基于EDA技術基礎的交通燈設計論文

1、基于eda技術的交通燈設計 班 級： 姓 名： 學 號： 指導教師： 1、緒論1.1課程設計背景 隨著世界范圍內(nèi)城市化和機動化進程的加快，城市交通越來越成為一個全球化的問題。城市交通基礎設施供給滯后于高速機動化增長需求，道路堵塞日趨加重，交通事故頻繁，環(huán)境污染加劇等問題普遍存在。目前，全國大中城市普遍存在著道路擁擠、車輛堵塞、交通秩序混亂的現(xiàn)象，交通事故頻發(fā)，這給人民的生命財產(chǎn)安全帶來了極大的損失。如何解決城市交通問題已成為全社會關注的焦點和大眾的迫切呼聲。探究城市交通發(fā)展中存在問題的原因，無論是從宏觀上還是從微觀上分析，其根本原因在于城市交通系統(tǒng)的管理機制不適應。城市交通控制系統(tǒng)（utc ，

2、urban traffic control system）是現(xiàn)代城市智能交通系統(tǒng)（idj ，intelligent transport system）的組成之一，主要用于城市道路交通的控制與管理。城市平交路口實現(xiàn)交通信號控制是城市交通管理現(xiàn)代化的基本標志之一，是提高交通管理效能的重要技術手段。路口信號控制器是控制交叉路口交通信號的設備，它是交通信號控制的重要組成部分。各種交通控制方案，最終都要由路口信號控制器來實現(xiàn)。為了確保十字路口的行人和車輛順利、暢通地通過,往往采用電子控制的交通信號來進行指揮。伴隨著社會的發(fā)展以及人類生活水平的提高,汽車的數(shù)量在不斷增加，eda技術的發(fā)展和應用領域也在不斷

3、的擴大與深入，機械、電子、通信、航空航天、化工、礦產(chǎn)、生物、醫(yī)學、軍事等各個領域的重要性日益突出。利用eda技術設計交通燈來完成這個需求就顯的更加迫切，同樣也是非常的實用和合理。1.2 課程設計目a.掌握十字路口交通燈控制的設計原理，并能夠運用vhdl編程語言編寫出實驗程序,進一步對所學的eda知識進行掌握與實際應用。b.學會在max+plus 軟件環(huán)境中仿真，熟悉軟件的基本操作和運行環(huán)境。c.鍛煉自己獲取信息的能力，以及能夠獨立自主的思考和解決問題的能力。2、系統(tǒng)分析與總體方案2.1系統(tǒng)分析 通過分析可以知道，所要設計的十字路口交通燈控制電路要能夠使南北、東西各四個燈（紅、黃、綠、左轉），四

4、個燈能夠按順序依次亮滅。而且要求綠燈亮轉紅燈亮或者轉左轉燈亮之前要先轉黃燈亮5秒，左轉燈亮轉紅燈亮之前也要先轉黃燈亮5秒，紅燈亮可以直接轉綠燈或左轉燈亮（四種燈的循環(huán)順序如圖2.1所示）。還要求四種燈的點亮時間能夠以倒計時的形式顯示出來?？梢杂胿hdl語言合理設計系統(tǒng)功能，使紅黃綠左轉燈的轉換有一個準確的時間間隔和轉換順序。綠燈黃燈左轉燈黃燈紅燈圖2.1 四種燈的循環(huán)順序2.2 方案比較實現(xiàn)路口交通燈的方法很多，可以用標準邏輯器件、可變程序控制器和單片機等方案來實現(xiàn)。若用單片機來實現(xiàn)的話，模型可以由電源電路、單片機主控電路、無限收發(fā)控制電路和顯示電路四部分組成。在電源電路中，需要用到+5v的直

