中北大学信息商务学院2009届本科毕业设计任务书
1 引言
1.1 交通信号灯的意义
交通灯信号灯是一种能够自动转换的数字逻辑电路系统，作用是保障路口过往车辆、行人能顺利通过的工具。它能够自动控制红黄、绿三种信号灯。有了它可以很直观方便地控制观察十字路口的交通状况，对于交通的安全起到非常重要的作用。交通灯的出现不仅可以指导车辆和行人安全有序地通行，而且加强了道路交通管理，减少交通事故的发生，提高道路使用效率。其中红灯亮表示禁止通行；绿灯亮表示可以通行；黄灯亮表示缓行或停车。交通信号灯的设计和外形是多种多样的就是为了方便的应用与各种街道和路口。交通信号灯的种类繁多主要有:机动车道信号灯、人行横道信号灯、非机动车道信号灯、方向指示信号灯、移动式交通信号灯、太阳能闪光警告信号灯、收费站天棚信号灯，交通灯也在铁道上得到了广泛的应用为。
交通灯在正常运行的情况下，能维持正常交通，交通灯的信号起着至关重要的作用。但事实上，交通信号灯常常由于某种原因显示不正常，需要通过检测电路来判断是否正常，进而来通知交警部门，否则可能造成不可挽回的损失。交通信号灯的红、绿、黄3个灯独立工作是正常，就是为了处理特殊的情况。如果出现特殊情况则红、绿、黄3个灯都显示红灯，道路通行被禁止。 1.2 FPGA的发展及意义
目前，FPGA的主要发展动向是：随着大规模现场可编程逻辑器件的发展，系统设计进入“片上可编程系统”（SOPC）的新纪元；芯片朝着高密度、低压、低功耗方向挺进；国际各大公司都在积极扩充其IP库，以优化的资源更好的满足用户的需求，扩大市场；特别是引人注目的所谓FPGA动态可重构技术的开拓，将推动数字系统设计观念的巨大转变。
如何实现快速的时序收敛、降低功耗和成本、优化时钟管理并降低FPGA与PCB并行设计的复杂性等问题，一直是采用FPGA的系统设计工程师需要考虑的关键问题。如今，随着FPGA向更高密度、更大容量、更低功耗和集成更多IP的方向发展，系统设计工程师在从这些优异性能获益的同时，不得不面对由于FPGA前所未有的性能和能力水平而带来的新的设计挑战。
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今天，数字电子系统的设计方法及设计手段都发生了根本性变化，正由分立数字电路向可编程逻辑器件（PLD，Programmable Logic Device）及专用集成电路（ASIC，Application Specific Integrated Circuit）转变。FPGA与CPLD（Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件）都属于PLD的范畴，它们在现代数字系统设计中正占据越来越重要的地位。
纵观现场可编程逻辑器件的发展历史，其之所以具有巨大的市场吸引力，根本在于：FPGA不仅可以解决电子系统小型化、低功耗、高可靠性等问题，而且其开发周期短、开发软件投入少、芯片价格不断降低，促使FPGA越来越多地取代了ASIC的市场，特别是对小批量、多品种的产品需求，使FPGA成为首选。
2 硬件方案设计
2.1 整体结构设计
本次设计是主要由4个部分组成。利用VHDL汇编语言，要求在EDA实验箱上实现交通信号灯自动控制的功能。根据所给材料和任务使用彩色灯、7段数码管显示交通灯的功能。整体结构设计方案如下图所示：
图2.1 整体结构方
整个系统有电源模块、控制模块、交通信号灯的彩灯模块组成。由FPGA及其外围电路为核心。控制模块是VHDL语言所编的程序为主体，通过开关的具体操作使FPGA给交通灯发送信号进行控制。交通信号灯的彩灯模块主要由7段数码管和2个红2个黄、2个绿共6个彩灯组成。 2.2 FPGA的组成介绍 2.2.1 FPGA的时钟发生电路
随着FPGA集成度的不断提升，单片FPGA已经可以完成百万门级的集成电路设计。因此，很多设计可以利用FPGA完成流片前的功能验证。甚至直接 使用FPGA进行商业生产。但是，FPGA的特殊结构决定了基于FPGA的设计不能直接照搬在设计当
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电源 FPGA 控制 交通信号灯 中北大学信息商务学院2009届本科毕业设计任务书
