EDA課程設(shè)計交通燈設(shè)計

1、課程設(shè)計 課題：基于eda基礎(chǔ)技術(shù)的交通燈設(shè)計學院：機電工程學院專業(yè)：測控技術(shù)與儀器指導老師：學生：學號：0702381058第1章 緒論1.1 電子設(shè)計自動化技術(shù)及其發(fā)展微電子技術(shù)的進步主要表現(xiàn)在大規(guī)模集成電路加工技術(shù)即半導體工藝技術(shù)的發(fā)展上，使得表征半導體工藝水平的線寬已經(jīng)達到了60nm，并還在不斷地縮小，而在硅片單位面積上，集成了更多的晶體管。集成電路設(shè)計正在不斷地向超大規(guī)模、極低功耗和超高速的方向發(fā)展，專用集成電路asic（application specific integrated circuit）的設(shè)計成本不斷降低，在功能上，現(xiàn)代的集成電路已能夠?qū)崿F(xiàn)單片電子系統(tǒng)soc（syste

2、m on a chip）?，F(xiàn)代電子設(shè)計技術(shù)的核心已日趨轉(zhuǎn)向基于計算機的電子設(shè)計自動化技術(shù)，即eda（electronic design automation）技術(shù)。eda技術(shù)就是依賴功能強大的計算機，在eda工具軟件平臺上，對以硬件描述語言hdl（hardware description language）為系統(tǒng)邏輯描述手段完成的設(shè)計文件，自動地完成邏輯編譯、化簡、分割、綜合、布局布線以及邏輯優(yōu)化和仿真測試，直至實現(xiàn)既定的電子線路系統(tǒng)功能。eda技術(shù)使得設(shè)計者的工作僅限于利用軟件的方式，即利用硬件描述語言和eda軟件來完成對系統(tǒng)硬件功能的實現(xiàn)，這是電子設(shè)計技術(shù)的一個巨大進步。eda技術(shù)在硬件實

3、現(xiàn)方面融合了大規(guī)模集成電路制造技術(shù)、ic版圖設(shè)計、asic測試和封裝、fpga（fieldprogrammablegatearray）/cpld（complexprogrammablelogic device）編程下載和自動測試等技術(shù)；在計算機輔助工程方面融合了計算機輔助設(shè)計（cad）、計算機輔助制造（cam）、計算機輔助測試（cat）、計算機輔助工程（cae）技術(shù)以及多種計算機語言的設(shè)計概念；而在現(xiàn)代電子學方面則容納了更多的內(nèi)容，如電子線路設(shè)計理論、數(shù)字信號處理技術(shù)、數(shù)字系統(tǒng)建模和優(yōu)化技術(shù)及其高頻的長線技術(shù)理論等。因此，eda技術(shù)為現(xiàn)代電子理論和設(shè)計的表達與實現(xiàn)提供了可能性。正因為eda技術(shù)

4、豐富的內(nèi)容以及與電子技術(shù)各學科領(lǐng)域的相關(guān)性，其發(fā)展的歷程同大規(guī)模集成電路設(shè)計技術(shù)、計算機輔助工程、可編程邏輯器件，以及電子設(shè)計技術(shù)和工藝的發(fā)展是同步的。就過去近30年的電子技術(shù)的發(fā)展歷程，可大致將eda技術(shù)的發(fā)展分為以下3個階段。20世紀70年代，在集成電路制作方面，mos工藝得到廣泛的應用；可編程邏輯技術(shù)及其器件問世，計算機作為一種運算工具在科研領(lǐng)域得到廣泛應用。而在后期，cad的概念已見雛形，這一階段人們開始利用計算機取代手工勞動，輔助進行集成電路版圖編輯、pcb布局布線等工作。20世紀80年代，集成電路設(shè)計進入了cmos（互補場效應管）時代，復雜可編程邏輯器件進入商業(yè)應用，相應的輔助設(shè)計

5、軟件投入使用；在80年代末，出現(xiàn)了fpga；cae和cad技術(shù)的應用更為廣泛，它們在pcb設(shè)計方面的原理圖輸入、自動布局布線及pcb分析，以及邏輯設(shè)計、邏輯仿真、布爾函數(shù)綜合和化簡等方面擔任了重要的角色。特別是各種硬件描述語言的出現(xiàn)、應用和標準化方面的重大進步，為電子設(shè)計自動化必須解決的電路建模、標準文檔及仿真測試奠定了基礎(chǔ)。進入20世紀90年代，隨著硬件描述語言的標準化進一步確立，計算機輔助工程、輔助分析和輔助設(shè)計在電子技術(shù)領(lǐng)域獲得更加廣泛的應用。與此同時，電子技術(shù)在通信、計算機及家電產(chǎn)品生產(chǎn)中的市場需求和技術(shù)需求，極大地推動了全新的電子設(shè)計自動化技術(shù)的應用和發(fā)展，特別是集成電路設(shè)計工藝步入

