基于FPGA的交通燈電路設(shè)計(jì)

高 銳

長(zhǎng)春職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 吉林長(zhǎng)春 130033

FPGA現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，是作為專用集成電路領(lǐng)域中的一種半定制電路出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。用戶可以根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式來(lái)設(shè)計(jì)其內(nèi)部功能。同一片F(xiàn)PGA，不同的編程數(shù)據(jù)，可以產(chǎn)生不同的電路功能。因此，F(xiàn)PGA非常靈活，其器件及開發(fā)系統(tǒng)是開發(fā)大規(guī)模數(shù)字集成電路的新技術(shù)。用于開發(fā)可編程邏輯器件FPGA的工具，較流行的是Alter公司推出的QuartusII軟件，它提供完全集成且與電路結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)的開發(fā)包環(huán)境，具有數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)的全部特性。QuartusII軟件在設(shè)計(jì)流程的不同階段使用不同的用戶界面、EDA工具和相應(yīng)的菜單命令，主要能夠?qū)崿F(xiàn)項(xiàng)目工程的設(shè)計(jì)輸入、分析綜合、布局布線、時(shí)序分析、設(shè)計(jì)仿真、編程及配置、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟件開發(fā)和工程變更管理的主要功能。本文所設(shè)計(jì)的交通燈電路，就是使用QuartusII軟件開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)的基于FPGA器件的電路功能。

1 設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)一個(gè)基于FPGA的交通燈控制器電路，用來(lái)控制丁字路口的交通燈。具體指標(biāo)要求是，交通燈由兩組構(gòu)成，一組控制主路而別一組控制支路。當(dāng)主路綠燈亮?xí)r，支路紅燈亮；主路紅燈亮?xí)r，支路綠燈亮；主路每次放行35秒，支路每次放行25秒；每次由綠燈變?yōu)榧t燈的過程中，黃燈作為過渡，黃燈亮?xí)r間為5s；能實(shí)現(xiàn)正常的倒數(shù)計(jì)時(shí)顯示功能；實(shí)現(xiàn)總體清零功能。由LED顯示燈表示交通狀態(tài)，并以七段數(shù)碼顯示器顯示當(dāng)前狀態(tài)剩余秒數(shù)。要求使用QuartusII軟件創(chuàng)建項(xiàng)目工程jtd，對(duì)項(xiàng)目工程進(jìn)行編譯及修改，選擇Cyclone II系列的EP2C8Q208C8器件并進(jìn)行引腳分配、項(xiàng)目編譯、仿真、生成目標(biāo)文件，進(jìn)行器件的編程和配置，使用EDA實(shí)驗(yàn)箱驗(yàn)證交通燈電路的功能。

2 設(shè)計(jì)過程

使用QuartusII軟件創(chuàng)建項(xiàng)目工程jtd，使用VHDL語(yǔ)言的有限狀態(tài)機(jī)的文本輸入方法設(shè)計(jì)交通控制器功能；創(chuàng)建jtd.vhd文件，其中包括七個(gè)進(jìn)程，分別是1KHz分頻、1Hz分頻、交通狀態(tài)轉(zhuǎn)換、禁止通行信號(hào)、數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描計(jì)數(shù)、數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描和七段譯碼；進(jìn)行項(xiàng)目工程的分配器件、分析與綜合、布局布線、仿真等操作，保證交通燈控制器功能的正確性。

2.1 在QuartusII軟件中創(chuàng)建項(xiàng)目工程jtd

啟動(dòng)QuartusII軟件，建立一個(gè)新工程jtd，在此工程下選擇菜單“File”→“New”，在彈出的對(duì)話框中選擇“VHDL File”選項(xiàng)，即可進(jìn)行VHDL語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)。在此文件中指定目標(biāo)器件是Cyclone II系列的EP2C8Q208C8。

