操纵成效。

当今世界各国的大都市无不存在着交通拥挤问题。

目前我国汽车保有量约占世界的2％，交通事故死亡人数却占到15％左右。

交通安全问题成为严峻制约和谐社会建设的重要因素。

道路交通系统的运行也正面临着极大挑战，道路交通安全形势极其严肃。

然而有限的土地和经济制约使得道路建设不可能达到相对中意的里程数，因此要求在不断扩张道路规模的同时，提高交通路网的通行能力。

这就需要综合运用现代信息与通讯技术等手段来提高交通运输效率。

智能交通系统ITS〔IntelligentTransportationSystem－ITS〕便是旨在对上述问题提出一些全然性解决方案。

1.1智能交通的国内外进展状况

1.1.1国内的研究现状

随着公路交通运输的进展，交通拥挤、道路堵塞和交通事故频繁发生等问题越来越严峻地困扰着世界各大都市。

在我国，长期以来都市人均道路面积一直处于低水平状态，近十年有了较快进展，人均面积由2.8平方米上升到6.6平方米。

尽管其增长幅度较快，仍赶不上都市交通流量年均20%的增长速度。

目前全国32个百万人口以上的大都市中，有27个都市的人均道路面积低于全国平均水平。

另外，最近几年也是大都市机动车增长速度最快的年份，轿车、客车、面包车以及摩托车的增幅年均在15%以上。

以广州为例，广州市近10年来机动车年均增长速度为17%，其中轿车为19%，摩托车为35%。

相关于交通运输工具的飞速进展，我国交通配套设施建设明显滞后，道路安全网络、道路标识、交通指挥中心仍旧不足。

单独从车辆方面或道路方面考虑，均专门难有效地解决交通问题。

通过采纳信息通信技术、电子技术以及其他科学技术把它们联系起来，并实现智能化的ITS才能解决全然问题，交通信息化需要融合科技力量才能使目前的交通问题得到改善。

我国都市交通信息化目前还处于起步时期，不管是交通治理中心、信息服务中心的平台建设，依旧交通工具的导航系统配备都不够完善，智能交通系统中的各部门、各环节之间的衔接、配合还存在问题。

这些因素严峻制约着我国都市交通信息化的进展。

全国大中都市普遍存在着道路拥挤、车辆堵塞、交通秩序纷乱的现象。

概括起来，目前我们都市交通要紧出现出以下特点和问题：

都市规模逐步扩大，运输压力繁重；机动车增长加快，道路容量不足；路网不合理，交通治理水平低下；公共交通萎缩，出行结构不合理.

我国的ITS研究和实施起步较晚，90年代中期以来，在交通部的组织下，我国交通运输界的科学家和工程技术人员开始跟踪ITS技术，并取得了长足进步。

我国政府在连续加快基础建设的同时，已提出将智能交通作为我国以后交通运输领域进展的重要方向和优先领域予以重点支持。

1998年1月交通部批准成立了国家智能交通系统工程研究中心，依靠单位为交通部公路科学研究所。

在交通部的组织下，该中心承担了部重点科研项目"智能交通系统进展战略研究"。

通过该项目的研究，提出我国智能交通系统进展的整体框架，为交通运输界提供指导性意见。

在〝十五〞期间，由科学技术部牵头，国家智能交通系统工程技术研究中心承担、全国20余所高校和研究所参与的国家重大攻关项目〝ITS体系框架〞和〝ITS标准体系及关键标准制定〞差不多通过国家鉴定。

这将为我国顺利实施ITS打下良好的基础。

从上不难看出我国政府对ITS产业的高度重视和大力支持，以及社会各界对此的关注和积极参与。

进展类似于智能交通系统如此的高技术产业，是我国实施第三步战略部署的一个重要环节。

从当今的国际政治经济进展趋势也不难看出，高技术产业差不多成为当前世界经济进展的动力，成为世界大国争夺的战略制高点。

高技术产业的进展水平，不但决定着国际竞争力的高低，而且决定着一个国家在世界经济中的分工地位，从而决定了在国际贫富两极分化中的国家前途。

"十五"及以后一段时期，是我国经济社会进展的重要时期，是进行经济结构战略性调整的关键时期，加快进展智能交通系统如此的高技术产业是经济结构战略性调整的重要任务之一，因此国家对ITS产业的支持和重视将会连续下去并会不断加强。

