Nghiên Cứu Khoa Học Về Hệ Thống Điều Khiển Tín Hiệu Đèn Giao Thông Sử Dụng FPGA

Khám phá đề tài thiết kế hệ thống điều khiển tín hiệu đèn giao thông sử dụng FPGA, ứng dụng công nghệ hiện đại trong giao thông thông minh.

• Tác giả: Nguyễn Thanh Phong
• Người hướng dẫn: TS. Trương Ngọc Sơn
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Máy Tính
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển Tín Hiệu Đèn Giao Thông Sử Dụng FPGA
• Loại tài liệu: báo cáo
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Giải quyết vấn đề
• 1.3. Mục tiêu
• 1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Tổng quan về FPGA
• 2.2. Lịch sử ra đời FPGA
• 2.3. Vì sao chọn FPGA
• 2.4. Cấu trúc FPGA
• 2.5. Ngôn ngữ Verilog
• 2.5.1. Giới thiệu ngôn ngữ Verilog
• 2.5.2. Quy trình thiết kế số
• 2.5.3. Máy trạng thái hữu hạn FSM
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG
• 3.1. Chức năng và yêu cầu hệ thống
• 3.2. Thiết kế bộ điều khiển tín hiệu đèn giao thông
• 3.2.1. Thiết kế đơn vị traffic_light_fsm
• 3.2.2. Thiết kế đơn vị delay_counter
• 3.2.3. Thiết kế chức năng giữ trạng thái
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ
• 4.1. Sơ đồ khái niệm về traffic_light
• 4.2. Kết quả mô phỏng chức năng
• 4.2.1. Kiểm tra trường hợp bình thường
• 4.2.2. Kiểm tra trường hợp Reset tích cực
• 4.2.3. Kiểm tra trường hợp Switch tích cực
• 4.3. Kết quả mô phỏng trên Xilinx Spartan 3E Starter Kit
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Điều Khiển Đèn Giao Thông Với FPGA

Tình trạng ùn tắc giao thông, đặc biệt tại các đô thị lớn, ngày càng trở nên nghiêm trọng do sự gia tăng nhanh chóng của phương tiện. Các hệ thống điều khiển đèn giao thông (TLC) hiện tại sử dụng vi xử lý và vi điều khiển có những hạn chế nhất định, ảnh hưởng đến thời gian di chuyển và chờ đợi của người tham gia giao thông. Nhiều hệ thống TLC được xây dựng dựa trên vi điều khiển và vi xử lý, song những thiết bị này chỉ thực hiện được các chức năng đã được lập trình trước, thiếu tính linh hoạt để thích ứng với tình hình giao thông thực tế. Điều này dẫn đến việc thời gian chuyển đổi giữa các tín hiệu xanh, đỏ, vàng là cố định, làm giảm hiệu quả của hệ thống và tăng ô nhiễm môi trường. Nghiên cứu này tập trung vào việc xây dựng mô hình hệ thống điều khiển đèn giao thông sử dụng FPGA, với mục tiêu cải thiện hiệu quả lưu thông và giảm thiểu thời gian chờ đợi. Mô hình này cần có khả năng lập trình lại và điều chỉnh chức năng để phù hợp với lưu lượng giao thông theo thời gian thực.

1.1. Vấn Đề Cần Giải Quyết Trong Hệ Thống Điều Khiển Giao Thông

Để giải quyết vấn đề ùn tắc, hệ thống cần có khả năng lập trình lại, thay đổi chức năng linh hoạt theo lưu lượng giao thông thực tế. Hệ thống phải đáp ứng yêu cầu xây dựng mô hình điều khiển đèn giao thông tại giao lộ 4 nhánh trong 24 giờ, giảm thiểu thời gian chờ đợi. Việc sử dụng FPGA cho phép thực thi song song, tăng hiệu suất xử lý, đặc biệt quan trọng trong các hệ thống thời gian thực. Nghiên cứu này tập trung vào điều khiển thích nghi, tối ưu hóa giao thông, và giảm ùn tắc giao thông.

