步行街道自助式交通燈控制器

1、 太原科技大學(xué)華科學(xué)院課程設(shè)計(jì)（論文）目錄1、設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求21.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容21.2 設(shè)計(jì)要求22、總體框圖32.1設(shè)計(jì)方案32.1.1 方案一32.1.2 方案二42.1.3 最佳方案選擇52.2總體框圖53、選擇器件64、功能模塊74.1 去抖模塊74.1.1 VHDL源程序（DITHER.VHD）74.1.2 生成的模塊84.1.3 仿真圖84.2 分頻器模塊84.2.1 VHDL源程序（DIV. VHD）84.2.2 生成的模塊104.2.3 仿真圖104.3 設(shè)置計(jì)數(shù)器模塊104.3.1 VHDL源程序(COUNT.VHD)104.3.2 生成的模塊134.3.3 仿真圖144.4

2、 交通燈控制模塊144.4.1 VHDL源程序（LIGHT.VHD）144.4.2生成的模塊184.4.3仿真圖185、總體設(shè)計(jì)原理圖195.1 整體組裝設(shè)計(jì)原理圖195.2 整體仿真圖205.3 管腳分布20參考文獻(xiàn)21步行街道自助式交通燈控制器1、設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求1.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容設(shè)計(jì)一個(gè)步行街道上受行人控制的交通燈控制器，它要實(shí)現(xiàn)的功能如下：在沒有行人要通過街道時(shí)，主干道保持通行。若有行人要通過街道，按下按鍵，發(fā)出請(qǐng)求，數(shù)秒后，主干道禁行，行人可以通過。用VHDL語言編輯程序，在Quartus II軟件進(jìn)行綜合，生成相應(yīng)的模塊，然后連接各個(gè)模塊，再綜合、適配，下載到芯片，做最后的測(cè)試，看能否

3、實(shí)現(xiàn)其功能，能否達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。1.2 設(shè)計(jì)要求1. 正常情況下保持主干道的暢通。2. 當(dāng)步行街道上的行人要穿過主干道時(shí)，通過設(shè)置的按鈕來發(fā)出請(qǐng)求。3. 當(dāng)有人按下此按鈕時(shí)，主干道變?yōu)辄S燈，設(shè)置計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)時(shí)間為X秒。4. X秒過后，主干道變?yōu)榧t燈，計(jì)數(shù)器繼續(xù)計(jì)時(shí)（計(jì)時(shí)時(shí)間為Y秒），在Y秒內(nèi)若有人再次按按鈕，計(jì)數(shù)器不重新計(jì)時(shí)。5. 步行街道綠燈閃爍時(shí)間為Y1秒，（YY1）秒后主干道變?yōu)榫G燈，車輛通行，且要保證車輛通行一定時(shí)間（Z秒）。在此時(shí)間內(nèi)，行人按按鈕無效。Z秒過后，若有人再按下按鈕，又出現(xiàn)3中的狀態(tài)。6. 計(jì)時(shí)器的計(jì)時(shí)時(shí)間長(zhǎng)短X、Y、Z可以任意設(shè)定。2、總體框圖2.1設(shè)計(jì)方案2.1.1 方案

4、一根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法。系統(tǒng)的整體組裝設(shè)計(jì)原理圖由分頻模塊、去抖模塊、設(shè)置計(jì)數(shù)模塊和交通燈控制模塊四部分組成。(1)去抖模塊去抖模塊的作用在于消除按鍵的抖動(dòng)。因?yàn)楫?dāng)輸入信號(hào)在高低電平之間轉(zhuǎn)換時(shí)，在轉(zhuǎn)換的瞬間會(huì)產(chǎn)生毛刺，使信號(hào)波形不穩(wěn)定，從而使系統(tǒng)不能正常工作，因此加入去抖模塊。 (2)分頻模塊 分頻模塊的作用在于實(shí)現(xiàn)從高頻到低頻的轉(zhuǎn)換，使輸入到電路的頻率能滿足電路的需要而又不會(huì)燒毀電路中的器件。(3)設(shè)置計(jì)數(shù)模塊設(shè)置計(jì)數(shù)模塊的設(shè)置并存儲(chǔ)主干道方向和步行街道方向的時(shí)間長(zhǎng)短。主干道方向需要設(shè)置的時(shí)間包括主干道黃燈信號(hào)時(shí)間、紅燈信號(hào)時(shí)間和主干道車輛允許通行的最短時(shí)間，步行

