【正文】 裝訂線 本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 題目： 基于VHDL的交通燈信號控制器設(shè)計(jì) 系 部 電子信息工程學(xué)院 學(xué)科門類 工學(xué) 專 業(yè) 電子信息工程 學(xué) 號 姓 名 指導(dǎo)教師 2012年 5 月 22 日基于VHDL的交通燈信號控制器的設(shè)計(jì)摘 要傳統(tǒng)的交通燈控制系統(tǒng)多數(shù)由單片機(jī)或PLC實(shí)現(xiàn)，本文介紹的是基于EDA技術(shù)設(shè)計(jì)交通燈系統(tǒng)的一種思路和方法。通過用數(shù)字信號自動(dòng)控制十字路口交通燈狀態(tài)轉(zhuǎn)換的方法，指揮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。本設(shè)計(jì)利用VHDL語言來實(shí)現(xiàn)交通燈控制器。通過對系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，采用自頂向下的層次化設(shè)計(jì)方法，給出了各個(gè)模塊的VHDL程序，并且利用QuartusⅡ?qū)?yīng)用程序進(jìn)行了仿真，得出了相應(yīng)的仿真結(jié)果。在用VHDL語言進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)充分認(rèn)識到VHDL語言的特點(diǎn),從設(shè)計(jì)思想、語句運(yùn)用及描述方法上等多方面對電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過電路優(yōu)化設(shè)計(jì),可以使用規(guī)模更小的可編程邏輯芯片,從而降低系統(tǒng)成本。關(guān)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(shù)與VHDL語言…………………………………………… 3 EDA技術(shù)及其發(fā)展……………………………………………………3 EDA與傳統(tǒng)電子設(shè)計(jì)方法的比較及優(yōu)點(diǎn)……………………… 4 VHDL系統(tǒng)概述…………………………………………………………5 三 交通燈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)…………………………………………………7 紅綠燈交通信號系統(tǒng)功能描述……………………………………7 系統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)…………………………………………………… 8 時(shí)鐘脈沖發(fā)生電路……………………………………………… 8 計(jì)數(shù)秒數(shù)選擇電路……………………………………………… 9 倒計(jì)時(shí)控制電路………………………………………………… 10 紅綠燈信號控制電路……………………………………………11 交通燈系統(tǒng)描述………………………………………………… 12 四 總結(jié)……………………………………………………………………15 參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………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(jī)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?nèi)粘Ｉ钪姓紦?jù)了重要地位，隨著人們社會活動(dòng)日益增加，經(jīng)濟(jì)發(fā)展，汽車數(shù)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(dǎo)，提高道路導(dǎo)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(shù)量的猛增，我國大中型城市的城市交通，正面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)，從而導(dǎo)致交通問題日益嚴(yán)重，其主要表現(xiàn)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(yán)重，導(dǎo)致出行時(shí)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(jié)合我國城市道路交通的實(shí)際情況，開發(fā)出真正適合我們自身特點(diǎn)的智能信號燈控制系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)前的主要任務(wù)。 和諧的城市交通具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。城市交通是城市經(jīng)濟(jì)生活的命脈，是衡量一個(gè)城市文明進(jìn)步的標(biāo)志，對于城市經(jīng)濟(jì)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(wǎng)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(dǎo)致車流中斷、事故增多、延誤嚴(yán)重。對交叉口實(shí)行科學(xué)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(xiàn)有的交通系統(tǒng)已成為當(dāng)務(wù)之急。 國內(nèi)外研究現(xiàn)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(tǒng)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(yīng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)SCATS (Sydney Coordinated Adaptive Traffic System)，英國的運(yùn)輸和道路研究所（TRRL）研制的SCOOT（Split Cycle Offset Optimization Technique )系統(tǒng)，日本的京三（Kyosan）系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)，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(shè)備、人員將交通控制參數(shù)通過通訊網(wǎng)絡(luò)輸入微處理器，用小型計(jì)算機(jī)進(jìn)行集中處理[1]。 目前國內(nèi)己有一些自主開發(fā)的城市交通控制系統(tǒng)，如公安部交通科學(xué)研究所研制開發(fā)的HTUTCS系統(tǒng)，但它在整體性能上比國外同類系統(tǒng)仍有較大差距，只在一些中小城市得到一些應(yīng)用。國內(nèi)城市尤其是大城市引進(jìn)的交通控制系統(tǒng)大部分為進(jìn)口的SCOOT和SCATS以及京三系統(tǒng)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(tǒng)在國內(nèi)的使用效果不盡人意。