1.2. Mục Tiêu Nghiên Cứu và Ứng Dụng FPGA

Mục tiêu chính của nghiên cứu là xây dựng mô hình hệ thống điều khiển đèn giao thông thông minh tại giao lộ 4 nhánh hoạt động 24/7, giảm thiểu thời gian chờ đợi của người tham gia giao thông bằng cách sử dụng FPGA. Nghiên cứu ưu tiên sử dụng VHDL để thiết kế, mô phỏng và triển khai hệ thống trên kit Xilinx Spartan 3E. Việc sử dụng FPGA cho phép hệ thống hoạt động theo thời gian thực và có khả năng tối ưu hóa cao. Bài toán tối ưu được giải quyết thông qua các giải thuật.

1.3. Đối Tượng và Phạm Vi Nghiên Cứu

Nghiên cứu tập trung vào việc sử dụng VHDL để thiết kế hệ thống điều khiển đèn giao thông trên FPGA. VHDL được ưu tiên vì khả năng mô tả và mô phỏng hoạt động của mạch số từ đơn giản đến phức tạp. Hệ thống được thiết kế trên ISE Design Suite và triển khai trên kit Xilinx Spartan 3E. Phạm vi nghiên cứu bao gồm việc thiết kế các module điều khiển, mô phỏng hoạt động và đánh giá hiệu năng của hệ thống. Kiến trúc hệ thống được thiết kế để đảm bảo độ tin cậy và khả năng mở rộng.

II. Vì Sao Chọn FPGA Cho Hệ Thống Điều Khiển Tín Hiệu Giao Thông

FPGA có kiến trúc mảng phần tử logic, cho phép thực thi song song, vượt trội so với vi điều khiển hoặc CPU thực thi tuần tự. Điều này giúp tăng hiệu suất xử lý, phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi tốc độ cao hoặc hoạt động theo thời gian thực. Khả năng cấu hình và lập trình lại giúp FPGA dễ dàng mở rộng ngoại vi, giao tiếp với nhiều thiết bị hơn so với MCU hoặc ASIC. So với ASIC/ASSP, FPGA có hiệu suất tương đương, thậm chí tốt hơn nếu chỉ cần thực thi một chức năng nhỏ. Firmware có thể xác định kích cỡ của ứng dụng, giảm số cổng và công suất tiêu thụ. Về giá thành, FPGA không cạnh tranh bằng ASIC hay SoC, nhưng khả năng tái cấu hình giúp giảm chi phí và thời gian chế tạo ASIC. FPGA đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm thử, mô phỏng và phát triển các ứng dụng phần cứng phức tạp.

2.1. Ưu Điểm Vượt Trội Của FPGA Trong Xử Lý Tín Hiệu Giao Thông

FPGA có khả năng thực thi song song, tăng tốc độ xử lý dữ liệu từ cảm biến giao thông và camera giao thông. Điều này cho phép hệ thống điều khiển đèn giao thông phản ứng nhanh chóng với thay đổi của lưu lượng giao thông. Khả năng lập trình linh hoạt giúp FPGA thích ứng với các thuật toán điều khiển thích nghi, điều khiển mờ, hoặc thậm chí tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI) để tối ưu hóa luồng giao thông. FPGA cũng giúp giảm thiểu độ trễ trong quá trình xử lý tín hiệu.

2.2. Khả Năng Tái Cấu Hình Và Mở Rộng Của FPGA

Khả năng tái cấu hình của FPGA cho phép người phát triển sửa đổi thiết kế cho đến khi đạt yêu cầu mà không tốn chi phí sản xuất chip. Điều này giúp giảm thiểu rủi ro và chi phí trong quá trình phát triển sản phẩm. FPGA cũng dễ dàng tích hợp các module mới, hỗ trợ các giao thức giao tiếp khác nhau và mở rộng chức năng của hệ thống. Điều này đặc biệt quan trọng trong các hệ thống giao thông thông minh (ITS), nơi yêu cầu khả năng mở rộng và nâng cấp liên tục.

