【正文】 基于 PLC 與 EDA 的交通信號(hào)燈的設(shè)計(jì) ii Based on PLC and EDA Design of The Traffic Lights abstract: Crossroads with traffic lights directing the safe operation of vehicles and pedestrians, to achieve the automatic traffic lights make traffic management mand and work,To improve urban traffic management automation is an important landmark. Highway traffic light control to solve the problem would be to protect the traffic orderly, safe and efficient operation of the important part. But now there is a single traffic signal control system of fixed timing control can not be adjusted according to actual traffic control. PLC and the EDA are two new universal control device. It will relay the traditional PLC control technology, puter technology and munication technology integration, is designedDoors designed for industrial control, with strong functions, general flexibility, high reliability, good stability, antijamming can be strengthened, and programming is simple, easy to use and small size, light weight, low power, a number of advantages. EDA design using VHDL, traffic signal control system. And in the MAX + PLUSII system FPGA / CPLD chip to download, due to be generated is the integrated digital circuit, there is no system of wiring problems, so failure rate, high reliability, and size is very small. Keywords: Traffic lights PLC EDA VHDL language 目 錄 基于 PLC 與 EDA 的交通信號(hào)燈的設(shè)計(jì) iii 前 言 .............................................................. 1 第一章 PLC 和 EDA 的特點(diǎn)和應(yīng)用 ...................................... 2 PLC 的概述 ................................................... 2 PLC 的特點(diǎn) ................................................... 2 PLC的應(yīng)用 ................................................... 3 EDA 的概述 ................................................... 5 EDA 的特點(diǎn) ................................................... 5 EDA 的應(yīng)用 ................................................... 6 第二章 交通信號(hào)燈的 PLC控制線路設(shè)計(jì) ................................. 7 控制要求 .................................................... 7 控制時(shí)序 .................................................... 7 硬件及外圍元器件 ............................................ 8 正常時(shí)序控制梯型圖和指令表 .................................. 9 第三章 利用 EDA技術(shù)實(shí)現(xiàn)交通信號(hào)燈控制 .............................. 14 交通系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) ......................................... 14 選擇 VHDL 硬件描述語言設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì) ............................ 