交通燈控制系統(tǒng)

目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"摘要 1\o"CurrentDocument"設(shè)計(jì)初始條件及任務(wù) 2\o"CurrentDocument"設(shè)計(jì)初始條件 2\o"CurrentDocument"設(shè)計(jì)要求指標(biāo) 2\o"CurrentDocument"題目分析及整體構(gòu)思 3\o"CurrentDocument"硬件電路設(shè)計(jì) 5\o"CurrentDocument"分頻器的設(shè)計(jì) 5\o"CurrentDocument"控制器的設(shè)計(jì) 5\o"CurrentDocument"計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì) 6\o"CurrentDocument"分位譯碼電路的設(shè)計(jì) 6\o"CurrentDocument"數(shù)碼管驅(qū)動的設(shè)計(jì)——綠燈和紅燈驅(qū)動 7\o"CurrentDocument"數(shù)碼管驅(qū)動的設(shè)計(jì)——黃燈驅(qū)動 7\o"CurrentDocument"頂層連接及其仿真 8程序設(shè)計(jì) 9分頻器的設(shè)計(jì) 9\o"CurrentDocument"控制器的設(shè)計(jì) 10計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì) 12分位譯碼電路的設(shè)計(jì) 15數(shù)碼管驅(qū)動的設(shè)計(jì) 17\o"CurrentDocument"交通燈控制系統(tǒng)的仿真 20\o"CurrentDocument"結(jié)束語 23\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn) 24摘要伴隨著社會的發(fā)展以及人類生活水平的提高,EDA技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大與深入，EDA技術(shù)在電子信息，通信，自動，控制及計(jì)算機(jī)應(yīng)用等領(lǐng)域的重要性日益突出。在現(xiàn)代城市中，隨著技術(shù)市場與人才市場對DEA的不斷的增加,交通的問題日益突出，人口和汽車日益增長，市區(qū)交通也日益擁擠，人們的安全問題也日益重要。單單依靠人力來指揮交通已經(jīng)不可行了,因此，紅綠交通信號燈成為了交管部門管理交通的重要手段。設(shè)計(jì)交通燈來完成這個(gè)需求就顯的越加迫切了 .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(jìn)行指揮。關(guān)鍵詞：EDA交通燈電子控制交通燈控制1設(shè)計(jì)初始條件及任務(wù)設(shè)計(jì)初始條件Quartus4.1以上版本軟件；課程設(shè)計(jì)輔導(dǎo)資料：“數(shù)字電路EDA入門”、“VHDL程序?qū)嵗?、“EDA技術(shù)與VHDL”、“EDA與數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)”等；先修課程：電路、電子設(shè)計(jì)EDA、電子技術(shù)基礎(chǔ)等。主要涉及的知識點(diǎn)：門電路、組合邏輯電路、時(shí)序邏輯電路等。設(shè)計(jì)要求指標(biāo)課程設(shè)計(jì)時(shí)間：1周；課程設(shè)計(jì)內(nèi)容：根據(jù)指導(dǎo)老師給定的題目，按規(guī)定選擇其中1套完成；本課程設(shè)計(jì)統(tǒng)一技術(shù)要求：研讀輔導(dǎo)資料對應(yīng)章節(jié)，對選定的設(shè)計(jì)題目進(jìn)行理論分析，針對具體設(shè)計(jì)部分的原理分析、建模、必要的推導(dǎo)和可行性分析，畫出程序設(shè)計(jì)框圖，編寫程序代碼(含注釋)，上機(jī)調(diào)試運(yùn)行程序，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果(仿真結(jié)果)，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和總結(jié)。具體設(shè)計(jì)要求包括：復(fù)習(xí)EDA的相關(guān)技術(shù)與方法；掌握VHDL或者Verilog語言，并要求能編寫程序。Quartus軟件的使用：掌握程序編輯、編譯、調(diào)試、仿真方法。設(shè)計(jì)相關(guān)簡單的電路，完成既定的功能。