5、流穩(wěn)壓電源，無限收發(fā)控制電路和顯示電路應由編碼芯片和數(shù)據(jù)發(fā)射模塊兩部分組成，主控電路的主要元件為at89c51。硬件設計完成后還要利用計算機軟件經(jīng)行軟件部分的設計才能夠實現(xiàn)相應的功能。雖然利用單片機系統(tǒng)設計的交通燈控制器相對來說比較穩(wěn)定，能夠完成較多功能的實現(xiàn)，但這些控制方法的功能修改及調試都需要硬件電路的支持，在一定程度上增加了功能修改和系統(tǒng)設計與調試的困難。相反，使用基于fpga的方法具有周期短、使用靈活、易于修改等明顯的優(yōu)點。而且，隨著fpga器件，設計語言和電子設計自動化工具的發(fā)展和改進，越來越多的電子系統(tǒng)采用fpga來設計。未來使用fpga器件設計的產(chǎn)品將出現(xiàn)在各個領域。因此此次的交

6、通燈控制器將基于fpga的設計方案來實現(xiàn)所需要的功能。 2.3 設計的總體方案 根據(jù)設計要求和系統(tǒng)所具有功能，并參考相關的文獻資料經(jīng)行方案設計畫出如下所示的十字路口交通燈控制器系統(tǒng)框圖，及為設計的總體方案，框圖如下圖3.1所示：clk時鐘分頻模塊交通燈控制及計時模塊掃描顯示模塊led顯示數(shù)碼管位碼數(shù)碼管段碼圖2.2 系統(tǒng)的框圖3、硬件電路設計3.1分頻器設計 分頻器實現(xiàn)的是將高頻時鐘信號轉換成低頻時鐘信號，用于觸發(fā)控制器、計數(shù)器和掃描顯示電路。具體實物模塊如圖： 圖3.1 分頻器模塊3.2 狀態(tài)控制電路設計狀態(tài)控制器的作用是根據(jù)計數(shù)器的計數(shù)值控制各方向上發(fā)光二極管的亮、滅，當計時時間到達，狀態(tài)

7、控制器就響應，自動跳轉到下一個狀態(tài)。此外，當檢測到特殊情況（emi =1）發(fā)生時，無條件點亮紅燈的二極管（急救燈按下emi='1'，則東西南北都亮紅燈，在這種狀態(tài)下原來的狀態(tài)必須保持，即東西南北方向定時時間保持不變。急救燈未按下或者按下后恢復，則繼續(xù)計時（計時通過計數(shù)器ct），同時恢復東西南北原來燈的狀態(tài)）。具體實物模塊如圖：圖3.2控制電路模塊3.3計數(shù)器設計這里需要的計數(shù)器的計數(shù)范圍為0-80。計到80后，下一個時鐘沿回復到0，開始下一輪計數(shù)。此外，當檢測到特殊情況（emi =1）發(fā)生是，計數(shù)器暫停計數(shù)，而系統(tǒng)復位信號reset則使計數(shù)器異步清零。圖3.3計數(shù)器模塊3.4譯

8、碼顯示電路設計根據(jù)狀態(tài)控制器所控制的狀態(tài)和計數(shù)器的計時時間，選擇當前狀態(tài)下的顯示器，使顯示器輸出當前狀態(tài)下的數(shù)碼管亮、滅指令，其中數(shù)碼管的顯示采用動態(tài)掃描顯示。具體實物模塊如圖：圖3.4譯碼顯示電路模塊4、實驗程序設計一個完整的vhdl語言程序通常包括實體（entity）、構造體（architecture）、配置、包集合（package）和庫（library）5個部分組成。下面結合實際的程序來加以說明。4.1實體定義：library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;entity traffic_light is port(clk : in std_logic;

9、 - 時鐘頻率為250khz. start : in std_logic; - 交通燈控制：'1' 開, '0' 關. emi : in std_logic; - 急救燈控制,'1' 所有紅燈亮. ew_rled : out std_logic; -東西紅燈控制,'0' 開, '1' 關. ew_gled : out std_logic; - 東西綠燈控制,'0' 開, '1' 關. ew_yled : out std_logic; - 東西黃燈控制,'0' 開, &

10、#39;1' 關. ew_turnled: out std_logic; - 東西左轉燈控制,'0' 開, '1' 關 sn_rled : out std_logic; - 南北紅燈控制,'0' 開, '1' 關 sn_gled : out std_logic; - 南北綠燈控制,'0'開, '1'關 sn_yled : out std_logic; - 南北黃燈控制,'0' 開, '1' 關 sn_turnled: out std_logic; - 南北左轉

