开题报告崔方伟

毕业论文（设计） 论文题目：系部名称：学生姓名：指导教师：开题报告

交通灯系统的VHDL设计

信息工程系 专业班级： 自动082班 史星星 学 号： 200880874213 王新强 教师职称： 讲师 2012年02月15日

毕业论文（设计）开题报告

一、结合毕业论文（设计）任务书的要求，根据所查阅的文献资料，撰写3000字左右的文献综述： 本课题研究的主要目的是：采用EDA技术设计一个交通灯控制器。 目前，全球的机动车在以超高的速度增长，世界上的交通事故频发，有很大一部分原因就是因为交通灯出现故障，错误的工作导致许多的交通事故。因此，研究一个稳定交通灯系统的设计方法具有重要的理论和现实意义。 交通灯控制器设计是数字电路中的经典问题,传统的设计方法是基于中，小规模集成电路进行的,采用的电路元件多,接线复杂,故障率高,可靠性低,修改电路的功能需要硬件电路的支持。 随着电子设计自动化(EDA）技术的进展，基于可编程ASIC 器件的数字电子系统设计的完整方案越来越受到人们的重视，并且以EDA 技术为核心的能在可编程ASIC 器件上进行系统芯片集成的新设计方法，也正在快速地取代基于PCB 板的传统设计方式。采用EDA技术的自顶向下的模块化设计方法，借助相关开发软件，例如QUALTUS软件，将硬件描述语言——VHDL程序固化于具有丰富I／O口、内部逻辑和连线资源的FPGA(现场可编程门阵列)中。该技术具有系统设计效率高、集成度好、保密性强、易于修改、易于实现等优点，成为当今数字系统设计主流技术。此方式所制作的LED点阵控制器，由于是纯硬件行为，具有速度快、可靠性高、抗干扰能力强、开发周期短等显著优点。。 当今社会，VHDL语言承担起大部分的数字设计任务，VHDL语言描述能力强，覆盖面广，抽象能力强，所以用VHDL语言作为硬件模型建模很适合。设计者的原始描述是非常简练的硬件描述，经过EDA工具综合处理，最终生产付诸生产的电路描述或版图参数描述的工艺文件。整个过程通过EDA工具自动完成，大大减轻了设计人员的工作强度，提高了设计质量，减少了出错的机会。VHDL语言可读性好。VHDL技能被人容易读懂又能被计算机识别，作为技术人员编写的源文件，即使计算机程序、技术文档和技术人员硬件信息交流文件，又是签约双方的合同文件。VHDL语言中设计实体（Design Entity）、程序包（Package）、设计库（Library）,为设计人员重复利用别人的设计提供了技术手段。重复利用他人的IP模块和软核（Soft Core）是VHDL的特色，许多设计不必个个都从头再来，只要在更高层次上把IP模块利用起来，就能达到事半功倍的效果。 VHDL本身的生命期长。因为VHDL的硬件描述与工艺技术无关，不会因为工艺变化而使描述过时。而与工艺技术有关的参数可通过VHDL提供的属性加以描述，当生产工艺改变时，只需修改相应程序中的属性参数即可。 FPGA工作原理 FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。 FPGA的基本特点 1）采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。 2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。

3）FPGA内部有丰富的触发器和I／O引脚。 4）FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。 5) FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。 可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。 目前FPGA的品种很多，有XILINX的XC系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的FIEX系列等。 FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。 加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。这样，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的使用非常灵活。 FPGA有多种配置模式：并行主模式为一片FPGA加一片EPROM的方式；主从模式可以支持一片PROM编程多片FPGA；串行模式可以采用串行PROM编程FPGA；外设模式可以将FPGA作为微处理器的外设，由微处理器对其编程。 基于VHDL综合的FPGA设计流程 一般来说，完整的FPGA设计流程包括电路设计与输入、功能仿真、综合等。下面作简单介绍。 （1）电路的设计与输入 电路设计与输入是指通过某些规范的描述方式，将工程师电路构思输入给EDA工具。最常用的设计方法是HDL设计输入法，比较流行的HDL主要有VHDL、ABEL-HDL、AHDL等,其中,VHDL对系统的行为描述能力最强,已被IEEE确定为标准HDL,并得到目前所有流行EDA软件的支持,进而成为系统设计领域最佳的硬件描述语言。用VHDL设计电路系统,可以把任何复杂的电路系统视为一个模块,对应一个设计实体。在VHDL层次化设计中,它所设计的模块既可以是顶层实体,又可以是较低层实体,但对不同层次模块应选择不同的描述方法(如行为描述或结构描述)。 （2）功能仿真 电路设计完成后，要用专用的仿真工具对设计尽行功能仿真，验证电路功能是否符合设计要求。功能仿真有时也称为前仿真。本文中主要采用ALTERA公司的MAX+PLUS2进行仿真。 （3）综合优化

