我國的智能交通系統(tǒng)發(fā)展的現(xiàn)狀

1、第1章緒論1.1課題研究的背景隨著世界范圍內(nèi)城市化和機動化進程的加快，城市交通越來越成為一個全 球化的問題。城市交通基礎設施供給滯后于高速機動化增長需求，道路堵塞日趨 加重，交通事故頻繁，環(huán)境污染加劇等問題普遍存在。特別是在一些發(fā)展中國家， 不僅沒有在城市規(guī)劃布局、城市交通發(fā)展模式選擇與運營機制等方面吸取發(fā)達國 家城市交通發(fā)展的經(jīng)驗與教訓，而且重復著它們在高速機動化發(fā)展中所犯過的許 多錯誤，無論是大中城市還是新興的中小城市，幾乎都沒有前瞻性地解決好城市 交通問題。自改革開放以來，我國的城市規(guī)模和經(jīng)濟建設都有了飛速的發(fā)展，城 市化進程在逐步加快，城市人口在急劇增加，大量流動人口涌進城市，人員出行

2、 和物資交流頻繁，使城市交通面臨著嚴峻的局勢。當前，全國大中城市普遍存在 著道路擁擠、車輛堵塞、交通秩序混亂的現(xiàn)象。如何解決城市交通問題已成為全 社會關(guān)注的焦點和大眾的迫切呼聲。探究城市交通發(fā)展中存在問題的原因，無論 是從宏觀上還是從微觀上分析，其根本原因在于城市交通系統(tǒng)的管理機制不適 應。不同的城市有不同城市的問題，但共性就是混合交通流問題。在交叉口如何解決 混合交通流中的相互影響或彼此的相互影響，就是解決問題的關(guān)鍵！隨著我國城 市化建設的發(fā)展，越來越多的新興城市的出現(xiàn)，使得城市的交通成為了一個主要 的問題。同時隨著我國經(jīng)濟的穩(wěn)步發(fā)展，人民的生活水平日漸提高，越來越多的 汽車進入尋常老百姓的

3、家庭，再加上政府大力發(fā)展的公交、出租車，車輛越來越 多了。這不僅要求道路要越來越寬闊，而且要求有新的交通管理模式的出臺。舊 有的交通控制系統(tǒng)的弊病和人們越來越高的要求激化了矛盾，使原來不太突出的 交通問題被提上了日程?，F(xiàn)在有關(guān)部門愈來愈多的注重在交通管理中引進自動 化、智能化技術(shù)，比如“電子警察”、自適應交通信號燈以及耗資巨大的交通指 揮控制系統(tǒng)等。對交通的管控能力，也就從一個側(cè)面體現(xiàn)了這個國家對整個社會 的管理控制能力，因此各國都很重視用各種高科技手段來強化對交通的管控能 力。從技術(shù)條件分析，我國的城市交通技術(shù)應用水平較低，這在交通規(guī)劃、交通 基礎設施建設、運輸工具水平、交通組織和管理等方面

4、都有反映。例如道路布局 和交通方式分道不合理，現(xiàn)代化軌道交通缺少，路面公共交通效率低，車況較差， 相關(guān)技術(shù)標準較低、自行車交通比例高，日常交通以人工管理為主等，對城市交 通的管理還局限于傳統(tǒng)的車流人流控制方面，缺乏對城市交通需求進行研究和管 理。特別是在應用現(xiàn)代通信和網(wǎng)絡技術(shù)管理交通方面，除少數(shù)幾個大城市已經(jīng)起 步外，大多數(shù)城市還是空白。另外，我國在城市交通規(guī)劃和管理方面對基礎性研 究缺乏重視，研究力量和研發(fā)投入不足，也是技術(shù)水平低和造成城市交通發(fā)展緩 慢的原因。1.2我國智能交通系統(tǒng)（ITS）現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢我國智能交通系統(tǒng)（ITS）現(xiàn)狀我國開展ITS的開發(fā)研究始于八十年代后期，早期主要是由公

5、安部、交通部、 建設部等所屬研究所、院校在引進、消化國外一些智能交通技術(shù)產(chǎn)品的基礎上， 進行開發(fā)研究適合我國國情的智能交通技術(shù)及音響器。例如，我國的城市交通控 制系統(tǒng)、高速公路監(jiān)控系統(tǒng)、電子收費系統(tǒng)等，通過了國家“七五”、“八五”和“九 五”重點科技攻關(guān)和示范工程應用，已經(jīng)較為成熟，目前在國內(nèi)一些大中城市和 高速公路上得到了一定程度的應用，膽在先進性、系統(tǒng)性方面與國外同類技術(shù)和 產(chǎn)品相比，還有一些差距。1995年以后，我國關(guān)于ITS的研究、試驗、國際交 流活動日益頻繁，許多院校、企業(yè)相繼進入這個領(lǐng)域，除交通部公路科學研究所 和公安部交通管理科學研究所長期在從事ITS相關(guān)技術(shù)研究開發(fā)外，清華大學