1.1.2国外的研究现状

从国际上智能交通系统的进展历史来看，各国普遍认为起步于60－70年代的交通治理运算机化确实是智能交通系统的萌芽。

随着社会的进展和技术的进步，交通治理和交通工程逐步进展成智能交通系统，然而智能交通系统与原先意义上的交通治理和交通工程有着本质的区别，智能交通系统强调的是系统性、信息的交互性以及服务的广泛性，其核心技术是交通流理论、信息技术、通信技术、智能操纵技术和系统工程等。

智能交通系统目前在欧美等发达国家正得到广泛应用。

据那么，应用智能交通系统后，可有效提高效能运输效益，使交通拥挤降低20%，延误缺失减少10-25%，车祸降低50-80%，油料消耗减少30%。

美国ITS进展状况：

美国是应用ITS较为成功的国家之一。

1995年3月，美国交通部出版了〝国家智能交通系统项目规划〞，明确规定了智能交纱统的7大领域和29个用户服务功能，并确定了到2005年的年度开发打算。

7大领域包括：

出行和交通治理系统，出行需求治理系统，公共交通运营系统，商用车辆运营系统，电子收费系统，应急治理系统，先进的车辆操纵和安全系统。

据报道，目前ITS在美国的应用已达80%以上。

而且相关的产品也较先进。

美国ITS应用在车辆安全系统〔占51%〕，电子收费〔占37%〕，公路及车辆治理系统〔占28%〕，导航定位系统〔占20%〕，商业车辆治理系统〔占14%〕方面进展较快。

美国联邦政府1990-1997年用于ITS研究开发的年度预算总计为12.935亿美元，20年进展规划投资预算约为400亿美元。

美国政府要求将ITS的进展与建设纳入各级政府的差不多投资打算之中，大部分资金由联邦、州和各级地点政府提供，也注重调动私营企业的投资积极性。

日本ITS进展状况：

日本早在1973年就开始了对智能交通系统的研究。

日本ITS规划体系包括：

先进的导航系统，安全辅助系统，交通治理最优化系统，道路交通治理高效化系统，公交支援系统，车辆运营治理系统，行人诱导系统和紧急车辆支援系统。

日本的ITS要紧应用在交通信息提供、电子收费、公共交通、商业车辆治理以及紧急车辆优先等方面，目前在日本已有超过1800万人的汽车导航系统用户。

日本政府1996-1997年用于ITS研究开发的预算为161亿日元，用于ITS有用化和基础设施建设的预算为1285亿日元。

1996年，〝推进ITS总体构想〞推出了一个投资预算7.8兆日元的20年规划。

日本走政府与民间企业相互合作的道路，如车辆信息通讯系统〔VICS〕的运作方式极大地调动了企业的积极性，加速了日本ITS的开发与应用。

欧洲ITS进展状况：

欧洲在ITS应用方面的进展介于日本和美国之间。

目前正在进行Telematic的全面开发，打算在全欧洲建立专门的交通〔以道路交通为主〕无线数据通信网，并正在开发先进的出行信息服务系统〔ATIS〕，车辆操纵系统〔AVCS〕，商业车辆运行系统〔ACVO〕，电子收费系统等。

在20世纪80年代中期，欧洲10多个国家投资50多亿美元，旨在完善道路设施，提高服务水平。

欧盟从1984年到1998年仅用于ITS共同研究开发项目的预算就达280亿欧洲货币单位。

其他国家ITS进展状况：

韩国ITS示范工程选在光州市，估量耗资100亿韩元，选取了交通感诮信号系统，公共车乘客信息系统，动态线路引导系统，自动化，及时播报系统，电子收费系统，停车预报系统，动态测重系统，ITS中心等9项内容；马来西亚ITS建设集中在多媒体超级走廊，从位于吉隆坡88层的国油双峰塔开始，南伸至雪邦新国际机场，达750平方公里。

目标是利用兆位光纤网络，把多媒体资讯城，国际机场，新联邦首都等大型基础设施联系起来；新加坡ITS建设集中在先进的都市交通治理系统方面，该系统除了具有传统功能，如信号操纵，交通检测，交通诱导外，还包括用电子计费卡操纵车流量。