综合优化（Synthesize）是指将HDL语言、原理图等设计输入翻译成由与、或、非门，RAM，触发器等基本逻辑单元组成的逻辑连接（网表），并根据目标与要求优化所生成的逻辑连接，输出edf和edn等标准格式的网表文件，供PFGA厂家的布局布线器进行实现。 （4）综合后仿真 综合完成后需要检查综合结果是否与原设计一致，做综合后仿真。 （5）实现与布局布线 FPGA的结构相对复杂，为了获得更好的实现结果，特别是保证能够满足设计的时序条件，一般采用时序驱动的引擎进行布局布线，所以对于不同的设计输入，特别是不同的时序约束，获得的布局布线一般有较大差异。 （6）时序仿真与验证 将布局布线的时延信息反标注导设计网表中，所进行的仿真就叫时序仿真或布局布线后仿真，简称后仿真。 （7）板级仿真与验证 在有些高速设计情况下还需要使用第三方的板级验证工具进行仿真与验证。 （8）调试与加载配置 设计开发的最后步骤就是在线调试或者将生成的配置文件写入芯片中进行测试。示波器和逻辑分析仪是逻辑设计的主要调试工具。 FPGA芯片的使用可以有效地缩短系统的开发周期，降低系统成本。面向对象的VHDL可提高设计者实现更复杂、更大规模的元件的重用。但要注意必须对VHDL 设计进行优化，这对系统实现有很大影响。

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二、本论文（设计）要研究或解决的问题以及拟采用的研究手段（途径）： 本论文（设计）要研究或解决的问题： 根据设计要求需要研究以下几个问题： 1、依据设计任务要求，对所计的系统做出总体方案。 2、依据设计方案，对所需要使用的器件进行资料查询及使用数目统计。 列出相应的资料检索目录及器件数目统计表。 3、研究如何用VHDL语言设计系统。 4、本设计就是针对交通信号灯控制器的设计问题，提出了基于VHDL语言的交通信号灯系统的硬件实现方法。 5、研究数据传输的方式。 6、本设计主要由控制模块、计数模块和译码显示模块和主程序模块构成。 7、控制模块，计数模块和译码显示模块和主程序模块的功能及其详细信息。 8、研究系统各电路的功能。 9、研究系统的抗干扰方法。 以上研究的问题多数需要查找相关资料进行研究，可以通过网络查找，也可以用过EDA应用方面的书籍，例如：《EDA技术》、《EDA技术与VHDL》、《EDA技术与应用》《电器元件资料库》等。通过以上的方法查找解决这些问题的资料，对资料进行整理，以便于随时参考。 本论文（设计）采用的研究手段和方法： 单元模块的设计 此次设计的系统主要包括：时钟发生电路，计数秒数选择电路，倒计时控制电路， 红绿灯信号控制电路。系统大体的工作程序是：首先由时钟发生电路产生稳定的时钟信号，为下面三个子电路提供同步工作信号。接受到时钟信号的红绿灯信号控制电路开始工作，并将产生的重新计数的输出使能控制信号发送给计数秒数选择电路和倒计时控制电路，同时还会将目前电路产生的状态信号发送给前者。接受到重新计数的信号后计数秒数选择电路就会负责产生计数器所需要的计数值，并将这一数值发送给到计时控制电路，由它利用发光二级管显示倒计时的状态。当计数器计时完毕，倒计时控制器就会负责产生一个脉冲信号发送给红绿灯信号控制电路进入下一个状态，之后循环这一过程。

参考文献： 1、褚振勇 翁木云. FPGA设计及应用. 西安电子科技大学出版社，2002 2、侯伯亨. VHDL硬件描述语言与数字逻设计. 西安电子科技大学出版社，2001 3、曾繁泰等. VHDL 程序设计. 北京：清华大学出版社,2001 4、徐志军 王金明 尹廷辉.EDA技术与WHDL设计.北京：电子工业出版社，2009 5、周立功.EDA实验与实践.北京：北京航空航天大学出版社，2007 6、J.Bhasker著,徐振林等译.Verilog HDL硬件描述语言.北京:机械工业出版社,2000 7、潘松. :EDA技术实用教程(第二版).中国科学出版社,2007 8、周金富.VHDL与EDA技术入门速成.人民邮电出版社，2008

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指导教师意见： 指导教师： 2010年12月12日 导师组审核意见： 负责人： 2010年 月 日 系毕业论文领导小组审核意见： 负责人： 2010年 月 日