6、了超深亞微米階段，百萬門以上的大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷年懤m(xù)面世，以及基于計算機技術(shù)的面向用戶的低成本大規(guī)模asic設(shè)計技術(shù)的應用，促進了eda技術(shù)的形成。更為重要的是各eda公司致力于推出兼容各種硬件實現(xiàn)方案和支持標準硬件描述語言的eda工具軟件的研究和應用推廣，更有效地將eda技術(shù)推向成熟和實用。1.2 eda技術(shù)的設(shè)計方法數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計可以采用不同的方法，在今天復雜的ic設(shè)計環(huán)境下，概括起來只有兩種設(shè)計方法供數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計人員選擇：一種為由底向上（bottom-up）的設(shè)計方法，也稱為傳統(tǒng)的設(shè)計方法；另一種為自頂向下(top-down)的設(shè)計方法，也稱為現(xiàn)代的設(shè)計方法。但是由于所設(shè)計的數(shù)字系統(tǒng)

7、的規(guī)模大小不一,且系統(tǒng)內(nèi)部邏輯關(guān)系復雜,如何劃分邏輯功能模塊便成為設(shè)計數(shù)字系統(tǒng)的最重要的任務(wù)。采用由底向上的設(shè)計方法需要設(shè)計者首先定義和設(shè)計每個基本模塊，然后對這些模塊進行連線以完成整體設(shè)計。在ic設(shè)計復雜程度低于10000門時常采用這種設(shè)計方法，但是隨著設(shè)計復雜程度的增加，該方法會產(chǎn)生產(chǎn)品生產(chǎn)周期長、可靠性低、開發(fā)費用高等問題?，F(xiàn)代的設(shè)計方法綜合運用各方面的知識，設(shè)計者必須從系統(tǒng)的角度來分析每個設(shè)計，同時還要對數(shù)字電路結(jié)構(gòu)、eda工具、微電子等有關(guān)知識有比較全面的了解，這樣才能發(fā)揮自頂向下設(shè)計的優(yōu)勢，提高電路設(shè)計的質(zhì)量和效率。采用自頂向下技術(shù)進行設(shè)計可分為三個主要階段：系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)的綜合和

8、優(yōu)化和系統(tǒng)實現(xiàn)，各個階段之間并沒有絕對的界限。系統(tǒng)設(shè)計是整個設(shè)計流程中最重要的部分。它包括系統(tǒng)功能分析、體系結(jié)構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)描述與系統(tǒng)功能仿真4個步驟，這一階段所做的工作基本上決定了所設(shè)計電路的性能，后面所做的工作都是以這一部分為基礎(chǔ)的。eda設(shè)計流程為：設(shè)計輸入、時序與功能仿真、綜合、適配與下載。圖1-1是運用eda技術(shù)進行數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的流程圖。圖1-1 eda數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計流程第2章 交通燈控制系統(tǒng)介紹隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，城市交通問題越來越引起人們的關(guān)注。人、車、路三者關(guān)系的協(xié)調(diào)，已成為交通管理部門需要解決的重要問題之一。城市交通控制系統(tǒng)是用于城市交通數(shù)據(jù)監(jiān)測、交通信號燈控制與交通疏導的計算機

9、綜合管理系統(tǒng)，它是現(xiàn)代城市交通監(jiān)控指揮系統(tǒng)中最重要的組成部分。日常生活在十字路口需要兩個方向通車和行人行走，為了行人和車輛的安全和正常的交通次序，每次只能一個方向通車和行人。在每個方向都有相應的指示燈指揮車輛的通行，當紅燈亮起的時候表示這個方向禁止通行；綠燈亮的時候起表示這個方向可以通行；黃燈閃爍時表示這個方向?qū)⒂煽梢酝ㄐ袪顟B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻雇ㄐ袪顟B(tài)。每個方向車流量不同，通車放行時間也不同。當有緊急車輛，如：急救車，消防車，公安出勤車等過來時，每個方向都禁止通車亮紅燈，方便緊急車輛通過，等緊急車過去后馬上恢復緊急車輛來之前的狀態(tài)。路口交通燈控制系統(tǒng)與其他控制系統(tǒng)一樣，劃分為控制器和受控電路兩部分。控

