eda交通信號燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校結(jié)課大作業(yè)PAGE河南機(jī)電高等專科學(xué)?！禫HDL程序設(shè)計(jì)》結(jié)課大作業(yè)交通信號燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)姓名：笑嘻嘻思想專業(yè)班級：笑嘻嘻笑嘻嘻思想學(xué)號：笑嘻嘻笑嘻嘻思想任課教師：笑嘻嘻笑嘻嘻思想時間：2010-11-23成績：交通信號燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)電08級1班靳曉龍任課老師：石新峰摘要：伴隨著社會的發(fā)展以及人類生活水平的提高,汽車的數(shù)量的增加。DEA技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大與深入，EDA技術(shù)在電子信息，通信，自動，控制及計(jì)算機(jī)應(yīng)用等領(lǐng)域的重要性日益突出。隨著技術(shù)市場與人才市場對DEA的不斷的增加,交通的問題日益突出，單單依靠人力來指揮交通已經(jīng)不可行了,所以，設(shè)計(jì)交通燈來完成這個需求就顯的越加迫切了.為了確保十字路口的行人和車輛順利、暢通地通過,往往采用電子控制的交通信號來進(jìn)行指揮。交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)城市路口交通信號控制系統(tǒng)大體上分為三種類型：定周期的信號機(jī)、多時段且具有無電纜協(xié)調(diào)功能的微電腦型信號機(jī)以及聯(lián)網(wǎng)式自適應(yīng)多相位智能型信號機(jī)。具體采用哪種類型，應(yīng)根據(jù)其應(yīng)用場合及特點(diǎn)加以確定。其中，第一種類型以其成本低，設(shè)計(jì)簡單，安裝及維護(hù)方便等特點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用。以下就是運(yùn)用數(shù)字電子設(shè)計(jì)出的交通燈：其中紅燈亮,表示該條路禁止通行；黃燈亮表示停車；綠燈亮表示允許通行。交通燈控制器控制兩個主干道交叉路口的交通，路口車輛多，直行信號、左轉(zhuǎn)彎信號分開顯示，a，b兩個主干道的通行時間相等，其中指示直行的綠燈亮30s，指示左轉(zhuǎn)彎的綠燈亮12s，綠燈變至紅燈時，黃燈亮3s，以便于車輛能停在停車線內(nèi)，紅燈信號的最后3s相應(yīng)的黃燈也同時亮，以便提示駕駛?cè)藛T準(zhǔn)備起步。在兩個主干道路口都配備傳感器用來檢測有無車輛通行。當(dāng)兩個主干道都有車輛時，自動處于主干道a綠燈，主干道b紅燈的狀態(tài)，然后輪流切換通行。當(dāng)主干道a無車輛時，自動處于主干道b綠燈，主干道a紅燈的狀態(tài)；反之亦然，以提高通行效率。關(guān)鍵詞：交通燈控制系統(tǒng)；分頻器；信號控制器；VHDL語言目錄1概述………………12設(shè)計(jì)要求………………43總體構(gòu)思…………104各單元電路的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)………155功能仿真及其結(jié)果………………196編譯、下載及調(diào)試………………257總結(jié)與展望…………30參考文獻(xiàn)……………351概述隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市交通問題越來越引起人們的關(guān)注。人、車、路三者關(guān)系的協(xié)調(diào)，已成為交通管理部門需要解決的重要問題之一。城市交通控制系統(tǒng)是用于城市交通數(shù)據(jù)監(jiān)測、交通信號燈控制與交通疏導(dǎo)的計(jì)算機(jī)綜合管理系統(tǒng)，它是現(xiàn)代城市交通監(jiān)控指揮系統(tǒng)中最重要的組成部分。隨著城市機(jī)動車量的不斷增加，許多大城市如北京、上海、南京等出現(xiàn)了交通超負(fù)荷運(yùn)行的情況，因此，自80年代后期，這些城市紛紛修建城市高速道路，在高速道路建設(shè)完成的初期，它們也曾有效地改善了交通狀況。然而，隨著交通量的快速增長和缺乏對高速道路的系統(tǒng)研究和控制，高速道路沒有充分發(fā)揮出預(yù)期的作用。而城市高速道路在構(gòu)造上的特點(diǎn)，也決定了城市高速道路的交通狀況必然受高速道路與普通道路耦合處交通狀況的制約。所以，如何采用合適的控制方法，最大限度利用好耗費(fèi)巨資修建的城市高速道路，緩解主干道與匝道、城區(qū)同周邊地區(qū)的交通擁堵狀況，越來越成為交通運(yùn)輸管理和城市規(guī)劃部門亟待解決的主要問題。