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基于FPGA的交通灯控制器设计

指导教师:

樊建海

2012年11月8日

毕业设计（论文）开题报告

1．结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写

2000字左右的文献综述：

文献综述

一、课题题目

二、前言

交通灯控制器设计是数字电路中的经典问题，传统的设计方法是基于中、小规模集成电路进行的，采用的电路元件多、接线复杂、故障率高、可靠性低，修改电路的功能需要硬件电路的支持。

ElectronicDesignAutomation技术的发展，在线可编程逻辑器件PLD的出现，使得我们在实验室就可以制作专用集成电路。

超高速硬件描述语言VHDL可以对数字系统进行抽象的行为与功能描述，在电子设计的各个阶段、各个层次可以用计算机进行仿真验证，编程简单，程序修改容易，不需要硬件电路的支持，给设计者带

来了很大的方便。

本课题是使用现场可编程门阵列FPGA，用VHDL（超高速硬件描述语言）进行硬件电路的语言描述，实现十字路口交通灯控制器设计。

三、正文

1、课题研究的意义

随着城市的发展，机动车数量的不断增加，交通管制变得越来越重要，特别是在十字路口处，交通灯已成为交通管制必不可少的重要工具。

因此交通灯是城市交通管理系统的重要组成部分，它能够保证机动车辆的安全运行，维持城市道路的顺畅[1]。

城市交通灯的功能都是通过交通灯控制器实现的。

智能交通系统（ITS）作为21世纪交通运输体系的发展方向，受到了世界范围的重视[2]。

城市交通控制系统是现代城市智能交通系统的组成之一，主要用于城市道路交通的控制与管理。

城市十字路口实现交通信号控制是提高交通管理的重要手段。

交通灯控制器是交通信号控制系统的重要组成部分，各种交通控制方案最终都要由交通灯控制器来实现。

因此交通灯控制器在城市交通监管中起着极其重要的作用。

2、交通灯控制器的实现方法

交通灯控制器的设计是数字电路中的经典问题，传统的设计方法是基于中、小规模集成电路进行的，采用的电路元件多、接线复杂、故障率高、可靠性低，修改电路的功能需要硬件电路的支持[3]。

而基于FPGA设计的交通灯控制器具有电路简单、可靠性强、实写快速擦写、运算速度高、故障率低，而且体积小的特点。

下面简单介绍三种方法：

1）交通灯控制器若采用单片机方案来实现，其模型可由单片机主控电路、电源电路、显示电路和无线收发控制电路四部分组成。

主要电路核心元件AT89C51。

在我国，单片机技术的应用和研究也方兴未艾，目前广泛应用于工业控制、机器人、智能仪表、通讯、航天、舰船、家用电器、办公自动化设备、金融电子系统、汽车电子系统以及个人信息终端等领域，单片机已经成为了现代电子系统中最重要的智能化工具[4]。

电源电路需要用到+5V的直流稳压电源。

显示电路和无线收发控制电路应由数据发射模块和编码芯片两部分组成。

并且硬件设计完成之后还需利用计算机软件进行软件部分设计才能实现相应的功能。

虽然利用单片机设计的交通灯控制器有性能稳定、能够实现多功能的优点，但它同时也存在诸多的缺点，特别是修改电路的功能以及调试都需要硬件电路的支持，这在很大程度上增加了功能修改以及系统调试的困难。

2）可编程序控制器PLC的优点可以提高可靠性和稳定性，但它也存在很多缺陷，PLC的体系结构是封闭的，因而各个PLC厂家的硬件体系各不兼容，编程语言及指令系统也有差异，这导致当用户选择某一种PLC产品后，必须选择与其相应的控制规程，且需要学习特定的编程语言，这些缺陷大大降低了PLC方案的可行性。

3）基于FPGA设计的交通灯控制器，是以FPGA芯片为核心，使用VHDL语言编写源代码。

随着ElectronicDesignAutomation技术的发展，在线可编程逻辑器件PLD的出现，使得我们在实验室就可以制作专用集成电路[5]。

超高速硬件描述语言VHDL可以对数字系统进行抽象的行为与功能描述，在电子设计的各个阶段、各个层次可以用计算机进行仿真验证，编程简单，程序修改容易，不需要硬件电路的支持，给设计者带来了很大的方便[6]。