所以國內(nèi)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(tǒng)，大致研究可以分為兩類，其一是按固定配時(shí)方案運(yùn)行，其二是由車輛檢測器提供的實(shí)時(shí)交通信息控制信號機(jī)運(yùn)行的。如，基于時(shí)間分布的交通控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，它將一天分為N個(gè)不同的時(shí)間區(qū)間，應(yīng)用計(jì)算機(jī)算出各個(gè)交通路口各時(shí)間段信號燈的最佳周期，在不同的時(shí)間區(qū)間賦予交通信號控制器不同的周期，以對應(yīng)交通流量隨時(shí)間的分布[2]。但在現(xiàn)實(shí)應(yīng)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(gè)時(shí)段達(dá)到較好的效果，在另外一個(gè)時(shí)刻則需要人工干預(yù)，不然可能產(chǎn)生交通堵塞。再如基于模糊邏輯的智能交通燈控制系統(tǒng)，是從禁行車輛等待時(shí)間的角度出發(fā)，綜合了各個(gè)方向車輛密度的因素，模仿交通帶察的行為而設(shè)計(jì)的。其控制器采用三變量輸入，輸出不再是時(shí)間變量，而是車輛通行的權(quán)限[3]。二 EDA技術(shù)與VHDL語言 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工具軟件平臺上，對以硬件描述語言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軟件來完成對系統(tǒng)硬件功能的實(shí)現(xiàn)。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。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，在涉及通信、國防、航天、醫(yī)學(xué)、工業(yè)自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)應(yīng)用、儀器儀表等領(lǐng)域的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作中，EDA技術(shù)的含量正以驚人的速度上升。電子類的高新技術(shù)項(xiàng)目的開發(fā)也逾益依賴于EDA技術(shù)的應(yīng)用。即使是普通的電子產(chǎn)品的開發(fā)，EDA技術(shù)常常使一些原來的技術(shù)瓶頸得以輕松突破，從而使產(chǎn)品的開發(fā)周期大為縮短、性能價(jià)格比大幅提高[2]。不言而喻，EDA技術(shù)將迅速成為電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的極其重要的組成部分。EDA( Electronic Design Automation，電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)化)技術(shù)是20世紀(jì)90年代初從CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))、CAM(計(jì)算機(jī)輔助制造),CAT(計(jì)算機(jī)輔助測試)和CAE(計(jì)算機(jī)輔助工程)的概念發(fā)展而來的?，F(xiàn)代EDA技術(shù)就是以讓算機(jī)為工具，在EDA軟件平臺上，根據(jù)硬件描述語言HDL完成的設(shè)計(jì)文件，能自動(dòng)地完成用軟件方式描述的電子系統(tǒng)到硬件系統(tǒng)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(biāo)芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等工作。設(shè)計(jì)者的工作僅限于利用軟件的方式來完成對系統(tǒng)硬件功能的描述，在EDA工具的幫助下和應(yīng)用相應(yīng)的FPGA/CPLD器件，就可以得到最后的設(shè)計(jì)結(jié)果。盡管目標(biāo)系統(tǒng)是硬件，但整個(gè)設(shè)計(jì)和修改過程如同完成軟件設(shè)計(jì)一樣方便和高效?？梢?， 利 用EDA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)采用自頂向下(topdown)的設(shè)計(jì)方法。(4)設(shè)計(jì)過程中可用有關(guān)軟件進(jìn)行各種仿真。EDA技術(shù)涉及面很廣，內(nèi)容豐富，從教學(xué)和實(shí)用的角度看，主要應(yīng)掌握如下四個(gè)方面的內(nèi)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(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)。其中，大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷抢肊DA技術(shù)進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的載體，硬件描述語言是利用EDA技術(shù)進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要表達(dá)手段，軟件開發(fā)工具是利用EDA技術(shù)進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的智能化的自動(dòng)設(shè)計(jì)工具，實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)則是利用EDA技術(shù)進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的下載工具及硬件驗(yàn)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(shí)現(xiàn)某種邏輯功能的新型邏輯器件。FPGA和CPLD分別是現(xiàn)場可編程門陣列和復(fù)雜可編程邏輯器件的簡稱，兩者的功能基本相同，只是實(shí)現(xiàn)原理略有不同，所以我們有時(shí)可以忽略這兩者的區(qū)別，統(tǒng)稱為可編程邏輯器件或CPLD/FPGA. PLD是電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域中最具活力和發(fā)展前途的一項(xiàng)技術(shù)，PLD能完成任何數(shù)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(tǒng)的原理圖輸入法，或是硬件描述語言自由的設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)，通過軟件仿真，我們可以事先驗(yàn)證設(shè)計(jì)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(shí)修改設(shè)計(jì)而不必改動(dòng)硬件電路。使用P