FPGA技术简介：原理、开发环境和交通信号控制应用

本章主要介绍了FPGA技术的'基本工作原理'、'开发环境'及'编程语言'。其中，FPGA是一种可编程逻辑器件，具有可编程性、灵活性等特点，可以通过编程实现不同的应用需求。Quartus II是一款由美国Altera公司开发的FPGA设计软件，可以帮助用户进行FPGA设计、仿真和实现。Verilog HDL是一种硬件描述语言，用于设计数字电路和系统。本章还介绍了基于FPGA的交通信号控制系统的'系统设计方案'和'工作模式'。主要包括6种运行模式，通过不同的模式实现交通信号的控制和车流量检测。本章内容丰富，涵盖了FPGA技术的基本概念和应用场景，为后续章节的设计和实现提供了基础知识。

2.1 FPGA技术简介

FPGA技术是数字电路的可编程器件之一，相对于传统的专用集成电路，它具有可编程性、灵活性等特点，用户可以通过编程来实现不同的应用需求。FPGA应用广泛，可提高设计效率和灵活性，且具有功耗低、可重构性、可升级性等优点，因此在数字信号处理、图像处理、通讯、数字电视、汽车电子等领域得到广泛应用。

2.2 开发环境及编程语言

2.2.1 Quartus II

Quartus II是一款由美国Altera公司开发的FPGA设计软件，这款软件可以帮助用户进行FPGA设计、仿真和实现。Quartus II软件支持多种FPGA芯片，包括Stratix、Cyclone、Arria等系列。Quartus II的功能非常强大，可以提供完整的FPGA设计流程，包括原理图设计、硬件描述语言设计、仿真、布局布线和下载等步骤。

Quartus II具有强大的设计工具、高效的设计流程和快速的设计仿真功能，能够帮助设计工程师快速实现高性能、低功耗和高可靠性的电路设计。Quartus II支持多种硬件平台和开发环境，包括Windows、Linux和macOS等操作系统，同时也支持多种编程语言和设计方法，如Verilog、VHDL、SystemVerilog、模块化设计等。Quartus II还提供了丰富的文档和示例代码，方便用户学习和使用。

软件的具体工作流程：

本次设计使用的是verilog输入,是采用硬件描述语言程序作为输入，建立模型。编译是主要完成器件的选择及适配，延时信息的提取等。设计仿真指只需通过计算机就能对所设计的数字系统从各种不同层次的系统性能特点完成一系列准确的测试与仿真操作。器件编程是对设计进行下载，即将编程数据放到具体的可编程器件中，以便进行硬件调试和验证。

2.2.2 Verilog HDL

Verilog HDL是一种硬件描述语言，用于从算法级、门级到开关级的多种抽象设计层次的数字系统建模。被建模的数字系统对象的复杂性可以介于简单的门和完整的电子数字系统之间。数字系统能够按层次描述，并可在相同描述中显式地进行时序建模。通常用于设计数字电路和系统。它是一种结构化的语言，可以描述数字电路中的各种元素、信号和操作。Verilog HDL可以用于各种硬件开发任务，包括设计、验证和测试。

Verilog HDL的语法基于C和C++语言，包括模块化结构、数据类型、条件语句、循环语句等。它还支持层次结构，可以将电路分解成多个子模块，并在这些子模块之间进行层次连接。Verilog HDL提供了扩展的建模能力，其中许多扩展最初很难理解。但是，Verilog HDL语言的核心子集非常易于学习和使用，这对大多数建模应用来说已经足够。当然，完整的硬件描述语言足以对从最复杂的芯片到完整的电子系统进行描述。

Verilog HDL的优点包括语法简单易学、可读性强、硬件描述方便、模块化支持好等。缺点则包括不支持面向对象编程、不支持动态内存分配等。

2.3 系统设计方案与工作模式

基于FPGA的交通信号控制系统主要由时钟模块、车流量计数模块、按键模块、控制模块、七段数码管的显示模块组成。

主要包括6种运行模式：

(1) 模式0：南北方向绿灯20秒，东西方向红灯20秒；南北方向黄灯5秒，东西方向红灯5秒；东西方向绿灯20秒，南北方向红灯20秒；东西方向黄灯5秒，南北方向红灯5秒。

(2) 模式1：南北方向和东西方向时间进行增加或者减少。

(3) 模式2：南北方向通行，东西方向禁止通行。

(4) 模式3：东西方向通行，南北方向禁止通行。

(5) 模式4：东西方向，南北方向，黄灯闪烁。

(6) 模式5：车流量检测智能模式。