EDA技術與應用課程—交通燈控制器的設計

1、本科課程設計報告本科課程設計報告課程名稱：CPLD/FPGA 應用設計 課程設計題目 交通燈控制器 實驗地點： 中區(qū)采礦樓二層 專業(yè)班級： 電信 學號： 學生姓名： 2014 年 6 月 17 日目錄目錄第一章第一章 緒論緒論.11.1 EDA 技術的概述.11.1.1 EDA 技術發(fā)展歷史 .11.1.2 EDA 技術的基本特征 .11.2 VHDL 硬件描述語言.2VHDL 設計的特點.2第二章第二章 系統(tǒng)設計要求與內(nèi)容系統(tǒng)設計要求與內(nèi)容.42.1 課程設計交通燈控制系統(tǒng)要求.42.2 設計思路.42.2.1 交通燈控制器原理框圖.42.2.2 控制情況表.52.2.3 設計電路原理圖.6

2、第三章第三章 系統(tǒng)設計方案系統(tǒng)設計方案.73.1 設計模塊與程序.73.1.1 交通燈控制器 JTDKZ 設計模塊與程序 .73.1.2 顯示控制單元 CSKZ 設計模塊與程序 .93.1.3 倒計時 45sCNT45s 設計模塊與程序.103.1.4 倒計時 25sCNT25s 設計模塊與程序.123.1.5 倒計時 5sCNT05s 的設計模塊與程序.133.2 管腳定義.153.3 時序仿真結果.153.4 實驗調(diào)試結果.16第四章第四章 心得體會心得體會.17參考文獻參考文獻.18 第 1 頁 共 18 頁第一章第一章 緒論緒論1.11.1 EDAEDA 技術的概述技術的概述EDA 是

3、在電子電路 CAD(ComputerAidedDesign，計算機輔助設計)的基礎上發(fā)展起來的計算機軟件系統(tǒng)。EDA 技術就是依賴功能強大的計算機，在EDA 工具軟件平臺上，對以硬件描述語言 HDL(HardwareDescriptionLanguage)為系統(tǒng)邏輯描述手段完成的設計文件，自動地完成邏輯編譯、邏輯化簡、邏輯分割、邏輯綜合、結構綜合(布局布線)，以及邏輯優(yōu)化和仿真測試，直至實現(xiàn)既定的電子線路系統(tǒng)功能。EDA 技術使得設計者的工作僅限于利用軟件的方式，即利用硬件描述語言和 EDA 軟件來完成對系統(tǒng)硬件功能的實現(xiàn)，這是電子設計技術的一個巨大進步。1.1.1 EDA 技術發(fā)展歷史技術發(fā)

4、展歷史20 世紀 70 年代為計算機輔助設計(CAD，ComputerAidedDesign)階段。人們開始用計算機輔助進行 IC 版圖編輯、PCB 布局布線，取代了手工操作。20 世紀 80 年代為計算機輔助工程 CAE，ComputerAidedEn 出 neering)階段。與 CAD 相比，CAE 除了有純粹的圖形繪制功能外，又增加了電路功能設計和結構設計，并且通過電氣連接網(wǎng)絡表將兩者結合在一起，實現(xiàn)了工程設計。CAE 的主要功能是：原理圖輸入、邏輯仿真、電路分析、自動布局布線、PCB后分析。20 世紀 90 年代為電子設計自動化(EDA)階段。1.1.2 EDA 技術的基本特征技術的

5、基本特征EDA 代表了當今電子設計技術的最新發(fā)展方向。它的基本特征是：設計人員按照“自頂向下”的設計方法，對整個系統(tǒng)進行方案設計和功能劃分。系統(tǒng)的關鍵電路用一片或幾片專用集成電路(ASIC，ApplicationSpecificIntegratedCircnit)實現(xiàn)，然后采用硬件描述語言(HDlHardwareDescriptionLanguage)完成系統(tǒng)行為級 第 2 頁 共 18 頁設計，最后通過綜合器和適配器生成最終的目標器件，這樣的設計方法被稱為高層次的電子設計方法。 1.2 VHDL 硬件描述語言硬件描述語言 美國國防部在 1981 年提出了一種新的 HDL，稱為 VHSICHa

6、rdwareDescriptionLanguage，簡稱為 VHDL。VHDL 是超高速集成電路硬件描述語言(VeryHigh-SpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage)的縮寫。VHDL符合美國電氣和電子工程師協(xié)會標準(IEEE1076 標準)，它可以用一種形式化的方法來描述數(shù)字電路和設計數(shù)字邏輯系統(tǒng)。利用 VHDL 進行自頂向下的電路設計，并結合一些先進的 EDA 工具軟件(例如 MAXPLUSII、EWB 和 Protel 等)，可以極大地縮短產(chǎn)品的設計周期，加快產(chǎn)品進入市場的步伐，在當前高速發(fā)展的信息時代，可以更好地把握商機。14

