【正文】 城市的交通成為了一個(gè)主要的問題。同時(shí)隨著我國經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步發(fā)展，人民的生活水平日漸提高，越來越多的汽車進(jìn)入尋常老百姓的家庭，再加上政府大力發(fā)展的公交、出租車，車輛越來越多了。這不僅要求道路要越來越寬闊，而且要求有新的交通管理模式的出臺(tái)。舊有的交通控制系統(tǒng)的弊病和人們?cè)絹碓礁叩囊蠹せ嗣?，使原來不太突出的交通問題被提上了日程?，F(xiàn)在有關(guān)部門愈來愈多的注重在交通管理中引進(jìn)自動(dòng)化、智能化技術(shù)，比如 “ 電子警察 ” 、 自適應(yīng)交通信號(hào)燈以及耗資巨大的交通指揮控制系統(tǒng)等。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，道路交通已愈來愈成為社會(huì)活動(dòng)的重要組成部分。對(duì)交通的管控能力，也就從一個(gè)側(cè)面體現(xiàn)了這個(gè)國家對(duì)整個(gè)社會(huì)的管理控制能力，因此各國都很重視用各種高科技手段來強(qiáng)化對(duì)交通的管控能力。 設(shè)計(jì)背景 隨著城市機(jī)動(dòng)車量的不斷增加，許多大城市如北京、上海、南京等出現(xiàn)了交通超負(fù)荷運(yùn)行的情況，因此，自 80 年代后期，這些城市紛紛修建城市高速道路，在高速道路建設(shè)完成的初期，它們也曾有效地改善了交通狀況。然而，隨著交通量的快速增長和缺乏對(duì)高速道路的系統(tǒng)研究和控 制，高速道路沒有充分發(fā)揮出預(yù)期的作用。而城市高速道路在構(gòu)造上的特點(diǎn)，也決定了城市高速道路的交通狀況必然受高速道路與普通道路耦合處交通狀況的制約。 因此，開發(fā)一套能夠 社會(huì)服務(wù)的交通燈控制器 將是非常必要的，也是十分及時(shí)的。 設(shè)計(jì)目標(biāo) 通過采用 VHDL 語言 對(duì)交通燈控制 器 的設(shè)計(jì) ,使交通燈控制電路用數(shù)字信號(hào)自動(dòng)控制十字路口兩組紅、黃、綠交通燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)換的方法 ,指揮各種車輛和行人安全通行 ,實(shí)現(xiàn)十字路口交通管理的自動(dòng)化 。綠燈亮?xí)r，準(zhǔn)許車輛通行，但轉(zhuǎn)彎的車輛不得妨礙被放行的直行車輛、行人通行， 黃 燈亮?xí)r，已越過停止線的車輛可 以繼續(xù)通行，紅燈亮?xí)r，禁止車輛通行 。 第 2 頁 西華大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 2 總體方案設(shè)計(jì) 通過查閱大量相關(guān)技術(shù)資料，并結(jié)合自己的實(shí)際知識(shí)，主要提出了三種技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。下面我將首先對(duì)這三種方案的組成框圖和實(shí)現(xiàn)原理 分別進(jìn)行說明，并分析比較它們的特點(diǎn)，然后闡述最終選擇方案的原因。 方案比較 城市路口交通信號(hào)控制系統(tǒng)大體上分為三種類型： 傳統(tǒng)數(shù)字邏輯電路 、可編程序控制器和單片機(jī)等方案來實(shí)現(xiàn) 。 具體采用哪種類型，應(yīng)根據(jù)其應(yīng)用場合及特點(diǎn)加以確定。 方案一 用傳統(tǒng)的數(shù)字電路設(shè)計(jì)并制作，方案一原理框圖如圖 21所示。 圖 21 傳統(tǒng)數(shù)字邏輯電路系統(tǒng) 框圖 系統(tǒng)主要由控制器、定時(shí)器、秒脈沖信號(hào)發(fā)生器、譯碼器、信號(hào)燈組成。其中控制器是核心部分，由它控制定時(shí)器和譯碼器的工作，秒脈沖信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生定時(shí)器和控制器所需的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)，譯碼器輸出兩條信號(hào)燈的控制信號(hào)。 方案二 由軟件設(shè)置交通燈的初始時(shí)間，南北方向和東西方向通行時(shí)間，數(shù)碼管的段碼用不同的口線，東西方向的是用的 P0口，南北的使用 P3口，用單片機(jī)來控制各種信號(hào)燈的燃亮?xí)r間，通過單片機(jī)的 P2口控制。 由軟件設(shè)置交通燈的初始時(shí)間，南北方向和東西方向各 25秒 ，數(shù)碼管的段碼用不同的口線，東西方向的是用的 P0口，南北的使用 P3口，用單片機(jī)來控制各種信號(hào)燈的燃亮?xí)r間，通過單片機(jī)的 P2口控制。 