【正文】 16 圖 1 十字路口示意圖 圖 2 交通信號(hào)燈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 由交通信號(hào)燈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 (見(jiàn)圖 2)可知，該系統(tǒng)由 4個(gè)子電路組成。其中包括： (1) 時(shí)鐘發(fā)生電路； (2) 計(jì)數(shù)秒數(shù)選擇電路； (3) 倒計(jì)時(shí)控制電路； (4) 紅綠燈信號(hào)控制電路。 圖 3 交通信號(hào)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(shí)鐘發(fā)生電路產(chǎn)生穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)，為下面三個(gè)子電路提供同步工作信號(hào)。接收到時(shí)鐘信號(hào)的紅綠燈信號(hào)控制電路開(kāi)始工作，并將產(chǎn)生的重新計(jì)數(shù)的輸出使能控制信號(hào)發(fā)送給計(jì)數(shù)秒數(shù)選擇電路和倒計(jì) 時(shí)控制電路，同時(shí)還會(huì)將目前電路產(chǎn)生的狀態(tài)信號(hào)發(fā)送給前者。接收到重新計(jì)數(shù)的信號(hào)后計(jì)數(shù)秒數(shù)選擇電路就會(huì)負(fù)責(zé)產(chǎn)生計(jì)數(shù)器所需要的計(jì)數(shù)值，并將這一數(shù)值發(fā)送給倒計(jì)時(shí)控制電路，由它利用發(fā)光二極管顯示倒計(jì)時(shí)的狀態(tài)。當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)完畢，倒計(jì)時(shí)控制器就會(huì)負(fù)責(zé)產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)發(fā)送給紅綠燈信號(hào)控 時(shí) 鐘 發(fā) 生 電 路 紅綠 燈信號(hào)控制電路 倒計(jì)時(shí)控制電路 計(jì)數(shù)秒數(shù)選擇電路 時(shí)鐘輸入 端 系統(tǒng)復(fù)位 端 東西及南北 方 向信號(hào)燈 東西及南北 方向倒計(jì)時(shí) 無(wú)錫科技職 業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 用 PLC 的控制交通信號(hào)燈設(shè)計(jì) 17 制電路進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)，之后循環(huán)這一過(guò)程。 紅綠燈交通信號(hào)系統(tǒng)的 VHDL 模塊 時(shí)鐘脈沖發(fā)生電路 在紅綠燈交通信號(hào)系統(tǒng)中，大多數(shù)的情況是通過(guò)自動(dòng)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(gè)穩(wěn)定的時(shí)鐘（ clock）才能讓系統(tǒng)正常的工作。因此， hld1 時(shí)鐘發(fā)生電路（見(jiàn)圖 4）最主要的功能就是產(chǎn)生一些穩(wěn)定的輸出信號(hào)，并將其用做后面幾個(gè)電路的使能控制與同步信號(hào)。 圖 4 時(shí)鐘發(fā)生電路模塊圖 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)。 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)。 經(jīng)仿真后得到的時(shí)序圖 (見(jiàn)圖 圖 6)： 圖 5 將 clk經(jīng)分頻處理后得到的 ena_scan信號(hào) 無(wú)錫科技職 業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 用 PLC 的控制交通信號(hào)燈設(shè)計(jì) 18 圖 6 時(shí)鐘發(fā)生電路時(shí)序圖 從圖 5中可以看出，當(dāng)外部信號(hào)發(fā)生器提供了 1kHZ的時(shí)鐘信號(hào)后，系統(tǒng)輸出信號(hào) ena_scan 就將時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行了 4 分頻。從圖 6 又可以看出，當(dāng)加入 1kHZ 的時(shí)鐘信號(hào)后， ena_1hz 產(chǎn)生了周期為一秒的脈沖信號(hào)， flash_1hz產(chǎn)生了周期為一秒的脈沖時(shí)鐘信號(hào)。 在這段程序的設(shè)計(jì)過(guò)程中最大的特點(diǎn)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(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。這就使設(shè)計(jì)的靈活性增強(qiáng)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(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。第二句是定義一個(gè)信號(hào)，它的位數(shù)就是 (scan_bit1),因?yàn)橹?scan_bit設(shè)定的值為 2，所以信號(hào)的位數(shù)就是 2 位。如果想增減信號(hào)的位數(shù)，只需要改動(dòng)常數(shù)的賦值就可以了。 計(jì)數(shù)秒數(shù)選擇電路 當(dāng)通過(guò)交通路口時(shí)，如果能在一個(gè)方向增添一個(gè)倒計(jì)時(shí)顯示器對(duì)車輛、行人加以提示，可能會(huì)有更好的效果。因此 ,hld2 計(jì)數(shù)秒數(shù)選擇電路 (見(jiàn)圖 7)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)。 無(wú)錫科技職 業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 用 PLC 的控制交通信號(hào)燈設(shè)計(jì) 19 圖 7 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)； 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)。 系統(tǒng)輸出信號(hào)： load：負(fù)責(zé)產(chǎn)生計(jì)數(shù)器所需要的計(jì)數(shù)數(shù)值。 經(jīng)仿真后得到的時(shí)序圖 (見(jiàn)圖 8)： 圖 8 計(jì)數(shù)秒數(shù)選擇電路時(shí)序圖 由計(jì)數(shù)描述選擇 電路的時(shí)序圖 (見(jiàn)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(shè)定為 15s。 constant yellowew_time:integer:=5。東西方向黃燈設(shè)定為 5s。 