2設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一個十字路口的交通燈控制系統(tǒng)，用實(shí)驗(yàn)平臺上的LED發(fā)光二極管顯示車輛通過的方向（東西和南北各一組），用數(shù)碼管顯示該方向的剩余時間。要求：工作順序?yàn)闁|西方向紅燈亮45秒，前40秒南北方向綠燈亮，后5秒黃燈亮。然后南北方向紅燈亮45秒，前40秒東西方向綠燈亮，后5秒黃燈亮。依次重復(fù)。有緊急事件時允許將某方向一直開綠燈或者開紅燈，另外允許特定情況兩方向均為紅燈，車輛禁行，比如十字路口惡性交通事故時，東西，南北兩個方向均有兩位數(shù)碼管適時顯示該方向亮燈時間。3總體構(gòu)思(1)該交通燈控制器應(yīng)具備的功能設(shè)東西和南北方向的車流量大致相同，因此紅、黃、綠燈的時長也相同，定為紅燈45sec，黃燈5sec，綠燈40sec，同時用數(shù)碼管指示當(dāng)前狀態(tài)（紅、黃、綠）剩余時間。另外，設(shè)計(jì)一個緊急狀態(tài)，當(dāng)緊急狀態(tài)出現(xiàn)時，兩個方向都禁止通行，指示紅燈。緊急狀態(tài)解除后，重新計(jì)數(shù)并指示時間。(2)實(shí)現(xiàn)方案一從題目中計(jì)數(shù)值與交通燈的亮滅的關(guān)系如圖（1）所示4各單元電路的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)（1）分頻器分頻器實(shí)現(xiàn)的是將高頻時鐘信號轉(zhuǎn)換成底頻的時鐘信號，用于觸發(fā)控制器、計(jì)數(shù)器和掃描顯示電路。該分頻器實(shí)現(xiàn)的是一千分頻，將一千赫茲的時鐘信號分頻成一赫茲的時鐘信號。（2）控制器設(shè)計(jì)控制器的作用是根據(jù)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值控制發(fā)光二極管的亮、滅，以及輸出倒計(jì)時數(shù)值給七段數(shù)碼管的分位譯碼電路。此外，當(dāng)檢測到特殊情況（HOLD=‘1’）發(fā)生時，無條件點(diǎn)亮紅燈的二極管。本控制器可以有兩種設(shè)計(jì)方法，一種是利用時鐘煙的下降沿讀取前級計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，然后作出反應(yīng)；另一種則是將本模塊設(shè)計(jì)成純組合邏輯電路，不需要時鐘驅(qū)動。這兩種方法各有所長，必須根據(jù)所用器件的特性進(jìn)行選擇：比如有些FPGA有豐富的寄存器資源，而且可用與組合邏輯的資源則相對較少，那么使用第一種方法會比較節(jié)省資源；而有些CPLD的組合邏輯資源則比較多，用第二種方法可能更好。（3）計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)這里需要的計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)范圍為0-90。計(jì)到90后，下一個時鐘沿回復(fù)到0，開始下一輪計(jì)數(shù)。此外，當(dāng)檢測到特殊情況（HOLD=‘1’）發(fā)生是，計(jì)數(shù)器暫停計(jì)數(shù)，而系統(tǒng)復(fù)位信號RESET則使計(jì)數(shù)器異步清零。（4）分位譯碼電路設(shè)計(jì)--1因?yàn)榭刂破鬏敵龅牡接?jì)時數(shù)值可能是1位或者2位十進(jìn)制數(shù)，所以在七段數(shù)碼管的譯碼電路前要加上分位電路（即將其分為2個1位的十進(jìn)制數(shù)，如25分為2和5，7分為0和7）。與控制器一樣，分位電路同樣可以由時鐘驅(qū)動，也可以設(shè)計(jì)成純組合邏輯電路?？刂破髦校肓思拇嫫?。分位電路用組合邏輯電路實(shí)現(xiàn)。（5）分位譯碼電路設(shè)計(jì)—2（6）數(shù)碼管驅(qū)動設(shè)計(jì)串行連接，即每個數(shù)碼管對應(yīng)的引腳都接在一起（如每個數(shù)碼管的a引腳都接到一起，然后再接到CPLD/FPGA上的一個引腳上），通過控制公共端為高電平控制相應(yīng)數(shù)碼管的亮、滅（共陰極數(shù)碼管的公共端為高電平時，LED不亮；共陽極的公共端為低電平時，LED不亮）。串行法的優(yōu)點(diǎn)在于消耗的系統(tǒng)資源少，占用的I/O口少，N個數(shù)碼管只需要（7+N）個引腳（如果需要小數(shù)點(diǎn)，則是（8+N）個引腳）。其缺點(diǎn)是控制起來不如并行法容易。（7）下圖為交通燈控制系統(tǒng)硬件框圖圖4：交通燈控制系統(tǒng)硬件框圖5功能仿真及其結(jié)果根據(jù)交通燈控制器的功能與要求，將其總體電路分為分頻器、信號控制器兩個模塊。