控制器 A 車道信號(hào)燈 譯碼電路 B 車道信號(hào)燈 秒脈沖信號(hào)發(fā)生器 定時(shí)器 LT YT TS 第 3 頁 西華大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 圖 22 用單片幾實(shí)現(xiàn)控制的系統(tǒng)框圖 方案三 交通燈 的電路由下載電路及外圍電路組成，所用到的器件有 EMP7064SLC44 芯片、鐘振、 發(fā)光二極管、 電阻和導(dǎo)線。 EDA 流 程圖如圖 23 所示： 圖 23 用 EDA 技術(shù)實(shí)現(xiàn) 交通燈控制器 該方案 采用 VHDL 硬件描述語言實(shí)現(xiàn)交 通燈的控制電路設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)思路為根據(jù)交通控制器要實(shí)現(xiàn)的功能，考慮用兩個(gè)并行執(zhí)行的 awlays 模塊來分別控制 A 和 B 兩個(gè)方向的四盞燈，這兩個(gè) always 模塊使用同一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，以進(jìn)行同步。也就是說，兩個(gè) always模塊的敏感信號(hào)是同一個(gè)，每個(gè) always 模塊控制一個(gè)方向的四種燈按如下順序點(diǎn)亮，并往復(fù)循環(huán)：綠燈 — 黃燈 — 左拐燈 — 黃燈 — 紅燈。 每種燈亮的時(shí)間采用一個(gè)減法計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器用同步預(yù)置法設(shè)計(jì)，這樣只需改變預(yù)置數(shù)據(jù)，就能改變計(jì)數(shù)器的模，因此每個(gè)方向只要一個(gè)計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)時(shí)即可。為便于顯示燈亮的時(shí)間，計(jì)數(shù)器的 輸出均采用 BCD 碼，顯示由 4 個(gè)數(shù)碼管來完成， A方向和 B方向各用兩個(gè)數(shù)碼管。 方案論證 實(shí)現(xiàn)路口交通燈系統(tǒng)的控制方法很多， 如上述方法， 可以用 傳統(tǒng)數(shù)字邏輯電路 、可電 源 信號(hào)燈 AT89S52 信號(hào)燈時(shí)間顯示部分 震 蕩 部 分 復(fù) 位 電 路 CLK 時(shí)鐘脈沖發(fā)生模塊 記時(shí) /倒計(jì)時(shí)模塊 交通燈控制轉(zhuǎn)換模塊 顯示電路 LED 第 4 頁 西華大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 編程序控制器和單片機(jī)等方案來實(shí)現(xiàn) 。 方案一中，用傳統(tǒng)數(shù)字邏輯電路實(shí)現(xiàn)， LT 、 YT 為定時(shí)器的輸出信號(hào)， TS 為控制器的輸出信號(hào)。當(dāng)某車道綠燈亮?xí)r，允許車輛通行，同時(shí)定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，當(dāng)計(jì)時(shí)到 45S時(shí)，則 LT 輸出為 1，否則， LT =0；當(dāng)某車道黃燈亮后，定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，當(dāng)計(jì)時(shí)到 5S時(shí)， YT 輸出為 1，否則 YT =0。 TS 為狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)，當(dāng)定時(shí)器計(jì)數(shù)到規(guī)定的時(shí)間后，由控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)，定時(shí)器開始下一個(gè)工作狀態(tài)的定時(shí)計(jì)數(shù)。 方案二中， 若用單片機(jī)方案來實(shí)現(xiàn)的話，模型可以由電源 電路 、單片機(jī)主控電路、無線收發(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 的直流穩(wěn)壓電源，無線收發(fā)控制電路和顯示電路應(yīng)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(shè)計(jì)完成后還要利用計(jì)算機(jī)軟件經(jīng)行軟件部分的設(shè)計(jì)才能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的功能。 方案三中， 與傳統(tǒng)的電子設(shè)計(jì)方法相比， EDA 技術(shù)對(duì)于復(fù)雜電路的設(shè)計(jì)和調(diào)試都比較簡單，如果某一過程存在錯(cuò)誤，查找和修改起來比較方便，而且 EDA 技術(shù)的可移植性很強(qiáng)。 方案選擇 通過這三個(gè)方案的對(duì)比 ,傳統(tǒng)數(shù)字邏輯電路電路復(fù)雜，所用期間繁瑣 。 