constant greenew_time:integer:=25。東西方向綠燈設(shè)定為 25s。 constant redsn_time:integer:=15。南北方向紅燈設(shè)定為 15s。 constant yellowsn_time:integer:=5。南北方向黃燈設(shè)定為 5s。 無(wú)錫科技職 業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 用 PLC 的控制交通信號(hào)燈設(shè)計(jì) 20 constant greensn_time:integer:=25。南北方向綠燈設(shè)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(shí)，南北方向綠燈亮 25s。 when 001=load=conv_std_logic_vector(yellowsn_time,8)。 sign_state=“ 001”時(shí)，南北方向黃燈亮 5s。 when 010=load=conv_std_logic_vector(redsn_time,8)。 sign_state=“ 010”時(shí)，南北方向紅燈亮 15s。 when 011=load=conv_std_logic_vector(redew_time,8)。 sign_state=“ 011”時(shí)，東西方向紅燈亮 15s。 when 100=load=conv_std_logic_vector(yellowew_time,8)。 sign_state=“ 100”時(shí)，東西方向黃燈亮 5s。 when 101=load=conv_std_logic_vector(greenew_time,8)。 sign_state=“ 101”時(shí)，東西方向綠燈亮 25s。 when others=load=conv_std_logic_vector(yellowsn_time,8)。 end case。 當(dāng)外部信號(hào)發(fā)生器提供了 1kHZ 的時(shí)鐘信號(hào)，并且重新計(jì)數(shù)信號(hào) (recount)為“ 1”時(shí) ,load 信號(hào)就會(huì)按照預(yù)先設(shè)置的數(shù)值逐 1 遞減 ,直至減到零為止 ,當(dāng)下一個(gè)重新計(jì)數(shù)信號(hào) (recount)再次為“ 1”時(shí)，會(huì)重復(fù)此過(guò)程。 在這段程序的設(shè)計(jì)中用到了 conv_std_logic_vector(value,n)語(yǔ)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(jìn)制的 25 轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制的 19，這就使設(shè)計(jì)減少了很多不必要的麻煩。 無(wú)錫科技職 業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 用 PLC 的控制交通信號(hào)燈設(shè)計(jì) 21 倒計(jì)時(shí)控制電路 通過(guò)日常生活中的觀察，我發(fā)現(xiàn)在一些交通路口已經(jīng)開(kāi)始使用倒計(jì)時(shí)顯示器，它們的作用就是用來(lái)提示車輛行人目前還有多長(zhǎng)時(shí)間信號(hào)燈會(huì)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(shí)間通過(guò)路口，進(jìn)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(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。如此循環(huán)下去，道路就會(huì)暢通無(wú)阻了。考慮到有些路口的交通擁堵現(xiàn)象較為嚴(yán)重，車輛會(huì)在道路上排成很長(zhǎng)的一隊(duì)，這樣排在較遠(yuǎn)距離的司機(jī)就很難看清楚倒計(jì)時(shí)顯示器上變化的數(shù)字，有可能會(huì)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(jì)時(shí)的顯示裝置就會(huì)使司機(jī)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(jì)時(shí)控制電路 (見(jiàn)圖 9)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(lái)，讓車輛行人能夠清楚 地知道再過(guò)多久信號(hào)燈就會(huì)發(fā)生變化。 圖 9 倒計(jì)時(shí)控制電路 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_1hz：接收由時(shí)鐘發(fā)生電路提供的 1Hz 的脈沖信號(hào)； recount：重新計(jì)數(shù)的使能控制信號(hào)； load：負(fù)責(zé)接收計(jì)數(shù)器所需要的計(jì)數(shù)數(shù)值。 無(wú)錫科技職 業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 用 PLC 的控制交通信號(hào)燈設(shè)計(jì) 22 系統(tǒng)輸出信號(hào)： led：負(fù)責(zé)將計(jì)數(shù)數(shù)值轉(zhuǎn)換成 BCD碼，并利用發(fā)光二極管顯示倒計(jì)時(shí)狀態(tài)； next_state：當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)完畢后，負(fù)責(zé)產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，作為下一個(gè)狀態(tài)的觸發(fā)信號(hào)。 經(jīng)仿 真后得到的時(shí)序圖 (見(jiàn)圖 10)： 圖 10 倒計(jì)時(shí)控制電路時(shí)序圖 由倒計(jì)時(shí)控制電路的時(shí)序圖 (見(jiàn)圖 10)可以看出，當(dāng) clk時(shí)鐘信號(hào)來(lái)臨后，在ena_1hz脈沖信號(hào)的同時(shí)激勵(lì)下， led會(huì)按照預(yù)先設(shè)置好的時(shí)間開(kāi)始逐 1遞減，進(jìn)行倒計(jì)時(shí)顯示。 process(clk,reset) begin if (reset=39。139。) then t_ff=00000000。 led=0000000000000000000000000。當(dāng) 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(dāng) reset=0,clk 為上升沿觸發(fā)，且 ena_1hz 與recount為 1 時(shí)， load將減 1的數(shù)值賦給 t_ff。 else t_ff=t_ff1。 當(dāng) reset=0,clk 為上升沿觸發(fā)，且 ena_1hz無(wú)錫科技職 業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 用 PLC 的控制交通信號(hào)燈設(shè)計(jì)