6、、 東南大學、同濟大學、中興通訊、中國普天、東軟集團等相繼建立了口$研發(fā)機 構(gòu)，國家有關(guān)部門也將ITS列入“九五”、“十五”科技發(fā)展計劃和2010年長期規(guī) 劃中。我國ITS的研究應用主要體現(xiàn)在：1、城市交通信號控制系統(tǒng)（UTCS: Urban Traffic Control System）交通信號控制系統(tǒng)的目標主要是實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)交通信號自適應控制。它依靠事先建 立的交通算法及模型，對實時檢測到的交通數(shù)據(jù)進行分析，從而對信號周期、信 號相位等配時參數(shù)進行優(yōu)化，及是時調(diào)整配時方案以使整個控制區(qū)域內(nèi)行車延誤 時間、停車次數(shù)等最少。在全國實施城市交通暢通工程”兩年多來，有近百個城 市建立了以交通信號控制

7、系統(tǒng)為主要系統(tǒng)的交通指揮系統(tǒng)，但交通信號控制系統(tǒng) 相當一部分是引進國外的系統(tǒng)，如SCOOT （北京、大連等城市使用），SCATS （上海、廣州等無城市使用）、京三系統(tǒng)（深圳等無城市使用），西班牙系統(tǒng)（南 寧、武漢、長春等城市使用）、意大利系統(tǒng)（太原等城市使用）、美國系統(tǒng)（濟南 等城市使用）還有韓國系統(tǒng)等，真可謂八國”系統(tǒng)共存。這些系統(tǒng)皆是建立在機 動車為主的道路交通條件基礎上的控制系統(tǒng)，既不適應于中國的混合道路交通情 況，無法適應于連續(xù)流與間斷流的協(xié)調(diào)控制、公共汽車交通優(yōu)先控制，也無法適 應于中國城市發(fā)展ITS的需要。“七五”“八五”期間，國家組織部交通管理科學研 究所、同濟大學等單位共同開發(fā)

8、研究的“城市交通關(guān)時自適應控制系統(tǒng)”，是中國 第一個大規(guī)模開發(fā)完成的交通控制系統(tǒng)，一定程度上考慮了混合交通的特點，在 全國近二十個城市得到了推廣應用，但總體上仍不能適應于當代乃至未來面向 ITS發(fā)展的需要。在此前后，也有一些研究部門不斷地進行相關(guān)的研究，如：中 國科學院沈陽自動化也開發(fā)研究了相應的控制系統(tǒng)理論。2、高速公路監(jiān)控系統(tǒng)（Freeway Surveillance and Control System）即通過高速公路信息采集系統(tǒng)獲取高速公路的運行信息并進行分析、判斷、決斷、 決策，對高速公路采取恰當?shù)目刂拼胧?，減少偶發(fā)事件的影響，使得交通流平穩(wěn)、 安全、通暢地運行，以獲取高速公路最佳的

9、運行效益。目前，我國大部分高速公 路皆建有監(jiān)控系統(tǒng)，主要設備大多是引進的，其功能單一，往往只監(jiān)不控，無法 有效地調(diào)節(jié)或改善交通。3、電子收費系統(tǒng)（ETC： Electronic Toll Collection）我國高速公路是收費道路，一般使用開放式并自動收費系統(tǒng)，由人工或儀器判斷 車型、人工收費、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、匯總及管理均由計算機完成，高速公路間是非聯(lián)網(wǎng) 收費，此外，我國有些城市的橋遂開始實施不停車收費，如重慶市等。4、路徑導行系統(tǒng)（ERGS： Electronic Route Guidance System）路徑導行系統(tǒng)是試圖實時采集和處理交通流信息及其相關(guān)數(shù)據(jù)，通過CDPD、 專用通訊線、光纜

10、等有（無）線通信手段進行遠程傳輸，實現(xiàn)誘導功能，對出行 者發(fā)布路網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖、實時交通擁擠、速度限定、預測時間、交通管制及宣傳等綜 合信息，實現(xiàn)交通流的有序流動。目前，我國有一些廠家正在研究開發(fā)車載式系 統(tǒng)，但由于后臺缺乏交通信息系統(tǒng)和交通地理信息系統(tǒng)GIS-T的魂，這類系統(tǒng) 還僅處在實驗階段。5、公共交通運營與管理公共交通僅是指公共汽車交通，在國內(nèi)許多城市公交線路發(fā)展很快，投入運營車 輛多，但仍普遍面臨不準時，換乘不便、虧損嚴重等問題。北京、上海、廣州等 特大城市在改革公共交通運營體制的同時，都試圖引入公交電子調(diào)度系統(tǒng)（車輛 定位調(diào)度、電子站牌系統(tǒng)等），但目前還沒有信服的使用效果來證明該系統(tǒng)的有