中的某些经验，时钟设计便是其中较突出的1条。如下图所示：
图2.2 FPGA的时钟结构
该系列FPGA直接利用单独一层铜布线层搭建时钟网络。所有的时钟信号，只能通过处于芯片纵向中轴线上下两端的16个BUFGMUX进入时钟网络。所有 BUFGMUX输出端一直延伸到芯片的中心，连接到铜布线层处于芯片中央纵向分布宽度为8的时钟总线。纵向时钟总线再连接到横向的8条宽度为8的时钟总 线，进而延伸到每一个CLB（Configurable Logic Block，可编程逻辑块）的GRM（General Route Matrix，通用布线矩阵阵列）上。 2.2.2 输入/输出接口
它是用户使用的引退和片内的功能单元的接口，一方面要尽量的满足用户编程的要求，另一方面要把外部的信号变成合适的形式送到芯片内部去。它的结构能够兼容多个电压标准，支持输入，输出，双向，集电极开路和三态输出模式，具有高驱动和高扇出，系统级I/O 特性等。 2.2.3 布线资源
布线资源提供功能单元之间和功能单元和I/O 块的通信，布线资源主要有：水平或垂直地跨过整个阵列的长线，允许线路通断的开关和开关盒（开关矩阵），多路选择器和用以降低分布电容的分段布线短线。 2.3 FPGA的通用设计过程
（1）文本编辑：用任何文本编辑器都可以进行，也可以用专用的HDL编辑环境。通常VHDL文件保存为.vhd文件，Verilog文件保存为.v文件。
（2）功能仿真：将文件调入HDL仿真软件进行功能仿真，检查逻辑功能是否正确。
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（3）逻辑综合：将源文件调入逻辑综合软件进行综合，即把语言综合成最简的布尔表达式和信号的连接关系。逻辑综合软件会生成.edf（edif）的EDA工业标准文件。
（4）布局布线：将.edf文件调入PLD厂家提供的软件中进行布线，即把设计好的逻辑安放到PLD/FPGA内。
（5）时序仿真：需要利用在布局布线中获得的精确参数，用仿真软件验证电路的时序。
（6）编程下载：确认仿真无误后，将文件下载到芯片中。 2.4 中心控制模块的设计 2.4.1 系统中FPGA的应用
本次设计中，采用了ALTERA 公司ACEXIK系列的EP1K30TC144-3芯片。见下图所示：
图2.3 系统中FPGA的连接电路
Altera 一直在可编程系统级芯片(SOPC)领域中处于前沿和领先的地位，结合带有软件工具的可编程逻辑技术、知识产权 (IP) 和技术服务，在世界范围内为14,000多个客户提供高质量的可编程解决方案。可将可编程逻辑的内在优势、灵
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活性、产品及时面市和更高级性能以及集成化结合在一起，专为满足当今大范围的系统需求而开发设计。
自从1983年发明世界上第一款可编程逻辑器件以来，一直是创新定制逻辑解决方案的领先者。今天，分布在19个国家的2,600多名员工为各行业的客户提供更具创造性的定制逻辑解决方案，帮助他们解决从功耗到性能直至成本的各种问题，这些行业包括汽车、广播、计算机和存储、消费类、工业、医疗、军事、测试测量、无线和固网等。
Altera 可编程解决方案包括：业内最先进的 FPGA、CPLD 和结构化 ASIC 技术、全面内嵌的软件开发工具、最佳的 IP 内核、可定制嵌入式处理器、现成的开发包、专家设计服务。Altera全面的产品组合不但有器件，而且还包括全集成软件开发工具、通用嵌入式处理器、经过优化的知识产权(IP)内核参考设计实例和各种开发套件等。 2.4.2 FPGA供电电路
本系统中采用的正常工作电压是3.3V，内部还需要2.5V的电源。它能产生稳定的3.3V和2.5V电压。在系统电路中的连接情况下如图所示：
图2.4 FPGA供电电路 2.4.3 电源和地滤波电路
在硬件电路设计中，电源是电路能否正常工作的关键环节，也是最容易被忽略的环节。在数字电路中，电源有两个基本功能：首先是为逻辑器件提供工作电源，其次是为数字电平信号提供参考电压。为了消除电源线及地线的纹波，在器件及电
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