【正文】 信號燈設計 16 圖 1 十字路口示意圖 圖 2 交通信號燈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 由交通信號燈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 (見圖 2)可知，該系統(tǒng)由 4 個子電路組成。其中包括： (1) 時鐘發(fā)生電路； (2) 計數(shù)秒數(shù)選擇電路； (3) 倒計時控制電路； (4) 紅綠燈信號控制電路。 圖 3 交通信號燈系統(tǒng)模塊圖 由圖 3 可以看出系統(tǒng)大體的工作程序是：首先由時鐘發(fā)生電路產(chǎn)生穩(wěn)定的時鐘信號，為下面三個子電路提供同步工作信號。接收到時鐘信號的紅綠燈信號控制電路開始工作，并將產(chǎn)生的重新計數(shù)的輸出使能控制信號發(fā)送給計數(shù)秒數(shù)選擇電路和 倒計時控制電路，同時還會將目前電路產(chǎn)生的狀態(tài)信號發(fā)送給前者。接收到重新計數(shù)的信號后計數(shù)秒數(shù)選擇電路就會負責產(chǎn)生計數(shù)器所需要的計數(shù)值，并將這一數(shù)值發(fā)送給倒計時控制電路，由它利用發(fā)光二極管顯示倒計時的狀態(tài)。當計數(shù)器計時完畢，倒計時控制器就會負責產(chǎn)生一個脈沖信號發(fā)送給紅綠燈信號控 時 鐘 發(fā) 生 電 路 紅綠 燈信號控制電路 倒計時控制電路 計數(shù)秒數(shù)選擇電路 時鐘輸入 端 系統(tǒng)復位 端 東西及南北 方向信號燈 東西及南北 方向倒計時 無錫科技職業(yè)學院畢業(yè)設計論文 用 PLC 的控制交通信號燈設計 17 制電路進入下一個狀態(tài)，之后循環(huán)這一過程。 紅綠燈交通信號系統(tǒng)的 VHDL 模塊 時鐘脈沖發(fā)生電路 在紅綠燈交通信號系統(tǒng)中，大多數(shù)的情況是通過自動控制的方式指揮交通的。因此，為了避免意外事件的發(fā)生，電路必須給出一個穩(wěn)定的時鐘 （ clock）才能讓系統(tǒng)正常的工作。因此， hld1 時鐘發(fā)生電路（見圖 4）最主要的功能就是產(chǎn)生一些穩(wěn)定的輸出信號，并將其用做后面幾個電路的使能控制與同步信號。 圖 4 時鐘發(fā)生電路模塊圖 系統(tǒng)輸入信號： clk：由外部信號發(fā)生器提供 1kHZ 的時鐘信號； reset：系統(tǒng)內(nèi)部自復位信號。 系統(tǒng)輸出信號： ena_scan：將外部的時鐘信號進行分頻處理； ena_1hz：產(chǎn)生每秒一個的 脈沖信號； flash_1hz：產(chǎn)生每秒一個脈沖的時鐘信號。 經(jīng)仿真后得到的時序圖 (見圖 圖 6)： 圖 5 將 clk經(jīng)分頻處理后得到的 ena_scan信號 無錫科技職業(yè)學院畢業(yè)設計論文 用 PLC 的控制交通信號燈設計 18 圖 6 時鐘發(fā)生電路時序圖 從圖 5中可以看出，當外部信號發(fā)生器提供了 1kHZ 的時鐘信號后，系統(tǒng)輸出信號 ena_scan 就將時鐘信號進行了 4 分頻。從圖 6 又可以看出，當加入 1kHZ 的時鐘信號后， ena_1hz 產(chǎn)生了周期為一秒的脈沖信號， flash_1hz 產(chǎn)生了周期為一秒的脈沖時鐘信 號。 在這段程序的設計過程中最大的特點就是引用了參數(shù)化的概念，即使用了常數(shù) (constant)。常數(shù)的定義和設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)的地方都會隨著更新而使用新的常數(shù)值。這就使設計的靈活性增強了。例如程序中用到的： constant scan_bit:positive:=2。 signal clk_scan_ff:std_logic_vector(scan_bit1 downto 0)。第一句就是將scan_bit 設為常數(shù)‘ 2’，這個數(shù)值是可以根據(jù)設計的需要任意 設定的。第二句是定義一個信號，它的位數(shù)就是 (scan_bit1),因為之前 scan_bit 設定的值為 2，所以信號的位數(shù)就是 2 位。如果想增減信號的位數(shù)，只需要改動常數(shù)的賦值就可以了。 計數(shù)秒數(shù)選擇電路 當通過交通路口時，如果能在一個方向增添一個倒計時顯示器對車輛、行人加以提示，可能會有更好的效果。因此 ,hld2 計數(shù)秒數(shù)選擇電路 (見圖 7)最主要的功能就是負責輸出顯示器需要的數(shù)值（即倒數(shù)的秒數(shù)值），作為倒計時顯示器電路的計數(shù)秒數(shù)。 無錫科技職業(yè)學院畢業(yè)設計論文 用 PLC 的控制交通信號燈設計 19 圖 7 計數(shù)秒數(shù)選擇電路模塊圖 系統(tǒng)輸入信號： clk：由外部信號發(fā)生器提供 1kHZ 的時鐘信號； reset：系統(tǒng)內(nèi)部自復位信號； ena_scan：接收由時鐘發(fā)生電路提供的 250Hz 的時鐘脈沖信號； recount：接收由交通燈信號控制電路產(chǎn)生的重新計數(shù)的使能控制信號； sign_state：接收由交通燈信號控制電路產(chǎn)生的狀態(tài)信號。 系統(tǒng)輸出信號： load：負責產(chǎn)生計數(shù)器所需要的計數(shù)數(shù)值。 經(jīng)仿真后得到的時序圖 (見圖 8)： 圖 8 計數(shù)秒數(shù)選擇電路時序圖 由計數(shù)描述 選擇電路的時序圖 (見圖 8)可以看出這段程序中定義了在正常車流量情況下，東西及南北方向紅燈、黃燈和綠燈需要維持的秒數(shù)分別是 15s、 5s和 25s。 architecture bhv of hld2 is constant redew_time:integer:=15。東西方向紅燈設定為 15s。 constant yellowew_time:integer:=5。