2題目分析及整體構(gòu)思設(shè)甲車道和乙車道方向的車流量大致相同，因此紅、黃、綠燈的時(shí)長也相同，考慮到黃燈的作用是警示已過停車線的司機(jī)盡快離開路口，而路口總寬度不變，因此將其固定為5秒，而紅燈亮的時(shí)間等于綠燈亮的時(shí)間加上黃燈亮的時(shí)間，因此緊對綠燈點(diǎn)亮?xí)r間進(jìn)行設(shè)置就可以同時(shí)改變紅燈亮的時(shí)間，這里將綠燈所能設(shè)置的最長時(shí)間設(shè)置為40秒即(0<t1<40)。同時(shí)用數(shù)碼管正計(jì)時(shí)指示當(dāng)前狀態(tài)(紅、黃、綠)所亮的時(shí)間。我們可自行設(shè)定，計(jì)數(shù)值與交通燈的亮滅的關(guān)系如圖2-1所示：綠燈亮姜燈見綠燈亮姜燈見-O紅燈亮 紅燈亮綠燈亮黃燈亮2iX(右” —o)2xt.—52x(^—o)圖2-1計(jì)數(shù)值與交通燈的亮滅關(guān)系該系統(tǒng)主要由計(jì)數(shù)模塊、控制模塊、分頻模塊、分位模塊以及顯示電路構(gòu)成。

其中分頻模塊主要將系統(tǒng)輸入的基準(zhǔn)時(shí)鐘信號轉(zhuǎn)換是 1Hz的激勵信號。驅(qū)動計(jì)數(shù)模塊和控制模塊工作，控制模塊根據(jù)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)情況對交通燈的亮滅及持續(xù)時(shí)間進(jìn)行控制，并通過分位電路將燈亮?xí)r間以倒計(jì)時(shí)的形式通過數(shù)碼管顯示出來。交通燈控制器系統(tǒng)框圖如圖2-2所示：

圖2-2交通燈控制系統(tǒng)框圖硬件電路設(shè)計(jì)分頻器的設(shè)計(jì)分頻器實(shí)現(xiàn)的是將高頻時(shí)鐘信號轉(zhuǎn)換成低頻的時(shí)鐘信號，用于觸發(fā)控制器和計(jì)數(shù)器。該分頻器實(shí)現(xiàn)的是一千分頻，將一千赫茲的時(shí)鐘信號分頻成一赫茲的時(shí)鐘信號。生成的Symbol文件如圖3-1和仿真波形如圖3-2所示。.?fredevider 1.?i—clkinclkout—?:inst i.圖3-1分頻器模塊控制器的設(shè)計(jì)控制器的作用是根據(jù)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值及 七1的輸入數(shù)據(jù)控制發(fā)光二極管的亮、滅，以及輸出正計(jì)時(shí)數(shù)值給七段數(shù)碼管的分位譯碼電路。此外，當(dāng)檢測到特殊情況(HOLD=‘1')發(fā)生時(shí)，無條件點(diǎn)亮紅燈的二極管。本控制器可以有兩種設(shè)計(jì)方法，一種是利用時(shí)鐘煙的下降沿讀取前級計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，然后作出反應(yīng)；另一種則是將本模塊設(shè)計(jì)成純組合邏輯電路，不需要時(shí)鐘驅(qū)動。這兩種方法各有所長，必須根據(jù)所用器件的特性進(jìn)行選擇：比如有些 FPGA有豐富的寄存器資源，3-3且可用與組合邏輯的資源則相對較少，那么使用第一種方法會比較節(jié)省資源；而有些CPLD的組合邏輯資源則比較多，用第二種方法可能更好。本控制器是利用時(shí)鐘沿的下降沿讀取前級計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，然后作出反應(yīng)。生成的實(shí)體模塊如圖和仿真波形如圖3-4所示。

