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基于ＦＰＧＡ的交通灯控制器实验设计

1引言

计算机硬件课程是高等院校计算机科学与技术专业的必修课，这些课程比较

抽象，难于理解，因此实验教学起着至关重要的作用。学生通过实验可以对比较

抽象的元器件及硬件电路加深理解。同时一些学生对计算机硬件的学习不感兴

趣，认为硬件课程用途不大。针对这些，本文给出了基于FPGA的交通灯控制器

实验项目设计，将生活中的实际应用与学生所学的硬件理论知识联系起来，让学

生感到学有所用，极大程度地激发了学生对计算机硬件知识学习的兴趣，从而促

进了硬件课程教学的顺利进行。

可编程器件的广泛应用，为数字系统的设计带来了极大的灵活性。由于可编

程器件可以通过软件编程对硬件的结构和工作方式进行重构，使得硬件的设计如

同软件设计那样快捷方便。通常使用硬件描述语言，进行数字电子系统设计。用

软件设计方法来完成硬件电路的设计，非常容易上手，消除了学生对硬件实验的

畏惧感。

本实验使用VHDL语言进行设计，采用自顶向下的设计方法，容易让学生

理解和掌握。

2实验相关技术与开发环境

2.1FPGA技术

FPGA(FieldProgrammableGateArray)即现场可编程门阵列，它是在PAL、

GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路

(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了

原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA的使用非常灵活，同一片FPGA通

过不同的编程数据可以产生不同的电路功能。FPGA在通信、数据处理、网络、

仪器、工业控制、军事和航空航天等众多领域得到了广泛应用。随着功耗和成本

的进一步降低，FPGA还将进入更多的应用领域。

2.2QuartusII开发环境

Altera的QuartusII设计软件提供一个非常容#63968;适应特定设计所需要

的完整的多平台设计环境。它是一个可编程片上系统(SOPC)设计的综合性环境。

QuartusII软件包括FPGA设计所有阶段的解决方案。其设计#63946;程包括设

计、综合与适配、仿真测试、优化设计和编程下载等。

2.3VHDL语言

VHDL(Very-High-SpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage)超

高速集成电路硬件描述语言是IEEE的工业标准硬件描述语言。VHDL具有极强

的描述能力，是最具推广前景的硬件描述语言(HDL)。

VHDL具有如下优点：

(1)VHDL是一门标准化语言，它是一种通用优化设计程序语言，已被电子

设计界公认为标准的设计语言。

(2)VHDL是一门设计输入语言，它可将复杂的硬件电路运行过程以源程序

的形式输入到数字电路设计系统中，进行系统仿真、自动综合。

(3)VHDL是一门网表语言，它的语言结构使它可在计算机的设计环境中，

是不同设计工具间相互通讯的一种低级格式，即生成的门级网表文件，可相互替

换、兼容。

(4)VHDL是一门测试语言，VHDL在进行数字电路设计描述的同时，建立

测试基准，对所设计的数字电路进行功能模拟和仿真，以验证所设计电路是否满

足功能与时序需求。

(5)VHDL是一门可读性语言，既可被计算机接受，也易被人所理解，它具

有良好的可读性，易于修改和发现错误。

3实验设计

3.1实验预期目标

在两条干道的汇合点形成十字交叉路口，假设东西方向为主干道，南北方向

为支干道。为确保车辆安全，迅速地通行，在交叉道口的每个入口处设置了红，

绿，黄色信号灯。

实验具体要求如下：

(1)主干道绿灯亮时，支干道红灯亮，反之亦然。两者交替通行，主干道每

次放行T1s，支干道每次放行T2s。每次由绿灯变为红灯的过程中，黄灯亮T3s

作为过渡。这里要求主干道放行时间要大于支干道的放行时间，即T1s＞T2s。

(2)能实现正常的倒计时显示功能。

3.2实验设计方案

交通灯控制器原理框图如图1所示，包括主控制器模块、置数模块、定时计

数模块和译码器模块。主控制器模块是交通灯控制器的核心部分。置数模块将交

通灯的点亮时