東西方向黃燈設定為 5s。 constant greenew_time:integer:=25。東西方向綠燈設定為 25s。 constant redsn_time:integer:=15。南北方向紅燈設定為 15s。 constant yellowsn_time:integer:=5。南北方向黃燈設定為 5s。 無錫科技職業(yè)學院畢業(yè)設計論文 用 PLC 的控制交通信號燈設計 20 constant greensn_time:integer:=25。南北方向綠燈設定為 25s。 begin process(reset,clk) begin if reset=39。139。 then load=00000000。 elsif (clk39。event and clk=39。139。) then if (ena_scan=39。139。 and recount=39。139。) then case sign_state is when 000=load=conv_std_logic_vector(greensn_time,8)。 sign_state=“ 000”時，南北方向綠燈亮 25s。 when 001=load=conv_std_logic_vector(yellowsn_time,8)。 sign_state=“ 001”時，南北方向黃燈亮 5s。 when 010=load=conv_std_logic_vector(redsn_time,8)。 sign_state=“ 010”時，南北方向紅燈亮 15s。 when 011=load=conv_std_logic_vector(redew_time,8)。 sign_state=“ 011”時，東西方向紅燈亮 15s。 when 100=load=conv_std_logic_vector(yellowew_time,8)。 sign_state=“ 100”時，東西方向黃燈亮 5s。 when 101=load=conv_std_logic_vector(greenew_time,8)。 sign_state=“ 101”時，東西方向綠燈亮 25s。 when others=load=conv_std_logic_vector(yellowsn_time,8)。 end case。 當外部信號發(fā)生器提供了 1kHZ 的時鐘信號，并且重新計數(shù)信號 (recount)為“ 1”時 ,load 信號就會按照預先設置的數(shù)值逐 1 遞減 ,直至減到零為止 ,當下一個重新計數(shù)信號 (recount)再次為“ 1”時，會重復此過程。 在這段程序的設計中用到了 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。例如程序中： when 000=load=conv_std_logic_vector(greenew_time,8)。就是將十進制的 25 轉(zhuǎn)換成二進制的 19，這就使設計減少了很多不必要的麻煩。 無錫科技職業(yè)學院畢業(yè)設計論文 用 PLC 的控制交通信號燈設計 21 倒計時控制電路 通過日常生活中的觀察，我發(fā)現(xiàn)在一些交通路口已經(jīng)開始使用倒計時顯示器，它們的作用就是用來提示車輛行人目前還有多長時間信號燈會發(fā)生變化，這樣車輛行人就可以提前判斷是否有足夠的時間通過路口，進而就可以避免很多意外事故的發(fā)生。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時顯示器上可以通行的時間很短，可能就會放慢速度等待下一次通行，這樣在東西方向綠燈時 ，車輛就能夠正常行駛，不會為等待南北方向強行的車輛而耽誤更多的時間。如此循環(huán)下去，道路就會暢通無阻了?？紤]到有些路口的交通擁堵現(xiàn)象較為嚴重，車輛會在道路上排成很長的一隊，這樣排在較遠距離的司機就很難看清楚倒計時顯示器上變化的數(shù)字，有可能會影響到車輛之間的正常行駛。因此，如果采用發(fā)光二極管作為倒計時的顯示裝置就會使司機和行人一目了然，同樣也能夠起到很好的提示作用。所以， hld3倒計時控制電路 (見圖 9)最主要的功能就是負責接收 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燈就會發(fā)生變化。 圖 9 倒計時控制電路 系統(tǒng)輸入信號： clk：由外部信號發(fā)生器提供 1kHz 的時鐘信號； reset：系統(tǒng)內(nèi)部自復位信號； ena_1hz：接收由時鐘發(fā)生電路提供的 1Hz 的脈沖信號； recount：重新計數(shù)的使能控制信號； load：負責接收計數(shù)器所需要的計數(shù)數(shù)值。 無錫科技職業(yè)學院畢業(yè)設計論文 用 PLC 的控制交通信號燈設計 22 系統(tǒng)輸出信號： led：負責將計數(shù)數(shù)值轉(zhuǎn)換成 BCD 碼，并利用發(fā)光二極管顯示倒計時狀態(tài)； next_state：當計數(shù)器計時完畢后，負責產(chǎn)生一個脈沖信號，作為下一個狀態(tài)的觸發(fā)信號。 經(jīng)仿真后得到的時序圖 (見圖 10)： 圖 10 倒計時控制電路時序圖 由倒計時控制電路的時序圖 (見圖 10)可以看出，當 clk 時鐘信號來臨后，在ena_1hz 脈沖信號的同時激勵下， led 會按照預先設置好的時間開始逐 1遞減，進行倒計時顯示。 process(clk,reset) begin if (reset=39。139。) then t_ff=00000000。 led=0000000000000000000000000。當 reset=1，則將 t_ff 與 led 清零。 elsif (clk39。event and clk=39。139。) then if ena_1hz=39。139。 then if (recount=39。139。) then t_ff=load1。當 reset=0,clk 為上升沿觸發(fā)，且 ena_1hz 與recount 為 1時， load 將減 1 的數(shù)值賦給 t_ff。