11、燈控制,'0' 開, '1' 關 l : out std_logic_vector(2 downto 0); -顯示器選取 dled : out std_logic_vector(7 downto 0); -顯示器數(shù)據(jù)輸出end traffic_light;4.2譯碼顯示： architecture control of traffic_light is type eastwest is (ew_red,ew_green,ew_yellow0,ew_yellow1,ew_turnl); type southnorth is (sn_red,sn_green,sn

12、_yellow0,sn_yellow1,sn_turnl); signal ew_state: eastwest; signal sn_state: southnorth; begin process(clk) function display(s:integer range 0 to 9) return std_logic_vector is variable result:std_logic_vector(7 downto 0); begin cases is when 0 => result:=x"fc"-0 when 1 => result:=x&quo

13、t;60"-1 when 2 => result:=x"da"-2 when 3 => result:=x"f2"-3 when 4 => result:=x"66"-4 when 5 => result:=x"b6"-5 when 6 => result:=x"be"-6 when 7 => result:=x"e0"-7 when 8 => result:=x"fe"-8 when 9 => r

14、esult:=x"f6"-9 when others => null; end case; return result;end display; 4.3狀態(tài)轉換： variable cnt:integer range 0 to 7; variable ct:integer range 0 to 5; variable ew_secondh,sn_secondh: integer range 0 to 8; variable ew_secondl,sn_secondl: integer range 0 to 9; begin if start='0' t

15、hen 初始化 dled<=x"00" ew_state<=ew_red; sn_state<=sn_green; ew_secondh:=8; ew_secondl:=0; sn_secondh:=5; sn_secondl:=0; ew_rled<='0' ew_gled<='1' ew_yled<='1'ew_turnled<='1' sn_rled<='1' sn_gled<='0' sn_yled<='

16、1'sn_turnled<='1' elsif clk'event and clk='1' then - clk rising edge detection cnt:=cnt+1; if emi='1' then ew_rled<='0' ew_gled<='1' ew_yled<='1'ew_turnled<='1' sn_rled<='0' sn_gled<='1' sn_yled<=

17、'1'sn_turnled<='1' else ct:=ct+1; case ew_state is when ew_red => ew_rled<='0' ew_gled<='1' ew_yled<='1'ew_turnled<='1' - 東西向紅燈 when ew_green => ew_rled<='1' ew_gled<='0' ew_yled<='1' ew_turnled<

18、='1'- 東西向綠燈 when ew_yellow0 => ew_rled<='1' ew_gled<='1' ew_yled<='0'ew_turnled<='1' - 東西向黃燈 when ew_yellow1 => ew_rled<='1' ew_gled<='1' ew_yled<='0'ew_turnled<='1' -東西向黃燈 when ew_turnl => ew_tu

19、rnled<='0'ew_rled<='1' ew_gled<='1' ew_yled<='1' - 東西向左轉燈 when others => ew_rled<='0' ew_gled<='1' ew_yled<='1' ew_turnled<='1'- 東西向紅燈 end case; case sn_state is when sn_red => sn_rled<='0' sn_gl

20、ed<='1' sn_yled<='1' sn_turnled<='1' - 南北向紅燈 when sn_green => sn_rled<='1' sn_gled<='0' sn_yled<='1'sn_turnled<='1' - 南北向綠燈 when sn_yellow0 => sn_rled<='1' sn_gled<='1' sn_yled<='0'sn_

21、turnled<='1' - 南北向黃燈 when sn_yellow1 => sn_rled<='1' sn_gled<='1' sn_yled<='0'sn_turnled<='1' - 南北向黃燈 when sn_turnl=> sn_turnled<='0'sn_rled<='1' sn_gled<='1' sn_yled<='1' - 南北向左轉燈 when others =&

22、gt; sn_rled<='0' sn_gled<='1' sn_yled<='1'sn_turnled<='1' - 南北向紅燈 end case; end if; if ct=5 then ct:=0; if ew_secondh=0 and ew_secondl=0 then 狀態(tài)結束 case ew_state is 東西向當前狀態(tài) when ew_red => ew_state<=ew_green; ew_secondh:=5; ew_secondl:=0; -下一狀態(tài)的綠燈 when

