【正文】 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 VHDL 交通燈控制電路 設(shè)計(jì) Pride【 kwg】 （ 電信工程系 電子信息工程專業(yè) ,2021級 4） 指導(dǎo)教師： [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)的一種方案。通過對系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，采用了層次化的設(shè)計(jì)方法，給出了各個(gè)模塊的 VHDL 程序，利用 Max+PlusⅡ 對應(yīng)用程序進(jìn)行了仿真，并給出了相應(yīng)的仿真結(jié)果 。 在用 系統(tǒng)硬件描述 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) ，并 使用規(guī) 模更小的可編程邏輯芯片， 可以 降低系統(tǒng) 的 成本。 [關(guān)鍵詞 ]交通信號燈 。 系統(tǒng)硬件描述語言 。 仿真 Design of traffic lights control circuit based on VHDL Kang WeiGang (Grade 07,Class 4,Major electronics and information engineering， Electronics and information engineering Dept.， Shaanxi University of Technology， Hanzhong 723000， Shaanxi) Tutor: He Wei [Abstract]:Traditional traffic light control system is mostly achieved by a single chip or PLC,this paper introducts a scheme of the design of traffic signal systems based on EDA technology. Each module is given VHDL program by ananlyzing the structure of the system and using a hierarchical design method,and it applies Max+PlusⅡ on the simulation of applications,and the corresponding simulation results are gained. When design the circuit with VHDL, we should be fully aware of the characteristics of VHDL language and optimize the circuit design from the design, the use of statements and methodsof description, optimizing circuit design,we can use smaller programmable logic chip,thereby reducing system cost. [Key words]： traffic light 。 VHDL 。simulation 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 目錄 引言 ................................................ 1 1 概述 ............................................. 2 交通燈的背景 ..................................... 2 交通燈的研究目的 ................................. 3 2 EDA技術(shù) 的介紹 .................................... 4 EDA 技術(shù) .......................................... 4 EDA 技術(shù)的發(fā)展 .... .............................. 4 EDA 技術(shù)與傳統(tǒng)電子設(shè)計(jì)方法的比較 .... ............ 4 VHDL ............................................. 5 MAX+PLUSⅡ ..................................... ..6 CPLD ........................................... ..7 3 交通燈控制系統(tǒng)工作原理 ............................ 8 設(shè)計(jì)方案 及論證 ................................... 8 具體 設(shè)計(jì)及模塊劃分 ............................... 9 工作原理 ........................................ 10 交通燈工作示意圖 ................................. 9 4 系統(tǒng) 設(shè)計(jì) ........................................ 