EDA交通燈控制系統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)

年4月19日EDA交通燈控制系統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)文檔僅供參考目錄摘要1TOC\o"1-3"\h\u5156一設(shè)計(jì)目的與要求2二設(shè)計(jì)原理22.1交通燈控制的系統(tǒng)構(gòu)成32．2交通燈控制器的電路控制原理框圖32．3器件下載編程與硬件實(shí)現(xiàn)4三設(shè)計(jì)內(nèi)容43.1設(shè)計(jì)步驟53.2交通燈控制器各模塊的程序63.3軟件仿真結(jié)果93.4硬件實(shí)現(xiàn)及調(diào)試結(jié)果10總結(jié)與致謝11參考文獻(xiàn)12附錄21摘要EDA是電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(ElectronicDesignAutomation)的縮寫(xiě)，在20世紀(jì)90年代初從計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)、計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試(CAT)和計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)的概念發(fā)展而來(lái)的。EDA技術(shù)就是以計(jì)算機(jī)為工具，設(shè)計(jì)者在EDA軟件平臺(tái)上，用硬件描述語(yǔ)言HDL完成設(shè)計(jì)文件，然后由計(jì)算機(jī)自動(dòng)地完成邏輯編譯、化簡(jiǎn)、分割、綜合、優(yōu)化、布局、布線和仿真，直至對(duì)于特定目標(biāo)芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等工作。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,城市交通問(wèn)題越來(lái)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(wèn)題之一。交通控制系統(tǒng)的適用場(chǎng)合主要是用于交通數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、交通信號(hào)燈控制與交通疏導(dǎo)的計(jì)算機(jī)綜合管理系統(tǒng),它是現(xiàn)代交通監(jiān)控指揮系統(tǒng)中最重要的組成部分。關(guān)鍵字：EDA交通燈VerilogHDLQuartusII一設(shè)計(jì)目的與要求(1)主、支干道各設(shè)有一個(gè)綠、黃、紅指示燈，兩個(gè)顯示數(shù)碼管。(2)主、支道交替允許通行，主干道每次放行45s，支干道每次放行25s，在每次由亮綠燈變成亮紅燈的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，要亮5s的黃燈作為過(guò)渡，并進(jìn)行減計(jì)時(shí)顯示。(3)具有清零、可預(yù)置主、支干道通行時(shí)間功能。二設(shè)計(jì)原理交通燈控制系統(tǒng)的作用主要是實(shí)現(xiàn)城市十字交叉路口紅綠燈的控制。在現(xiàn)代化的大城市中，十字交叉路口越來(lái)越多，在每個(gè)交叉路口都需要使用紅綠燈進(jìn)行交通指揮和管理，紅、黃、綠燈的轉(zhuǎn)換要有一個(gè)準(zhǔn)確的時(shí)間間隔和轉(zhuǎn)換順序，這就需要有一個(gè)安全、自動(dòng)的系統(tǒng)對(duì)紅、黃、綠燈的轉(zhuǎn)換進(jìn)行管理，本系統(tǒng)就是基于此目的而開(kāi)發(fā)的。如下圖2-1為十字路口交通管理信號(hào)燈的示意圖。圖2-1十字路口交通管理信號(hào)燈2.1交通燈控制的系統(tǒng)構(gòu)成城市中常見(jiàn)的大型十字路口如下2-2圖所示。一般情況下，當(dāng)汽車行駛至十字交通路口時(shí)，有3種選擇:向前，向左轉(zhuǎn)彎，向右轉(zhuǎn)彎。根據(jù)中國(guó)的交通規(guī)則規(guī)定，汽車是靠右行駛，向右拐彎只要走弧形的支干道即可，不需受十字交通燈的束縛。因此，本文主要考慮前行和左轉(zhuǎn)這兩種情況。十字路口交通燈負(fù)責(zé)控制各走向紅綠燈的狀態(tài)及轉(zhuǎn)換，而且各狀態(tài)之間有一定的時(shí)間過(guò)渡。