2.2 設(shè)計(jì)jtd.vhd文件功能

使用VHDL語(yǔ)言的有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)交通控制器功能。狀態(tài)機(jī)是一種時(shí)序邏輯電路，是一組觸發(fā)器的輸出狀態(tài)隨著時(shí)鐘和輸入信號(hào)按照一定的規(guī)律變化的一種機(jī)制和過程。狀態(tài)機(jī)的基本操作有兩種：第一是狀態(tài)機(jī)的內(nèi)部狀態(tài)轉(zhuǎn)換，經(jīng)過一系列狀態(tài)，狀態(tài)由狀態(tài)譯碼器根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)和輸入信號(hào)決定；第二是產(chǎn)生輸出信號(hào)，由輸出譯碼器根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)和輸入信號(hào)決定。有限狀態(tài)機(jī)的每一個(gè)狀態(tài)對(duì)應(yīng)控制步驟相關(guān)的轉(zhuǎn)換條件，按照這種對(duì)應(yīng)關(guān)系能夠描述時(shí)序電路之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)換和狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件。有限狀態(tài)機(jī)的VHDL描述用VHDL語(yǔ)言可能設(shè)計(jì)不同實(shí)用功能的有限狀態(tài)機(jī)，它們都有相對(duì)固定的語(yǔ)句和程序表達(dá)式，選定有限狀態(tài)機(jī)的類型后，就可以開始設(shè)計(jì)了。有限狀態(tài)的VHDL描述通常包括，根據(jù)系統(tǒng)功能建立有限狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表或狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖；有限狀態(tài)機(jī)說明部分，包括根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖、建立有限狀態(tài)機(jī)的進(jìn)程并在其中定義狀態(tài)轉(zhuǎn)換。根據(jù)表1中所示的交通控制電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表設(shè)計(jì)VHDL語(yǔ)言程序。

表1 交通控制電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表

2.3 檢查當(dāng)前項(xiàng)目工程

選擇菜單“Processing” →“Start” →“Start Analysis & Elaboration”，先檢查當(dāng)前電路中錯(cuò)誤并修改。

2.4 保存文件

保存好VHDL程序，并生成jtd.bsf電路符號(hào)文件。

2.5 分配器件引腳

選擇菜單“Assignments”→“Device”，單擊“目標(biāo)器件與引腳選項(xiàng)設(shè)置”對(duì)話框中Device and Pin Options按鈕，并在彈出的對(duì)話框中選擇Unused Pins選項(xiàng)卡中的Reserve all unused pins選項(xiàng)中的As inputs tri-stated，將當(dāng)前目標(biāo)器件中所有未使用的引腳設(shè)置成三態(tài)。

2.6 設(shè)置時(shí)序約束參數(shù)

選擇菜單“Assignments”→“Settings”，在彈出的“參數(shù)設(shè)置”對(duì)話框中的Category選項(xiàng)列表中，選擇Timing Analysis Settings選項(xiàng)中的Classic Timing Analyzer Settings，使用系統(tǒng)默認(rèn)值。

2.7 設(shè)置分析綜合參數(shù)、布局布線參數(shù)

選擇菜單“Assignments” →“Settings”，單擊Category選項(xiàng)列表中的Analysis & Synthesis Settings選項(xiàng)，在這里使用系統(tǒng)默認(rèn)值。單擊Category選項(xiàng)列表中的Fitter Settings選項(xiàng)，在這里使用系統(tǒng)默認(rèn)值。

2.8 編譯項(xiàng)目工程

選擇菜單“Processing”→“Start Compilation”，執(zhí)行項(xiàng)目工程編譯操作，。如果有紅色錯(cuò)誤信息提示，需要回到設(shè)計(jì)文件進(jìn)行修改，保存后再重新執(zhí)行編譯操作，直到最后無(wú)誤為止。

3 功能仿真

選擇菜單“Assignments”→“Settings”，將Simulator Settings選項(xiàng)中的simulation mode設(shè)置為Timing，即進(jìn)行時(shí)序仿真操作。在當(dāng)前項(xiàng)目工程文件中新建矢量波形文件jtd.vwf，添加引腳信號(hào)和節(jié)點(diǎn)，并編輯輸入引腳的波形，仿真結(jié)束時(shí)間設(shè)置為6.0μs，選擇菜單“Processing”→“Start Simulation”，開始執(zhí)行仿真操作。

[1]張宏亮.基于數(shù)字頻率計(jì)的FPGA開發(fā)應(yīng)用研究.碩士學(xué)位論文，2009.

[2]王道憲.CPLD/FPGA 課程邏輯器件應(yīng)用與開發(fā)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004.