外部脈沖振蕩器的頻率選為32768kHz，經(jīng)分頻器分頻得1Hz的信號，1Hz信號用做信號控制器的計(jì)數(shù)脈沖，用VHDL設(shè)計(jì)組成交通燈控制器的分頻器、信號控制器兩個模塊，在QuartusⅡ開發(fā)平臺上，分別編譯兩個模塊的VHDL程序，然后用原理圖輸入法形成圖1所示的總體框圖。其中，Sa，Sb分別是a，b路口傳感器的信號，aR，aY，aG，aLR，aLY，aLG分別代表控制主干道a的直行紅燈、黃燈、綠燈，左轉(zhuǎn)彎紅燈、黃燈、綠燈的信號；bR，bY，bG，bLR，bLY，bLG分別代表控制主干道b的直行紅燈、黃燈、綠燈，左轉(zhuǎn)彎紅燈、黃燈、綠燈的信號；aPR，aPG，bPR，bPG是人行道信號，enl是使能信號。enl=0時a，b兩路口紅燈同時亮，便于處理特殊情況。用QuartusⅡ?qū)Τ绦蚓幾g、仿真，得到的仿真波形如圖2所示，經(jīng)程序下載、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)功能符合要求。6編譯、下載及調(diào)試（1）分頻器的設(shè)計(jì)LIBRARYIEEE;USEIEEE.Std_Logic_1164.ALL;ENTITYFreDeviderISPORT(Clkin:INStd_Logic;Clkout:OUTStd_Logic);END;ARCHITECTUREDeviderOFFreDeviderISCONSTANTN:Integer:=499;signalcounter:Integerrange0toN;signalClk:Std_Logic;BEGINPROCESS(Clkin)beginIFrising_edge(Clkin)THENIFCounter=Nthencounter<=0;Clk<=notclk;elsecounter<=counter+1;endif;endif;endprocess;clkout<=clk;end;（2）控制設(shè)計(jì)控制器的作用是根據(jù)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值控制發(fā)光二極管的亮、滅，以及輸出倒計(jì)時數(shù)值給七段譯管的分譯碼電路。此外，當(dāng)檢測到特殊情況（Hold=‘1’）發(fā)生時，無條件點(diǎn)亮紅色的發(fā)光二極管。LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITYcountrollerISPORT(Clock:INSTD_LOGIC;Hold:instd_logic;CountNum:inINTEGERNumA,NumB:outINTEGERRedA,GreenA,YellowA:outstd_logic;RedB,GreenB,YellowB:outstd_logic);END;ARCHITECTUREbehaviorOFCountrollerISBEGINprocess(Clock)BEGINIFfalling_edge(Clock)THENIFHold='1'THENRedA<='1';RedB<='1';GreenA<='0';GreenA<='0';YellowA<='0';YellowB<='0';ELSIFCountNum<=39THENNumA<=40-CountNum;RedA<='0';GreenA<='1';YellowA<='0';ELSIFCountNum<=44THENNumA<=45-CountNum;RedA<='0';GreenA<='0';YellowA<='1';ELSENumA<=90-CountNum;RedA<='1';GreenA<='0';YellowA<='0';ENDIF;IFCountNum<=44THENNumB<=45-CountNum;RedB<='1';GreenB<='0';YellowB<='0';ELSIFCountNum<=84THENNumB<=85-CountNum;RedB<='0';GreenB<='1';YellowB<='0';ELSeNumB<=90-CountNum;RedB<='0';GreenB<='0';YellowB<='1';ENDIF;ENDIF;ENDPROCESS;END;（3）計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)這里計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)范圍為0—45S。計(jì)到45后,下一個時鐘沿回復(fù)到0,開始下一輪計(jì)數(shù).此外,當(dāng)檢測到特殊情況(Hold=‘1‘)發(fā)生時，計(jì)數(shù)器暫停計(jì)數(shù)，而系統(tǒng)復(fù)位號Reset則使計(jì)數(shù)器異步清0。