同時(shí)，東西南北每條干道上都為人行橫道設(shè)置了紅綠燈,提醒行人在安全時(shí)刻穿越道路以保證行人的安全。城市路口交通信號(hào)控制系統(tǒng)大致上分為三種類型:定周期的信號(hào)機(jī)、多時(shí)段且具有無(wú)電纜協(xié)調(diào)功能的微電腦型信號(hào)機(jī)以及聯(lián)網(wǎng)式自適應(yīng)多相位智能型信號(hào)機(jī)。具體采用哪種類型,應(yīng)根據(jù)其應(yīng)用場(chǎng)合及特點(diǎn)加以確定。其中,第一種類型以其成本低,設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,安裝及維護(hù)方便等特點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用。2．2交通燈控制器的電路控制原理框圖如圖3-1所示，主要包括置數(shù)器模塊、定時(shí)計(jì)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(diǎn)亮?xí)r間預(yù)置到置數(shù)電路中。計(jì)數(shù)器模塊以秒為單位倒計(jì)時(shí)，當(dāng)計(jì)數(shù)值減為零時(shí)，主控電路改變輸出狀態(tài)，電路進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)的倒計(jì)時(shí)。核心部分是主控制模塊。具體控紅綠黃主控制器紅綠黃主控制器顯示器譯碼器置數(shù)器定時(shí)計(jì)數(shù)器特殊狀態(tài)清零紅綠黃圖3-1電路控制原理框圖狀態(tài)主干道支干道時(shí)間/S00綠燈亮紅燈亮4501黃燈亮紅燈亮510紅燈亮綠燈亮2511紅燈亮黃燈亮52．3器件下載編程與硬件實(shí)現(xiàn)

在進(jìn)行硬件測(cè)試時(shí)，按鍵k1對(duì)應(yīng)復(fù)位端reset，按鍵k2對(duì)應(yīng)緊急開(kāi)關(guān)urgent。EDA實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)上的時(shí)鐘cp2對(duì)應(yīng)計(jì)數(shù)時(shí)鐘CLK，數(shù)碼管M3、M4對(duì)應(yīng)東西走向的時(shí)鐘顯示。LED燈l16、l15、l14對(duì)應(yīng)東西走向的綠燈G1、黃燈Y1、紅燈R1。數(shù)碼管M1、M2對(duì)應(yīng)南北走向的時(shí)鐘顯示。LED燈l1、l2、l3對(duì)應(yīng)南北走向的綠燈G2、黃燈Y2、紅燈R2，對(duì)應(yīng)的硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-3所示。圖3-3交通燈控制系統(tǒng)的硬件示意圖三設(shè)計(jì)內(nèi)容3.1設(shè)計(jì)步驟1、啟動(dòng)Quarrtus軟件；2、單擊菜單欄中的File/New命令，打開(kāi)New對(duì)話框，選擇DeviceDesignFiles中的BlockDiagram/Schematic，打開(kāi)圖形編輯窗口；3、右擊鼠標(biāo)，彈出菜單，點(diǎn)擊“Insert/Symbol”,畫(huà)一個(gè)圖形保存，同時(shí)創(chuàng)立一個(gè)工程；4、在同一個(gè)工程下，單擊菜單欄中的File/New命令，打開(kāi)New對(duì)話框，選擇DeviceDesignFiles中的VHDLFiles，輸入實(shí)訓(xùn)的源程序；5、單擊菜單欄中的Process\StartCompilation命令，啟動(dòng)全程編譯；6、編譯后加載源程序的Symbol;7、畫(huà)出實(shí)訓(xùn)的原理圖，經(jīng)過(guò)兩組交通燈來(lái)模擬控制東西、南北兩條通道上的車輛通行,所有功能在實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)上進(jìn)行模擬經(jīng)過(guò),根據(jù)原理其主要功能如圖3-4：圖3-4系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖8、進(jìn)行仿真，建立波形文件，單擊File/New命令，打開(kāi)文件選擇窗口，然后單擊“OtherFiles”選項(xiàng)卡，選擇其中的“VectorWaveformFile”選項(xiàng)；9、輸入信號(hào)節(jié)點(diǎn)，單擊View\UtilityWindows\NodeFinder命令，添加端口引腳名；10、指定芯片管腳，單擊菜單欄中的Assignments\Pin，打開(kāi)芯片管腳對(duì)話框。