2.3. Tiết Kiệm Chi Phí Phát Triển Với FPGA

FPGA cho phép thử nghiệm trực tiếp trên phần cứng, gần với môi trường ASIC thực tế, giúp giảm chi phí và thời gian nghiên cứu. Khả năng tái cấu hình cho phép sửa đổi thiết kế mà không tốn chi phí sản xuất chip. Điều này đặc biệt hữu ích trong việc phát triển các thuật toán điều khiển phức tạp và thử nghiệm các mô hình khác nhau. Chi phí bảo trì và nâng cấp hệ thống cũng được giảm thiểu nhờ khả năng lập trình linh hoạt của FPGA.

III. Phương Pháp Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển Đèn Giao Thông Dùng FPGA

Thiết kế hệ thống điều khiển đèn giao thông sử dụng FPGA bao gồm các bước chính: xác định yêu cầu hệ thống, thiết kế phần cứng (sử dụng VHDL hoặc Verilog), mô phỏng và kiểm tra, tổng hợp thiết kế, và triển khai trên FPGA. Hệ thống thường được chia thành các module nhỏ, dễ quản lý và tái sử dụng. Các module chính bao gồm: module điều khiển trạng thái đèn, module đếm thời gian, module xử lý tín hiệu từ cảm biến giao thông và camera giao thông, và module giao tiếp với các thiết bị ngoại vi. Quá trình thiết kế cần chú trọng đến việc tối ưu hóa hiệu năng, giảm thiểu độ trễ và đảm bảo độ tin cậy của hệ thống.

3.1. Sử Dụng Ngôn Ngữ VHDL Để Mô Tả Phần Cứng Cho FPGA

VHDL được sử dụng để mô tả các module phần cứng của hệ thống, bao gồm module điều khiển trạng thái đèn, module đếm thời gian và module xử lý tín hiệu. VHDL cho phép mô tả hệ thống ở nhiều mức độ trừu tượng khác nhau, từ mức hành vi đến mức cổng logic. Việc sử dụng VHDL giúp đảm bảo tính chính xác và khả năng mô phỏng của thiết kế. Phần mềm thiết kế FPGA như Xilinx Vivado hoặc Altera Quartus Prime được sử dụng để biên dịch và tổng hợp mã VHDL.

3.2. Thiết Kế Máy Trạng Thái Hữu Hạn FSM Cho Điều Khiển Đèn

Máy trạng thái hữu hạn (FSM) được sử dụng để điều khiển trình tự hoạt động của đèn giao thông. FSM xác định trạng thái hiện tại của hệ thống và chuyển đổi giữa các trạng thái dựa trên các sự kiện đầu vào. Mỗi trạng thái tương ứng với một cấu hình đèn giao thông cụ thể, ví dụ: đèn xanh cho hướng chính, đèn đỏ cho hướng phụ. Thiết kế FSM cần đảm bảo an toàn giao thông và tối ưu hóa luồng giao thông. Mô hình máy trạng thái Moore và Mealy có thể được sử dụng để thiết kế FSM.

3.3. Tối Ưu Hóa Thiết Kế Phần Cứng Để Đạt Hiệu Suất Cao

Quá trình tối ưu hóa thiết kế phần cứng bao gồm việc giảm thiểu số lượng cổng logic, giảm độ trễ và tiết kiệm năng lượng. Các kỹ thuật tối ưu hóa như rút gọn biểu thức logic, sử dụng các khối IP (Intellectual Property) có sẵn, và tối ưu hóa bố trí và định tuyến có thể được áp dụng. Mục tiêu là đạt được hiệu suất cao nhất với chi phí phần cứng thấp nhất. Việc phân tích hiệu năng và sử dụng các công cụ mô phỏng giúp xác định các điểm nghẽn và cải thiện thiết kế.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu và Đánh Giá Hiệu Năng Hệ Thống Với FPGA

Kết quả nghiên cứu cho thấy hệ thống điều khiển đèn giao thông sử dụng FPGA có khả năng hoạt động ổn định và đáp ứng yêu cầu về hiệu năng. Hệ thống có thể xử lý tín hiệu từ cảm biến giao thông và camera giao thông theo thời gian thực, điều chỉnh thời gian đèn xanh, đỏ một cách linh hoạt để tối ưu hóa luồng giao thông. Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống có thể giảm thiểu độ trễ và cải thiện hiệu quả lưu thông so với các hệ thống truyền thống. Phân tích hiệu năng được thực hiện để đánh giá độ tin cậy, khả năng mở rộng và khả năng bảo trì của hệ thống.