5、街道方向需要設(shè)置的時(shí)間為步行街道綠燈的閃爍時(shí)間。(4)交通燈控制模塊交通燈控制模塊采用狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)，用于存儲(chǔ)交通燈的五種狀態(tài)。五種狀態(tài)的具體說明如下狀態(tài)表所示。表1 狀態(tài)表狀態(tài)主干道信號(hào)燈步行街信號(hào)燈主干道步行街道R（紅）G（綠）Y（黃）R（紅）G（綠）ST001010通行禁行ST100110車?？拷蠸T210001禁行通行ST31000禁行通行（綠燈閃爍）ST401010通行（Z秒內(nèi)）禁行2.1.2 方案二依照設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)采用自底向上的設(shè)計(jì)方法。系統(tǒng)整體由交通燈控制模塊、計(jì)數(shù)模塊和分頻模塊三部分組成。（1）交通燈控制模塊交通燈控制模塊主要實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的五種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，所以采用狀態(tài)機(jī)來

6、設(shè)計(jì)。五種狀態(tài)如表1所示。（2）計(jì)數(shù)模塊計(jì)數(shù)模塊模塊主要作用控制五種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，設(shè)置步行街和主干道兩個(gè)方向的交通燈時(shí)間。主干道方向需要設(shè)置的時(shí)間包括主干道黃燈信號(hào)時(shí)間、紅燈信號(hào)時(shí)間和主干道車輛允許通行的最短時(shí)間，步行街道方向需要設(shè)置的時(shí)間為步行街道綠燈的閃爍時(shí)間。（3）分頻模塊由于較大的頻率可能使各個(gè)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過快，無法更好的觀察，所以采用分頻模塊，把高頻率分成低頻率，更好實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。2.1.3 最佳方案選擇方案一采用自頂向下設(shè)計(jì)方法，整個(gè)設(shè)計(jì)是從系統(tǒng)頂層開始的， 結(jié)合模擬手段， 可以從一開始就掌握所實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的性能狀況， 結(jié)合應(yīng)用領(lǐng)域的具體要求， 在此時(shí)就調(diào)整設(shè)計(jì)方案，

7、 進(jìn)行性能優(yōu)化或折衷取舍。 隨著設(shè)計(jì)層次向下進(jìn)行， 系統(tǒng)性能參數(shù)將得到進(jìn)一步的細(xì)化與確認(rèn)， 并隨時(shí)可以根據(jù)需要加以調(diào)整， 從而保證了設(shè)計(jì)結(jié)果的正確性， 縮短了設(shè)計(jì)周期。 方案二采用自底向上的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)從系統(tǒng)的底層開始，不過設(shè)計(jì)好后不易修改，而且還不易設(shè)計(jì)。所以，我們采用方案一。2.2總體框圖圖1 整體設(shè)計(jì)框圖3、選擇器件1. 裝有Quartus II軟件的微型計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)的硬件盡可能高，至少可以實(shí)現(xiàn)Quartus II軟件的使用。2. 硬件實(shí)現(xiàn)的芯片為PFGA/CPLD，芯片管腳的數(shù)量要保證足夠設(shè)計(jì)的程序所要使用的數(shù)量，并且使其所有管腳都有可分配的管腳，可以實(shí)現(xiàn)Quartus II上綜合

8、、適配的程序下載后可以順利實(shí)現(xiàn)。3. 五個(gè)LED燈，用來顯示交通燈，即：行人方向紅燈、行人方向綠燈和車輛方向紅燈、車輛方向綠燈、車輛方向黃燈五個(gè)方向的亮滅。4、功能模塊4.1 去抖模塊這個(gè)模塊的主要作用是消除按鍵在敲擊時(shí)產(chǎn)生的抖動(dòng)。當(dāng)UPIN為低電平，DOWNIN為高電平時(shí)，表示按鍵按下，KEYOUT有高電平輸出；當(dāng)UPIN為高電平，DOWNIN為低電平時(shí)，表示按鍵彈起，KEYOUT有低電平輸出。4.1.1 VHDL源程序（DITHER.VHD）LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;US

9、E IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;ENTITY DITHER IS PORT(UPIN: IN STD_LOGIC; DOWNIN: IN STD_LOGIC; KEYOUT: OUT STD_LOGIC);END DITHER;ARCHITECTURE BEHAVE OF DITHER IS SIGNAL OUT1:STD_LOGIC; SIGNAL OUT2:STD_LOGIC;BEGIN OUT1<=NOT(OUT2 AND UPIN); OUT2<=NOT(OUT1 AND DOWNIN); KEYOUT<=OUT1;END BEHAVE;4.1.