3.2交通燈控制器各模塊的程序1簡(jiǎn)介控制部分的設(shè)計(jì)控制模塊是交通控制系統(tǒng)的核心部分，控制模塊主要用于控制系統(tǒng)的時(shí)鐘、計(jì)數(shù)值、循環(huán)周期判別和人工控制信號(hào)輸入，并將計(jì)數(shù)值做相關(guān)的運(yùn)算得到數(shù)碼管的倒計(jì)時(shí)值，同時(shí)控制十字路口信號(hào)燈的亮、滅火閃爍。如圖3-5所示，reset是復(fù)位引腳；clk是時(shí)鐘引腳，其值為分頻器的輸出時(shí)鐘信號(hào)；urgen是緊急狀態(tài)引腳；state[1..0]是狀態(tài)引腳；sub，set1，set2是狀態(tài)選擇引腳。process(reset,clk)beginifreset='1'thencount<="0000000";state<="00";elsifclk'eventandclk='1'then圖3-5控制部分的圖形ifurgen='0'thencount<=count+1;subtemp<='1';elsesubtemp<='0';endif;ifcount=0thenstate<="00";set1<='1';set2<='1';elsifcount=20thenstate<="01";set1<='1';elsifcount=25thenstate<="10";set1<='1';set2<='1';elsifcount=35thenstate<="11";set2<='1';elsifcount=40thencount<="0000000";elseset1<='0';set2<='0';endif;endif;endprocessstatelabel2、顯示部分的設(shè)計(jì)顯示模塊包括數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描電路和譯碼顯示電路，動(dòng)態(tài)掃描電路用于選擇需要顯示的數(shù)碼管，譯碼顯示電路用于將輸入的二進(jìn)制信息轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管顯示編碼。如圖3-6所示，clk是時(shí)鐘引腳；urgen是緊急狀態(tài)引腳；state[1..0]是狀態(tài)引腳；sub，set1，set2是狀態(tài)選擇引腳，在sub為上升沿時(shí)，能夠用set1和set2來(lái)選擇調(diào)整交通燈的狀態(tài)；r1，g1，y1，r2，g2，y2分別是主干道方向和次干道方向的紅、綠、黃燈信號(hào)引腳；led1[7..0]，led2[7..0]分別為主干道方向和次干道方向的數(shù)碼管倒計(jì)時(shí)信號(hào)燈引腳。label2:process(sub)beginifsub'eventandsub='1'thenifset2='1'thencount2<=setstate2;圖3-6顯示部分的圖形elsifcount2(3downto0)="0000"thencount2<=count2-7;elsecount2<=count2-1;endif;g2<=tg2;r2<=tr2;y2<=ty2;endif;endprocesslabel2;label1:process(sub)beginifsub'eventandsub='1'thenifset1='1'thencount1<=setstate1;elsifcount1(3downto0)="0000"thencount1<=count1-7;elsecount1<=count1-1;endif;g1<=tg1;r1<=tr1;y1<=ty1;endif;endprocesslabel1;其中l(wèi)edcontrol部分為控制器模塊，ledshhow部分為譯碼器模塊。控制器包括指數(shù)模塊、計(jì)數(shù)模塊和主控制器模塊。置數(shù)模塊將交通燈的點(diǎn)亮?xí)r間預(yù)置到置數(shù)電路中，計(jì)數(shù)模塊以秒為單位倒計(jì)時(shí)，當(dāng)計(jì)數(shù)值減為零時(shí)，主控電路改變輸出狀態(tài)，電路進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)的倒計(jì)時(shí)。譯碼器模塊將控制器模塊的控制作用經(jīng)過(guò)譯碼表現(xiàn)出來(lái)，即我們看到的交通燈。