在高峰时段和拥挤路段还能够自动提高通行费，尽可能合理地操纵道路的使用效率。

1.2本课题的研究目的和意义

通过设计一个交通信号灯操纵系统，从而锤炼自己的动手能力，深入了解一下交通灯的工作原理。

综合应用微机原理等课程方面的知识，熟练把握仿真系统的使用方法，达到提高综合应用相关知识的能力，把握系统全部设计过程的目的。

通过课程设计，熟练把握汇编语言的编程方法，将理论联系到实践中去，提高我们的动脑和动手的能力，提高我们的逻辑抽象能力。

随着社会的进展，人们的消费水平不断的提高，私人车辆不断的增加。

人多、车多道路少的道路交通状况差不多专门明显了。

车辆的增加反映出了国家的整体进步，然而也给人民带来了其他的一些负面的阻碍。

我国是13亿多人口的大国，到2006年，全国的机动车保有量超过了8000万，而全国公路通车总里程只有14.8万公里。

静态比例为：

人均车辆越0.5辆，而人均道路只有0.00011公里；每辆车均道路占有量约为0.002公里；且其中90%的道路属于机动车与非机动车和行人混杂。

今后几年机动车辆数字还在急剧增加，道路超负荷承载，致使交通事故逐年增加。

因此我们需要开发新型的交通操纵系统。

1.3本文的要紧工作

本文在EDA技术的基础上，利用FPGA的相关知识设计了交通灯操纵系统，能够依照实际情形对灯亮时刻进行自由调整，整个设计系统通过Max+PlusⅡ软件进行了模拟仿真，并下载到FPGA器件中进行硬件的调试，验证了设计的交通信号灯操纵电路完全能够实现预定的功能，具有一定的有用性。

2EDA相关知识介绍

2.1FPGA概述

2.1.1FPGA的差不多结构

FPGA是高密度的PLD，其集成度可达3万门／片以上。

图2.1是Xilinx公司的FPGA，它由三种编程单元和一个用于存放编程数据的静态储备器构成。

这三种可编程单元是IOB〔Input／OutputBlock可编程输入／输出单元〕，CLB〔ConfigurableLogicBlock可编程逻辑单元〕和IR〔InterconnectResource互连资源〕。

它们的工作状态全部由编程储备器中的数据设定。

CLB提供用户所需要的逻辑功能。

由于这三部分差不多上可编程的，因此改变芯片的功能除了靠改变各CLB之间的连接，也能够通过改变各个CLB所实现的逻辑功能来完成。

FPGA中的编程信息将储备在专用的静态RAM中；RAM触发器的每一位，储备一个编程信息。

系统上电时，编程信息就由外部传入到这些储备单元中，FPGA就能够按照这些信息来形成内部的构造和连接，以实现所需要的功能。

图2.1FPGA差不多结构

2.1.2　FPGA编程开发

　　FPGA中有大量实现组合逻辑的资源，能够完成较大规模的组合逻辑电路设计，而其中相当数量的储备电路〔触发器〕又可完成复杂的时序逻辑电路设计。

通过使用各种EDA工具，用原理图或硬件描述语言，能够专门方便地将复杂的电路在FPGA中实现。

像典型的数字系统分频器，数字钟，数字频率计等等都可用FPGA完成。

　　FPGA的开发系统包括软件和硬件两个部分。

开发系统软件指专用的编程语言和相应的汇编程序或编译程序。

开发系统硬件部分包括运算机和编程器。

编程器是对FPGA进行写入和擦除的专用装置，能够提供写入或擦除操作所需要的电源电压和操纵信号，并通过串行接口从运算机接收编程数据，最终写进FPGA之中。

90年代初Lattice第一推出了一种新型可编程逻辑器件———ISP—PLD〔In－SystemProgrammablePLD在系统可编程逻辑器件〕，将原属于编程器的写入／擦除操纵电路及高压脉冲发生电路集成于FPGA中，如此，在编程时就不必使用编程器，而且由于只需外加5V电压，因此不必将FPGA从系统中取出，从而实现〝在系统〞编程。

FPGA设计要紧分为设计输入、综合、功能仿真〔前仿真〕、设计实现、时序仿真〔后仿真〕、配置下载六个步骤。

设计输入包括硬件描述语言HDL、状态图与原理图三种方式。

关于简单的设计，能够使用原理图或A－BEL进行设计；关于较复杂的设计，能够用行为描述语言〔如VHDL语言〕和原理图或二者结合进行设计。

功能仿真用来验证设计的逻辑功能；在设计的过程中，对部分功能或整个设计均可进行仿真。

设计实现是指从设计输入文件到位流文件〔只对FPGA而言〕。

在该过程中，经软件自动地对设计文件进行映射、布局、布线，产生相应的位流数据文件。

时序仿真是在设计实现后，针对器件的布局、布线方案进行时延仿真和分析定时关系。

2.1.3FPGA设计流程

FPGA设计人体分为设计输入、综合、功能仿真〔前仿真〕、实现、时序仿真〔后仿真〕、配置下载等六个步骤，设计流程如图2.2所示。

下面分别介绍各个设计步骤。

〔1〕设计输入

设计输入包括使用硬件描述语言HDL、状态图与原理图输入三种方式。

HDL设计方式是现今设计大规模数字集成电路的良好形式，除IEEE标准中VHDL与VerilogHDL两种形式外，尚有各自FPGA厂家推出的专用语言，如Quartus下的AHDL。

