【正文】 裝訂線 本科生畢業(yè)論文（設計） 題目： 基于VHDL的交通燈信號控制器設計 系 部 電子信息工程學院 學科門類 工學 專 業(yè) 電子信息工程 學 號 姓 名 指導教師 2012年 5 月 22 日基于VHDL的交通燈信號控制器的設計摘 要傳統的交通燈控制系統多數由單片機或PLC實現，本文介紹的是基于EDA技術設計交通燈系統的一種思路和方法。通過用數字信號自動控制十字路口交通燈狀態(tài)轉換的方法，指揮車輛和行人安全通行，實現十字路口交通管理的自動化。本設計利用VHDL語言來實現交通燈控制器。通過對系統進行結構分析，采用自頂向下的層次化設計方法，給出了各個模塊的VHDL程序，并且利用QuartusⅡ對應用程序進行了仿真，得出了相應的仿真結果。在用VHDL語言進行電路設計時,應充分認識到VHDL語言的特點,從設計思想、語句運用及描述方法上等多方面對電路進行優(yōu)化設計。通過電路優(yōu)化設計,可以使用規(guī)模更小的可編程邏輯芯片,從而降低系統成本。關鍵詞：交通信號燈 VHDL 仿真 ABSTRACTMost traditional traffic light control system implemented by a singlechip puter or PLC, this article describes the design of a traffic light system is based on EDA technology ideas and using digital methods of signal control intersection traffic signal state transition, mand vehicles and pedestrians safe passage, implementation of intersection traffic management automation.Design and implementation of traffic light controller with VHDL the system for structural analysis, using topdown hierarchical design method, gives a VHDL program modules, and applications using Quartus II simulation, have e to the corresponding simulation design with VHDL language, should be fully aware of the features of VHDL language, from the design, use statement, and description of the superior aspects of optimized circuit optimization design of circuits, programmable logic chip can use smaller, thus reducing system costs.Keywords: traffic light VHDL simulation目 錄 一 前言…………………………………………………………………… 1 研究背景……………………………………………………………… 1 研究目的……………………………………………………………… 1 二 EDA技術與VHDL語言…………………………………………… 3 EDA技術及其發(fā)展……………………………………………………3 EDA與傳統電子設計方法的比較及優(yōu)點……………………… 4 VHDL系統概述…………………………………………………………5 三 交通燈系統的設計…………………………………………………7 紅綠燈交通信號系統功能描述……………………………………7 系統的模塊設計…………………………………………………… 8 時鐘脈沖發(fā)生電路……………………………………………… 8 計數秒數選擇電路……………………………………………… 9 倒計時控制電路………………………………………………… 10 紅綠燈信號控制電路……………………………………………11 交通燈系統描述………………………………………………… 12 四 總結……………………………………………………………………15 參考文獻……………………………………………………………………16 附錄………………………………………………………………………… 17一 前言 研究背景 自從1858年英國人發(fā)明了原始的機械扳手交通燈之后，隨后的一百多年里，交通燈改變了交通路況，也在人們日常生活中占據了重要地位，隨著人們社會活動日益增加，經濟發(fā)展，汽車數量急劇增加，城市道路日漸擁擠，交通燈更加顯示出了它的功能，使得交通得到有效管制，對于交通疏導，提高道路導通能力，減少交通事故起到了顯著的效果。 近年來，隨著汽車數量的猛增，我國大中型城市的城市交通，正面臨著嚴峻的考驗，從而導致交通問題日益嚴重，其主要表現如下：交通事故頻發(fā)，對人類生命安全造成極大威脅；交通擁堵嚴重，導致出行時間增加，能源消耗加大；空氣污染和噪聲污染程度日益加深等。日常的交通堵塞成為人們司空見慣而又不得不忍受的問題。在這種背景下，結合我國城市道路交通的實際情況，開發(fā)出真正適合我們自身特點的智能信號燈控制系統已經成為當前的主要任務。 和諧的城市交通具有很重要的現實意義。城市交通是城市經濟生活的命脈，是衡量一個城市文明進步的標志，對于城市經濟的發(fā)展和人民生活水平的提高起著十分重要的作用。作為城市交通網的重要組成部分, 交叉口是道路通行能力的瓶頸和交通阻塞及事故的多發(fā)地。城市的交通擁堵，大部分是由于交叉口的通行能力不足或沒有充分利用造成的，這導致車流中斷、事故增多、延誤嚴重。對交叉口實行科學的管理與控制是交通控制工程的重要研究課題，是保障交叉口的交通安全和充分發(fā)揮交叉口的通行能力的重要措施，是解決城市交通問題的有效途徑。所以，改變和完善我國現有的交通系統已成為當務之急。 國內外研究現狀 在國外，英國，澳大利亞，日本和美國等國家均在交通控制系統上日益完善。