因此基于FPGA的设计方法具有设计灵活、易于修改、设计周期短的优点。

此外，随着设计语言、电子设计自动化工具和FPGA器件不断完善和发展，基于FPGA的设计方法有点越来越明显。

3、交通灯控制器的发展展望

以前普通的交通灯控制器只能根据事先给定时间进行通道的通禁控制，但由于如今车辆的迅速增多，所以传统的交通灯控制器已经表现出明显的缺点：

红绿灯时间相对固定，不能随车流量调整红绿灯的显示时间，在时间和空间方面造成了交通资源的浪费，加重了道路交通压力[9]。

而交通灯在其中正扮演着越来越重要的角色。

因此，要求寻找一种可以随时针对通道上车辆的密集度来控制和调节此通道的通禁时间，以期达到自动控制的目的，从而减少不合理的堵车现象的发生[10]。

目前，在国内，智能交通系统是一个非常活跃的研究领域。

近来随着模糊理论的日臻完善，一些学者致力于城市交信号的模糊控制研究，取得了一定的研究成果[11]。

但模糊控制器的设计还存在许多问题，如简单的模糊处理将导致系统的控制精度降低和动态品质变差，模糊规则难以总结；

量化因子、比例因子及隶属度函数的选取多采用试凑法,人为因素影响大；

而单纯依靠设计者的经验和反复调试,使整个设计过程缺乏系统性,造成模糊控制器的设计无法保证有最优的控制性能等[12]。

基于此,后续的研究多采用遗传算法或改进的遗传算法[13,14]，但这种方法仍然存在一些问题,如可能导致进化缓慢和过早收敛现象的发生等。

因此，研制一套根据车流量自动控制交通灯时长的智能交通控制系统是很有意义的。

在国外，英国、澳大利亚、日本和美国等国家均在自己的某些城市建立了道路交通自动控制系统。

在这些系统中，大部分都是在各路口附近安装有磁性环路检测器，并由各路口的控制装置，用小型计算机进行集中控制。

然而，交通系统是一个非线性、随机性很强的开放的复杂巨型系统，系统维数太高，加上人的参与，对其进行有效地控制是一个非常复杂的问题[15]。

所以，必须采用的先进的智能控制理论来解决复杂的交通系统的控制问题，即交通灯控制器也正在向智能化方向发展。

四、总结

传统的交通灯控制器多数由单片机或PLC来实现，而随着EDA技术的高速发展，电子系统的设计技术发生了深刻的变化，现场可编程门阵列FPGA的出现，给设计人员带来了诸多方便，使用其进行产品开发，成本低、周期短、可靠性高。

本课题以FPGA芯片为核心，使用VHDL语言编写代码，实现十字路口交通灯控制器设计。

２．根据课题要求及文献综述，给出本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：

开题报告

1.课题题目

2.本课题的目的和意义

交通灯是城市交通监管系统的重要组成部分，对于保证机动车辆的安全运行，维持城市道路的顺畅起了重要作用。

目前很多城市交叉路口的交通灯实行的是定时控制，灯亮的时间是预先设定好的，在时间和空间方面的应变性能较差，一定程度上造成了交通资源的浪费，加重了道路交通压力。

FPGA技术飞速发展，FPGA的应用领域不断扩大，用FPGA来设计交通灯控制器是现代社会交通的需要，FPGA侵蚀原有ASIC市场的用量极为可观。

此也成为近年来众人关注FPGA的首要焦点，不过也因为过于聚焦高用量、大市场的观察，使FPGA的其他新应用发展被人所忽略，但这些应用却也极具意义。

3基本要求

①主干道绿灯至少亮2分钟（其中不包括绿灯闪的时间）；

②当支路检测到有车时，主干道绿灯闪2.5秒，然后黄灯亮2.5秒，红灯亮，同时支路绿灯亮，红灯灭；

③当支路检测连续5秒无车，绿灯闪2.5秒，黄灯亮2.5秒，红灯亮，同时主干道绿灯亮，红灯灭；

④支路绿灯最长亮30秒（其中不包括绿灯闪烁时间）；

⑤支路通过仪器检测有无车辆通过，当仪器检测到有车要通过，主干道才会禁止通行，主干道无须检测，因为主干道禁止通行的时间最多为40秒。

4进度计划

第1周开题报告和任务分配

第2周—第3周需求分析，概要设计

第4周—第5周详细设计，中期考核

第6周—第7周写论文

第8周上交论文，答辩

5参考文献

[l]谭会生，张昌凡．EDA技术及应用[M]．西安：

西安电子科技大学出版社，2006.

[2]潘松，黄继业．EDA技术实用教程[M]．北京：

科学出版社，2006.

[3]谭会生，瞿遂春．EDA技术综合应用实例与分析[M]．西安：

西安电子科技大学出版社，

2004.

[4]常青．陈辉煌．可变成专用集成电路及其应用与设计实践经验[M]．北京：

国防工业出

版社，1998.

[5]顾斌．数字电路EDA设计[M]．西安：

西安电子科技大学出版社，2003.

[6]边计年，薛宏熙．用VHDL设计电子线路[M]．北京：

清华大学出版社，2000.

[7]陈云恰，保延翔．CPLD应用技术与数字系统设计[M]．北京：

电子工业出版社.

[8]侯伯亨，顾新．VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计[M]．西安：

西安电子科技大

学出版社，1997.

[9]张秀娟，陈新华．EDA设计与仿真实践[M]．北京：

机械工业出版社，2002.

[10]张昌凡，龙永红，彭涛．可编程逻辑器件及VHDL设计技术[M]．广州：

华南理工大学

出版社，2001.

[11]刘腾红，孙细明.信息系统分析与设计[M].北京科学出版社，2003.8.

[12]曾强聪.VisualBasic6.0程序设计基础教程[M].清华大学出版社，2004.5.

[13]江国强.EDA技术与应用（第二版）[M].北京：

电子工业出版社，2008.4.

[14]黄智伟、王彦、陈琼、潘礼、黄松.FPGA系统设计与实践[M].北京：

电子工业出版

社，2007.6.

[15]李刚强，田斌，易克初.FPGA设计中关键问题的研究[J].电子技术应用，2003.6.

[16]何元清．电子产品设计[M]，北京北京大学出版社，2006.

[17]RolandE．Best著．李永明译．锁相环设计、仿真与应用[M]．北京．清华.

大学出版社．2006.

[18]汕头华汕电子器件有限公司．H7805数据手册.

版权申明

本文部分内容，包括文字、图片、以及设计等在网上搜集整理。

版权为潘宏亮个人所有

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