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一 設計概述 1.1目標領域和主要應用 如今，交通在現代人的生活中所占比重越來越重要。如何安全，高效的利用道路資源是每個人都要面對的問題。現有車載GPS導航只能查看到道路走向信息，卻不能查看到道路上的各種突發情況，比如交通事故、堵車現象、交通臨時管制、禁止部分車輛通行、臨時禁止左右轉、道路維修、道路更改的情況。這時如果有能夠實時更新并對外發布和顯示交通信息、道路狀況信息和設施狀況等，能起到減少堵塞程度，提高道路通行能力的作用。也間接提高了交通運輸，人們出行的效率。 該項目是基于FPGA的LCD顯示遠程更新就可以用于智能交通提示，實時發布和顯示各路段路況信息。為交通運輸業及人們的出行帶來極大的便利。 1.2市場分析 改革開放30多年來，我國經濟持續快速發展，城市化、現代化的進程不斷加快，很多城市的機動車保有量以年平均20%的速度飆長，導致了目前國內交通供求關系的嚴重失衡、交通擁擠、交通事故增多、環境日益惡化等已經成為我國城市面臨的嚴重問題。如何治理交通擁堵也成了一個重大的國計民生問題，面對國內大中城市的接連“暴堵”，“十二五”交通規劃或將在年初推出。智能交通也應運而生，迎來了新時代�，F有的交通提示系統主要體現在GPS、交通信息網、鐵質廣告牌、交通廣播臺等方面，每種設計都有他自身的優勢與劣勢。 下面是對市場上一些常用的智能交通的應用分析： GPS： 優點：GPS是目前應用最為廣泛的智能交通，它最強大之處是道路導航功能，在汽車上裝一個GPS就可以知道自己的所在位置。輸入終點，它會顯示最近的最為便捷的路線圖。而且GPS操作起來方便快捷，所以一直都得到了廣大司機的青睞。 缺點： GPS的成本較高，不是每輛車都可以配備上的，而且GPS對于道路情況的更新較慢，對于突發的路況信息如臨時交通管制等不能及時的反饋給司機，從而導致不必要的麻煩。 交通信息網： 優點：各地交通網等信息要到各地網站上去看，信息會每天進行實時更新，只要有網絡就可以查詢，無論是臺式機還是筆記本，又或者是手機都可以查詢，使用起來比較方便。網絡查詢可以根據自己的需求進行查找，針對性和自主性較強。 缺點：如司機當時沒有電腦，或者沒有網絡就不能及時查看到路況信息;并且在行車中上網會影響行車安全。 鐵質廣告牌： 優點：鐵質廣告牌適合反饋一些因大型的道路整修而導致的道路不通，鐵質廣告牌體積較大，放置在重要路段的綠化帶上，清晰醒目，并且不會應為天氣原因而影響廣告牌的正常顯示。 缺點：過程比較繁瑣，首先要通過工作人員確定道路整修，將信息傳達給工人，工人再根據情況制作廣告牌，完成后放置到指定的路段，道路暢通后還要將廣告牌移走，會消耗大量的人力、物力、財力。不能做到實時更新。 交通廣播臺： 優點：交通廣播臺可以發布一些及時的路況信息，司機可以開著車收聽最新的路況信息，也不會影響司機的正常駕駛，而且交通臺可以接聽司機的提問，司機將一些路況的信息反饋給交通臺，有交通臺去提醒其他要通過此路段的司機，從而形成了資源共享模式。 缺點：交通廣播電臺可以發布一些及時的路況信息，但司機在駕車時收聽廣播容易發生危險，造成交通事故。并且廣播電臺不能針對分布在各個路口的司機發布他們需要的路況信息。導致司機依舊不可以及時的調整路線。 基于FPGA的LCD顯示的遠程更新，可以將公路總監控中心的服務器上的路況信息通過IP編碼的方式傳輸到LCD上顯示。在重要的路段可以提醒司機調整路線，FPGA運算速度快，可以降低系統的響應時間。在重要的路段都有LCD顯示，當有路段因搶修或堵車等需要暫停通行時，只需要在公路總監控中心的服務器上修改一下相應內容即可。