11 頂層電路設(shè)計(jì) ......................................11 交通燈主要控制模塊 ............................... .11 定時(shí)單元以及顯示控制、譯碼電路 ....................12 各模塊及整體仿真結(jié)果 .............................. 15 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 硬件驗(yàn)證 ............................... .........18 總結(jié) .............................................. .19 致謝 .............................................. .20 參考文獻(xiàn) ........................................... 21 附錄 A 英文文獻(xiàn) ..................................... 22 附錄 B 各模塊 源 程序 ................................. 29 附錄 C 硬件實(shí)物圖 ................................... 38 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 1 頁 共 38 頁 引言 城市交通是城市活動的重要組成部分，猶如人體的動脈，維系著整個(gè)城市的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。隨著人口的增多、科技的進(jìn)步和城市規(guī)模的擴(kuò)大，交通方式由原來簡單的車馬舟船，演變?yōu)楝F(xiàn)在的火車、汽車、地鐵、飛機(jī)等各種綜合型的運(yùn)輸方式。交通作為現(xiàn)代城市的重要體現(xiàn)和標(biāo)志，見證著每一個(gè)城市的歷史與文明、發(fā)展與興衰。隨著城市經(jīng)濟(jì)的飛 速發(fā)展 、 城市化進(jìn)程的加快，大量的人口涌入城市，造成市區(qū)人口 稠密 ， 社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城市化和機(jī)動 化進(jìn)程的加快，使許多中心城市的交通在飛速發(fā)展的同時(shí)也對交通設(shè)施的建設(shè)提出了更高的要求。 以前普通的交通控制器能根據(jù)事先給定的時(shí)間進(jìn)行通道的通禁控制， 以達(dá)到自動控制的目的，但 由于如今車輛的迅速增多，給城市交通增加了嚴(yán)重的負(fù)擔(dān)，而交通燈在其中正扮演著越來越重要的角色。因此，要求尋找一種可以隨時(shí)針對通道上車輛的密集程度來控制和調(diào)節(jié) 主支干 道的通禁時(shí)間， 從而減少不合理的堵車現(xiàn)象的發(fā)生。 目前 EDA 技術(shù)發(fā)展迅速，是由于 EDA 技術(shù) 主要 是依靠功能強(qiáng)大的 電子計(jì)算機(jī) ， 在 EDA工具軟件平臺上 ， 對以硬件描述語 HDL(Hardware DescriptionLanguage)為系統(tǒng) 邏輯 描述手段完成的設(shè)計(jì)文件 ， 自動地完成邏輯編輯、化簡、分割、綜合、優(yōu)化和仿真 、 直至下載到 可編程邏輯器件 CPLD/FPGA或 專用集成電路 ASIC(Application Specific IntegratedCircuit)芯片中 ， 實(shí)現(xiàn)既定的 電子電路 設(shè)計(jì)功能 [1]。 EDA技術(shù)使得電子電路設(shè)計(jì)者的工作僅限于利用硬件描述語言和 EDA軟件平臺來完成對系統(tǒng)硬件功能的實(shí)現(xiàn) ， 極大地提高了設(shè)計(jì)效率 ， 縮短了設(shè)計(jì)周期 ， 節(jié)省了 設(shè)計(jì)成本 [2]。實(shí)現(xiàn)路口交通燈系統(tǒng)的控制方法很多 ， 可以用標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件 ， 可編程控制器 PLC,單片機(jī) 等方案來實(shí)現(xiàn)。但是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)調(diào)試的困難。因此 ， 在設(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 MAX+PLUSⅡ 集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行綜合、仿真 ,并下載到 CPLD復(fù)雜 可編程邏輯器件中 ， 完成系統(tǒng)的控制作用。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 2 頁 共 38 頁 1 概述 燈 的背景 早在 1850年，城市交叉口處不斷增長的交通就引發(fā)了人們對安全和擁堵的關(guān)注。世界上第一臺交通自動信號燈的誕生，拉開了城市交通控制的序幕， 1868年，英國工程師納伊特在倫敦威斯特敏斯特街口安裝了一臺紅綠兩色的煤氣照明燈，用來控制交叉路口馬車的通行，但一次煤氣爆炸事故致使這種交通信號 燈幾乎銷聲匿跡了近半個(gè)世紀(jì)。 1914年及稍晚一些時(shí)候，美國的克利夫蘭、紐約和芝加哥才重新出現(xiàn)了交通信號燈，它們采用電力驅(qū)動，與現(xiàn)在意義上的信號燈已經(jīng)相差無幾。 1926年英國人第一次安裝和使用自動化的控制器來控制交通信號燈，這是城市交通自動控制的起點(diǎn)。 