HDL语言描述在状态机、操纵逻辑、总线功能方面较强，使其描述的电路能特定综合器〔如Synopsys公司的FPGACompilerII或FPGAExpress〕作用下以具体硬件单元较好地实现；而原理图输入在顶层设计、数据通路逻辑、手工最优化电路等方面具有图形化强、单元节俭、功能明确等特点，另外，在Altera公司Quartus软件环境下，能够使用MomoryEditor对内部memory进行直截了当编辑置入数据。

常用方式是以HDL语言为主，原理图为辅，进行混合设计以发挥二者各自特色。

通常，FPGA厂商软件与第三方软件设有接口，能够把第三方设计文件导入进行处理。

如Quartus与Foundation都能够把EDIF网表作为输入网表而直截了当进行布局布线，布局布线后，可再将生成的相应文件交给第三方进行后续处理。

〔2〕设计综合

综合，确实是针对给定的电路实现功能和实现此电路的约束条件，如速度、功耗、成本及电路类型等，通过运算机进行优化处理，获得一个能满足上述要求的电路设计方案。

也确实是是说，被综合的文件是HDL文件〔或相应文件等〕，综合的依据是逻辑设计的描述和各种约束条件，综合的结果那么是一个硬件电路的实现方案，该方案必须同时满足预期的功能和约束条件。

关于综合来说，满足要求的方案可能有多个，综合器将产生一个最优的或接近最优的结果。

因此，综合的过程也确实是设计目标的优化过程，最后获得的结构与综合器的工作性能有关。

FPGACompilerII是一个完善的FPGA逻辑分析、综合和优化工具，它从HDL形式未优化的网表中产生优化的网表文件，包括分析、综合和优化三个步骤。

其中，分析是采纳Synopsys标准的HDL语法规那么对HDL源文件进行分析并纠正语法错误；综合是以选定的FPGA结构和器件为目标，对HDL和FPGA网表文件进行逻辑综合；而优化那么是依照用户的设计约束对速度和面积进行逻辑优化，产生一个优化的FPGA网表文件，以供FPGA布局和布线工具使用，立即电路优化于特定厂家器件库，独立于硅持性，但能够被约束条件所驱动。

利用FPGACompilerII进行设计综合时，应在当前Project下导入设计源文件，自动进行语法分析，在语法无误并确定综合方式、目标器件、综合强度、多层保持选择、优化目标等设置后，即可进行综合与优化。

在此能够将两步独立进行，在两步之间进行约束指定，如时钟的确定、通路与端口的延时、模块的算子共享、寄存器的扇出等。

假如设计模型较大，能够采纳层次化方式进行综合，先综合下级模块，后综合上级模块。

在进行上级模块综合埋设置下级模块为Don'tTouch，使设计与综合过程合理化。

综合后形成的网表能够以EDIF格式输出，也能够以VHDL或VerilogHDL格式输出，将其导入FPGA设计厂商提供的可支持第三方设计输入的专用软件中，就可进行后续的FPGA芯片的实现。

综合完成后能够输出报告文件，列出综合状态与综合结果，如资源使用情形、综合后层次信息等。

2.2VHDL硬件描述语言

VHDL是超高速集成电路硬件描述语言的英文字头缩写简称，其英文全名是Very-HighSpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage。

它是在70-80年代中由美国国防部资助的VHSIC（超高速集成电路）项目开发的产品，产生于1982年。

1987年底，VHDL被IEEE（TheInstituteofElectricalandElectronicsEngineers）确认为标准硬件描述语言。

自IEEE公布了VHDL的标准版本（IEEEstd1076-1987标准）之后，各EDA公司相继推出了自己的VHDL设计环境。

此后，VHDL在电子设计领域得到了广泛的同意，并逐步取代了原有的非标准HDL。

1993年，IEEE对VHDL进行了修订，从更高的抽象层次和系统描述能力上扩展VHDL的内容，公布了新版本的VHDL，即ANSI/IEEEstd1076-1993版本。

1996年IEEE1076.3成为VHDL综合标准。

VHDL要紧用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口，专门适用于可编程逻辑芯片的应用设计。

与其它的HDL相比，VHDL具有更强的行为描述能力，从而决定了它成为系统设计领域最正确的硬件描述语言。

强大的行为描述能力