基于FPGA的嵌入式交通信号控制器的设计与应用

江苏商贸职业学院 高 敏

基于FPGA的嵌入式交通信号控制器的设计与应用

江苏商贸职业学院 高 敏

随着社会的快速发展,城市车辆的数量逐渐增多,城市路网已经无法满足城市交通需求,交通拥堵问题逐渐凸现出来,在一定程度上阻碍了城市经济发展。在已有的城市路网条件下,要想缓解城市交通拥堵问题,就需要采取科学的手段。交叉口已经成为路网管理的重点和难点。如今,各项科技迅猛发展,FPGA的嵌入式交通信号控制器被广泛应用于城市路网中,提高了交通管理水平。FPGA的嵌入式的交通信号控制器设计是发挥FPGA的嵌入式交通信号控制器作用的基础和前提,设计人员需要合理制定FPGA的嵌入式交通信号控制器设计方案,保证设计的合理性。

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如今,我国交管部门主要应用交通信号控制器对交叉口的交通状况进行监督和管理,但是传统交通信号控制器相对落后,已经无法满足交通管理需求。在新形势下,FPGA的嵌入式交通信号控制器被广泛应用于交通管理中。FPGA的嵌入式交通信号控制器具有以下特点:一是低功耗,二是开发周期短,三是功能齐全,四是运算效率高,五是支持多种通信方式。以上特点也是FPGA的嵌入式交通信号控制器广泛应用于交通管理中的原因。

一、基于FPGA的嵌入式交通信号控制器的设计方法

(一)FPGA平台

随着社会的快速发展,微电子技术也得到迅猛发展,大规模集成电路已经完全取代了传统的电子管电路。但是,对于一些小型的电路集成公司而言,怎么才能提高产品更换的效率,成为企业能否在激烈的社会竞争中生存和发展的关键点。即便ASIC具有一定的应用优势,但是ASIC的应用成本比较长,需要消耗大量的人力和物力。FPGA可以随意更改设计模板,不仅可以缩短交通信号控制器的设计时间,还可以降低交通信号控制器的开发成本,提高企业的经济效益。FPGA是1970年发明出来的,随着微电子技术的快速发展,FPGA也在不断完善,已经成为交通信号控制器设计的关键硬件。目前,FPGA的嵌入式交通信号控制器的编程类别有以下几种:一是编程制度存储器,二是现场可编程逻辑,三是可擦除可编程逻辑,四是复杂可编程逻辑器,五是可编程门阵列。

(二)FPGA的结构

FPGA内部包含了一定数量的可编辑模块,这些模块的运行非常灵活。除此之外,FPGA内部还包含了以下几个部分:一是I/O模块,二是可编程连线。目前,市场上广泛应用的FPGA均为查找表结构。查找表实际上就是RAM,如果FPGA嵌入式交通信号控制器设计人员把HDL作为设计的主要编辑电路,设计软件会根据输入的电路编辑,计算出所需要的数据,并把结果填入RAM,这样的形式就是查找表。可编辑模块CLB由以下几个部分构成:一是触发器,二是函数发生器,三是数据选择器,以上几个部分也是实现FPGA设计的基础性单元。可编辑模块CLB内部元件的数量受到内部器件的限制和影响,CLB内部会设置开关矩阵,开关矩阵的数量不需要太多,开关矩阵主要由触发器以及电路组成。相比而言,开关矩阵的灵活性比较高,开关矩阵的功能有:一是处理移位寄存器,二是处理RAM,三是组合逻辑。I/O模块主要由以下几个部分组成:一是输入缓冲器,二是输入触发器,三是输出缓冲器,四是输出触发器,五是输出锁存器。I/O模块的主要功能为:一是实现外引脚的连接,二是匹配电路的输入和输出驱动。I/O模块会设置在芯片附近,普通的外引脚都可以实现编程配置,I/O模块的应用可以提高FPGA的灵活性,完善了FPGA。FPGA的模块与I/O模块的连接主要是依靠IR得以实现,而可编程资源主要是通过不同长度的连线连接在一起,一定数量的连接线组成了网状的结构,分布在芯片结构的内部,开关矩阵可以控制连线的连接状态。连接线分为以下几种:一是单长度线,二是双长度线。其中,单长度线实际上就是连接相邻的I/O模块,双长度线就可以把不相邻的I/O模块连接在一起。