不再需要花費大量的時間及人力，物力，財力來制作廣告牌放在路口進行提示;及時的更新也可以彌補GPS導航不能及時顯示路況的不足;避免了司機在行車中時刻收聽交通廣播而分散注意力，從而消除了潛在的危險。 1.3方案特征 1.4 系統亮點 二 設計模型 2.1 應用場景 智能交通提示最重要的應用場合就是城市公路系統。比如在一個路段的十字路口，在正常情況下司機會按照即定的路線行走。但如果有一個LCD顯示牌，提前告知司機四條路段的路況信息，比如某路段有臨時交通管制，禁止車輛通行，這時司機就可以提前避開，繞路而行，這樣就可以為司機節省大量的時間及不必要的往返路途。也能起到減少能源的消耗，汽車尾氣的排放等。再比如，如果有LCD顯示牌能提前提示某一路段有堵車現象。司機們就可以提前繞開堵車路段，避免堵車越來越嚴重的情況，減輕堵車的程度，使道路更加的流暢。 對于即將要發生的因修路等需禁止通行的路段，LCD的遠程更新系統也可以通過按鍵操作重點提示。有四個按鍵對應著十字路口的四個方向，當有某個鍵被按下時，LCD顯示遠程更新系統就中斷正常的循環顯示，直接跳轉到對應路段的信息顯示一段時間后回正常循環顯示模式。 圖1功能演示圖 2.2結構和系統模型 (1)基本結構圖 要顯示的內容通過TCP/IP進行傳輸與更新，沒有了距離的限制，可以在遠程實現更新。需要更新的LCD顯示內容共有四部分組成，在一段時間內LCD只能顯示其中的一個部分,并循環進行顯示。由Nexys3開發板上的四個按鍵控制跳轉。Nexys3 FPGA開發板通過RJ45口接收到信號后，PHY模塊對IP包進行拆分，恢復成原始信號。由 MicroBlaze 軟核存入Cellular RAM中，并按照順序在LCD上進行分段顯示。當MicroBlaze 檢測到有按鍵按下時，MicroBlaze軟核處理器響應中斷，并進行中斷處理，顯示相應按鍵對應的部分信息，一段時間后，返回中斷前的狀態。 圖2 基本圖 (2)MicroBlaze結構圖 圖3 MicroBlaze軟核結構圖 Ethernet MAC 接收計算機發送的數據后拆分IP包,然后送入MicroBlaze處理,由MultriProt Memory Controller控制存入 Local Memory中,然后按照順序進行循環顯示,顯示時間由 Timer/PWM控制,當有按鍵按下時,通過GPIO傳送入MicroBlaze軟核,由 Interrupt Controller 控制進行中斷,將當前信息存入堆棧,后跳轉到按鍵指定處進行顯示Timer/PWM控制顯示一段時間后,返回中斷前的狀態繼續正常循環顯示.Customer Coprosser協助 MicroBlaze處理數據. (4)以太網模塊圖 圖4 以太網結構圖 Nexys3基本系統生成器(BSB)支持包自動生成一個測試應用程序的以太網MAC。ISE的設計可以使用IP內核發生器用向導來創建一個以太網MAC控制器IP核。如果COL此信號置位時表示碰撞條件的檢測MLL模式。在MLL模式中： 1.傳輸數據時的控制信號為TXCLK,當TXCLK為上升沿時控制器同步傳輸數據，TXEN為高電平時表明此時控制器傳輸的數據是有效的，若TXER為高電平時，說明傳輸檢測到錯誤。 2.接受數據時，在RXCLK為上升沿時RXD[3:0]開始接受數據�？刂菩盘朢XCLK為上升沿接收數據時，接受信號RXDV為高電平。如果RXER為高電平時說接受檢測到錯誤。 MDIO信號是表明串行管理接口的數據輸入/輸出，MDC是串行管理接口的時鐘信號 (3) LCD模塊的結構圖 圖5 LCD模塊結構圖 為盡可能減少針腳數從而達到管腳復用的目的，FPGA通過四位數據線接口控制LCD，由于在初始化之后，所有的數據和命令都以8位傳送，故每8位命令被分成2個四位即高4位和低4位，先傳高4位，后傳低4位，其間間隔只是1us。