11、 效性。6、交通安全與緊急管理突發(fā)事故的及時檢測、診斷與分析，并采取快速的救援管理措施，對于減少事故 損失、緩解交通阻塞是極其重要的。目前，我國大部分城市的公安交通管理部門 已建成了基于緊急電話（110，122）的突發(fā)事故接處警系統(tǒng)，對于快速調(diào)度警力、 快速處警是十分有效的，但還無法獲取第一時間的交通事故實時信息，且未能提 供系統(tǒng)性救援支持，因此，目前我國城市的交通安全與緊急救援管理還處于初級 階段，擁有的緊急救援設備主要是事故輔助照明、事故勘察、事故清障搶險設備 等，它們大都缺乏系統(tǒng)性、先進性。另一方面，高速公路交通的緊急救援管理也 僅是在一些道路上初步形成，如瀘寧高速公路上海段和首都機場高

12、速公路的緊急 救援管理系統(tǒng)等。7、交通信息化建設交通信息化的基本含義是指，運用各種現(xiàn)代化的高新技術(shù)，將各類交通信息從采 集、處理到提供服務加以每夜經(jīng)，共享其資源，為最佳營運與管理交通、發(fā)展智 能交通系統(tǒng)和新產(chǎn)業(yè)，發(fā)經(jīng)濟，推動城市進步奠定基礎。近年來，我國政府一直 調(diào)度重視并積極推動信息化工程建設，尤其是交通管理部門，在交通管理信息化 工作上投入在量人力財力，信息化水平取得了重大進展，實現(xiàn)了進口車核查信息 系統(tǒng)的全國聯(lián)網(wǎng)，建立了統(tǒng)一格式標準的機動信息管理系統(tǒng)、道路交通違章信息 管理等系統(tǒng)，正在實現(xiàn)全國聯(lián)網(wǎng)、信息共享，這些都為智能交通系統(tǒng)建設奠定了 堅實的信息基礎。然而，中國交通信息化的整體現(xiàn)狀不

13、容樂觀，以廣州市的情況 為例，雖然，建設有不同類別和規(guī)模的交通信息系統(tǒng)設施，但這些信息系統(tǒng)資源 都無法共享，甚至是一個主管部門內(nèi)部的系統(tǒng)資源都無法做到這一點，信息化水 平較低，交通參與者與交通管理者之間、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間仍無法做到信息的互相 傳遞與共享。這一切都從不同程度上制約了智能交通系統(tǒng)的發(fā)展進程。我國智能交通系統(tǒng)體系框架ITS體系框架，是指系統(tǒng)所包含各個子系統(tǒng)主實現(xiàn)用戶服務功能、滿足用戶需求 所應具備的功能、滿足用戶需求所應具備的功能，以及各個子系統(tǒng)之間的相互關(guān) 系和集成方式。ITS體系框架決定了系統(tǒng)如何構(gòu)成，確定了功能模塊以及模塊之 間的通信協(xié)議和接口，它的設計必須包含實現(xiàn)用戶服務功能的

14、全部子系統(tǒng)的設 計。通過集成若干個ITS子系統(tǒng)的功能可以實現(xiàn)一個或多個用戶服務功能。 我國在“九五”期間，通過公安部、交通部、建設部、教育部等部委下轄研究所、 院校、企業(yè)的聯(lián)合攻關(guān)，研究制定了我國的ITS體系框架。我國ITS體系框架主要由以下幾個方面組成：用戶主體、服務主體、用戶服務、 系統(tǒng)功能、邏輯框架、物理框架、ITS標準和經(jīng)濟技術(shù)評價。表1明確了 ITS體 系框架各組成部分與服務的關(guān)系。表1我國ITS體系框架各組成部分與服務的關(guān)系組成部分名稱作用用戶主體誰將是被服務的對象，明確了服務中的一方。服務主體誰將是提供服務，明確服務中的另一方，這與用戶主體和特定的用戶 服務組成了系統(tǒng)基本的運行方

15、式。用戶服務明確系統(tǒng)能提供什么樣的服務。系統(tǒng)功能將服務轉(zhuǎn)化成系統(tǒng)特定的目標。邏輯框架 服務的組織化。物理框架服務怎樣具體提供。ITS標準和經(jīng)濟技術(shù)評價其它經(jīng)濟技術(shù)。我國智能交通系統(tǒng)共用信息平臺結(jié)構(gòu)我國智能交通系統(tǒng)可初步劃分為共用信息平臺、交通管理系統(tǒng)、物理管理系統(tǒng)、 公交管理系統(tǒng)和公路交通管理系統(tǒng)五大部分，以共用信息平臺為核心。只有建立 了 ITS共用信息平臺，ITS各子系統(tǒng)才可以在此基礎上進行系統(tǒng)集成，實現(xiàn)交通 等信息的交換與共享，為各相關(guān)部門制定運行控制方案和科學決策提供依據(jù)。同 時，ITS共用信息平臺還可以利用數(shù)據(jù)集成的優(yōu)勢，以共用信息平臺為基礎，面 向社會公眾提供全方位、多方式的交通信