早期的交通信號燈使用 “ 固定配時(shí) ” 方式實(shí)行自動控制，這種方式對于早期交通流量不大的情況曾起過一定的作用。但隨著汽車工業(yè)的發(fā)展、交通流量增加、隨機(jī)變化增強(qiáng)，采用以往那種單一模式的 “ 固定配時(shí) ” 方 式已不能滿足客觀需要，于是一種多時(shí)段多方案的信號控制器開始出現(xiàn)并逐步取代 了傳統(tǒng)的只有一種控制方案的控制器。除了多時(shí)段多方案定時(shí)控制的使用，為了避免各交叉路口之間 “ 各自為政 ” 的孤立控制方式對交通流造成 的頻繁停車，還必須把相鄰的交叉路口作為一個(gè)系統(tǒng)來統(tǒng)一地加以控制 。 1928年，上述系統(tǒng)經(jīng)過改進(jìn)，形成 “ 靈活步進(jìn)式 ” 定時(shí)系統(tǒng) ； 由于它簡單、可靠、價(jià)格便宜，很快在美國推廣普及。這種系統(tǒng)以后不斷改進(jìn)、完善，成為當(dāng)今的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。 20世紀(jì) 30年代初，美國最早開始用車輛感應(yīng)式信號控制器，之后是英國，當(dāng)時(shí)使用的車輛檢測器是氣動橡皮管檢測器。車輛感應(yīng)控制器的特點(diǎn)是它能根據(jù)檢測器測量的交通流量來調(diào) 整綠燈時(shí)間的長短，使綠燈時(shí)間更有效地被利用，減少車輛在交叉口的時(shí)間延誤，比定時(shí)控制方式有更大的靈活性。車輛感應(yīng)控制的這一特點(diǎn)刺激了車輛檢測器技術(shù)的發(fā)展。繼氣動橡皮管式檢測器之后，雷達(dá)、超聲波、光電、地磁、電磁、微波、紅外以及環(huán)形線圈等檢測器相繼問世。當(dāng)今在城市道路交通自動控制、交通監(jiān)測和交通數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，應(yīng)用最廣的是環(huán)形線圈車輛檢測器。超聲波檢測器主要在日本等少數(shù)國家得到廣泛應(yīng)用。 計(jì)算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)為交通控制技術(shù)的發(fā)展注入了新的活力， 1952年，美國科羅拉多州丹佛市首次利用模擬計(jì)算機(jī)和交通檢測器實(shí)現(xiàn)了對交 通信號機(jī)網(wǎng)的配時(shí)方案自動選擇式信號燈控制，而加拿大多倫多市于 1964年完成了計(jì)算機(jī)控制信號燈的實(shí)用化，建立了一套由 IBM650型計(jì)算機(jī)控制的交通信號協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，成為世界上第一個(gè)具有電子數(shù)字計(jì)算機(jī)城市交通控制系統(tǒng)的城市。這是道路交通控制技術(shù)發(fā)展的里程碑。 伴隨著城市交通信號控制系統(tǒng)的迅速發(fā)展。人們認(rèn)識到，要更好地提高城市管理水平，不僅僅依靠硬件設(shè)備的更新和改進(jìn)，還必須同時(shí)在控制邏輯和方法上有所突破，即城市交通的區(qū)域協(xié)調(diào)控制。傳統(tǒng)的城市道路交通控制指的是區(qū)域交叉口信號燈控制，而城市交通的區(qū)域協(xié)調(diào)控制，是在整個(gè) 城市范圍內(nèi)對交通進(jìn)行控制，這無論是從理論角度還是實(shí)踐角度，都是一個(gè)極其復(fù)雜的大系統(tǒng)控制問題。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 3 頁 共 38 頁 國外對城市區(qū)域交通控制的研究，開始于 20世紀(jì) 60年代初。 1967年，英國運(yùn)輸與道路實(shí)驗(yàn)室(TRRL)成功開發(fā)出 TRANsYT(TraffioNetworkStudyTools)交通控制系統(tǒng)，后來又在 TRANsYT的基礎(chǔ)上開發(fā)了 SEOOT(Split Cyele and Offset OPtimization Technique)系統(tǒng)。澳大利亞在 70年代末也開發(fā)了基于配時(shí)方案實(shí)時(shí)選擇方法來實(shí)現(xiàn)路網(wǎng)協(xié)調(diào)控制的 SCAT(Sydney Coordinated Adaptive Traffic Method)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)己經(jīng)在西方國家的城市網(wǎng)絡(luò)交通中取得了成功的應(yīng)用。 進(jìn)入 20世紀(jì) 80年代后期，隨著城市化進(jìn)程的加快和汽車的普及，城市交通擁擠、阻塞現(xiàn)象日趨惡化，由此引發(fā)的事故、噪聲和環(huán)境污染己成為日益嚴(yán)重的社會問題，交通問題成為困擾世界各國的普遍性難題。人們對交通系統(tǒng)的規(guī)模復(fù)雜性和開放性特征有了更深一層的認(rèn)識，并開始意識到單獨(dú)考慮車輛或道路方面很難從根本上解決交通擁擠現(xiàn)象，只有把路口交通流運(yùn)行與信號控制的藕合作用綜合考慮，且賦 以現(xiàn)代的各種高新技術(shù)方可徹底消除有關(guān)問題。于是，智能交通系統(tǒng) (ITS)應(yīng)運(yùn)而生，并得到迅猛發(fā)展。除在技術(shù)和功能上得到增強(qiáng)和完善的 SCOOT和 SCATS以外， STREAM、 ITACA、 MOTION、