3-3=C&litnoluelkc1:UJ1c2叫2￡NvjWrlresetgi—r:iZtf圖3-3控制器模塊計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)器1的計(jì)數(shù)范圍為由t1引腳輸入。計(jì)到t1后，下一個(gè)時(shí)鐘沿恢復(fù)到0，開始下一輪計(jì)數(shù)。仿真波形如圖當(dāng)t1取7時(shí)，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到7后清零。實(shí)體模塊如圖3-5和仿真波形如圖3-6。計(jì)數(shù)器2和計(jì)數(shù)器3的實(shí)體模塊如圖3-7和圖3-8所示。tlh:counter^enableH[5..O]圖3-7計(jì)數(shù)器tlh:counter^enableH[5..O]圖3-7計(jì)數(shù)器2模塊圖3-8計(jì)數(shù)器3模塊I皿血詁 =.!&lkvublam1(5..0j:tip..O]；inst1j圖3-5計(jì)數(shù)器1模塊分位譯碼電路的設(shè)計(jì)由于控制器輸出的正計(jì)時(shí)數(shù)值可能是1位或者2位十進(jìn)制數(shù)，因此在七段數(shù)碼管的譯碼電路前要加上分位電路（即將其分成 2個(gè)1位的十進(jìn)制數(shù)，如40分成4和0，5分為0和5）。與控制器一樣，分位電路同樣可以由時(shí)鐘驅(qū)動，也可以設(shè)計(jì)成純組合邏輯電路。控制器中，引入了寄存器。本電路中分位電路使用組合邏輯電路實(shí)現(xiàn)。生成的實(shí)體模塊如圖3-9及仿真波形如圖3-10。-FeniueiLJ-FeniueiLJ1-1Numin[5..U]Mum.q3..U]NumB[3..U]inst1nr-Feniiiei2LJ1-Humin[5..U]Mun-iL：[3..U]MumD[3..Li]inst1nr分位譯碼器1分位譯碼器分位譯碼器1圖3-9分位譯碼電路模塊數(shù)碼管驅(qū)動的設(shè)計(jì)——綠燈和紅燈驅(qū)動要求數(shù)碼管共陽極連接（共陽極的公共端為低電平時(shí)，LED要求數(shù)碼管共陽極連接（共陽極的公共端為低電平時(shí)，LED不亮），在設(shè)計(jì)中為每個(gè)數(shù)碼管都添加了一個(gè)驅(qū)動電路，在使用時(shí)通過調(diào)用模塊來實(shí)現(xiàn)。本模塊設(shè)計(jì)為時(shí)序邏輯電路，采用下降沿觸發(fā)。實(shí)體模塊如圖3-11和仿真波形如圖3-12。?』」???■■亠:qudong [? Clk WEQQUt河』]i—enable曲tm陸:inst圖3-11驅(qū)動模塊數(shù)碼管驅(qū)動的設(shè)計(jì)——黃燈驅(qū)動由于黃燈固定時(shí)間是5秒，因此變化范圍是0至5秒，七段數(shù)碼管只要能顯示0-5的數(shù)就行了，所以單獨(dú)用一個(gè)數(shù)碼管驅(qū)動。實(shí)體模塊如圖3-13和仿真波形如圖3-14。

圖3-13黃燈驅(qū)動模塊3.7頂層連接及其仿真交通燈控制器的頂層文件連接圖如圖3-15和仿真波形如圖3-16。圖3-15頂層文件連接圖在圖3-15中，綠燈計(jì)數(shù)器直接接分位譯碼器1，紅燈計(jì)數(shù)器直接接分位譯碼器2，每個(gè)譯碼器分別接兩個(gè)驅(qū)動電路，然后接輸出。左邊 5個(gè)驅(qū)動器接的數(shù)碼管顯示的是甲車道各個(gè)燈亮的時(shí)間，右邊5個(gè)驅(qū)動器接的數(shù)碼管顯示的是乙車道各個(gè)燈亮的時(shí)間。程序設(shè)計(jì)分頻器的設(shè)計(jì)libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;entityfredevideris 分頻器port(clkin:instd_logic;clkout:outstd_logic);end;architecturedevideroffredeviderisconstantN:integer:=499;signalcounter:integerrange0toN;signalClk:std_logic;beginprocess(clkin)beginifrising_edge(clkin)thenifCounter=Nthencounter<=0;clk<=notclk;elsecounter<=counter+1;endif;endif;endprocess;clkout<=clk;end;4.2控制器的設(shè)計(jì)控制器的作用是根據(jù)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值控制發(fā)光二極管的亮、滅，以及輸出正計(jì)時(shí)數(shù)值給七段譯碼管的分譯碼電路。libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;entitycontrolis 控制器port(clk:instd_logic;c1,c2,c3:outstd_logic; 計(jì)數(shù)器工作時(shí)能信號，為1時(shí)計(jì)數(shù)w1,w2,w3:instd_logic; 計(jì)數(shù)器指示信號，在計(jì)數(shù)過程中，相應(yīng)的指示信號為0，計(jì)數(shù)結(jié)束時(shí)為1r1,r2:outstd_logic; 分別為甲乙車道紅燈y1,y2:outstd_logic; 分別為甲乙車道黃燈g1,g2:outstd_logic; 分別為甲乙車道綠燈reset:instd_logic); 復(fù)位信號，高電平有效endcontrol;architectureaofcontrolistypestate_spaceis(s3,s2,s1,s0); 四種狀態(tài)signalstate:state_space;beginprocess(clk)beginifreset='1'thenstate<=s0; 復(fù)位時(shí)狀態(tài)為S0elseif(clk'eventandclk='1')then 時(shí)鐘上升沿到來casestateiswhens0=>ifw1='1'thenstate<=s1;endif;whens1=>ifw2='1'thenstate<=s2;endif;whens2=>ifw3='1'thenstate<=s3;endif;whens3=>ifw2='1'thenstate<=s0;endif;endcase;endif;endif;endprocess;c1<='1'whenstate=s0else'0';c2<='1'whenstate=s1orstate=s3else'0';c3<='1'whenstate=s2else'0';r1<='1'whenstate=s1orstate=s0else'0';y1<='1'whenstate=s3else'0';g1<='1'whenstate=s2else'0';r2<='1'whenstate=s2orstate=s3else'0';y2<='1'whenstate=s1else'0';g2<='1'whenstate=s0else'0';enda;計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)綠燈計(jì)數(shù)器libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;entitycounter1isport(clk:instd_logic;enable:instd_logic;t1:inintegerrange0to40; 綠燈可設(shè)置亮的時(shí)間c1:outstd_logic);endcounter1;architectureaofcounter1isbeginprocess(clk)variablecnt:integerrange0to40;變量cnt定義為常數(shù)，取值范圍為0到40beginif(clk'eventandclk='1')then 時(shí)鐘上升沿到來ifenable='1'andcnt<t1then使能信號為1，并且cnt小于t1時(shí)cnt:=cnt+1; 加計(jì)數(shù)elsecnt:=0;endif;ifcnt=t1thenc1<='1'; 乙道開始通行，S0狀態(tài)elsec1<='0';endif;endif;endprocess;enda;4.3.2紅燈計(jì)數(shù)器libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;entitycounter2isport(clk:instd_logic;enable:instd_logic;t1:inintegerrange0to40;c2:outstd_logic);endcounter2;architectureaofcounter2isconstanty:Integer:=5; 黃燈固定時(shí)間為5秒signalt2:integerrange0to45; 紅燈亮的時(shí)間beginprocess(clk)variablecnt:integerrange0to45; 變量cnt定義為常數(shù)，取值范圍為0到45begint2<=t1+y;if(clk'eventandclk='1')then 時(shí)鐘上升沿到來ifenable='1'andcnt<t2then 使能信號為1，并且cnt小于t2時(shí)cnt:=cnt+1;elsecnt:=0;endif;ifcnt=t2thenc2v=T; 