毕业设计论文基于FPGA的数字频率计的设计.docx

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毕业设计论文基于FPGA的数字频率计的设计

摘要

传统的交通灯控制系统主要由单片机或PLC构成，这种基于小规模集成电路的交通灯控制系统，电路元件多、接线复杂、故障率高、可靠性低。

本设计采用FPGA器件来设计一个实用的交通灯控制系统。

该系统的可靠性、准确性较高，能够在确定的时间内使红黄绿路灯正确的变化，且倒计时显示能正确的显示时间。

该交通灯控制系统采用VerilogHDL语言编程，为了简化设计，采用模块化编程的思想，并用MAX+plusⅡ仿真软件进行编译仿真，将程序下载到FPGA器件进行测试验证。

基于FPGA的硬件系统运行正确，能够实现交通灯的控制要求。

该系统具有体积小、功耗低、价格便宜、安全可靠,维护和升级方便的优点,具有较好的应用前景。

在该交通灯控制系统中，采用了ALTERA公司推出的MAX7000系列的产品EPM7032LC44-6作为这个系统的可编程逻辑器件。

同时还用了4个LED数码管，6个发光二极管，一个固定开关，一个点动开关等。

交通灯系统中，能够保证在确定的时间，倒计数数字显示能够及时变化，红黄绿灯能准确的反应。

关键词:

交通灯控制系统FPGAVerilogHDLMAX+plusⅡ

ThetrafficlightcontrolsystemdesignbasedonFPGA

ABSTRACT

ThetraditionaltrafficlightcontrolsystemmainlybythePLCoramicrocontroller,suchsmall-scaleintegratedcircuitsbasedonthetrafficlightcontrolsystem,circuitcomponents,wiringcomplex,highfailurerate,lowreliability.ThisdesignusesFPGAdevicestodesignapracticaltrafficlightcontrolsystem.Thesystem'sreliability,highaccuracy,todeterminethetimeYellow-greentoredlightscorrectchange,andthecountdownshowtodisplaythecorrecttime.

ThetrafficlightcontrolsystemusingVerilogHDLlanguage,inordertosimplifythedesign,theideaofmodularprogramming,andwithMAX+plusⅡsimulationsoftwaretobuildsimulationprocedureswillbedownloadedtotheFPGAdevicetotestverification.FPGA-basedhardwaresystemrunningcorrectly,canachievethetrafficlightscontrolrequirements.Thesystemissmallinsize,lowpowerconsumption,cheap,safe,reliable,easytomaintainandupgradethemeritsoftheapplicationhasgoodprospects.

Atthetrafficlightcontrolsystem,usingthecompanyintroducedtheMAX7000ALTERAseriesofproductsEPM7032LC44-6asthesystemofprogrammablelogicdevices.AtthesametimealsospentfourLEDdigitalcontrol,sixlight-emittingdiode,afixedswitch,aswitchpoint,andsoon.Trafficsignalsystem,toensurethattheestablishedtime,invertedcountfigurestomaketimelychangesinYellowgreenaccurateresponse.

Keywords:

ThetrafficlightcontrolsystemFPGAVerilogHDLMAX+plusⅡ

一概述…………………………………………………………………1

1.1课题的来源、意义…………………………………………………1

1.2课题的研究目标、内容及方法手段……………………………………1

课题的研究目标、内容………………………………………………1

课题的研究方法及手段………………………………………………1

二交通灯控制系统的原理介绍………………………………2

基本原理与系统框图…………………………………2

系统基本原理………………………………………………2

交通灯控制系统框图………………………………………………2

2.2交通灯控制系统的软硬件介绍………………………………………3

FPGA的简介…………………………………………………………3

VerilogHDL介绍…………………………………………………4

MAX+plusII介绍…………………………………………………4

器件的选择…………………………………………………………4

三交通灯控制系统的程序设计……………………………………………6

3.1主控模块……………………………………………………………6

3.255秒倒计时模块…………………………………………………7

3.35秒倒计时模块………………………………………………………8

…………………………………………9

……………………………………10

3.61KHZ时钟信号模块…………………………………………………11

3.71HZ技术时钟信号模块……………………………………………12

……………………………………12

3.9动态选择驱动模块……………………………………………14

……………………………………………14

…………………………………………………15

……………………………………………………………15

四结论…………………………………………………………………17

谢辞……………………………………………………………………18

参考文献………………………………………………………………19

附录……………………………………………………………………20

一概述

1.1课题的来源、意义

交通灯控制系统是数字电路的经典问题，传统的设计方法基于中、小规模集成电路进行，电路元件多、接线复杂、故障率高、可靠性低。

电子设计自动化EDA（ElectronicDesignAutomation）技术的发展，在线可编程逻辑器件（InsystemProgram-ProgrammableLogicDevice简称ISP-PLD）的出现，使实验室中制作专用集成电路成为可能。