10、制器使整個系統(tǒng)按設(shè)定的工作方式交替指揮車輛及行人的通行，并接收受控部分的反饋信號，決定其狀態(tài)轉(zhuǎn)換方向及輸出信號，控制整個系統(tǒng)的工作過程。 城市路口交通信號控制系統(tǒng)大體上分為三種類型：定周期的信號機、多時段且具有無電纜協(xié)調(diào)功能的微電腦型信號機以及聯(lián)網(wǎng)式自適應多相位智能型信號機。具體采用哪種類型，應根據(jù)其應用場合及特點加以確定。其中，第一種類型以其成本低，設(shè)計簡單，安裝及維護方便等特點得到了廣泛應用。本文討論的城鄉(xiāng)交通燈控制系統(tǒng)就屬于該種類型。該交通燈控制系統(tǒng)主要由時間發(fā)生器電路、光電檢測電路、控制電路等幾個部分組成。 第三章 交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計3.1交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計要求1.南北向為主干道，

11、每次通行時間為30s，東西向為支干道，每次通行時間為20s；2.能實現(xiàn)正常的倒計時功能，用兩組數(shù)碼管作為東西、南北向的倒計時顯示。其中，黃燈：5s。3.能實現(xiàn)特殊狀態(tài)的功能。按下sp鍵后，能實現(xiàn)以下特殊功能：4.能顯示十字路口東西、南北兩個方向的紅、黃、綠燈的指示狀態(tài)，用兩組紅、黃、綠三色燈作為兩個方向的紅、黃、綠燈；（1）顯示倒計時的兩組數(shù)碼管閃爍；（2）計數(shù)器停止計數(shù)并保持在原來的狀態(tài)；（3）東西、南北路口均顯示紅燈狀態(tài)；（4）特殊狀態(tài)解除后能繼續(xù)計數(shù)；5. 能實現(xiàn)全清零功能。按下reset鍵后，系統(tǒng)實現(xiàn)全清零，計數(shù)器由初狀態(tài)計數(shù)，對應狀態(tài)的指示燈亮；6. 用vhdl語言設(shè)計上述功能的交通

12、燈控制器，并用層次化方法設(shè)計該電路；7. 仿真、驗證設(shè)計的正確性。3.2 設(shè)計思路1.交通燈控制器的電路控制原理框圖如圖1所示，主要包括置數(shù)器模塊、定時計數(shù)器模塊、主控制器模塊和譯碼器模塊。置數(shù)器模塊將交通燈的點亮時間預置到置數(shù)電路中。計數(shù)器模塊以秒為單位倒計時，當計數(shù)值減為零時，主控電路改變輸出狀態(tài)，電路進入下一個狀態(tài)的倒計時。核心部分是主控制模塊。具體控制情況見表1。圖3-1電路控制原理框圖表1交通燈控制器狀態(tài)3.3 設(shè)計流程圖由以上要求可以得到該系統(tǒng)的程序流程圖如圖3所示。其中，ga、ra、ya表示a支路的綠燈、紅燈、黃燈，gb、rb、yb表示b支路的綠燈、紅燈、黃燈，s表示特殊功能按鍵

13、，t表示計時的間。圖3-2程序流程圖3.4分頻1hzlibrary ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity fp1hz isport(clk:in std_logic; -10m clk1hz: buffer std_logic);end fp1hz;architecture one of fp1hz issignal test: integer range 0 to 6000000;beginprocess(clk)beginif clkevent and clk=1 thenif tes

14、t5000000 thentest=test+1;elsetest=0;clk1hz=not clk1hz;end if;end if;end process;end one;3.5、器件下載編程與硬件實現(xiàn)在進行硬件測試時，按鍵k1對應復位端reset，按鍵k2對應緊急開關(guān)urgent。eda實驗開發(fā)系統(tǒng)上的時鐘cp2對應計數(shù)時鐘clk，數(shù)碼管m3、m4對應東西走向的時鐘顯示。led燈l16、l15、l14對應東西走向的綠燈g1、黃燈y1、紅燈r1。數(shù)碼管m1、m2對應南北走向的時鐘顯示。led燈l1、l2、l3對應南北走向的綠燈g2、黃燈y2、紅燈r2，對應的硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。圖3- 交通燈控制系統(tǒng)的硬件示意圖 第四章 課程設(shè)計總結(jié)通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務(wù)，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設(shè)計的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，同時在設(shè)計的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對