程序如下：LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITYcounterISPORT(clock:INSTD_LOGIC;reset:instd_logic;Hold:instd_logic;countNum:BuFFeREND;ARCHITECTUREbehaviorOFcounterISBEGINprocess(reset,Clock)BEGINIFReset='1'THENcountNum<=0;ELSIFrising_edge(Clock)THENIFHold='1'thencountNum<=countNum;ELSEIFcountNum=90THENcountNum<=0;ELSEcountNum<=countNum+1;ENDIF;ENDIF;ENDIF;ENDPROCESS;END;（4）分位譯碼電路設(shè)計(jì)--1LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITYFenweiISPORT(Numin:INintegerNumA,NumB:OUT);END;ARCHITECTUREbehaviorOFFenweiISBEGINprocess(Numin)BEGINIFNumin>=40THENNumA<=4;NumB<=Numin-40;ELSIFNumin>=30THENNumA<=3;NumB<=Numin-30;ELSIFNumin>=20THENNumA<=2;NumB<=Numin-20;ELSIFNumin>=10THENNumA<=1;NumB<=Numin-10;ELSENumA<=0;NumB<=Numin;ENDIF;ENDPROCESS;END;（5）分位譯碼電路設(shè)計(jì)—2USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITYFenwei2ISPORT(Numin:INintegerNumC,NumD:OUT);END;ARCHITECTUREbehaviorOFFenwei2ISBEGINprocess(Numin)BEGINIFNumin>=40THENNumC<=4;NumD<=Numin-40;ELSIFNumin>=30THENNumC<=3;NumD<=Numin-30;ELSIFNumin>=20THENNumC<=2;NumD<=Numin-20;ELSIFNumin>=10THENNumC<=1;NumD<=Numin-10;ELSENumC<=0;NumD<=Numin;ENDIF;ENDPROCESS;END;（6）數(shù)碼管驅(qū)動設(shè)計(jì)LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITYbcd_dataISPORT(bcd_data:inSTD_LOGIC_VECTOR(3downto0);segout:outSTD_LOGIC_VECTOR(6downto0));END;ARCHITECTUREbehaviorOFbcd_dataISBEGINprocess(bcd_data)BEGINcasebcd_dataiswhen"0000"=>segout<="1111110";when"0001"=>segout<="0110000";when"0010"=>segout<="1101101";when"0011"=>segout<="1111001";when"0100"=>segout<="0110011";when"0101"=>segout<="1011011";when"0110"=>segout<="0011111";when"0111"=>segout<="1110000";when"1000"=>segout<="1111111";when"1001"=>segout<="1110011";whenothers=>null;ENDCASE;ENDPROCESS;END;LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_unsigned.ALL;ENTITYdtsmISPORT(clk:inSTD_LOGIC;NumA,NumB,NumC,NumD:inSTD_LOGIC_VECTOR(3downto0);segout1:outSTD_LOGIC_VECTOR(6downto0);led_sel:outSTD_LOGIC_VECTOR(3downto0));ENDdtsm;architecturebhvofdtsmiscomponentbcd_dataisport(bcd_data:inSTD_LOGIC_VECTOR(3downto0);segout:outSTD_LOGIC_VECTOR(6downto0));endcomponent;signalx:STD_LOGIC_VECTOR(3downto0);signalq:STD_LOGIC_VECTOR(1downto0);beginp1:process(clk)beginifclk'eventandclk='1'thenQ<=Q+'1';endif;endprocess