我们使用现场可编程门阵列/复杂可编程逻辑器件FPGA/CPLD（FieldProgrammableGateArray/ComplexProgrammableLogicDevice），用VerilogHDL语言进行以交通灯控制器的设计，用对应的工具软件（本文用MAX+plusII）对FPGA/CPLD芯片“下载”形成专用集成电路，由于不存在人工接线的问题，所以故障率低、可靠性好。

　随着电子技术的不断更新,数字系统的设计正朝着速度快、容量大、体积小、重量轻的方向发展。

推动该潮流迅猛向前的引擎就是电子设计自动化EDA（ElectronicDesignAutomation）技术的发展EDA技术就是以计算机为工具,在EDA软件平台上,对用硬件描述语言HDL完成的设计文件自动地逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化逻辑布局布线、逻辑仿真,直至对于特定目标芯片进行适配编译、逻辑映射和编程下载等。

1.2课题的研究目标、内容及方法手段

课题的研究目标、内容

该交通灯控制系统采用MAX+plusⅡ软件及VerilogHDL语言进行编程,用FPGA器件实现硬件系统。

该系统能精确地实现红黄绿灯的规律变化，正确控制路口车辆的通行。

课题的研究方法及手段

该系统采用VerilogHDL语言进行程序设计，并用MAX+plusⅡ仿真软件进行程序的编译和仿真，然后用下载线将程序下载到FPGA器件中。

本课题采用自顶向下设计思想进行设计，自顶而下（toptodown）的层次化设计方法在现代EDA设计中有着明显的优势，越来越受到设计者的欢迎。

对于一个复杂的设计系统,运用层次化设计方法，使设计课题进一步细化，分块设计，条理清晰。

另外,在调试时可采用逆向调试方式,即从模块调试向总体调试方向开展调试工作,使设计中出现的问题在模块级就能发现,及时处理,这样就会使一个复杂的设计变得容易调试,缩短了设计时间。

层次化设计方法:

开始设计时,先设计出一个顶层总框图（一般称之为顶层图）,该框图是由若干个具有特定功能的源模块组成。

下一步是对这些不同功能的模块进行设计,产生这些模块的原理图文件或Verilog源文件。

对于有些功能复杂的模块,全部使用元件库中的元器件设计仍显复杂,因此还可以将该模块继续化分为若干个功能子模块,这样就形成模块套模块的层次化设计方法。

这种方法也称之为自顶向下的系统设计方法。

二交通灯控制系统的原理介绍

系统基本原理

交通灯系统中，能够保证在确定的时刻，倒计数数字显示能够及时变化，红黄绿灯能准确变化。

系统要求：

在绿灯亮了55s后将变化为黄灯再亮5s，然后实现十字路口的纵横路放行与禁行的切换控制。

交通灯控制系统框图

根据对交通灯系统的功能描述，设计如图2-1所示的交通灯系统电路框图。

图2-1交通灯系统电路框图

图中，两组共4个数码管来显示倒计时时间，用6个发光二极管来代替实际生活中的红黄绿交通信号灯，考虑到实际电路的需要，分别在可编程逻辑器件与数码管以及发光二极管之间放上限流电阻，以避免数码管以及发光二极管由于电流过大而烧坏，当然也不能加太大电阻，以避免数码管以及发光二极管的亮度不够。

固定开关SW1实现交通警察人为监督交通秩序和无人自动控制交通秩序之间的切换，默认为高电平，即默认为开关置于高电平端，为自动控制模式，开关置于低电平端时为人为监督控制模式。

点动开关SW2用于整个系统的总复位，如系统出现故障时，就需要总复位，当然一般情况下，用可编程逻辑器件实现的交通灯系统，只要系统设计的合理，软件设计的可靠，不会出现故障，除非意外的操作或操作不当。

2.2交通灯控制系统的软硬件介绍

FPGA的简介

FPGA现场可编程门阵列器件通常由布线资源围绕的可编程单元构成阵列，又由可编程I/O单元围绕阵列构成整个芯片。

排成阵列的逻辑单元由布线通道中的可编程连线连接起来实现一定的逻辑功能。

一个FPGA可能包含有静态存储单元，它们允许内连的模式在器件被制造以后再被加载或修改。

FPGA是由掩膜可编程门阵列和可编程逻辑器件演变而来的，将它们的特性结合在一起，使得FPGA既