14 紅綠燈交通信號(hào)系統(tǒng)功能描述 ................................. 14 紅綠燈交通信號(hào)系統(tǒng)的 VHDL 模塊 .............................. 15 時(shí)鐘脈沖發(fā)生電路 ...................................... 15 計(jì)數(shù)秒數(shù)選擇電路 ...................................... 15 倒計(jì)時(shí)控制電路 ........................................ 17 紅綠燈信號(hào)控制電路 .................................... 20 建立程序包 ............................................ 21 連接各個(gè)模塊 .......................................... 22 程序 .................................................... 22 得到仿真結(jié)果 ................................................ 25 第四章 設(shè)計(jì)總結(jié) .................................................... 26 謝 辭 ............................................................. 28 參考文獻(xiàn) ........................................................... 29 基于 PLC 與 EDA 的交通信號(hào)燈的設(shè)計(jì) 1 前 言 傳統(tǒng)數(shù)字電子技術(shù)的設(shè)計(jì)問題，一般是用若干計(jì)數(shù)器、邏輯門、觸發(fā)器等構(gòu)成電路，元件眾多，結(jié)果是電路中的接線多、故障率增加、可靠性降低。隨著微電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，微處理器用于 PLC，使其不僅可以實(shí)現(xiàn)邏輯控制，還可以進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算和處理、模擬量調(diào)節(jié)和聯(lián)網(wǎng)通信等 。 當(dāng)啟動(dòng)開關(guān)合上后，東西綠燈亮 20s 后閃爍 3s 滅，黃燈亮 2s 滅；紅燈亮25s，綠燈亮??循環(huán)；對(duì)應(yīng)東西綠黃燈亮?xí)r南北紅燈亮 20s，接著綠燈亮 20s后閃爍 3 秒；黃燈亮 2s 后，紅 燈又亮??循環(huán)。 PLC的特點(diǎn) 、通用性強(qiáng) —— PLC的硬件是標(biāo)準(zhǔn)化的，加之 PLC 的產(chǎn)品已系列化，功能模塊品種多，可以靈活組成各種不同大小和不同功能的控制系統(tǒng)。 PLC 采用微電子技術(shù)，大量的開關(guān)動(dòng)作由無觸點(diǎn)的電子存儲(chǔ)器件來完成，大部分繼電器和繁雜連線被軟件程序所取代，故壽命長(zhǎng)，可靠性大大提高，從實(shí)際使用情況來看， PLC 控制系統(tǒng)的平均無故障時(shí)間一般可達(dá) 4～ 5萬小時(shí)。有的 PLC 甚至可以帶電插拔輸入輸出模塊，可不脫機(jī)停電而直接更換故障模塊，大大縮短了故障修復(fù)時(shí)間。大多數(shù) PLC 的編程均提供了常用的梯形圖方式和面向工業(yè)控制的簡(jiǎn)單指令方式。而采用 PLC 控制，由于其靠軟件實(shí)現(xiàn)控制，硬件線路非常簡(jiǎn)潔，并為模塊化積木式結(jié)構(gòu)，且已商品化，故僅需按性能、容量（輸入輸出點(diǎn)數(shù)、內(nèi)存大?。┑冗x用組裝，而大量具體的程序編制工作也可在 PLC 到貨前進(jìn)行，因而縮短了設(shè)計(jì)周期，使設(shè)計(jì)和施工 可同時(shí)進(jìn)行。目前，世界上有 200 多個(gè)廠家生產(chǎn) 300 多種 PLC 產(chǎn)品，應(yīng)用在汽車（ 23%）、糧食加工（ %）、化學(xué) /制藥（ %）、金屬 /礦山（ %）、紙漿 /造紙（ %）等行業(yè)。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實(shí)現(xiàn)模擬量（ Analog）和數(shù)字量（ Digital）之間的 A/D 轉(zhuǎn)換及 D/A轉(zhuǎn)換。如可驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊。 PID 調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調(diào)節(jié)方法。 5 數(shù)據(jù)處理 現(xiàn)代 PLC 具有數(shù)學(xué)運(yùn)算（含矩陣運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。