16、息服務，為其出行提供極大的便利。 ITS共用信息平臺由以下幾個支撐子平臺、系統(tǒng)及模塊組成，并完成相關(guān)功能。1、通信網(wǎng)絡子平臺交通信息（數(shù)據(jù)）的采集、傳輸、發(fā)布及子系統(tǒng)間連接，交通信息（數(shù)據(jù)）的傳 送與交換均賴于通信網(wǎng)絡來完成。交通數(shù)字地圖信息等，數(shù)據(jù)量大，實時性強， 為此應建立高效率的專用的交通通信網(wǎng)絡子平臺，它是實現(xiàn)智能交通系統(tǒng)共用信 息平臺的物理基礎。2、交通信息發(fā)布子平臺交通信息發(fā)布子平臺是交通共用信息平臺的信息服務承載子平臺。承載共用信息 平臺（交通信息服務系統(tǒng)）與外界的物理（邏輯）連接，數(shù)據(jù)傳輸、信息發(fā)布等 通信服務功能，它作為共用信息數(shù)據(jù)庫的基礎數(shù)據(jù)信息的應用服務體現(xiàn)，為最終 用戶

17、的使用和增值業(yè)務服務商提供基本的平臺信息。3、交通地理信息子平臺交通地理信息系統(tǒng)（GIS-T）是GIS技術(shù)在交通領(lǐng)域的延伸，主要實現(xiàn)GIS的 數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)應用功能，將廣義的GIS處理、加工成交通專用的 交通地理信息，送入ITS共用信息平臺數(shù)據(jù)庫，以支持ITS共用信息平臺，并通 過共用信息平臺支撐整個ITS。4、共用信息數(shù)據(jù)管理子平臺這是ITS共用信息平臺的核心子平臺，它負責對ITS共用信息的管理、存儲、維 護。主要完成對平臺網(wǎng)絡管理、應用請示服務管理、決策支持管理、權(quán)限管理、 信息發(fā)布管理、數(shù)據(jù)庫維護管理等，實現(xiàn)對平關(guān)子系統(tǒng)信息在平臺內(nèi)集成與共 享的數(shù)據(jù)流向的設定與管理，因共用信息

18、平臺數(shù)據(jù)涵蓋交通的各個領(lǐng)域，存在地 理和歸屬上的不一致，故數(shù)據(jù)管理子平臺具有分布式數(shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)倉庫的特征。5、數(shù)據(jù)采集/融合子平臺通過數(shù)據(jù)采集/融合子平臺，對ITS共用信息平臺對來自于ITS各個系統(tǒng)的異構(gòu) 數(shù)據(jù)和信息進行標準化處理及轉(zhuǎn)換，使ITS共用信息平臺與ITS子系統(tǒng)之間的數(shù) 據(jù)交換依據(jù)參照系及接口規(guī)范對數(shù)據(jù)進行分類及標準化處理，使平臺按標準的數(shù) 據(jù)接口進行互連。采用各種信息融合技術(shù)手段對采集到的數(shù)據(jù)和信息進行深層次 分精度的加工，提煉出各種層面的綜合信息，以備各個相關(guān)系統(tǒng)提取利用（如決 策、發(fā)布等）。6、定位/導航服務子平臺利用GPS/GIS實時路況信息，使共用信息平臺能夠為車載裝置等提

19、供實時準確 的定位/導航信息。7、ITS網(wǎng)管系統(tǒng)作為一個獨立的物理實體來建立ITS網(wǎng)管中心。網(wǎng)管中心的功能包括配置管理、 故障管理、性能管理、安全管理等四部分，實現(xiàn)對ITS共用信息平臺以及ITS系 統(tǒng)中各種設備的監(jiān)控和操作維護管理功能。8、交通決策支持模塊ITS共用信息平臺擁有大量的有用信息，建立交通決策支 持模塊十分有利于發(fā)揮信息的增值服務作用，為交通規(guī)劃及指揮調(diào)度提供科學合 理的建議和輔助決策。交通決策支持應建立在分布式交通管理專家知識庫體系基 礎上，采用人工智能推理模型依據(jù)存儲的交通專家知識，對交通運行參數(shù)、交通 突發(fā)事件等進行實時處理，進行在線的狀態(tài)分析，導出最優(yōu)的分析結(jié)論。“十五”期

20、間我國智能交通系統(tǒng)的重點研究領(lǐng)域及關(guān)鍵技術(shù)智能交通系統(tǒng)的研究與發(fā)展已經(jīng)列入“十五”重點科技攻關(guān)基礎上，以交通管理、 運營智能化、系統(tǒng)集成和人一車一路協(xié)調(diào)整合為切入點，依托部門及地方的資源 點攻克交通智能控制、集成信息服務、專用短程通信、標準規(guī)范和智能車路等關(guān) 鍵技術(shù)難點，探索適合我國國情和智能交通系統(tǒng)發(fā)展模式和技術(shù)體系，為我國智 能交通系統(tǒng)的開發(fā)，應用及產(chǎn)業(yè)化奠定基礎，促進我國通過高新技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn) 業(yè)，信息化帶動工業(yè)化的進程。1.3本課題研究的目的和意義隨著我國交通事業(yè)的迅速發(fā)展，各種公交、運輸汽車和汽車進入家庭的步伐加快 使得城市的汽車數(shù)量逐年增加，城市道路交通堵塞、擁擠問題顯得越來越突出