10、2 生成的模塊圖2 DITHER模塊4.1.3 仿真圖圖3 去抖模塊仿真圖仿真分析：輸入U(xiǎn)PIN、DOWNIN都為低電平時(shí)，輸出KEYOUT為高電平；輸入U(xiǎn)PIN為高電平、DOWNIN為低電平時(shí)，輸出KEYOUT為低電平；輸入U(xiǎn)PIN為低電平、DOWNIN為高電平時(shí)，輸出KEYOUT為高電平；輸入U(xiǎn)PIN、DOWNIN都為高電平時(shí)，輸出KEYOUT為低電平。4.2 分頻器模塊這個(gè)模塊的主要主要是轉(zhuǎn)換頻率，把高頻率轉(zhuǎn)換成低頻率。分頻后的頻率更能適應(yīng)電路的要求，使電路可以更好的運(yùn)行。4.2.1 VHDL源程序（DIV. VHD）LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_116

11、4.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY DIV ISPORT( CLK_IN: IN STD_LOGIC;DIV_OUT: OUT STD_LOGIC);END DIV;ARCHITECTURE a OF DIV IS SIGNAL FRE_N:INTEGER RANGE 0 TO 10; SIGNAL CLK_TMP:STD_LOGIC;BEGIN DIV_OUT<=CLK_TMP;PROCESS (CLK_IN)BEGINIF FALLING_EDGE(CLK_IN)THEN IF FRE_N<=9 THEN FRE_N<

12、=0;CLK_TMP<= NOT CLK_TMP;ELSE FRE_N<=FRE_N+1;END IF;END if;END PROCESS;END a;4.2.2 生成的模塊圖4 DIV模塊4.2.3 仿真圖圖5 分頻器模塊仿真圖仿真分析：輸入CLK_IN信號(hào)經(jīng)過十二個(gè)周期后，輸出DIV_OUT第一個(gè)上升沿來臨，實(shí)現(xiàn)了分頻的作用。4.3 設(shè)置計(jì)數(shù)器模塊這個(gè)模塊的主要作用是設(shè)置并存儲(chǔ)主干道方向和步行街道方向的時(shí)間長(zhǎng)短。此模塊預(yù)置了有效信號(hào)，通過加計(jì)數(shù)和減計(jì)數(shù)加大和減小預(yù)知的信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)行人通行時(shí)間、行人方向信號(hào)燈閃爍時(shí)間和車輛通行時(shí)間的控制。4.3.1 VHDL源程序(COUN

13、T.VHD)LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;ENTITY COUNT IS PORT(CLK: IN STD_LOGIC; CLEAR: IN STD_LOGIC; CLKADD: IN STD_LOGIC; CLKSUB: IN STD_LOGIC; PRE_SET: IN STD_LOGIC; HUMAN_SET: IN STD_LOGIC; RST: IN STD_LOGIC; GHUMAN_TIME: OUT INT

14、EGER RANGE 31 DOWNTO 0; GHUMAN_CLKT: OUT INTEGER RANGE 31 DOWNTO 0; GVEHICLE_TIME: OUT INTEGER RANGE 31 DOWNTO 0);END COUNT;ARCHITECTURE BEHAVE OF COUNT IS SIGNAL HUMAN_TIME: INTEGER RANGE 31 DOWNTO 0; SIGNAL VEHICLE_TIME: INTEGER RANGE 31 DOWNTO 0; SIGNAL SSTATE: STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); SIGNA

15、L SCLK: STD_LOGIC; SIGNAL DSCLK: STD_LOGIC; BEGIN SSTATE<="0000" WHEN PRE_SET='0' ELSE HUMAN_SET & CLEAR & CLKADD & CLKSUB; SCLK<=CLKADD OR CLKSUB OR CLEAR; PROCESS(CLK) BEGIN IF(CLK'EVENT AND CLK='1')THEN DSCLK<=SCLK; END IF; END PROCESS; PROCESS(R

16、ST,CLEAR,DSCLK) BEGIN IF(RST='1')THEN VEHICLE_TIME<=8; ELSIF(DSCLK'EVENT AND DSCLK='1')THEN CASE SSTATE IS WHEN "0100"=>VEHICLE_TIME<=0; WHEN "0101"=>VEHICLE_TIME<=0; WHEN "0110"=>VEHICLE_TIME<=0; WHEN "0111"=>VEHICL

17、E_TIME<=0; WHEN "0001"=>VEHICLE_TIME<=VEHICLE_TIME-1; WHEN "0010"=>VEHICLE_TIME<=VEHICLE_TIME+1; WHEN OTHERS=>VEHICLE_TIME<=VEHICLE_TIME; END CASE; END IF; END PROCESS; PROCESS(CLEAR,DSCLK) BEGIN IF(RST='1')THEN HUMAN_TIME<=4; ELSIF(DSCLK'EVENT

18、 AND DSCLK='1')THEN CASE SSTATE IS WHEN "1100"=>HUMAN_TIME<=0; WHEN "1101"=>HUMAN_TIME<=0; WHEN "1110"=>HUMAN_TIME<=0; WHEN "1111"=>HUMAN_TIME<=0; WHEN "1001"=>HUMAN_TIME<=HUMAN_TIME-1; WHEN "1010"=>