數據線上的四個390Ω電阻是用來防止管腳超載起到保護的作用。下圖是LCD的初始化流程圖 圖4 LCD初始化流程圖 (5)按鍵模塊 圖6 按鍵模塊圖 系統完成初始化后，Spartan-6 FPGA的C4,D9,A8,C9管腳都是低電平，當有一個按鍵按下時，對應的管腳會變成3.3V高電平，按鍵掃描程序檢測出高電平后跳轉到相應的中斷地址，執行中斷程序。 (6)存儲器模塊 圖7 存儲器模塊 本設計使用Nexys3 SPARTAN6開發板上的存儲資源Cellular RAM 作為存儲器，采用同步模式進行傳輸，時鐘信號CLK低電平時有效。 在讀模式時，寫使能引腳WE為高電平，ADV,CRE,CE,OE,LB,UB為低電平，地址信號從ADDR[25:0]輸入，保存的數據從DQ[15:0]輸出;在寫模式時，WE,ADV,CRE,CE,LB,UB為低電平狀態，OE可以為任何狀態。地址信號從ADDR[25:0]輸入，需要存儲的數據從DQ[15:0]端輸入。 2.3流程圖 (1)系統流程圖 系統流程圖是描述了系統整個的工作流程。由于遠程更新LCD，所以要用到以太網的傳輸，具體就是要使用TCP/IP協議，FTP協議對LCD遠程更新。程序設計的時候默認狀態是在LCD顯示器循環播放信息，此外該項目利用開發板上的四個按鍵可以控制根據個人的需求重點顯示特定的信息。因此軟件系統的結構流程框圖如下所示： 圖8 系統流程圖 從上面的軟件流程圖可知軟件執行流程如下：如果交通總控室有需要更新的路況信息，則將需要更新的內容通過網線發送到Nesxy3開發板，經過信息處理模塊對LCD顯示內容進行更新。按鍵掃描程序如果檢測到某個鍵按下，則進行相應的中斷，跳轉到相應的程序處執行特定顯示。如果沒有按鍵，則正常循環顯示。 (2)數據流圖 數據流圖它以圖形的方式描繪了信號數據(數據流)在系統中流動和處理的過程。數據流圖對整個項目模塊劃分起到了關鍵性的作用，它反映出了系統必須完成的邏輯功能。其數據流圖如下： 圖9 數據流圖 2.4技術指標 三 設計實施方案 3.1隊伍構成及分工 3.2 工具集 3.2.1硬件和軟件需求 3.2.2硬件描述 Nexys3 Spartan6 開發板：由Digilent公司設計的基于Spartan-6芯片的FPGA開發板,板子上有豐富的外設,可以給此次項目的設計帶來很大的靈活性. 臺式電腦:裝有Xilinx工具軟件及modelsim軟件.可以對PFGA進行開發.及對LCD顯示內容進行更新. 各種線纜：網線用來與FPGA開發板進行通信,進行網絡數據傳輸.USB用來下載bit文件進行FPGA的配置. LCD:用來顯示文字信息. 3.2.3軟件描述 ISE Foundation ： Xilinx集成開發環境,是與PFGA硬件交流的橋梁.它能夠根據硬件描述語言或者電路模塊連接圖等等信息生成用于配置FPGA的配置文件,并下載到片子上去. EDK:這是Xilinx用于嵌入式開發的工具套裝,它主要用來對Nexys3板子的MicroBlaze軟核進行配置和連接,搭建硬件系統. ModelSim：VHDL或者Verilog 硬件描述語言的調試和仿真工具,可在ISE里面直接調用.在此次項目的設計里面它用來編寫測試向量和測試該項目小組自己設計的IP模塊 MicroBlaze：一個被Xilinx公司優化過的可以嵌入在FPGA中的RISC處理器軟核,32位軟處理器核是支持CoreConnect總線的標準外設集合非常適合設計針對網絡,電信,數據通信等的嵌入式系統. |
