【正文】 科研水平的高低，而EDA教學(xué)科研工作開展起來后，還會(huì)對(duì)微電子類、計(jì)算機(jī)類學(xué)科產(chǎn)生積極的影響，從而帶動(dòng)各高校相應(yīng)學(xué)科的同步發(fā)展[10]。HDL具有與具體硬件電路無關(guān)和與設(shè)計(jì)平臺(tái)無關(guān)的特性，并且具有良好的電路行為描述和系統(tǒng)描述的能力，并在語言易讀性和層次化結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方面，表現(xiàn)了強(qiáng)大的生命力和應(yīng)用潛力。使用PLD來開發(fā)數(shù)字電路，可以大大縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，減少PCB面積，提高系統(tǒng)的可靠性。 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。(2)硬件描述語言。設(shè)計(jì)者的工作僅限于利用軟件的方式來完成對(duì)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。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]。EDA技術(shù)在進(jìn)入21世紀(jì)后，得到了更大的發(fā)展。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]。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(hào)機(jī)運(yùn)行的。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。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。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(hào)燈控制系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)前的主要任務(wù)。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。通過用數(shù)字信號(hào)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。關(guān)鍵詞：交通信號(hào)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(hào)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(hào)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(huì)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(duì)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。 和諧的城市交通具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。對(duì)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。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]。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(hào)燈的最佳周期，在不同的時(shí)間區(qū)間賦予交通信號(hào)控制器不同的周期，以對(duì)應(yīng)交通流量隨時(shí)間的分布[2]。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)。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。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。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。(3)軟件開發(fā)工具。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的這些優(yōu)點(diǎn)使得PLD技術(shù)在20世紀(jì)90年代以后得到飛速的發(fā)展，同時(shí)也大大推動(dòng)了EDA軟件和硬件描述語言(HDL)的進(jìn)步[9]。用HDL進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)者可以專心致力于其功能的實(shí)現(xiàn)，而不需要對(duì)不影響功能的與工藝有關(guān)的因素花費(fèi)過多的時(shí)間和精力。由于可編程邏輯器件性能價(jià)格比的不斷提高，開發(fā)軟件功能的不斷完善，而且由于用EDA技術(shù)設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)具有用軟件的方式設(shè)計(jì)硬件。傳統(tǒng)機(jī)電設(shè)備的電器控制系統(tǒng)，如果利用EDA技術(shù)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)或進(jìn)行技術(shù)改造，不但設(shè)計(jì)周期短、設(shè)計(jì)成本低，而且將提高產(chǎn)品或設(shè)備的性能，縮小產(chǎn)品體積，提高產(chǎn)品的技術(shù)含量，提高產(chǎn)品的附加值。