19、HUMAN_TIME<=HUMAN_TIME+1; WHEN OTHERS=>HUMAN_TIME<=HUMAN_TIME; END CASE; END IF; END PROCESS; PROCESS(PRE_SET,RST) BEGIN IF(RST='1')THEN GHUMAN_TIME<=5; GHUMAN_CLKT<=7; GVEHICLE_TIME<=15; ELSIF(PRE_SET'EVENT AND PRE_SET='0')THEN GHUMAN_TIME<=HUMAN_TIME+1; GHU

20、MAN_CLKT<=HUMAN_TIME+3; GVEHICLE_TIME<=HUMAN_TIME+VEHICLE_TIME+3; END IF; END PROCESS;END BEHAVE;4.3.2 生成的模塊圖6 COUNT模塊4.3.3 仿真圖圖7 計(jì)數(shù)器模塊仿真圖仿真分析：當(dāng)PRE_SET下降沿時(shí)，GHUMAN_TIME、GHUMAN_CLKT、GVEHICLE_TIME三個(gè)數(shù)組輸出信號(hào)發(fā)生跳轉(zhuǎn)，三者關(guān)系符合GVEHICLE_TIME<=HUMAN_TIME+VEHICLE_TIME+3。可以看出，滿足計(jì)數(shù)器的預(yù)定功能。4.4 交通燈控制模塊這個(gè)模塊的主要作用是交

21、通燈五種狀態(tài)的實(shí)現(xiàn)。此模塊采用狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)交通燈的五種狀態(tài)，設(shè)置了行人方向和車輛方向的五個(gè)交通燈，即行人方向紅燈、行人方向綠燈和車輛方向紅燈、車輛方向綠燈、車輛方向黃燈。并設(shè)置了請(qǐng)求信號(hào)輸入，作為行人要通過主干道的按鈕。4.4.1 VHDL源程序（LIGHT.VHD）LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;ENTITY LIGHT IS PORT(SRED: OUT STD_LOGIC; SGREEN: OUT STD_LOGIC;

22、 ERED: OUT STD_LOGIC; EGREEN: OUT STD_LOGIC; EYELLOW: OUT STD_LOGIC; GT_SET: IN STD_LOGIC; GHUMAN_TIME: IN INTEGER RANGE 31 DOWNTO 0; GHUMAN_CLKT: IN INTEGER RANGE 31 DOWNTO 0; GVEHICLE_TIME: IN INTEGER RANGE 31 DOWNTO 0; REQUEST: IN STD_LOGIC; CLK: IN STD_LOGIC; RST: IN STD_LOGIC);END LIGHT;ARCHITE

23、CTURE BEHAVE OF LIGHT IS TYPE IN_STATES IS (ST0,ST1,ST2,ST3,ST4); SIGNAL CURRENT_STATE: IN_STATES; SIGNAL NEXT_STATE: IN_STATES; SIGNAL START: STD_LOGIC; SIGNAL SIG: INTEGER RANGE 31 DOWNTO 0; BEGIN PROCESS(CURRENT_STATE,RST) BEGIN IF(RST='1' OR CURRENT_STATE=ST0)THEN START<='0' E

24、LSE START<='1' END IF; END PROCESS; A:PROCESS(START,CLK) BEGIN IF(RST='1')THEN SIG<=0; ELSIF(CLK'EVENT AND CLK='1')THEN IF(START='1')THEN IF(SIG=GVEHICLE_TIME)THEN SIG<=0; ELSE SIG<=SIG+1; END IF; ELSE SIG<=0; END IF; END IF; END PROCESS A; PROCESS(

25、RST,CLK) BEGIN IF(RST='1')THEN CURRENT_STATE<=ST0; ELSIF(CLK'EVENT AND CLK='1')THEN CURRENT_STATE<=NEXT_STATE; END IF; END PROCESS; PROCESS(CLK,CURRENT_STATE) BEGIN CASE CURRENT_STATE IS WHEN ST0=> ERED<='0'EGREEN<='1'EYELLOW<='0'SRED<

26、='1'SGREEN<='0' IF(REQUEST='1' AND GT_SET='0')THEN NEXT_STATE<=ST1; ELSE NEXT_STATE<=ST0; END IF; WHEN ST1=> ERED<='0'EGREEN<='0'EYELLOW<='1'SRED<='1'SGREEN<='0' IF(SIG=1)THEN NEXT_STATE<=ST2; ELSE NEXT_STATE<=ST1; END IF; WHEN ST2=> ERED<='1'EGREEN<='0'EYELLOW<='0'SRED<='0'SGREEN<='1' IF(SIG=GHUMAN_TIME)THEN NEXT_STATE<=ST3; ELSE NEXT_STATE<=ST2; END IF; WHEN ST3=> ERED<='1'EGREEN<='0