(三)FPGA的嵌入式交通信号控制器的设计方法

为了提高FPGA设计的效率,保证FPGA设计质量,EDA设计理念被广泛应用于FPGA嵌入式交通信号控制器设计中,而且EDA的设计方法也在不断做出调整和完善。EDA设计主要是应用以下几种技术:一是计算机技术,二是软件技术,以上技术可以帮助设计人员在最短的时间内设计出满意的作品。随着社会的快速发展,硬件描述语言被发明出来,为EDA设计提供了便利。EDA设计主要是采用自顶向下的设计模式,自顶向下实际上就是设计人员在开展FPGA嵌入式交通信号控制器设计之前,设计人员会从交通信号控制器的功能设计入手,然后再开展各个模块的设计,并运用VHDL语言对系统的模块展开描述,采用先进的仿真技术对于交通信号控制器的功能设计进行验证,如果交通信号控制器功能设计通过则进行网表的设计和生成,随后可编辑器会自动在生成的网表内布线,形成功能性电路。自顶而下的设计方法主要就是针对PLD器件设计的,设计人员可以不按照传统的设计方法,也不需要考虑器件是否具备适用性,FPGA嵌入式交通信号控制器设计人员可以结合实际情况合理的选择适合FPGA系统的模块,并充分发挥出各个模块的功能,提高FPGA嵌入式交通信号控制器设计的灵活性,保证交通信号控制器设计的合理性。相比于传统的FPGA嵌入式交通信号控制器设计方法,在EDA设计系统内,可以应用硬件语言对系统模块进行描述,这样就省去了很多不必要的麻烦和步骤,降低了FPGA嵌入式交通信号控制器设计难度,降低能源的消耗,降低错误率,缩短FPGA嵌入式交通信号控制器设计时间。硬件代码的可移植性非常强,而且便于保存和管理。

二、基于FPGA的嵌入式交通信号控制器的应用

FPGA嵌入式交通信号控制器上必须具备以下几个基础性元素:一是储存,二是显示,三是通信,这样才能实现交通信号的统一管理。因此,FPGA嵌入式交通信号控制器必须具有以下模块:一是信号机控制模块,二是信号驱动模块,三是通信模块,四是人机交互模块,五是数据存储模块,六是计时显示模块,七是时钟模块。信号机控制模块主要的功能就是负责信号机传输信号的整理和保存,实现信息数据的快速传输,提高信息数据的利用率。计时模块的主要功能就是保证交通信号控制器上显示正确的时间,并对相位进行计时,这样可以更好的提醒车辆驾驶者当前道路的交通状况。人机交互模块的主要功能就是信号机上的信息数据会在第一时间传输到现场工作人员的手上,方便现场工作人员开展工作。数据储存模块的功能就是保证信号机上的数据信息可以完整保存,避免数据信息的丢失,为工作人员开展工作提供数据依据。

三、结语

FPGA可以随意更改设计模板,不仅可以缩短交通信号控制器的设计时间,还可以降低交通信号控制器的开发成本,提高企业的经济效益。随着微电子技术的快速发展,FPGA也在不断完善,已经成为交通信号控制器设计的关键硬件。FPGA的模块与I/O模块的连接主要是依靠IR得以实现,而可编程资源主要是通过不同长度的连线连接在一起,一定数量的连接线组成了网状的结构。如今, EDA设计理念被广泛应用于FPGA嵌入式交通信号控制器设计中,而且EDA的设计方法也在不断做出调整和完善。设计人员会从交通信号控制器的功能设计入手,然后再开展各个模块的设计,并语言VHDL语言对系统的模块展开描述,采用先进的仿真技术对于交通信号控制器的功能设计进行验证。设计人员可以结合实际情况合理的选择适合FPGA系统的模块,并充分发挥出各个模块的功能,提高FPGA嵌入式交通信号控制器设计的灵活性。

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