23、 ew_green => ew_state<=ew_yellow0; ew_secondh:=0; ew_secondl:=5; -下一狀態(tài)的黃燈 when ew_yellow0 => ew_state<=ew_turnl; ew_secondh:=2; ew_secondl:=0; - 下一狀態(tài)的左轉燈 when ew_turnl =>ew_state<=ew_yellow1; ew_secondh:=0; ew_secondl:=5; - 下一狀態(tài)的黃燈 when ew_yellow1 =>ew_state<=ew_red; ew_secon

24、dh:=8; ew_secondl:=0; - 下一狀態(tài)的紅燈 when others => ew_state<=ew_red; ew_secondh:=8; ew_secondl:=0; - 下一狀態(tài)的紅燈 end case; elsif ew_secondl=0 then ew_secondl:=9; ew_secondh:=ew_secondh-1; else ew_secondl:=ew_s_secondl-1; end if; if sn_secondh=0 and sn_secondl=0 then 狀態(tài)結束 case sn_state is 南北向當前狀態(tài) when

25、sn_red => sn_state<=sn_green; sn_secondh:=5; sn_secondl:=0; - 下一狀態(tài)的綠燈 when sn_green => sn_state<=sn_yellow0; sn_secondh:=0; sn_secondl:=5; -下一狀態(tài)的黃燈 when sn_yellow0 => sn_state<=sn_turnl; sn_secondh:=2; sn_secondl:=0; -下一狀態(tài)的左轉燈 when sn_turnl =>sn_state<=sn_yellow1; sn_secondh:

26、=0; sn_secondl:=5; -下一狀態(tài)的黃燈 when sn_yellow1 =>sn_state<=sn_red; sn_secondh:=8; sn_secondl:=0; -下一狀態(tài)的紅燈 when others => sn_state<=sn_red; sn_secondh:=8; sn_secondl:=0; -下一狀態(tài)的紅燈 end case; elsif sn_secondl=0 then sn_secondl:=9; sn_secondh:=sn_secondh-1; else sn_secondl:=sn_secondl-1; end if;

27、 end if;4.4顯示器片選： case cnt is 顯示時間 when 0 => l<="000" dled<=display(ew_secondh); when 1 => l<="001" dled<=display(ew_secondl); when 2 => l<="010" dled<=x"00" when 3 => l<="011" dled<=x"00" when 4 => l&

28、lt;="100" dled<=x"00" when 5 => l<="101" dled<=x"00" when 6 => l<="110" dled<=display(sn_secondh); when 7 => l<="111" dled<=display(sn_secondl); end case; end if; end process;end control;5、程序仿真與分析5.1 仿真結果利用max+

29、plus ii軟件對本程序進行編譯，生成了可以進行仿真定時分析以及下載到可編程器件的相關文件。仿真結果如圖5.1所示：圖5.1 仿真結果5.2 仿真結果分析通過設定clk值以及start和emi的初值，就可以得到如上所示的仿真波形圖。由仿真波形圖可以看出波形是由start初值信號觸發(fā)而顯示出各個狀態(tài)的。emi高電平信號輸入時，所有交通燈都變?yōu)榧t燈狀態(tài)（符合任務書的要求）。由仿真波形圖還可以清楚的看出各時間段每個交通燈的狀態(tài)。要得到正確的仿真波形圖就不許設定合適的時間信號clk值。如果clk值設置的太小則交通燈狀態(tài)變化得太快無法分辨，如果clk值設置得太大則交通燈狀態(tài)轉換緩慢，效果不明顯。其次，