4.1. Kết Quả Mô Phỏng Chức Năng và Kiểm Tra Các Trường Hợp Đặc Biệt

Kết quả mô phỏng chức năng cho thấy hệ thống hoạt động đúng theo thiết kế. Các trường hợp đặc biệt như reset tích cực và chuyển đổi khẩn cấp được kiểm tra để đảm bảo tính ổn định và an toàn của hệ thống. Các kết quả mô phỏng được ghi lại và phân tích để xác định các điểm cần cải thiện. Mô phỏng giao thông sử dụng các công cụ như SUMO, Vissim, hoặc Aimsun có thể được sử dụng để đánh giá hiệu quả của hệ thống trong môi trường thực tế.

4.2. Triển Khai và Thử Nghiệm Trên Kit Phát Triển Xilinx Spartan 3E

Hệ thống được triển khai và thử nghiệm trên kit phát triển Xilinx Spartan 3E để đánh giá hiệu năng trong môi trường thực tế. Các kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động ổn định và đáp ứng yêu cầu về tốc độ xử lý và độ tin cậy. Các vấn đề phát sinh trong quá trình thử nghiệm được ghi lại và giải quyết để cải thiện thiết kế. Việc triển khai trên FPGA cho phép kiểm tra các ràng buộc về thời gian thực và đánh giá chi phí năng lượng.

4.3. Đánh Giá Hiệu Năng và So Sánh Với Các Phương Pháp Khác

Hiệu năng của hệ thống được đánh giá dựa trên các tiêu chí như thời gian chờ đợi trung bình, số lượng phương tiện bị ùn tắc và mức độ an toàn giao thông. Kết quả được so sánh với các phương pháp điều khiển đèn giao thông truyền thống để đánh giá ưu điểm của hệ thống sử dụng FPGA. Việc sử dụng thuật toán di truyền hoặc các giải thuật khác có thể được sử dụng để tối ưu hóa các tham số điều khiển và cải thiện hiệu năng của hệ thống.

V. Kết Luận và Hướng Phát Triển Hệ Thống Điều Khiển Giao Thông

Nghiên cứu đã thành công trong việc thiết kế và triển khai hệ thống điều khiển đèn giao thông sử dụng FPGA. Hệ thống có khả năng hoạt động ổn định, đáp ứng yêu cầu về hiệu năng và có tiềm năng ứng dụng thực tế. Hướng phát triển tiếp theo bao gồm việc tích hợp các công nghệ mới như IoT, Machine Learning, và Deep Learning để tạo ra các hệ thống giao thông thông minh hơn. Nghiên cứu cũng cần tập trung vào việc giảm thiểu chi phí và tiết kiệm năng lượng để tăng tính cạnh tranh của hệ thống.

5.1. Tích Hợp Công Nghệ IoT Để Thu Thập Dữ Liệu Giao Thông

Việc tích hợp công nghệ IoT cho phép thu thập dữ liệu giao thông từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm cảm biến giao thông, camera giao thông, và các thiết bị di động. Dữ liệu này được sử dụng để tối ưu hóa các tham số điều khiển và cải thiện hiệu năng của hệ thống. IoT cũng cho phép giám sát và điều khiển hệ thống từ xa, giúp giảm chi phí bảo trì và nâng cấp.

5.2. Ứng Dụng Trí Tuệ Nhân Tạo Để Tối Ưu Hóa Luồng Giao Thông

Các thuật toán Machine Learning và Deep Learning có thể được sử dụng để dự đoán lưu lượng giao thông và tối ưu hóa các tham số điều khiển đèn giao thông. Các thuật toán này có thể học hỏi từ dữ liệu lịch sử và thích ứng với các điều kiện giao thông thay đổi. Trí tuệ nhân tạo cũng có thể được sử dụng để phát hiện và xử lý các tình huống khẩn cấp, như tai nạn giao thông hoặc ùn tắc nghiêm trọng.

