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基于FPGA的交通灯电路设计

摘要FPGA器件及其开发系统是开发大规模数字集成电路的新技术，本文

使用电子电路自动化设计方法，设计了基于FPGA逻辑器件的交通灯电路。其中

简单介绍了FPGA器件的特点和开发设计软件功能，着重介绍了基于FPGA的

交通灯电路的设计功能、设计方案、电路设计过程、电路编译和仿真操作，使用

户明确了可编程逻辑器件设计的常规操作流程。

关键词FPGA特点；交通灯电路设计；设计流程

FPGA现场可编程门阵列，是作为专用集成电路领域中的一种半定制电路出

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。

用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式来设计其内部功能。同一片

FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA非常灵活，

其器件及开发系统是开发大规模数字集成电路的新技术。用于开发可编程逻辑器

件FPGA的工具，较流行的是Alter公司推出的QuartusII软件，它提供完全集成

且与电路结构无关的开发包环境，具有数字逻辑设计的全部特性。QuartusII软件

在设计流程的不同阶段使用不同的用户界面、EDA工具和相应的菜单命令，主

要能够实现项目工程的设计输入、分析综合、布局布线、时序分析、设计仿真、

编程及配置、系统设计、软件开发和工程变更管理的主要功能。本文所设计的交

通灯电路，就是使用QuartusII软件开发平台设计的基于FPGA器件的电路功能。

1设计要求

设计一个基于FPGA的交通灯控制器电路，用来控制丁字路口的交通灯。具

体指标要求是，交通灯由两组构成，一组控制主路而别一组控制支路。当主路绿

灯亮时，支路红灯亮；主路红灯亮时，支路绿灯亮；主路每次放行35秒，支路

每次放行25秒；每次由绿灯变为红灯的过程中，黄灯作为过渡，黄灯亮时间为

5s；能实现正常的倒数计时显示功能；实现总体清零功能。由LED显示灯表示

交通状态，并以七段数码显示器显示当前状态剩余秒数。要求使用QuartusII软

件创建项目工程jtd，对项目工程进行编译及修改，选择CycloneII系列的

EP2C8Q208C8器件并进行引脚分配、项目编译、仿真、生成目标文件，进行器

件的编程和配置，使用EDA实验箱验证交通灯电路的功能。

2设计过程

使用QuartusII软件创建项目工程jtd，使用VHDL语言的有限状态机的文本

输入方法设计交通控制器功能；创建jtd.vhd文件，其中包括七个进程，分别是

1KHz分频、1Hz分频、交通状态转换、禁止通行信号、数码管动态扫描计数、

数码管动态扫描和七段译码；进行项目工程的分配器件、分析与综合、布局布线、

仿真等操作，保证交通灯控制器功能的正确性。

2.1在QuartusII软件中创建项目工程jtd

启动QuartusII软件，建立一个新工程jtd，在此工程下选择菜单

“File”→“New”，在弹出的对话框中选择“VHDLFile”选项，即可进行VHDL语言

程序设计。在此文件中指定目标器件是CycloneII系列的EP2C8Q208C8。

2.2设计jtd.vhd文件功能

使用VHDL语言的有限状态机设计交通控制器功能。状态机是一种时序逻

辑电路，是一组触发器的输出状态随着时钟和输入信号按照一定的规律变化的一

种机制和过程。状态机的基本操作有两种：第一是状态机的内部状态转换，经过

一系列状态，状态由状态译码器根据当前状态和输入信号决定；第二是产生输出

信号，由输出译码器根据当前状态和输入信号决定。有限状态机的每一个状态对

应控制步骤相关的转换条件，按照这种对应关系能够描述时序电路之间的状态转

换和状态转换条件。有限状态机的VHDL描述用VHDL语言可能设计不同实用

功能的有限状态机，它们都有相对固定的语句和程序表达式，选定有限状态机的

类型后，就可以开始设计了。有限状态的VHDL