最后上圖最左邊是系統(tǒng)輸入，右邊是系統(tǒng)輸出。3.3軟件仿真結(jié)果圖3-7仿真波形3.4硬件實(shí)現(xiàn)及調(diào)試結(jié)果1、調(diào)試在QuartusII軟件中，經(jīng)過(guò)對(duì)所設(shè)計(jì)的硬件描述語(yǔ)言代碼進(jìn)行波形仿真后，達(dá)到了預(yù)期效果，于是，我們?cè)谠撥浖线M(jìn)行下載配置設(shè)置。在Assignments菜單下選中Devices，在Family欄選擇ACEX1K，選中EPF10K10LC84-4器件。再在Assignments菜單下選中Pins按照相應(yīng)要求對(duì)管腳進(jìn)行鎖定。最后在Tools菜單下，選中Programmer，對(duì)配置方式進(jìn)行設(shè)置，這里選擇PassiveSeril(PS)被動(dòng)串行模式。選擇好要下載的硬件設(shè)備后點(diǎn)擊Start即可開(kāi)始編程下載了。2、指定芯片管腳圖 圖3-8指定芯片管腳圖總結(jié)與致謝經(jīng)過(guò)這次設(shè)計(jì)，我的理論知識(shí)掌握得更扎實(shí)，動(dòng)手能力明顯提高。同時(shí)，經(jīng)過(guò)網(wǎng)上搜索圖書(shū)館查閱資料等方式認(rèn)識(shí)到了自己知識(shí)的局限性。我學(xué)到許多知識(shí)，也認(rèn)識(shí)到理論聯(lián)系實(shí)踐的重要。在設(shè)計(jì)當(dāng)中遇到了許多以前沒(méi)遇到的困難。學(xué)會(huì)了利用許多的方法去解決所遇到的問(wèn)題。編好程序后，雖然總是出錯(cuò)，比如說(shuō)狀態(tài)不能改變，綠燈不能按時(shí)閃爍等，可是經(jīng)過(guò)多次研究在老師和同學(xué)的幫助下終于找到問(wèn)題所在并糾正。這次設(shè)計(jì)，讓我感受最深是：在仿真的階段遇到很多的問(wèn)題，我們一定要具備一定的檢查、排除錯(cuò)誤的能力。我深刻認(rèn)識(shí)到了“理論聯(lián)系實(shí)際”的這句話的重要性與真實(shí)性。而且經(jīng)過(guò)對(duì)此課程的設(shè)計(jì)，我不但知道了以前不知道的理論知識(shí)，而且也鞏固了以前知道的知識(shí)。在本次設(shè)計(jì)中，我們完成本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求及功能。在設(shè)計(jì)開(kāi)始前我們對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行了詳細(xì)的分析和設(shè)計(jì)準(zhǔn)備工作，設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們相互協(xié)調(diào)，積極參與完成各個(gè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)。由于時(shí)間倉(cāng)促和我們自身知識(shí)水平有限，本設(shè)計(jì)在功能上也只是完成了一些基本功能，對(duì)于電路的可靠性，穩(wěn)定性等參數(shù)也還未做過(guò)詳細(xì)的測(cè)試。在交通的人性化控制方面也還未做周全的考慮，若在行駛過(guò)程中出現(xiàn)交通信號(hào)燈損壞或是電源斷電的情況，則應(yīng)有緊急狀態(tài)燈來(lái)控制交通的管理，好提醒司機(jī)們或是行人注意保持車距，避免交通事故的發(fā)生。對(duì)我而言，知識(shí)上的收獲重要，精神上的豐收更加可喜。同時(shí)，非常感謝老師對(duì)我的大力幫助。五、參考文獻(xiàn)[1]黃仁欣．EDA技術(shù)實(shí)用教程．北京：清華大學(xué)出版社，[2]潘松，黃繼業(yè)．EDA技術(shù)與VHDL．北京：清華大學(xué)出版社，[3]江國(guó)強(qiáng)編著．EDA技術(shù)與應(yīng)用（第三版）．.北京：電子工業(yè)出版社，[4]夏宇聞編著．VerilogHDL數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)教程．.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，[5]周祖成，程曉軍，馬卓釗編著．?dāng)?shù)字電路與系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)教程．北京：科學(xué)出版社，