基于FPGA的交通燈系統(tǒng)控制設計

摘要：為了對交通燈系統(tǒng)進行精確控制，采用FPGA實驗板，在QuartusⅡ軟件環(huán)境下，分別實現(xiàn)脈沖發(fā)生模塊、狀態(tài)定時模塊、交通燈顯示模塊、時間顯示模塊，進行仿真實驗和硬件下載，獲得的測試結果滿足設計要求。由于采用了EDA技術，使數(shù)字系統(tǒng)設計的效率顯著提高。
關鍵詞：FPGA；QuartusⅡ；交通燈；數(shù)字系統(tǒng)設計

目前交通燈廣泛應用于道路交通建設中。本文設計一個十字路口交通燈控制電路，要求東西、南北兩條干道的紅、綠、黃交通燈按要求循環(huán)變化，并以倒計時方式指示干道通行或禁止的維持時間。在QuartusⅡ軟件環(huán)境中設計、仿真，并在FPGA實驗板上實現(xiàn)所設計電路的功能。

1 系統(tǒng)概述

1．1 設計思想
   
基于FPGA的交通燈系統(tǒng)控制設計包括4大模塊，分別為脈沖發(fā)生、狀態(tài)定時、交通燈閃爍的控制、閃爍時間的控制，基本原理如圖1所示。

1．2 總體工作情況

交通燈控制要求如表1所示。

該設計的交通燈控制分為6個狀態(tài)。由于各狀態(tài)持續(xù)時間不同，所以電路的核心控制部分是狀態(tài)機和定時器，狀態(tài)機在定時器觸發(fā)下周期性循環(huán)，狀態(tài)碼控制6個燈以一定的規(guī)律變化。變化情況如圖2所示。

   
系統(tǒng)脈沖由FPGA開發(fā)板晶振經(jīng)過分頻電路實現(xiàn)。狀態(tài)定時由74190可逆十進制計數(shù)器和T’觸發(fā)器實現(xiàn)，只要置數(shù)合理，翻轉信號到位，就可以使電路在東西(I)、南北(J)兩個控制狀態(tài)間翻轉。紅、黃、綠燈的閃爍由7485數(shù)字比較器和組合邏輯控制，其中7485數(shù)字比較器用于比較計數(shù)器當前持續(xù)狀態(tài)和所需要的狀態(tài)全部時間，并做出相應的變化。組合邏輯控制由AHDL文件編寫真值表實現(xiàn)。時間顯示由AHDL文件編寫真值表實現(xiàn)，輸入正確的邏輯，七段譯碼電路即能得到正確的時間顯示。

1．3 各功能的組成

整個電路可以分為4大部分，包括脈沖發(fā)生、狀態(tài)定時、時間顯示和數(shù)字比較一組合邏輯控制。

1．3．1 脈沖發(fā)生
 
脈沖發(fā)生器為整個系統(tǒng)提供驅動，將輸入端分配給FPGA實驗板的PIN55引腳，則會由實驗板上產(chǎn)生頻率為10 MHz的輸入脈沖，用7片7490，每一級都構成10分頻電路，使頻率從10 MHz降低為1Hz。

1．3．2 狀態(tài)定時
   
狀態(tài)定時可由預置BCD碼初值的74190級聯(lián)實現(xiàn)，構成減計數(shù)器。級聯(lián)原則是：低位計數(shù)器從全0狀態(tài)變?yōu)樽畲蟠a值狀態(tài)時可使高位計數(shù)器減1。級聯(lián)方式分為異步和同步兩種，本文采取的是異步級聯(lián)方式，即低位計數(shù)器溢出信號控制高位計數(shù)器的記數(shù)脈沖輸入端?？筛鶕?jù)計數(shù)器的時鐘觸發(fā)方式，在低位計數(shù)器狀態(tài)碼從全“0”變?yōu)樽畲蟠a值的瞬間，為高位計數(shù)器提供有效的計數(shù)脈沖邊沿。具體做法是將低片位的溢出信號RCON端口接到高片位的計數(shù)脈沖CLK，實現(xiàn)兩位BCD碼的置數(shù)、翻轉和借位，使系統(tǒng)表示的數(shù)字能在22～16之間循環(huán)。
    74190功能說明：
    (1)GN為計數(shù)器使能控制端，低電平有效。當GN為高電平時，禁止計數(shù)。
    (2)DNUP為計數(shù)方式控制，接高電平為減計數(shù)，接低電平為加計數(shù)。
    (3)LDN為異步預置數(shù)控制。當LDN為低電平時，計數(shù)器狀態(tài)QD，QC，QB，QA分別等于D，C，B，A。
    (4)計數(shù)器位序由高至低順序為QD，QC，QB，QA。QD為最高位MSB，QA為最低位LSB。
    (5)計數(shù)脈沖CLK上升沿有效。
    (6)當計數(shù)器輸出QDQCQBQA為十進制加計數(shù)的最大狀態(tài)碼“1001”或為減計數(shù)的最小狀態(tài)碼全“0”時，極值狀態(tài)碼指示MAX／MIN輸出為高電平。
    (7)當極值狀態(tài)碼指示MAX／MIN為高電平且CLK為低電平時，溢出信號RCON為低電平，即RCON與計數(shù)脈沖同步。
   