工作在S1或S3狀態(tài)elsec2<='0';endif;endif;endprocess;enda;4.3.3黃燈計(jì)數(shù)器libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;entitycounter3isport(clk:instd_logic;enable:instd_logic;c3:outstd_logic;m3:outintegerrange0to5);endcounter3;architectureaofcounter3isbeginprocess(clk)variablecnt:integerrange0to5; 變量cnt定義為常數(shù)，取值范圍為0到5beginif(clk'eventandclk='1')then時(shí)鐘上升沿到來ifenable='1'andcnt<5then使能信號為1，并且cnt小于5時(shí)cnt:=cnt+1; 加計(jì)數(shù)elsecnt:=0;endif;ifcnt=5thenc3<='1'; 工作在S2狀態(tài)elsec3<='0';endif;endif;m3<=cnt;endprocess;enda;分位譯碼電路設(shè)計(jì)分位譯碼電路設(shè)計(jì)1LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITYFenwei1ISPORT(Numin:INintegerRANGE0TO45;NumA,NumB:OUTIntegerRANGE0to9 綠燈亮的時(shí)間，十位和個(gè)位數(shù)字);END;ARCHITECTUREbehaviorOFFenwei1ISBEGINprocess(Numin)BEGINIFNumin>=40THEN 輸入計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)大于40NumA<=4; 把十位數(shù)字送給ANumB<=Numin-40; 把個(gè)位數(shù)字送給BELSIFNumin>=30THENNumA<=3;NumB<=Numin-30;ELSIFNumin>=20THENNumA<=2;NumB<=Numin-20;ELSIFNumin>=10THENNumA<=1;NumB<=Numin-10;ELSENumA<=0;NumB<=Numin;ENDIF;ENDPROCESS;END;4.4.2分位譯碼電路的設(shè)計(jì)2LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITYFenwei2ISPORT(Numin:INintegerRANGE0TO45;NumC,NumD:OUTIntegerRANGE0to9 紅燈亮的時(shí)間，十位和個(gè)位);END;ARCHITECTUREbehaviorOFFenwei2ISBEGINprocess(Numin)BEGINIFNumin>=40THEN

NumC<=4;NumD<=Numin-40;ELSIFNumin>=30THENNumC<=3;NumD<=Numin-30;ELSIFNumin>=20THENNumC<=2;NumD<=Numin-20;ELSIFNumin>=10THENNumC<=1;NumD<=Numin-10;ELSENumC<=0;NumD<=Numin;ENDIF;ENDPROCESS;END;數(shù)碼管驅(qū)動的設(shè)計(jì)紅綠燈驅(qū)動LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITYqudongISPORT(clk:inSTD_LOGIC;enable:instd_logic;七段顯示器輸出data:INintegerRANGE0TO9; 輸入數(shù)字七段顯示器輸出segout:outSTD_LOGIC_VECTOR(6downto0)); END;ARCHITECTUREbehaviorOFqudongISBEGINprocess(Clk,data)BEGINIFfalling_edge(Clk)andenable='1'then 下降沿到來和使能信號為1時(shí)casedataiswhen0=>segout<="1111110";when1=>segout<="0110000";when2=>segout<="1101101";when3=>segout<="1111001";when4=>segout<="0110011";when5=>segout<="1011011";when6=>segout<="0011111";when7=>segout<="1110000";when8=>segout<="1111111";when9=>segout<="1110011";whenothers=>null;ENDCASE;ENDIF;ENDPROCESS;END;4.5.2黃燈驅(qū)動LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITYHDqudongIS 黃燈驅(qū)動PORT(clk:inSTD_LOGIC;enable:instd_logic;data:INintegerRANGE0TO5; 黃燈變化范圍segout:outSTD_LOGIC_VECTOR(6downto0));END;ARCHITECTUREbehaviorOFHDqudongISBEGINprocess(Clk,data)BEGINIFfalling_edge(Clk)andenable='1'thencasedataiswhen0=>segout<="1111110";when1=>segout<="0110000";when2=>segout<="1101101";when3=>segout<="1111001";when4=>segout<="0110011";when5=>segout<="1011011";whenothers=>null;ENDCASE;ENDIF;ENDPROCESS;END;交通燈控制系統(tǒng)的仿真交通燈控制分頻器的仿真在QuartusII軟件中導(dǎo)入交通燈控制程序，對此程序編譯無錯(cuò)誤后，建立Vectorwaveformfile文件保存時(shí)仿真文件名要與設(shè)計(jì)文件名一致。仿真結(jié)果如下：13.975n5-|-|Pbinlei:Inlpivat-13.9003Starl：Erd：MastpIrncBarE013.975n5-|-|Pbinlei:Inlpivat-13.9003Starl：Erd：MastpIrncBarE0B0Viluflat13.90KEP3Bl.^E3 1&3.Q42245.]6m327.啓z409.6us491.^2z573.44ui&55.尹u197.28u='mnn?rjuioiirjiJiojurjur_]iurjuoinR7LJurjurjuirninrnnirjurjuurjuir「圖5-1分頻器的仿真波形交通燈控制控制器的仿真仿真結(jié)果如下：￡MasterTirre0ai: Dp& *|?F匚irtmi: 930psInterval 30ptStart: End:罠1罠1『汕0Valuea□ps11^0elkBD*LETC*￡&tB04*2□1B1如Ba虬妙4,23B0—>妙5elE：0ar.譽(yù)B1rlEi1Z.on證Ei0fflB1DhLD止B10-L1ly3B1■/12ylB0■Or1JBLiI―. I—I —Ii_ii_i i-1——1L.Li i i—iii11111」 i_l L1 L」 i_l L1Liy iiJ 1JJ1 廠iI IJ l圖5-2控制器的仿真波形交通燈控制計(jì)數(shù)器的仿真仿真波形如圖所示：怎A英包嗨辯ft.TelkBienabletlV1cBinlVi3ps<10.02180.02i120.(0ns1C0.0：g-rrTTr^-LnLr^rrn^--LTT-n-HTTTT"J1(_-)CT7SCy3G^I圖5-3計(jì)數(shù)器1的仿真波形交通燈控制分位譯碼電路的仿真仿真結(jié)果如圖所示：A0英）：lbU5]1]7]U2JL]3]UB02□22X4(Jft400uhGO.0il^30.C心'XF8：4CZ飯5MasteiTimeBai:13.975nsnterval:1824ns5tert:*|4Pointer:Hsrn巳A0英）：lbU5]1]7]U2JL]3]UB02□22X4(Jft400uhGO.0il^30.C心'XF8：4CZ飯5MasteiTimeBai:13.975nsnterval:1824ns5tert:*|4Pointer:Hsrn巳|MuninV：iliie13.9E10.0ns￡0.0ns50.0ns70.0ns13.?T5nsJ□□.-□□-tfunA圖5-4分位譯碼電路的仿真波形交通燈控制紅綠燈驅(qū)動電路的仿真仿真結(jié)果如圖所示：13.975ns圖5-5紅綠燈驅(qū)動的仿真波形交通燈控制黃燈燈驅(qū)動電路的仿真仿真結(jié)果如圖所示：i_-__LrLrLrLrLr_-_-_-L-LrLrLrLr_r_-_-_-LrLrLrLr皚:]n]A；，UiUiUIL20.0ns他.08D.0rui_-__LrLrLrLrLr_-_-_-L-LrLrLrLr_r_-_-_-LrLrLrLr皚:]n]A；，UiUiUIL20.0