利 用單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的交通燈控制器相對(duì)來說較穩(wěn)定，能夠完成較多功能的實(shí)現(xiàn)， 但這些控制方法的功能修改及調(diào)試 都 需要硬件電路的支持，在一定程度上增加了功能修改及系統(tǒng) 設(shè)計(jì)與調(diào)試 的困難。 相反，使用基于 EDA 的設(shè)計(jì)方法具有周期短，設(shè)計(jì)靈活，易于修改等明顯的的優(yōu)點(diǎn)。而且，隨著可編程邏輯器件、設(shè)計(jì)語言和電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具的發(fā)展和改進(jìn)，越來越多的電子系統(tǒng)采用可編程邏輯器件來設(shè)計(jì)。未來，使用可編程邏輯器件設(shè)計(jì)的產(chǎn)品將出現(xiàn)在各個(gè)領(lǐng)域里。因此，此次的交通信號(hào)燈控制器的設(shè)計(jì)將采用基于 EDA 的設(shè)計(jì)方案來實(shí)現(xiàn)所要求的功能。 第 5 頁 西華大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 3 EDA 和可編程 技 術(shù)概述 本設(shè)計(jì)中采用 EDA 技術(shù)，應(yīng)用目前廣泛應(yīng)用的 VHDL 硬件電路描述語言，實(shí)現(xiàn)交通燈系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)， 利用 Quartus Ⅱ集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行綜合、仿真，完成系統(tǒng)的控制作用。 EDA 技術(shù)及其發(fā)展 現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)技術(shù)的核心是 EDA（ Electronic Design Automation）技術(shù)。 EDA 技術(shù)就是依賴功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，在 EDA 工具軟件平臺(tái)上，對(duì)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(jì)文件，它能自動(dòng)地完成邏輯編譯、邏輯化簡、邏 輯分割、邏輯綜合、結(jié)構(gòu)綜合（布局 布線），以及邏輯優(yōu)化和仿真測試，直至實(shí)現(xiàn)既定的電子線路系統(tǒng)功能。 EDA 技術(shù)使得設(shè)計(jì)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(duì)系統(tǒng)硬件功能的實(shí)現(xiàn)。 利用 EDA 技術(shù) (特指 IES/ASIC 自動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù) )進(jìn)行電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：① 用軟件的方式設(shè)計(jì)硬件；② 用軟件方式設(shè)計(jì)的系統(tǒng)到硬件系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換是由有關(guān)的開發(fā)軟件自動(dòng)完成的；③ 設(shè)計(jì)過程中可用有關(guān)軟件進(jìn)行各種仿真；④ 系統(tǒng)可現(xiàn)場編程，在線升級(jí)；⑤ 整個(gè)系統(tǒng)可集成在一個(gè)芯片上，體積小、功耗低、可靠 性高。因此， EDA 技術(shù)是現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢。 EDA 技術(shù)在進(jìn)入 21 世紀(jì)后，得到了更大的發(fā)展。在仿真和設(shè)計(jì)兩方面支持標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語言的功能越來越強(qiáng)大，軟硬件技術(shù)也進(jìn)一步得到了融合，在電子行業(yè)的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域、技術(shù)領(lǐng)域和設(shè)計(jì)應(yīng)用領(lǐng)域得到了進(jìn)一步的肯定，使得復(fù)雜電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證趨于簡單化。 可編程邏輯器件概述 可編程邏輯器件 (簡稱 PLD)是允許用戶編程（配置）實(shí)現(xiàn)所需邏輯功能的電路，一般可利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，即用原理圖、狀態(tài)機(jī)、硬件描述語言（ VHDL）等方法來表示設(shè)計(jì)思想，經(jīng)過一系列編譯或裝換程序，生成相應(yīng)的目 標(biāo)文件，再由編程器或下載電纜將設(shè)計(jì)文件配置到目標(biāo)器件中，這時(shí)的可編程邏輯器件就可