30、要設定start初值，如果沒有設定start初值就不可能觸發(fā)而得到仿真圖。最后，就是要設置一emi高電平信號來檢測緊急情況下的交通燈的狀態(tài)。5.3硬件運行結果 將程序下載到實驗板上，經(jīng)過硬件測試達到了設計要求，實現(xiàn)了交通燈控制器的基本功能，下圖為運行結果圖：6、心得體會eda課程設計就要結束了，這次課程設計歷時近二個星期，通過這兩個星期的學習，發(fā)現(xiàn)了自己的很多不足，發(fā)現(xiàn)了很多知識上的漏洞。同時也看到了自己的實踐經(jīng)驗還是比較缺乏，理論聯(lián)系實際的能力還急需提高。這次課程設計讓我學到了很多，不僅是鞏固了先前學的eda技術的理論知識，而且也培養(yǎng)了我的動手能力，更令我的創(chuàng)造性思維得到拓展。在課程設計中一

31、個人的力量是遠遠不夠的，真正的完成任務需要共同的智慧與勞動，團結協(xié)作是我們成功的一項非常重要的保證。在這個過程中，我也曾經(jīng)因為實踐經(jīng)驗的缺乏失落過，也曾經(jīng)仿真成功而熱情高漲。還有一點是我們做任何事情都無法缺少的，那就是細心認真。此次設計我們就深深地體會到了，由于編程的時候沒有做到足夠的細心，導致一串代碼弄混了。但是密密麻麻的英文字母混在一起，我始終沒有發(fā)現(xiàn)。最終在調試的時候，就出現(xiàn)了問題。只知道出現(xiàn)了問題，就是不知道到問題的根源在哪里，好長時間都沒有找出問題的所在。這也讓我真正的明白了，科學的嚴謹性，它不允許出半點差錯，否則后果會是比較麻煩的。做其他事情也一樣，都需要我們付出足夠的認真去對待，

32、才能順利的完成。生活就是這樣，汗水預示著結果也見證著收獲。勞動是人類生存生活永恒不變的話題。雖然我這次做的課程設計不是非常的復雜，但在設計和仿真的過程中，我們也遇到了不少的困難，回首整個過程，卻受益匪淺。對我而言，知識上的收獲重要，精神上的豐收更加可喜。讓我知道了學無止境的道理。我們每一個人永遠不能滿足于現(xiàn)有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面還有更高的山峰在等著你。挫折是一份財富，經(jīng)歷是一份擁有。這次課程設計必將成為我人生旅途上一個非常美好的回憶！參考文獻1 閻石 主編，數(shù)字電子技術基礎，高等教育出版社，19982 譚會生等主編，eda技術及應用，西安電子科技大學出版社，20013 廖裕評

33、等主編，cpld數(shù)字電路設計使用max+plus入門篇，清華大學出版社，20014 馮濤等主編，可編程邏輯器件開發(fā)技術：max+plus入門與提高，人民郵電出版社，20025 楊崇志，特殊新型電子元件手冊，遼寧科學技術出版社，19996 彭介華，電子技術課程設計指導高等教育出版社.2000年出版.7 mark zwolinski, digital system design with vhdl, 電子工業(yè)出版社，20028 alan b. marcovitz introduction to logic design, 電子工業(yè)出版社，2002附錄a、仿真時序波形圖附錄b、vhdl源程序代碼li

34、brary ieee;use ieee.std_logic_1164.all;entity traffic_light is port(clk : in std_logic; - 時鐘頻率為250khz. start : in std_logic; - 交通燈控制：'1' 開, '0' 關. emi : in std_logic; - 急救燈控制,'1' 所有紅燈亮. ew_rled : out std_logic; -東西紅燈控制,'0' 開, '1' 關. ew_gled : out std_logic; -

35、東西綠燈控制,'0' 開, '1' 關. ew_yled : out std_logic; - 東西黃燈控制,'0' 開, '1' 關. ew_turnled: out std_logic; - 東西左轉燈控制,'0' 開, '1' 關 sn_rled : out std_logic; - 南北紅燈控制,'0' 開, '1' 關 sn_gled : out std_logic; - 南北綠燈控制,'0'開, '1'關 sn_yled :

36、 out std_logic; - 南北黃燈控制,'0' 開, '1' 關 sn_turnled: out std_logic; - 南北左轉燈控制,'0' 開, '1' 關 l : out std_logic_vector(2 downto 0); -顯示器選取 dled : out std_logic_vector(7 downto 0); -顯示器數(shù)據(jù)輸出end traffic_light;architecture control of traffic_light is type eastwest is (ew_red,ew