它在80年代的后期出現(xiàn)。當(dāng)然在一些實(shí)力較為雄厚的單位，它也被用來設(shè)計(jì)ASIC。在對(duì)一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)體定義了外部界面后，一旦其內(nèi)部開發(fā)完成后，其他的設(shè)計(jì)就可以直接調(diào)用這個(gè)實(shí)體。VHDL具有功能強(qiáng)大的語言結(jié)構(gòu),可以用簡潔明確的代碼描述來進(jìn)行復(fù)雜控制邏輯的設(shè)計(jì)，而且覆蓋面廣,方法靈活。 （3）VHDL語言的數(shù)據(jù)類型豐富語法嚴(yán)格清晰,串行和并行通用,物理過程清楚。強(qiáng)大的行為描述能力避開了具體的器件結(jié)構(gòu)， 是在邏輯行為上描述和設(shè)計(jì)大規(guī)模電子系統(tǒng)的重要保證。 （4） 對(duì)于用 VHDL 完成的一個(gè)確定的設(shè)計(jì)，可以利用EDA工具進(jìn)行邏輯綜合和優(yōu)化，并自動(dòng)地把 VHDL 描述設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變成門級(jí)網(wǎng)表。要建立VHDL源代碼，設(shè)計(jì)者必須了解 VHDL與綜合結(jié)果的關(guān)系。描述方法的合理選用 用 VHDL進(jìn)行設(shè)計(jì)，其最終綜合出的電路的復(fù)雜程度除取決于設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)的功能的難度外，還受設(shè)計(jì)工程師對(duì)電路的描述方法的影響。主干道綠燈亮?xí)r，支干道紅燈亮，反之亦然，兩者交替允許通行。能實(shí)現(xiàn)總體清理功能，計(jì)數(shù)器由初始狀態(tài)開始計(jì)數(shù)，對(duì)應(yīng)狀態(tài)的指示燈亮。（2）參數(shù)化的概念：針對(duì)不同時(shí)段的交通流量，可以調(diào)整紅綠燈電路（增加或者減少電路的計(jì)數(shù)時(shí)間），以增加程序的靈活性。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。系統(tǒng)輸出信號(hào)：ena_scan：將外部的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行分頻處理；ena_1hz：產(chǎn)生每秒一個(gè)的脈沖信號(hào)；flash_1hz：產(chǎn)生每秒一個(gè)脈沖的時(shí)鐘信號(hào)。常數(shù)的定義和設(shè)置主要是為了使程序更容易閱讀和修改，只要改變了常量的數(shù)值，使用到該常數(shù)的地方都會(huì)隨著更新而使用新的常數(shù)值。第一句就是將scan_bit設(shè)為常數(shù)‘2’，這個(gè)數(shù)值是可以根據(jù)設(shè)計(jì)的需要任意設(shè)定的。因此,計(jì)數(shù)秒數(shù)選擇電路最主要的功能就是負(fù)責(zé)輸出顯示器需要的數(shù)值（即倒數(shù)的秒數(shù)值），作為倒計(jì)時(shí)顯示器電路的計(jì)數(shù)秒數(shù)。 圖35是計(jì)數(shù)秒數(shù)選擇電路通過Quartus II軟件仿真得到的仿真波形圖。例如：南北方向綠燈，車輛處于正常行駛中，東西方向紅燈，車輛處于等待中，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，倒計(jì)時(shí)控制電路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。 圖37是倒計(jì)時(shí)控制電路通過Quartus II軟件仿真得到的仿真波形圖。 紅綠燈信號(hào)控制電路在紅綠燈交通信號(hào)系統(tǒng)中，大多數(shù)的情況是通過自動(dòng)控制的方式指揮交通。圖38 紅綠燈信號(hào)控制電路模塊圖系統(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)；ena_1hz：接收由時(shí)鐘發(fā)生電路提供的1Hz的脈沖信號(hào)；flash_1hz：接收由時(shí)鐘發(fā)生電路提供的1Hz的脈沖時(shí)鐘信號(hào)；a_m：手動(dòng)、自動(dòng)切換按鈕（1：自動(dòng)、0：手動(dòng)）；st_butt： 紅綠燈狀態(tài)切換按鈕（在手動(dòng)操作下，每按一次按鈕就變換一個(gè)狀態(tài)）；next_state：接收由倒計(jì)時(shí)控制電路提供的下一個(gè)狀態(tài)的觸發(fā)信號(hào)。紅綠燈信號(hào)控制電路的作用就是產(chǎn)生的一系列的控制信號(hào)去完成之前幾個(gè)模塊設(shè)定好的功能。本文采用VHDL輸入法來設(shè)計(jì)。圖311顯示的也是狀態(tài)三時(shí)東西方向紅燈亮、南北方向綠燈亮，這與之前紅綠燈信號(hào)控制電路仿真出來的波形結(jié)果是相同的。通過此次設(shè)計(jì)，我對(duì)于VHDL硬件描述語言有了更深入地了解，也在原來所學(xué)的理論基礎(chǔ)上得到了進(jìn)一步地應(yīng)用。在今后的電子產(chǎn)品研究開發(fā)過程中，EDA技術(shù)將會(huì)具有更好的開發(fā)手段和更高的性價(jià)比，并且將擁有更為廣闊的市場應(yīng)用前景。use 。 ena_1hz:out std_logic。constant scan_val:positive:=4。signal clk_2hz_ff:std_logic_vector(two_hz_bit1