7、1VHDL 編程思想 VHDL 必須適應實際電路系統(tǒng)的工作方式，以并行和順序的多種語句方式來描述在同一時刻中所有可能發(fā)生的事件?？梢哉J為，VHDL 具有描述由相關和不相關的多維時空組合的復合體系統(tǒng)的功能。因此，要求系統(tǒng)設計人員擺脫一維的思維模式，以多維并發(fā)的思路來完成 VHDL 的程序設計。一個成功的 VHDL 工程設計，對其評判的標準包括：是否能完成功能要求、滿足速度要求，并考慮其可靠性以及資源的占用情況。在具體的工程設計中，必須清楚軟件程序和硬件構成之間的聯(lián)系，在考慮語句能夠?qū)崿F(xiàn)的功能的同時，要考慮實現(xiàn)這些功能可能付出的硬件代價。在編程過程中，某個不恰當?shù)恼Z句、算法或可省去的操作都可能帶來

8、硬件資源的浪費。因此，在保證完成功能的情況下，應該盡量合理且有效地利用VHDL 語言所提供的各種有利的語法條件，盡量地優(yōu)化算法，從而節(jié)約硬件資源。VHDL 設計的特點設計的特點用 VHDL 代碼而不是原理圖進行設計，意味著整個電路板的模型及其性能可用計算機模擬進行驗證。 第 3 頁 共 18 頁VHDL 元件的設計與工藝無關，與工藝獨立，方便工藝轉(zhuǎn)換。設計出來的元件放在庫中，想用時可以隨時調(diào)用。在傳統(tǒng)的原理圖設計中，設計者在設計時必須手工檢查與工藝有關的因素，如時序、面積、驅(qū)動強度、元件選擇和扇出。有了 VHDL 后，無需考慮電路的功能、需求說明中的需求、電路的驅(qū)動能力和延時等與工藝有關的因素

9、，使設計者可計算機系統(tǒng)設計注重其功能，即需求的實現(xiàn)，而不必對不影響功能但與工藝有關的因素花費過多的精力去排除。VHDL 支持各種設計方法，自頂向下、自底向上或混合的都可以。VHDL 還支持高層次設計，使設計生命周期延長?？蛇M行從系統(tǒng)級到邏輯級即最抽象的到最精確的跨越多層次的描述，即混合描述。VHDL 區(qū)別于其他的 HDL，已形成標準，其代碼在不同的 EDA 系統(tǒng)中可交換建模。 第 4 頁 共 18 頁第二章第二章 系統(tǒng)設計系統(tǒng)設計要求要求與內(nèi)容與內(nèi)容2.1 課程課程設計交通燈控制系統(tǒng)要求設計交通燈控制系統(tǒng)要求設計一個由一條主干道和一條支干道的匯合點形成的十字交叉路口的交通燈控制器，具體求如下：

10、1、主、支干道各設一個綠、黃、紅指示燈用于指示狀態(tài)，兩位顯示數(shù)碼管用于顯示倒計時時間。2、當主、支道均有車時，兩者交替允許通行，主干道每次放行 45s,支干道次每放行 25s，在每次由綠燈轉(zhuǎn)換為紅燈時，要有 5s 的黃燈作為過渡。應有倒計時顯示。3、特殊功能，智能交通燈控制：若支干道無車時，主干道處于常允許通行狀態(tài)。2.2 設計思路設計思路2.2.1 交通燈控制器原理框圖交通燈控制器原理框圖交通燈控制器原理框圖如下圖所示，包括置數(shù)模塊、計數(shù)模塊、主控制器模塊和譯碼器模塊。置數(shù)模塊將交通燈的點亮時間預置到置數(shù)電路中，計數(shù)模塊以秒為單位倒計時，當計數(shù)值減為零時，主控電路改變輸出狀態(tài)，電路進入下一個

11、狀態(tài)的倒計時。其中，核心部分是主控制模塊。主控制器清零紅 綠 黃特殊狀態(tài)紅 綠 黃定時計數(shù)器置數(shù)器譯碼器顯示器 第 5 頁 共 18 頁2.2.2 控制情況表控制情況表狀態(tài)主干道主干道倒時支干道主干道倒計時1綠燈亮45紅燈亮2黃燈亮5紅燈亮503紅燈亮綠燈亮254紅燈亮30黃燈亮5 第 6 頁 共 18 頁2.2.3 設計電路原理圖設計電路原理圖 第 7 頁 共 18 頁第三章第三章 系統(tǒng)設計方案系統(tǒng)設計方案3.1 設計設計模塊與程序模塊與程序3.1.1 交通燈控制器交通燈控制器 JTDKZ 設計模塊與程序設計模塊與程序交通燈控制器 JTDKZ 原理圖模塊LIBRARY IEEE;USE IE