21、， 交通在許多城市已經(jīng)成為“瓶頸”問題。在馬路上經(jīng)常會看到這種現(xiàn)象:如果一輛汽車發(fā)生故障，則該條線路將陷入癱瘓; 一但某個路口的信號燈出現(xiàn)故障，就有可能在此路口塞車。交通發(fā)展的狀況是衡量一個國家現(xiàn)代化程度的重要標志之一，從經(jīng)濟的發(fā)展形式 看，我國的經(jīng)濟增長速度比主要工業(yè)發(fā)達國家年平均增長速度都要高，隨著我國 現(xiàn)代化發(fā)展的進程，經(jīng)濟必將持續(xù)增長，其增長的速度繼續(xù)在世界處于領(lǐng)先地位， 高速度的持續(xù)經(jīng)濟發(fā)展，必然帶來嚴重的運輸和交通問題。車如水、人如潮，這是我國城市交通的真實寫照。人員和物資的流通量猛烈的增 長，使得交通車輛的擁擠問題明顯得暴露了出來。要解決交通擁擠的狀況，道路 的建設、拓寬和增加車

22、行道固然重要，而現(xiàn)代化交通控制系統(tǒng)的建設，卻可大幅 度的提高現(xiàn)有道路的利用率，其重大的經(jīng)濟效益和社會效益是不可言語的。目前絕大部分的交通的時間都是單一的、固定的，不管是車流高峰還是低谷，紅 綠燈的時間都是固定不變的；還有一些交通燈只是能夠按照固定的時間來劃分高 峰和低谷，簡單地進行時間段的調(diào)整，這比起以前的交通燈是有所進步。但是控 制起來不夠靈活，還不能解決相對擁擠、混亂的交通次序。本文的設計正是針對 這個弊端進行了改進，根據(jù)實時的車流量對個路口的紅綠燈進行調(diào)整，大大加強 了其靈活性和實時性，真正實現(xiàn)了智能的交通燈控制。第2章EDA設計環(huán)境介紹2.1EDA的發(fā)展及VHDL簡介EDA在通信行業(yè)（

23、電信）里的另一個解釋是企業(yè)數(shù)據(jù)架構(gòu)，EDA給出了一個企業(yè)級的數(shù)據(jù)架構(gòu)的總體視圖，并按照電信企業(yè)的特征，進行了框架和 層級的劃分。EDA是電子設計自動化（Electronic Design Automation）的縮寫，在2 0世紀60年代中期從計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助制造（CAM）、 計算機輔助測試（CAT）和計算機輔助工程（CAE）的概念發(fā)展而來的。20世紀90年代，國際上電子和計算機技術(shù)較先進的國家，一直在積 極探索新的電子電路設計方法，并在設計方法、工具等方面進行了徹底的 變革，取得了巨大成功。在電子技術(shù)設計領(lǐng)域，可編程邏輯器件（如CPLD、FPGA）的應用，已得到廣泛的普及

24、，這些器件為數(shù)字系統(tǒng)的設計帶來 了極大的靈活性。這些器件可以通過軟件編程而對其硬件結(jié)構(gòu)和工作方式 進行重構(gòu)，從而使得硬件的設計可以如同軟件設計那樣方便快捷。這一切 極大地改變了傳統(tǒng)的數(shù)字系統(tǒng)設計方法、設計過程和設計觀念，促進了EDA技術(shù)的迅速發(fā)展。EDA技術(shù)就是以計算機為工具，設計者在EDA軟件平臺上，用硬件描 述語言HDL完成設計文件，然后由計算機自動地完成邏輯編譯、化簡、分 割、綜合、優(yōu)化、布局、布線和仿真，直至對于特定目標芯片的適配編譯、 邏輯映射和編程下載等工作。EDA技術(shù)的出現(xiàn)，極大地提高了電路設計的 效率和可操作性，減輕了設計者的勞動強度。利用EDA工具，電子設計師可以從概念、算法

25、、協(xié)議等開始設計電子 系統(tǒng)，大量工作可以通過計算機完成，并可以將電子產(chǎn)品從電路設計、性 能分析到設計出IC版圖或PCB版圖的整個過程的計算機上自動處理完成。現(xiàn)在對EDA的概念或范疇用得很寬。包括在機械、電子、通信、航空 航天、化工、礦產(chǎn)、生物、醫(yī)學、軍事等各個領(lǐng)域，都有EDA的應用。目前EDA技術(shù)已在各大公司、企事業(yè)單位和科研教學部門廣泛使用。例如在飛機制造過程中，從設計、性能測試及特性分析直到飛行模擬，都可能涉 及到EDA技術(shù)。2.1.1EDA技術(shù)的發(fā)展與應用電子設計技術(shù)的核心就是EDA技術(shù)，EDA是指以計算機為工作平臺，融合 應用電子技術(shù)、計算機技術(shù)、智能化技術(shù)最新成果而研制成的電子CAD