5.3. Nghiên Cứu Về Chi Phí Năng Lượng và Tính Bền Vững Của Hệ Thống

Nghiên cứu cần tập trung vào việc giảm thiểu chi phí năng lượng của hệ thống, bằng cách sử dụng các thiết bị tiết kiệm năng lượng và tối ưu hóa các thuật toán điều khiển. Tính bền vững của hệ thống cũng cần được xem xét, bao gồm việc sử dụng các vật liệu thân thiện với môi trường và thiết kế hệ thống để có khả năng tái chế. Việc tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường là những yếu tố quan trọng trong việc phát triển các hệ thống giao thông thông minh bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TÍN HIỆU ĐÈN GIAO THÔNG SỬ DỤNG FPGA Mà SỐ: SV2020-124 SKC 0 0 7 3 3 6 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2020 Bà GIÁO DĀC VÀ ĐÀO T¾O TR¯àNG Đ¾I HàC S¯ PH¾M KỸ THUÀT TP. Hâ CHÍ MINH BÁO CÁO TäNG K¾T ĐÀ TÀI NGHIÊN CĄU KHOA HàC CĂA SINH VIÊN THI¾T K¾ Hà THàNG ĐIÀU KHIÂN TÍN HIàU ĐÈN GIAO THÔNG SĈ DĀNG FPGA SV2020 - 124 Chă nhiám đÁ tài: Nguyßn Thanh Phong TP. Hâ CHÍ MINH – 10/2020 Bà GIÁO DĀC VÀ ĐÀO T¾O TR¯àNG ĐH S¯ PH¾M KỸ THUÀT TPHCM BÁO CÁO TäNG K¾T ĐÀ TÀI NGHIÊN CĄU KHOA HàC CĂA SINH VIÊN THI¾T K¾ Hà THàNG ĐIÀU KHIÂN TÍN HIàU ĐÈN GIAO THÔNG SĈ DĀNG FPGA SV2020 – 124 Thuác nhóm ngành khoa học: Kỹ thuÁt máy tính SV thực hián: Ph¿m Thanh Phong Nam, Nữ: Nam Dân tác: Kinh Lớp, khoa: 16119CLC, ĐT CLC Năm thā: 4 /Sá năm đào t¿o: 4 Ngành học: Công nghá kỹ thuÁt máy tính Ng°ßi h°ớng d¿n: TS.

Tr°¢ng Ngọc S¢n TP. Hâ CHÍ MINH – 10/2020 MĀC LĀC DANH MĀC HÌNH. iii DANH MĀC CÁC TĂ VIÀT TÂT. iv TàNG QUAN.2 GiÁi quyÁt vấn đề: .4 Đái t°ÿng và ph¿m vi nghiên cāu: .1 Táng quan về FPGA .2 Lách sử ra đßi FPGA .3 Vì sao chọn FPGA.4 Cấu trúc FPGA .2 Ngôn ngữ Verilog .1 Giới thiáu ngôn ngữ Verilog .2 Quy trình thiÁt kÁ sá .3 Máy tr¿ng thái hữu h¿n FSM.

19 THIÀT KÀ Hà THàNG .1 Chāc năng và yêu cầu há tháng .2 ThiÁt kÁ bá điều khiển tín hiáu đèn giao thông .1 ThiÁt kÁ đ¢n vá traffic_light_fsm .2 ThiÁt kÁ đ¢n vá delay_counter .3 ThiÁt kÁ chāc năng giữ tr¿ng thái. 28 KÀT QUÀ NGHIÊN CĀU VÀ ĐÁNH GIÁ .1 S¢ đß khái đ¢n vá traffic_light .2 KÁt quÁ mô phßng chāc năng .1 Kiểm tra tr°ßng hÿp bình th°ßng .2 Kiểm tra tr°ßng hÿp Reset tích cực .3 Kiểm tra tr°ßng hÿp Switch tích cực .3 KÁt quÁ mô phßng trên Xilinx Spartan 3E Stater Kit. 31 KÀT LUÀN VÀ KIÀN NGHà. 33 TÀI LIàU THAM KHÀO.