如以澳大利亞悉尼為背景開發(fā)的交通自適應協調系統SCATS (Sydney Coordinated Adaptive Traffic System)，英國的運輸和道路研究所（TRRL）研制的SCOOT（Split Cycle Offset Optimization Technique )系統，日本的京三（Kyosan）系統等。這些系統，大都是在各路口附近安裝磁性環(huán)路監(jiān)控器，由各路口的控制設備、人員將交通控制參數通過通訊網絡輸入微處理器，用小型計算機進行集中處理[1]。 目前國內己有一些自主開發(fā)的城市交通控制系統，如公安部交通科學研究所研制開發(fā)的HTUTCS系統，但它在整體性能上比國外同類系統仍有較大差距，只在一些中小城市得到一些應用。國內城市尤其是大城市引進的交通控制系統大部分為進口的SCOOT和SCATS以及京三系統等，和國外的交通流大不相同，因此，國外的這些交通控制系統在國內的使用效果不盡人意。所以國內的科研人員也在孜孜不倦的研究著更好的交通燈控制系統，大致研究可以分為兩類，其一是按固定配時方案運行，其二是由車輛檢測器提供的實時交通信息控制信號機運行的。如，基于時間分布的交通控制系統設計，它將一天分為N個不同的時間區(qū)間，應用計算機算出各個交通路口各時間段信號燈的最佳周期，在不同的時間區(qū)間賦予交通信號控制器不同的周期，以對應交通流量隨時間的分布[2]。但在現實應用中，這種固定周期的交通信號燈的周期只在一天交通流量變化不大的路口可以得到較理想的效果，而交通流量呈周期變化的路口則無法兩者兼顧，其只能使某個時段達到較好的效果，在另外一個時刻則需要人工干預，不然可能產生交通堵塞。再如基于模糊邏輯的智能交通燈控制系統，是從禁行車輛等待時間的角度出發(fā)，綜合了各個方向車輛密度的因素，模仿交通帶察的行為而設計的。其控制器采用三變量輸入，輸出不再是時間變量，而是車輛通行的權限[3]。二 EDA技術與VHDL語言 EDA技術及其發(fā)展現代電子設計技術的核心是EDA（Electronic Design Automation）技術。EDA技術就是依賴功能強大的計算機，在EDA工具軟件平臺上，對以硬件描述語言HDL（Hardware Description Language）為系統邏輯描述手段完成的設計文件，它能自動地完成邏輯編譯、邏輯化簡、邏輯分割、邏輯綜合、結構綜合（布局布線），以及邏輯優(yōu)化和仿真測試，直至實現既定的電子線路系統功能。EDA技術使得設計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軟件來完成對系統硬件功能的實現。EDA技術在進入21世紀后，得到了更大的發(fā)展。在仿真和設計兩方面支持標準硬件描述語言的功能越來越強大，軟硬件技術也進一步得到了融合，在電子行業(yè)的產業(yè)領域、技術領域和設計應用領域得到了進一步的肯定，使得復雜電子系統的設計和驗證趨于簡單化。隨著大規(guī)模集成電路技術和計算機技術的不斷發(fā)展，在涉及通信、國防、航天、醫(yī)學、工業(yè)自動化、計算機應用、儀器儀表等領域的電子系統設計工作中，EDA技術的含量正以驚人的速度上升。電子類的高新技術項目的開發(fā)也逾益依賴于EDA技術的應用。即使是普通的電子產品的開發(fā)，EDA技術常常使一些原來的技術瓶頸得以輕松突破，從而使產品的開發(fā)周期大為縮短、性能價格比大幅提高[2]。不言而喻，EDA技術將迅速成為電子設計領域中的極其重要的組成部分。EDA( Electronic Design Automation，電子系統設計自動化)技術是20世紀90年代初從CAD(計算機輔助設計)、CAM(計算機輔助制造),CAT(計算機輔助測試)和CAE(計算機輔助工程)的概念發(fā)展而來的。現代EDA技術就是以讓算機為工具，在EDA軟件平臺上，根據硬件描述語言HDL完成的設計文件，能自動地完成用軟件方式描述的電子系統到硬件系統的邏輯編譯、邏輯化簡、邏輯分割、邏輯綜合及優(yōu)化、布局布線、邏輯仿真，直至完成對于特定目標芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等工作。設計者的工作僅限于利用軟件的方式來完成對系統硬件功能的描述，在EDA工具的幫助下和應用相應的FPGA/CPLD器件，就可以得到最后的設計結果。盡管目標系統是硬件，但整個設計和修改過程如同完成軟件設計一樣方便和高效?？梢?， 利 用EDA技術進行電子系統的設計，具有以下幾個特點: (1)用軟件的方式設計硬件。 (2)用軟件方式設計的系統到硬件系統的轉換是由有關的開發(fā)軟件自動完成的；(3)采用自頂向下(topdown)的設計方法。(4)設計過程中可用有關軟件進行各種仿真。EDA技術涉及面很廣，內容豐富，從教學和實用的角度看，主要應掌握如下四個方面的內容: (1)大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?。(2)硬件描述語言。(3)軟件開發(fā)工具。(4)實驗開發(fā)系統。其中，大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷抢肊DA技術進行電子系統設計的載體，硬件描述語言是利用EDA技術進行電子系統設計的主要表達手段，軟件開發(fā)工具是利用EDA技術進行電子系統設計的智能化的自動設計工具，實驗開發(fā)系統則是利用EDA技術進行電子系統設計的下載工具及硬件驗證工具[8]。 PLD( Porgrammable Logic Device，可編程邏輯器件)是一種由用戶編程以實現某種邏輯功能的新型邏輯器件。FPGA和CPLD分別是現場可編程門陣列和復雜可編程邏輯器件的簡稱，兩者的功能基本相同，只是實現原理略有不同，所以我們有時可以忽略這兩者的區(qū)別，統稱為可編程邏輯器件或CPLD/FPGA. PLD是電子設計領域中最具活力和發(fā)展前途的一項技術，PLD能完成任何數字器件的功能[3]。PLD如同一張白紙或是一堆積木，工程師可以通過傳統的原理圖輸入法，或是硬件描述語言自由的設計一個數字系統，通過軟件仿真，我們可以事先驗證設計的正確性。在PCB完成以后，還可以利用PLD的在線修改能力，隨時修改設計而不必改動硬件電路。使用P