26、通用軟 件包，主要能輔助進行三方面的設計工作，即IC設計、電子電路設計和PCB設 計。EDA技術(shù)已有30年的發(fā)展歷程，大致可分為三個階段。70年代為計算機 輔助設計（CAD）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。80年代為計算機輔助工程（CAE）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(jié)構(gòu)設計，并且 通過電氣連接網(wǎng)絡表將兩者結(jié)合在一起，實現(xiàn)了工程設計。CAE的主要功能是： 原理圖輸人，邏輯仿真，電路分析，自動布局布線，PCB后分析。90年代為電 子系統(tǒng)設計自動化（EDA）階段。EDA技術(shù)的基本特征EDA代表了當今電子

27、設計技術(shù)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(guān) 鍵電路用一片或幾片專用集成電路（ASIC）實現(xiàn)，然后采用硬件描述語言（HDL） 完成系統(tǒng)行為級設計，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。下面介紹與EDA基本特征有關(guān)的幾個概 念?！白皂斚蛳隆钡脑O計方法。10年前，電子設計的基本思路還是選用標準集 成電路“自底向上”地構(gòu)造出一個新的系統(tǒng)，這樣的設計方法就如同一磚一瓦建造 金字塔，不僅效率低、成本高而且容易出錯。高層次設計是一種“自頂向下”的全新設計方法，這種設計方法首先從系統(tǒng)設

28、 計人手，在頂層進行功能方框圖的劃分和結(jié)構(gòu)設計。在方框圖一級進行仿真、糾 錯，并用硬件描述語言對高層次的系統(tǒng)行為進行描述，在系統(tǒng)一級進行驗證。然 后，用綜合優(yōu)化工具生成具體門電路的網(wǎng)絡表，其對應的物理實現(xiàn)級可以是印刷 電路板或?qū)Ｓ眉呻娐贰Ｓ捎谠O計的主要仿真和調(diào)試過程是在高層次上完成的， 這既有利于早期發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設計上的錯誤，避燃計工作的浪費，又減少了邏輯功能 仿真的工作量，提高了設計的一次成功率。ASIC設計?，F(xiàn)代電子產(chǎn)品的復雜度日益提高，一個電子系統(tǒng)可能由數(shù) 萬個中小規(guī)模集成電路構(gòu)成，這就帶來了體積大、功耗大、可靠性差的問題。解 決這一問題的有效方法就是采用ASIC芯片進行設計。ASIC按照

29、設計方法的不 同可分為全定制ASIC、半定制ASC和可紀程ASIC（也稱為可編程邏輯器件）。設計全定制ASIC芯片時，設計師要定義芯片上所有品體管的幾何圖形和工 藝規(guī)則，最后將設計結(jié)果交由m廠家去進行格模制造，做出產(chǎn)品。這種設計方 法的優(yōu)點是芯片可以獲得最優(yōu)的性能，即面積利用率高、速度快、功耗低，而缺 點是開發(fā)周期長，費用高，只適合大批量產(chǎn)品開發(fā)。半定制ASIC芯片的版圖設計方法分為門陣列設計法和標準單元設計法，這 兩種方法都是約束性的設計方法，其主要目的就是簡化設計，以犧牲芯片性能為 代價來縮短開發(fā)時間?？删幊踢壿嬓酒c上述掩模ASIC的不同之處在于：設計人員完成版圖設計后，在實驗室內(nèi)就可以

30、燒制出自己的芯片，無須IC廠家的參與，大大縮短了開發(fā)周期。可編程邏輯器件自70年代以來，經(jīng)歷了 PAL、GALGPLD、FPGA幾個發(fā) 展階段，其中CPLD / FPGA高密度可編程邏輯器件，目前集成度已高達200 萬門/片，它將格模ASC集成度高的優(yōu)點和可編程邏輯器件設計生產(chǎn)方便的特 點結(jié)合在一起，特別適合于樣品研制或小批量產(chǎn)品開發(fā)，使產(chǎn)品能以最快的速度 上市，而當市場擴大時，它可以很容易地轉(zhuǎn)由掩模ASIC實現(xiàn)，因此開發(fā)風險也 大為降低。上述ASIC芯片，尤其是CPLD / FPGA器件，已成為現(xiàn)代高層次電子設計 方法的實現(xiàn)載體。硬件描述語言。硬件描述語言（HDL）是一種用于設計硬件電子系統(tǒng)