系統(tǒng)記數(shù)脈沖為1 Hz時，如表2所示，當I狀態(tài)(東西控制狀態(tài))的定時時間為22 s，計數(shù)器應該先預置22的BCD碼；同理，J狀態(tài)(南北控制狀態(tài))之前應該預置16的BCD碼。

狀態(tài)計時電路由兩片74190級聯(lián)而成，構成22和16自翻轉的電路。其要解決的核心問題包括置數(shù)，翻轉和借位。根據(jù)74190芯片的特點，可分析其實現(xiàn)原理如圖4所示，通過溢出信號RCON的上升沿實現(xiàn)借位，使得數(shù)字能夠從20到19，個位向十位借位，順利過渡。
   
置數(shù)和翻轉之間有先后關系，即須先置數(shù)后翻轉。如表3所示，分析兩個BCD碼各位特點，可知兩者D7D6D3D0位均為1，D1位均為0，而D5D4D2位不同，如圖5，D5D4D2位由狀態(tài)電平S來控制，當為I狀態(tài)時，計數(shù)器的預置的數(shù)為D5=0，D4=D2=1，而為J狀態(tài)時，計數(shù)器的預置的數(shù)為D5=1，D4=D2=0，根據(jù)74190的功能，將2片74190的MAX／MIN引出，通過與非門，分別連在高位和低位的LDN置數(shù)端，通過分析可知，當計數(shù)器從01減到00時候，高低位的MAX／MIN均為高電平，經(jīng)過與非門以后為低電平，74190被置數(shù)，其置數(shù)值由狀態(tài)S來決定，S是由LDN端信號經(jīng)

過一個T’觸發(fā)器決定的，即LDN信號每置數(shù)一次，S翻轉1次，從而區(qū)分16和22狀態(tài)。按這個結構，可分別置數(shù)16和22，使其實現(xiàn)自翻轉。
   
圖5為狀態(tài)定時模塊的實際連接圖。

1．3．3 時間顯示
   
時間顯示要用到7段顯示譯碼電路，由于是兩位BCD碼，故用二選一數(shù)據(jù)選擇器。選擇端S接一個頻率很高的方波(如1 kHz)；數(shù)據(jù)比較器的輸出和1 Hz脈沖作為AHDL模塊的輸入，即可正確顯示時間。

為正確顯示時間，用AHDL文件自編譯碼真值表如下：

            
1．3．4 數(shù)字比較一組合邏輯控制
   
該模塊將狀態(tài)定時模塊輸出的時間與時間節(jié)點進行比較，從而確定電路處于22 s或者16 s的具體的某個狀態(tài)。由表1可知，東西(I)或南北(J)的控制狀態(tài)都有3個階段的控制邏輯，分別對應3個時間段：1～3 s，4～6 s和大于6 s，因此，采用數(shù)字比較器進行比較，確定定時值小于4 s或大于6 s，方法如圖7所示，采用4片7485數(shù)字比較器，兩兩級聯(lián)，其中一個由狀態(tài)定時模塊的輸出與4即二進制0100比較；另一個由狀態(tài)定時模塊的輸出與6即二進制0110比較。

編寫組合邏輯真值表，將狀態(tài)信號S，兩個數(shù)字比較器的輸出Y1，Y2和1 Hz脈沖作為輸入，各個燈的狀態(tài)作為輸出。從而根據(jù)邏輯關系得出對應時間電路的狀態(tài)，控制紅、黃、綠燈處于不同的狀態(tài)。S判斷電路處于22 s狀態(tài)還是16 s狀態(tài)，Y1，Y2區(qū)分東西、南北六個階段狀態(tài)，1 Hz脈沖實現(xiàn)綠燈閃爍。

   
2 電路的組構與調(diào)試
   
來用QuartusⅡ軟件設計各個模塊，并進行仿真。確認結果后，下載至FPGA實驗板中，進行相應的硬件調(diào)試，調(diào)試結果與仿真結果相一致。圖8為仿真波形，系統(tǒng)上電需要調(diào)整的過程，因此電路正常工作前重復了22s的狀態(tài)。