35 4 DANH MĀC HÌNH Hình 2.1: KiÁn trúc táng quan FPGA .2: Khái logic FPGA .4: Quy trình thiÁt kÁ sá .5: Mô hình quá trình mô phßng .6: Quá trình táng hÿp .7: S¢ đß máy tr¿ng thái hữu h¿n .8: Mô hình máy tr¿ng thái Moore .9: Mô hình máy tr¿ng thái Mealy .1: S¢ đß khái đ¢n vá traffic_light.2: S¢ đß thiÁt kÁ bá điều khiển tín hiáu đèn giao thông .3: S¢ đß chân đ¢n vá traffic_light_fsm .4: S¢ đß tr¿ng thái đ¢n vá traffic_light_fsm .5: S¢ đß chân đ¢n vá delay_counter.6: S¢ đß nguyên lý đ¢n vá delay_counter .7: Cáng AND 2 ngõ vào .1: Top module traffic_light .2: KÁt quÁ mô phßng tr°ßng hÿp reset và switch không tích cực .3: KÁt quÁ mô phßng tr°ßng hÿp reset tích cực .4: KÁt quÁ mô phßng tr°ßng hÿp switch tích cực.5: FSM á tr¿ng thái MG_CR .6: FSM á tr¿ng thái MY_CR .7: FSM á tr¿ng thái MR_CR1 .8: FSM á tr¿ng thái MR_CG .9: FSM á tr¿ng thái MR_CY .10: FSM á tr¿ng thái MR_CR2. 32 ii DANH MĀC BÀNG BÁng 3.1: BÁng chuyển tr¿ng thái tín hiáu đèn .2: Mô tÁ chân tín hiáu bá điều khiển đèn giao thông .3: BÁng trá trá ngõ ra t°¢ng āng với tr¿ng thái đèn .4: Mô tÁ chân tín hiáu đ¢n vá traffic_light.5: BÁng tr¿ng thái ho¿t đáng đ¢n vá traffic_light_fsm .1: Thông sá lựa chọn các tr°ßng hÿp đặc biát. 30 iii DANH MĀC CÁC TĆ VI¾T TÂT ASIC Application Specific Intergrated Circuit CPLD Complex Programmable Logic Device DUT Design Under Test FPGA Field Progammable Gate Array FSM Finite State Machine FSMD Finite State Machine Diagram Very High Speed Integrated Hardwave VHDL Description Language VLSI Very Large Scale Integration iv Bà GIÁO DĀC VÀ ĐÀO T¾O TR¯àNG ĐH S¯ PH¾M KỸ THUÀT TPHCM THÔNG TIN K¾T QUÀ NGHIÊN CĄU CĂA ĐÀ TÀI 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: ThiÁt kÁ há tháng điều khiển đèn giao thông sử dāng FPGA - Chÿ nhiám đề tài: Nguyßn Thanh Phong Mã sá SV: SV2020 - 124 - Lớp: 16119CLC Khoa: ĐT CLC - Thành viên đề tài: Stt Há và tên MSSV Lßp Khoa 1 Đß Ph°¢ng Nam 16119030 16119CLC ĐT CLC 2 Tr°¢ng Đào Kh°¢ng Duy 16119007 16119CLC ĐT CLC 3 D°¢ng Văn San 16119041 16119CLC ĐT CLC - Ng°ßi h°ớng d¿n: TS.

Tr°¢ng Ngọc S¢n 2. Māc tiêu đÁ tài: Xây dựng mát há tháng điều khiển đèn giao thông sử dāng FPGA, phân lußng di chuyển các h°ớng khác nhau những khoÁng thßi gian phù hÿp cho những khung giß khác nhau trong ngày. Tính mßi và sáng t¿o: ThiÁt kÁ trên FPGA. K¿t quÁ nghiên cąu: Báo cáo về há tháng điều khiển đèn giao thông sử dāng FPGA.