31、的 計算機語言，它用軟件編程的方式來描述電子系統(tǒng)的邏輯功能、電路結(jié)構(gòu)和連接 形式，與傳統(tǒng)的門級描述方式相比，它更適合大規(guī)模系統(tǒng)的設計。例如一個32 位的加法器，利用圖形輸入軟件需要輸人500至1000個門，而利用VHDL語言 只需要書寫一行“A=B+C”即可。而且VHDL語言可讀性強，易于修改和發(fā)現(xiàn) 錯誤。早期的硬件描述語言，如ABEL、HDL、AHDL，由不同的EDA廠商開發(fā)， 互不兼容，而且不支持多層次設計，層次間翻譯工作要由人工完成。為了克服以 上不足，1985年美國國防部正式推出了高速集成電路硬件描述語言VHDL，1987 年IEEE采納VHDL為硬件描述語言標準（IEEE STD 1

32、076）。VHDL是一種全方位的硬件描述語言，包括系統(tǒng)行為級。寄存器傳輸級和邏 輯門級多個設計層次，支持結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)流和行為三種描述形式的混合描述，因此 VHDL幾乎覆蓋了以往各種硬件俄語言的功能，整個自頂向下或由底向上的電路 設計過程都可以用VHDL來完成。VHDL還具有以下優(yōu)點：（1） VHDL的寬范 圍描述能力使它成為高層進設計的核心，將設計人員的工作重心提高到了系統(tǒng)功 能的實現(xiàn)與調(diào)試，而花較少的精力于物理實現(xiàn)。（2） VHDL可以用簡潔明確的 代碼描述來進行復雜控制邏輯艄設計，靈活且方便，而且也便于設計結(jié)果的交流、 保存和重用。（3）VHDL的設計不依賴于特定的器件，方便了工藝的轉(zhuǎn)換。（

33、4） VHDL是一個標準語言，為眾多的EDA廠商支持，因此移植性好。4. EDA系統(tǒng)樞架結(jié)構(gòu)EDA系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)（FRAMEWORK）是一套配置和使用EDA軟件包的規(guī)范。目前主要的EDA系統(tǒng)都建立了框架結(jié)構(gòu)，如 CADENCE 公司的 Design Framework， Mentor 公司的 Falcon Framework，而 且這些框架結(jié)構(gòu)都遵守國際CFI組織制定的統(tǒng)一技術(shù)標準?？蚣芙Y(jié)構(gòu)能將來自 不同EDA廠商的工具軟件進行優(yōu)化組合，集成在一個易于管理的統(tǒng)一的環(huán)境之 下，而且還支持任務之間、設計師之間以及整個產(chǎn)品開發(fā)過程中的信息傳輸與共 享，是并行工程和自頂向下設計施的實現(xiàn)基礎。EDA技術(shù)的

34、每一次進步，都引起了設計層次上的一次飛躍，從設計層次上 分，70年代為物理級設計（CAD），80年代為電路級設計（CAE），90年代 進入到系統(tǒng)級設計（EDA）。物理級設計主要指IC版圖設計，一般由半導體廠 家完成，對電子工程師沒有太大的意義，因此本文重點介紹電路級設計和系統(tǒng)級 設計。電路級設計 電路級設計工作流程如圖2所示。電子工程師接受系統(tǒng)設 計任務后，首先確定設計方案，并選擇能實現(xiàn)該方案的合適元器件，然后根據(jù)具 體的元器件設計電路原理圖。接著進行第一次仿真，其中包括數(shù)字電路的邏輯模 擬、故障分析，模擬電路的交直流分析、瞬態(tài)分析。在進行系統(tǒng)仿真時，必須要 有元件模型庫的支持，計算機上模擬的

35、檢人輸出波形代替了實際電路調(diào)試中的信 號源和示波器。這一次仿真主要是檢驗設計方案在功能方面的正確性。仿真通過后，根據(jù)原理圖產(chǎn)生的電氣連接網(wǎng)絡表進行PCB板的自動布局布 線。在制作PCB板之前還可以進行PCB后分析，其中包括熱分析、噪聲及竄 擾分析、電磁兼容分析、可靠性分析等，并可將分析后的結(jié)果參數(shù)反標回電路圖， 進行第二次仿真，也稱為后仿真。后仿真主要是檢驗PCB板在實際工作環(huán)境中 的可行性。由此可見，電路級的EDA技術(shù)使電子工程師在實際的電子系統(tǒng)產(chǎn)生前，就 可以全面地了解系統(tǒng)的功能特性和物理特性，從而將開發(fā)風險消滅在設計階段， 縮短了開發(fā)時間，降低了開發(fā)成本。系統(tǒng)級設計進人90年代以來，電子

36、信息類產(chǎn)品的開發(fā)明顯呈現(xiàn)兩個特 點：一是產(chǎn)品復雜程度提高；二是產(chǎn)品上市時限緊迫。然而，電路級設計本質(zhì)上 是基于門級描述的單層次設計，設計的所有工作（包括設計忙人、仿真和分析、 設計修改等）都是在基本邏輯門這一層次上進行的，顯然這種設計方法不能適應 新的形勢，一種高層次的電子設計方法，也即系統(tǒng)級設計方法，應運而生。高層次設計是一種“概念驅(qū)動式”設計，設計人員無須通過門級原理圖描述電 路，而是針對設計目標進行功能描述。由于擺脫了電路細節(jié)的束縛，設計人員可 以把精力集中于創(chuàng)造性的方案與概念的構(gòu)思上，一且這些概念構(gòu)思以高層次描述 的形式輸人計算機，EDA系統(tǒng)就能以規(guī)則驅(qū)動的方式自動完成整個設計。這樣，