37、_green,ew_yellow0,ew_yellow1,ew_turnl); type southnorth is (sn_red,sn_green,sn_yellow0,sn_yellow1,sn_turnl); signal ew_state: eastwest; signal sn_state: southnorth; begin process(clk) function display(s:integer range 0 to 9) return std_logic_vector is variable result:std_logic_vector(7 downto 0); be

38、gin cases is when 0 => result:=x"fc"-0 when 1 => result:=x"60"-1 when 2 => result:=x"da"-2 when 3 => result:=x"f2"-3 when 4 => result:=x"66"-4 when 5 => result:=x"b6"-5 when 6 => result:=x"be"-6 when 7 => r

39、esult:=x"e0"-7 when 8 => result:=x"fe"-8 when 9 => result:=x"f6"-9 when others => null; end case; return result;end display; variable cnt:integer range 0 to 7; variable ct:integer range 0 to 5; variable ew_secondh,sn_secondh: integer range 0 to 8; variable ew_s

40、econdl,sn_secondl: integer range 0 to 9; begin if start='0' then 初始化 dled<=x"00" ew_state<=ew_red; sn_state<=sn_green; ew_secondh:=8; ew_secondl:=0; sn_secondh:=5; sn_secondl:=0; ew_rled<='0' ew_gled<='1' ew_yled<='1'ew_turnled<='1&#

41、39; sn_rled<='1' sn_gled<='0' sn_yled<='1'sn_turnled<='1' elsif clk'event and clk='1' then - clk rising edge detection cnt:=cnt+1; if emi='1' then ew_rled<='0' ew_gled<='1' ew_yled<='1'ew_turnled<=

42、9;1' sn_rled<='0' sn_gled<='1' sn_yled<='1'sn_turnled<='1' else ct:=ct+1; case ew_state is when ew_red => ew_rled<='0' ew_gled<='1' ew_yled<='1'ew_turnled<='1' - 東西向紅燈 when ew_green => ew_rled<='

43、1' ew_gled<='0' ew_yled<='1' ew_turnled<='1'- 東西向綠燈 when ew_yellow0 => ew_rled<='1' ew_gled<='1' ew_yled<='0'ew_turnled<='1' - 東西向黃燈 when ew_yellow1 => ew_rled<='1' ew_gled<='1' ew_yled<=&

44、#39;0'ew_turnled<='1' -東西向黃燈 when ew_turnl => ew_turnled<='0'ew_rled<='1' ew_gled<='1' ew_yled<='1' - 東西向左轉燈 when others => ew_rled<='0' ew_gled<='1' ew_yled<='1' ew_turnled<='1'- 東西向紅燈 end c

45、ase; case sn_state is when sn_red => sn_rled<='0' sn_gled<='1' sn_yled<='1' sn_turnled<='1' - 南北向紅燈 when sn_green => sn_rled<='1' sn_gled<='0' sn_yled<='1'sn_turnled<='1' - 南北向綠燈 when sn_yellow0 => sn_rl

46、ed<='1' sn_gled<='1' sn_yled<='0'sn_turnled<='1' - 南北向黃燈 when sn_yellow1 => sn_rled<='1' sn_gled<='1' sn_yled<='0'sn_turnled<='1' - 南北向黃燈 when sn_turnl=> sn_turnled<='0'sn_rled<='1' sn

47、_gled<='1' sn_yled<='1' - 南北向左轉燈 when others => sn_rled<='0' sn_gled<='1' sn_yled<='1'sn_turnled<='1' - 南北向紅燈 end case; end if; if ct=5 then ct:=0; if ew_secondh=0 and ew_secondl=0 then 狀態(tài)結束 case ew_state is 東西向當前狀態(tài) when ew_red => ew_state<=ew_green; ew_secondh:=5; ew_secondl:=0; -下一狀態(tài)的綠燈 when ew_green => ew_state<=ew_yellow0; ew_secondh:=0; ew_secondl:=5; -下一狀態(tài)的黃燈 when ew_yellow0 => ew_state<=ew_turnl; ew_secondh:=2; ew_secondl:=0; - 下一狀態(tài)的左轉燈 when ew_