Đóng góp vÁ mặt giáo dāc và đào t¿o, kinh t¿ - xã hội, an ninh, quác phòng và khÁ năng áp dāng căa đÁ tài:  Áp dāng vào trong viác giÁng d¿y.  Áp dāng vào viác thiÁt kÁ ASIC. Công bá khoa hác căa SV tć k¿t quÁ nghiên cąu căa đÁ tài (ghi rõ tên tạp chí nếu có) hoặc nhÁn xét, đánh giá cÿa c¢ sá đã áp dāng các kÁt quÁ nghiên cāu (nếu có): Ngày tháng năm SV chßu trách nhiám chính thực hián đÁ tài (kí, họ và tên) 5 NhÁn xét căa ng°ái h°ßng d¿n vÁ những đóng góp khoa hác căa SV thực hián đÁ tài (phần này do người hướng dẫn ghi): Ngày tháng năm Ng°ái h°ßng d¿n (kí, họ và tên) 6 LàI NÓI ĐÀU Đề tài thiÁt kÁ và mô phßng bá điều khiển tín hiáu đèn giao thông là nền tÁng để có thể tiÁp cÁn tới các đề tài dự án có chuyên môn cao h¢n. Viác thực hián đề tài này, giúp há tháng hóa đ°ÿc các kiÁn thāc chuyên nghành đã học nh° kỹ thuÁt sá, kiÁn trúc máy tính, thiÁt kÁ FPGA/ASIC và mát sá môn học có liên quan khác.

Đề tài này nhằm trình bày quy trình tă xây dựng thiÁt kÁ luÁn lý đÁn thiÁt kÁ mát bá điều khiển tín hiáu đèn giao thông bằng ngôn ngữ mô tÁ phần cāng Verilog, có khÁ năng thực hián điều khiển tín hiáu đèn t¿i ngã t° và chāc năng giữ nguyên tr¿ng thái đèn. Đề tài này chß thiÁt kÁ á māc nền tÁng, nh°ng bên c¿nh v¿n s¿ có những yêu cầu về giÁm thiểu tái đa về phần cāng. ThiÁt kÁ đ°ÿc táng hÿp và đánh giá trên môi tr°ßng FPGA cÿa Xilinx đßng thßi mô phßng kiểm tra kÁt quÁ bằng phần mềm Xilinx ISE Design Suite 14. Đề tài đ°ÿc tóm gọn trong 5 ch°¢ng:  Ch°¢ng 1 Gißi thiáu  Ch°¢ng 2 C¢ sã lý thuy¿t  Ch°¢ng 3 Thi¿t k¿ há tháng  Ch°¢ng 4 K¿t quÁ và đánh giá  Ch°¢ng 5 K¿t luÁn và ki¿n nghß vii TäNG QUAN 1.1 Đặt v¿n đÁ: Tình tr¿ng kẹt xe đặc biát là á các thành phá lớn đang ngày mát gia tăng do l°ÿng ph°¢ng tián tham giao thông ngày càng lớn.

Sự h¿n chÁ cÿa há tháng điều khiển đèn giao thông hián t¿i – TLC – sử dāng vi xử lý và vi điều khiển làm Ánh h°áng đÁn thßi gian di chuyển cũng nh° thßi gian chß cÿa ng°ßi tham gia giao thông. à rất nhiều n¢i, TLC đ°ÿc xây dựng dựa vi điều khiển và vi xử lý, những TLC sử dāng vi điều khiển và vi xử lí này có giới h¿n do phần cāng cÿa chúng chß thực hián đ°ÿc những chāc năng đã đ°ÿc lÁp trình tă tr°ớc, không có tính linh ho¿t để phù hÿp với thực tÁ. Những chāc năng này là cá đánh, do đó khoÁng thßi gian chuyển đái giữa các tín hiáu xanh, đß, vàng cÿa TLC cũng là cá đánh. Những lí do đó làm giÁm đá hiáu quÁ cÿa viác tham gia giao thông và ô nhißm môi tr°ßng.