37、 新的概念就能迅速有效地成為產(chǎn)品，大大縮短了，產(chǎn)品的研制周期。不僅如此， 高層次設計只是定義系統(tǒng)的行為特性，可以不涉及實現(xiàn)工藝，因此還可以在廠家 綜合庫的支持下，利用綜合優(yōu)化工具將高層次描述轉(zhuǎn)換成針對某種工藝優(yōu)化 的網(wǎng)絡表，使工藝轉(zhuǎn)化變得輕而易舉。系統(tǒng)級設計的工作流程見圖3。首先，工程師按照“自頂向下”的設計方法進 行系統(tǒng)劃分。其次，輸人VHDL代碼，這是高層次設計中最為普遍的輸人方式。 此外，還可以采用圖形輸人方式（框圖，狀態(tài)圖等）這種輸人方式具有直觀、容 易理解的優(yōu)點。第三步是，將以上的設計輸人編譯成標準的VHDL文件。第四 步是進行代碼級的功能仿真，主要是檢驗系統(tǒng)功能設計的正確性。這一步

38、驟適用 大型設計，因為對于大型設計來說，在綜合前對派代碼仿真，就可以大大減少設 計重復的次數(shù)和時間。一般情況下，這一仿真步驟可略去。第五步是，利用綜合 器對VHDL源代碼進行綜合優(yōu)化處理，生成門級描述的網(wǎng)絡表文件，這是將高 層次描述轉(zhuǎn)化為硬件電路的關(guān)鍵步驟。綜合優(yōu)化是針對ASIC芯片供應商的某一 產(chǎn)品系列進行的，所以綜合的過程要在相應的廠家綜合庫支持下才能完成。第六 步是，利用產(chǎn)生的網(wǎng)絡表文件進行適配前的時序仿真，仿真過程不涉及具體器件 的硬件特性，是較為粗略的。一般的設計，也可略去這一仿真步驟。第七步是利 用適配器將綜合后的網(wǎng)絡表文件針對某一具體的目標器件進行邏輯映射操作，包 括底層器件配置

39、、邏輯分割、邏輯優(yōu)化、布局布線。第八步是在適配完成后，產(chǎn) 生多項設計結(jié)果：（1）適配報告，包括芯片內(nèi)部資源利用情況，設計的布爾方 程描述情況等；（2）適配后的仿真模型；（3）器件編程文件。根據(jù)適配后的 仿真模型，可以進行適配后的時序仿真，因為已經(jīng)得到器件的實際硬件特性（如 時延特性所以仿真結(jié)果能比較精確地預期未來芯片的實際性能。如果仿真結(jié)果 達不到設計要求，就需要修改VHDL源代碼或選擇不同速度和品質(zhì)的器件，直 至滿足設計要求；最后一步是將適配器產(chǎn)生的器件編程文件通過編程器或下載電 纜載人到目標芯片F(xiàn)PGA或CPLD中。如果是大批量產(chǎn)品開發(fā)，則通過更換相 應的廠瓣合庫，輕易地轉(zhuǎn)由ASIC形式實

40、現(xiàn)。綜上所述，EDA技術(shù)是電子設計領(lǐng)域的一場革命，目前正處于高速發(fā)展 階段，每年都有新的EDA工具問世。廣大電子工程人員掌握這一先進技術(shù)，這不 僅是提高設計效率的需要，更是我國電子工業(yè)在世界市場上生存、競爭與發(fā)展的 需要2.1.2 VHDL 簡介 一、硬件描述語言VHDLVHDL 的英文全名是 Very-High-Speed Integrated Circuit HardwareDesc ription Language,誕生于1982年。1987年底，VHDL被IEEE和美國國防 部確認為標準硬件描述語言 。自IEEE公布了 VHDL的標準版本，IEEE-1 076 （簡稱87版）之后，各EDA公司相繼推出了自己的VHDL設計環(huán)境， 或宣布自己的設計工具可以和 VHDL接口。此后VHDL在電子設計領(lǐng)域得 到了廣泛的接受，并逐步取代了原有的非標準的硬件描述語言。1993年，IEEE對VHDL進行了修訂，從更高的抽象層次和系統(tǒng)描述能力上擴展VHDL的內(nèi)容，公布了新版本的VHDL，即IEEE標準的1076-1993版本，（簡 稱93版）?，F(xiàn)在，VHDL和Verilog作為IEEE的工業(yè)標準硬件描述語言， 又得到眾多EDA公司的支持，在電子工程領(lǐng)域，已成為事實上的通用硬件 描述語言。有專家認為，在新的世紀中，VHDL于Verilog語言將承擔起大部分的數(shù)字系統(tǒng)設計任務。VH