隨著計(jì)算機(jī)控制的發(fā)展，工廠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展得很快，各 PLC 廠商都十分重視 PLC 的通信功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在電子技術(shù)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，可編程邏輯器件的應(yīng)用，已得到廣泛的普及，這些器件為數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來了極大的靈活性。 EDA 技術(shù)的出現(xiàn)，極大地提高了電路設(shè)計(jì)的效率和可操作性，減輕了設(shè)計(jì)者的勞動(dòng)強(qiáng)度。目前 EDA技術(shù)已在各大公司、企事業(yè)單位和科研教學(xué)部門廣泛使用。 可以從傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和 EDA 設(shè)計(jì)方法的區(qū)別說明 EDA 設(shè)計(jì)方法的優(yōu)勢(shì)： （ 1）設(shè)計(jì)思想不同： EDA 是采用自上而下（ Top Down)的設(shè)計(jì)方法 。 （ 2）與傳統(tǒng)的基于電路板的設(shè)計(jì)方法不同， EDA 技術(shù)是基于芯片的設(shè)計(jì)方法。 基于 PLC 與 EDA 的交通信號(hào)燈的設(shè)計(jì) 7 第 二 章 交通信號(hào)燈的 PLC 控制線路設(shè)計(jì) 控制 要求 信號(hào)燈受啟動(dòng)及停止按鈕的控制，當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕時(shí)，信號(hào)燈系統(tǒng)開始工作，并周而復(fù)始地循環(huán)工作，當(dāng)按下停止按鈕時(shí)，系統(tǒng)將停止在初始狀態(tài)，所有信號(hào)燈都熄滅。價(jià)格便宜，功能齊全，比起其他 PLC 有著速度、邏輯、定位等優(yōu)越之處。 交通燈示意圖如圖 21 所示，在東西南北 兩個(gè)方向均安裝信號(hào)燈，兩個(gè)方向各 6 個(gè)燈，分為紅、黃、綠三種顏色。如果信號(hào)燈的功率較大，一個(gè)輸出繼電器不能帶動(dòng)兩只信號(hào)燈，可以采用一個(gè)輸出點(diǎn)驅(qū)動(dòng)一只信號(hào)燈，也可以采用輸出繼電器先帶動(dòng)中間繼電器，再由中間繼電器驅(qū)動(dòng)信號(hào)燈。是 EDA 設(shè)計(jì)中使用最多的語言之一，它具有很強(qiáng)的電路描述和建模能力，能從多個(gè)層次對(duì)數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行建模和描述，從而大大地簡(jiǎn)化了 硬件設(shè)計(jì)任務(wù)，提高了設(shè)計(jì)效率和可靠性。軟件方面包括：（ 1）電路合成模塊的概念：將交通燈信號(hào)系統(tǒng)劃分成若干個(gè)小電路，編寫每一個(gè)模塊的 VHDL 程序代碼，并將各個(gè)小電路相連接。因此，為了避免意外事件的發(fā)生，電路必須給出一個(gè)穩(wěn)定的時(shí)鐘（ clock）才能讓系統(tǒng)正常的工作。 圖 31 計(jì)數(shù)秒數(shù)選擇電路模塊圖 系統(tǒng)輸入信號(hào)： clk：由外部信號(hào)發(fā)生器提供 1kHZ 的時(shí)鐘信號(hào)； reset： 系統(tǒng)內(nèi)部自復(fù)位信號(hào)； ena_scan：接收由時(shí)鐘發(fā)生電路提供的 250Hz 的時(shí)鐘脈沖信號(hào)； 基于 PLC 與 EDA 的交通信號(hào)燈的設(shè)計(jì) 16 recount：接收由交通燈信號(hào)控制電路產(chǎn)生的重新計(jì)數(shù)的使能控制信號(hào)； sign_state：接收由交通燈信號(hào)控制電路產(chǎn)生的狀態(tài)信號(hào)。東西方向紅燈設(shè)定為 15s。東西方向綠燈設(shè)定為 25s。南北方向黃燈設(shè)定為 5s。139。139。139。 sign_state=“001” 時(shí)，南北方向黃燈亮 5s。 sign_state=“011” 時(shí)，東西方向紅燈亮 15s。 sign_state=“101” 時(shí)，東西方向綠燈亮 25s。 在這段程序的設(shè)計(jì)中用到了 conv_std_logic_vector(value,n)語句，它的用法就是將已經(jīng)定義的數(shù)值 (value)轉(zhuǎn)換成 n 位 (bit)的表示方法。例如：南北方向綠燈，車輛處于正常行駛中，東西方向紅燈，車基于 PLC 與 EDA 的交通信號(hào)燈的設(shè)計(jì) 18 輛處于等待中，若南北方向行駛的車輛看到倒計(jì)時(shí)顯示器上可以通行的時(shí)間很短，可能就會(huì)放慢速度等待下一次通行，這樣在東西方向綠燈時(shí)，車輛就能夠正常行駛，不會(huì)為等待南北方向強(qiáng)行的車輛而耽誤更多的時(shí)間。所以， hld3 倒計(jì)時(shí)控制 電路 (見圖 33)最主要的功能就是負(fù)責(zé)接收 hld2 電路輸出的值，然后將其轉(zhuǎn)換成 BCD 碼，并利用發(fā)光二極管顯示出來，讓車輛行人能夠清楚地知道再過多久信號(hào)燈就會(huì)發(fā)生變化。 process(clk,reset) begin if (reset=39。當(dāng) reset=1，則將 t_ff 與 led清零。)