Tă những vấn đề đó nhóm thực hián đề tài tiÁn hàng tìm hiểu, nghiên cāu và xây dựng <Mô hình há tháng điều khiển đèn giao thông sử dāng FPGA= với mong muán giúp ng°ßi tham gia giao thông di chuyển hiáu quÁ, giÁm thiểu thßi gian chß.2 GiÁi quy¿t v¿n đÁ: Để giÁi quyÁt những vấn đề này cần xây dựng há tháng có các chāc năng:  Có thể lÁp trình l¿i đ°ÿc.  Có thể thay đái chāc năng để phù hÿp với lußng giao thông thßi gian thực.3 Māc tiêu: Mô hình đáp āng đ°ÿc yêu cầu sau: xây dựng mô hình há tháng điều khiển đèn giao thông t¿i giao lá 4 nhánh trong vòng 24 giß và giÁm thiểu thßi gian chß cÿa ng°ßi tham gia giao thông, mô hình há tháng điều khiển đèn giao thông này sử dāng FPGA.4 Đái t°ÿng và ph¿m vi nghiên cąu: Viác sử dāng VHDL đ°ÿc °u tiên đặc biát cho thiÁt kÁ FPGA vì VHDL có thể đ°ÿc sử dāng để mô tÁ và mô phßng ho¿t đáng cÿa các m¿ch sá tă ít cáng đÁn phāc t¿p. Trong dự án này, TLC s¿ đ°ÿc thiÁt kÁ dựa trên VHDL sử dāng ISE Design Suite và đ°ÿc thực hián trong phần cāng bằng cách sử dāng kit Xilinx Spartan 3E.1 Tång quan vÁ FPGA 2.1 FPGA là gì? Field-programmable gate array (FPGA) là mát lo¿i m¿ch tích hÿp cỡ lớn dùng cấu trúc mÁng phần tử logic mà ng°ßi dùng có thể lÁp trình đ°ÿc. Chữ field á đây muán chß đÁn khÁ năng tái lÁp trình "bên ngoài" cÿa ng°ßi sử dāng, không phā thuác vào dây chuyền sÁn xuất phāc t¿p cÿa nhà máy bán d¿n.

Vi m¿ch FPGA đ°ÿc cấu thành tă các bá phÁn: - Các khái logic c¢ bÁn lÁp trình đ°ÿc (logic block) - Há tháng m¿ch liên kÁt lÁp trình đ°ÿc - Khái vào/ra (IO Pads) - Phần tử thiÁt kÁ sẵn khác nh° DSP slice, RAM, ROM, nhân vi xử lý. FPGA cũng đ°ÿc xem nh° mát lo¿i vi m¿ch bán d¿n chuyên dāng ASIC, nh°ng nÁu so sánh FPGA với những ASIC đặc chÁ hoàn toàn hay ASIC thiÁt kÁ trên th° vián logic thì FPGA không đ¿t đựÿc māc đá tái °u nh° những lo¿i này, và h¿n chÁ trong khÁ năng thực hián những tác vā đặc biát phāc t¿p, tuy vÁy FPGA °u viát h¢n á chß có thể tái cấu trúc l¿i khi đang sử dāng, công đo¿n thiÁt kÁ đ¢n giÁn do vÁy chi phí giÁm, rút ngÃn thßi gian đ°a sÁn phẩm vào sử dāng. Còn nÁu so sánh với các d¿ng vi m¿ch bán d¿n lÁp trình đ°ÿc dùng cấu trúc mÁng phần tử logic nh° PLA, PAL, CPLD thì FPGA °u viát h¢n các điểm: tác vā tái lÁp trình cÿa FPGA thực hián đ¢n giÁn h¢n; khÁ năng lÁp trình linh đáng h¢n; và khác biát quan trọng nhất là kiÁn trúc cÿa FPGA cho phép nó có khÁ năng chāa khái l°ÿng lớn cáng logic (logic gate), so với các vi m¿ch bán d¿n lÁp trình đ°ÿc có tr°ớc nó.