12、EE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY JTDKZ ISPORT(CLK,SM,SB: IN STD_LOGIC;MR,MY,MG,BR,BY,BG: OUT STD_LOGIC);END JTDKZ;ARCHITECTURE ART OF JTDKZ ISTYPE STATE_TYPE IS(A,B,C,D);SIGNAL STATE:STATE_TYPE;BEGINCNT:PROCESS(CLK) ISVARIABLE S:INTEGER RANGE 0 TO 45;VARIABLE CLR,EN:BIT;B

13、EGINIF(CLKEVENT AND CLK=1)THEN IF CLR=0THEN S:=0; ELSIF EN=0 THEN S:=S;ELSES:=S+1; 第 8 頁 共 18 頁END IF;CASE STATE ISWHEN A=MR=0;MY=0;MG=1; BR=1;BY=0;BG=0; IF(SB AND SM)=1THENIF S=45 THENSTATE=B;CLR:=0;EN:=0;ELSE STATE=A;CLR:=1;EN:=1; END IF;ELSIF(SB AND (NOT SM)=1THENSTATE=B;CLR:=0;EN:=0;ELSE STATEMR

14、=0;MY=1;MG=0; BR=1;BY=0;BG=0;IF S=5 THENSTATE=C;CLR:=0;EN:=0;ELSESTATEMR=1;MY=0;MG=0; BR=0;BY=0;BG=1;IF(SM AND SB)=1THENIF S=25 THENSTATE=D;CLR:=0;EN:=0;ELSESTATE=C;CLR:=1;EN:=1;END IF;ELSIF SB=0 THENSTATE=D;CLR:=0;EN:=0;ELSESTATEMR=1;MY=0;MG=0; BR=0;BY=1;BG=0;IF S=5 THENSTATE=A;CLR:=0;EN:=0;ELSESTA

15、TE=D;CLR:=1;EN:=1;END IF; 第 9 頁 共 18 頁END CASE;END IF;END PROCESS CNT;END ARCHITECTURE ART;3.1.2 顯示控制單元顯示控制單元 CSKZ 設計模塊與程序設計模塊與程序顯示控制單元 CSKZ 原理圖模塊源程序：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY CSKZ IS PORT(EN45,EN25,EN05M,EN05B:IN STD_LOGIC;AIN45M,AIN45B:IN STD_L

16、OGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);AIN25M,AIN25B,AIN05:IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); DOUTM,DOUTB:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);END ENTITY CSKZ;ARCHITECTURE ART OF CSKZ ISBEGINPROCESS(EN45,EN25,EN05M,EN05B) ISBEGINIF EN45=1 THENDOUTM=AIN45M(7 DOWNTO 0);DOUTB=AIN45B(7 DOWNTO 0); ELSIF EN05M =1THENDOUTM=AIN

17、05(7 DOWNTO 0);DOUTB=AIN05(7 DOWNTO 0);ELSIF EN25=1 THENDOUTM=AIN25M(7 DOWNTO 0);DOUTB=AIN25B(7 DOWNTO 0); 第 10 頁 共 18 頁ELSIF EN05B=1 THENDOUTM=AIN05(7 DOWNTO 0);DOUTB=AIN05(7 DOWNTO 0);END IF ;END PROCESS;END ARCHITECTURE ART;3.1.3 倒計時倒計時 45sCNT45s 設計模塊與程序設計模塊與程序倒計時 45sCNT45s 的原理圖模塊：LIBRARY IEEE;US

18、E IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY CNT45S ISPORT(SB,CLK,EN45:IN STD_LOGIC; DOUT45M,DOUT45B:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);END CNT45S;ARCHITECTURE ART OF CNT45S IS SIGNAL CNT6B:STD_LOGIC_VECTOR(5 DOWNTO 0); BEGIN PROCESS(SB,CLK,EN45) IS BEGIN IF SB=0 THEN CNT6B=CNT6B-C

19、NT6B-1; ELSIF(CLKEVENT AND CLK=1)THEN IF EN45=1THEN CNT6B=CNT6B+1; ELSIF EN45=0THEN CNT6BDOUT45M=01000101;DOUT45BDOUT45M=01000100;DOUT45BDOUT45M=01000011;DOUT45BDOUT45M=01000010;DOUT45BDOUT45M=01000001;DOUT45BDOUT45M=01000000;DOUT45BDOUT45M=00111001;DOUT45BDOUT45M=00111000;DOUT45BDOUT45M=00110111;DO

