BB基于FPGA的交通灯设计.doc

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1、 南 京 理 工 大 学 紫 金 学 院电子工程与光电技术系毕业设计(论文)开题报告学 生 姓 名：XXX学 号：XXXX专 业：电子信息工程设计(论文)题目：基于FPGA的交通灯控制器设计指 导 教 师:XXX 2011 年 12 月 31 日开题报告填写要求1开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效；2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时

2、交给指导教师签署意见；3“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于15篇（不包括辞典、手册）；4有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 74082005数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2007年3月15日”或“2007-03-15”。 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、课题题目基于FPGA的交通灯控制器设计二、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

3、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。Electronic Design Automation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

4、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

5、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

6、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

7、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Electronic Design Automation 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

8、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进程今天，红绿灯出现在各个道路口上，已成为疏导交通车辆的最常见和最有效的手段。但这一技术早在19世纪就出现了。1858年，在英国伦敦主要街头安装了已然煤气为光源的红、蓝两色的机械扳手式信号灯，用于指挥马车通行，这是世界上最早的交通信号灯。1868年，英国机械工程师那伊特在伦敦威斯敏思特区议会大厦的广场上，安装了最早的煤气红绿灯。它由红绿两以旋转式方形玻璃提灯组成，红色表示“停止

9、”，绿色表示“注意”。1869年1月2日，煤气爆炸，使警察受伤，遂被取消。1914年，电气启动红绿灯出现在美国。这种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成，安装在纽约市5号大街的高塔上。红色亮表示“停止”，绿色亮表示“通行”。1918年，又出现了带控制的红绿灯和红外红绿灯。带控制的红绿灯，一种是把压力探测器安在地上，车辆一接近，红灯变为绿灯；另一种是用扩音器来启动红绿灯，司机遇到红灯是按一下喇叭，就使红灯变为绿灯。红外线红绿灯当行人踏上对压力敏感的路面时，它就能察觉到有人要过马路。红外光束就能吧信号灯的红灯延长一段时间，推迟汽车放行，以免发生交通事故。信号灯的出现，使交通得以有效控制，对于疏导流量

10、、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。1968年，联合国道路交通和道路标志信号协定对各种信号灯的含义做了规定，绿灯是通行信号，面对绿灯的车辆可以直行，左转弯和右转弯，除非另一种标志禁止某一种转向。左右转弯车辆都必须让合法的正在路口内行驶的车辆和过人行横道的行人优先通行。红灯是禁止信号，面对红灯的车辆必须在交叉路口停车线后停车。黄灯是警告信号，面对黄灯的车辆不能越过停车线，但车辆已十分接近停车线而不能安全停车是可以进入交叉路口7。随着社会经济的发展，交通问题越来越引人们的关注。人、车、路三者的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。交通灯控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控

11、制与交通疏导的计算机综合管理系统，是现代交通信号控制中的最重要组成部分8。4、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

12、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

13、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、

14、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。五、参考文献1刘天浩. 基于CPLD交通灯控制系统的设研究J. 实验室科学, 2010(1): 68-71.2孟先军. 基于泛布尔代数的交通信号控制系统研究与设计D. 武汉: 武汉理工大学, 2007.3杨捷，蒋炜华，马临超.基于VHDL语言的交通灯控制器设计河南机电高等专科学校学报, 2008, 16(3): 102-105.4庄建清, 徐玮. 51单片机综合学习系统DS1302时钟应用篇J.电子制作, 2008 (10): 25-265文畅. 基于FPGA/CPLD和VHDL语言的交通灯控制系统设

15、计J. 电脑知识与术, 2007(3): 1605-1618.6张淑骅. 基于FPGA的交通灯的VHDL设计J. 电力与能源, 2007(19): 478-479.7潘松, 黄继业. EDA技术实用教程M. 北京: 科学大学出版社，2008.8张红润. FPGA/CPLD应用设计M. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2009.9吴慎将, 李党娟. 智能交通灯控制器的设计J. 中国科技核心期刊, 2010, 29(11): 51-53.10邱磊, 肖兵. 基于VHDL语言的立通灯控制器设计J. 福建电脑: 2004(12): 76-77.11GAO J, L I J. Multiphase f

16、uzzy control under hybrid traffic flow of single intersectionA. Intelligent Transportation Systems 2003C. Washington: 2003: 1329- 1333.12王灿, 何淳, 吴亚龙, 谷明信, 程发银. 智能交通灯控制系统的设计和仿真J. 重庆工商大学学报: 自然科学版, 2009, 26(1), 84-87.13王晓薇, 王慧. 基于GA的交叉路口自适应模糊控制器设计J. 吉林大学学报: 自然科学版, 2004, 22(4): 346-352.14王晓薇, 王慧. 基于GA的交

17、叉路口自适应模糊控制器优化设计J. 公路交通科技, 2004, 21(9): 107-111.15崔鹏. 基于CPLD的多相位交通信号控制器设计D. 长安: 长安大学, 2008.毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告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.课题题目基于FPGA的交通灯控制器设计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

18、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.研究或解决的问题及工作内容1）设计十字路口主次干道的交通灯控制器；2）有倒计时显示，红、黄、绿灯的持续时间为25s，5s，20s；3）紧急情况特殊处理，过后恢复正常；4）编写软件程序并进行仿真；5.完成设计论文的撰写。4.拟采用的研究方法采用模块层次化设计的方法，并采用自顶向

19、下的设计思路，将整个设计系统划分为六个小模块：交通灯控制模块，显示控制模块，显示译码模块，25s定时器模块，20s定时器模块，5s定时器模块。将六个模块再分别用VHDL语言编程，做成原理图模块，再用原理图输入法做成整个设计的顶层文件。同时，借助QuartusII软件进行模拟仿真，观察每一模块及整体的仿真波形，并通过将程序下载到目标FPGA器件上，进行硬件的调试验证，证明所设计的交通灯控制电路完全可以实现预定的功能。后期，可以进行一些改进，例如使其更智能化。毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告指导教师意见：1对“文献综述”的评语：2对“开题报告”（课题的深度、广度及工作量）的评语和对设计（论文）结果的预测：成 绩指导教师年 月 日所在专业审查意见： 负责人： 年 月 日