20、UT45BDOUT45M=00110110;DOUT45BDOUT45M=00110101;DOUT45BDOUT45M=00110100;DOUT45BDOUT45M=00110011;DOUT45BDOUT45M=00110010;DOUT45BDOUT45M=00110001;DOUT45BDOUT45M=00110000;DOUT45BDOUT45M=00101001;DOUT45BDOUT45M=00101000;DOUT45BDOUT45M=00100111;DOUT45BDOUT45M=00100110;DOUT45BDOUT45M=00100101;DOUT45BDOUT45M

21、=00100100;DOUT45BDOUT45M=00100011;DOUT45BDOUT45M=00100010;DOUT45BDOUT45M=00100001;DOUT45BDOUT45M=00100000;DOUT45BDOUT45M=00011001;DOUT45BDOUT45M=00011000;DOUT45BDOUT45M=00010111;DOUT45BDOUT45M=00010110;DOUT45BDOUT45M=00010101;DOUT45BDOUT45M=00010100;DOUT45BDOUT45M=00010011;DOUT45BDOUT45M=00010010;DO

22、UT45BDOUT45M=00010001;DOUT45BDOUT45M=00010000;DOUT45BDOUT45M=00001001;DOUT45BDOUT45M=00001000;DOUT45BDOUT45M=00000111;DOUT45BDOUT45M=00000110;DOUT45BDOUT45M=00000101;DOUT45BDOUT45M=00000100;DOUT45BDOUT45M=00000011;DOUT45BDOUT45M=00000010;DOUT45BDOUT45M=00000001;DOUT45BDOUT45M=01000110;DOUT45B=010100

23、01;END CASE; 第 12 頁 共 18 頁END PROCESS;END ARCHITECTURE ART;3.1.4 倒計時倒計時 25sCNT25s 設計模塊與程序設計模塊與程序倒計時 25sCNT25s 的原理圖模塊：源程序：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY CNT25S IS PORT(SB,SM,CLK,EN25:IN STD_LOGIC; DOUT25M,DOUT25B:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);END EN

24、TITY CNT25S;ARCHITECTURE ART OF CNT25S IS SIGNAL CNT5B:STD_LOGIC_VECTOR(4 DOWNTO 0); BEGINPROCESS(SB,SM,CLK,EN25)ISBEGIN IF SB=0 OR SM=0THEN CNT5B=CNT5B-CNT5B-1; ELSIF SM=0THEN CNT5B=CNT5B-CNT5B-1; ELSIF(CLKEVENT AND CLK=1)THEN IF EN25=1THEN CNT5B=CNT5B+1; ELSIF EN25=0THEN CNT5BDOUT25B=00100101;DOUT

25、25MDOUT25B=00100100;DOUT25MDOUT25B=00100011;DOUT25MDOUT25B=00100010;DOUT25MDOUT25B=00100001;DOUT25MDOUT25B=00100000;DOUT25MDOUT25B=00011001;DOUT25MDOUT25B=00011000;DOUT25MDOUT25B=00010111;DOUT25MDOUT25B=00010110;DOUT25MDOUT25B=00010101;DOUT25MDOUT25B=00010100;DOUT25MDOUT25B=00010011;DOUT25MDOUT25B=0

26、0010010;DOUT25MDOUT25B=00010001;DOUT25MDOUT25B=00010000;DOUT25MDOUT25B=00001001;DOUT25MDOUT25B=00001000;DOUT25MDOUT25B=00000111;DOUT25MDOUT25B=00000110;DOUT25MDOUT25B=00000101;DOUT25MDOUT25B=00000100;DOUT25MDOUT25B=00000011;DOUT25MDOUT25B=00000010;DOUT25MDOUT25B=00000001;DOUT25MDOUT25B=00100110;DOUT

27、25M=00110001;END CASE;END PROCESS;END ARCHITECTURE ART;3.1.5 倒計時倒計時 5sCNT05s 的設計模塊與程序的設計模塊與程序倒計時 5sCNT05s 設計的原理圖模塊源程序：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY CNT05S ISPORT(CLK,EN05M,EN05B:IN STD_LOGIC; DOUT5:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); 第 14 頁 共 18 頁END C

28、NT05S;ARCHITECTURE ART OF CNT05S IS SIGNAL CNT3B:STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0); BEGIN PROCESS(CLK,EN05M,EN05B)IS BEGIN IF(CLKEVENT AND CLK=1)THEN IF EN05M=1THEN CNT3B=CNT3B+1; ELSIF EN05B=1THEN CNT3B=CNT3B+1; ELSECNT3BDOUT5DOUT5DOUT5DOUT5DOUT5DOUT5=00000000; END CASE; END PROCESS;END ARCHITECTURE ART; 第 15 頁 共 18 頁3.2 管腳定義管腳定義3.3 時序仿真結果時序仿真結果 第 16 頁 共 18 頁3.4 實驗調(diào)試結果實驗調(diào)試結果開始時，支干道沒有車輛