EDA交通燈控制系統(tǒng)的課程設(shè)計(共12頁)

1、目錄摘要.1一 設(shè)計目的與要求.2二 設(shè)計原理.22.1交通燈控制的系統(tǒng)構(gòu)成.322交通燈控制器的電路控制原理框圖.323器件下載編程與硬件實現(xiàn).4三 設(shè)計內(nèi)容.43.1設(shè)計步驟.53.2交通燈控制器各模塊的程序.6 3.3軟件仿真結(jié)果.93.4硬件實現(xiàn)及調(diào)試結(jié)果.10總結(jié)與致謝.11參考文獻.12附錄.21摘要EDA是電子設(shè)計自動化(Electronic Design Automation)的縮寫，在20世紀(jì)90年代初從計算機輔助設(shè)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。EDA技術(shù)就是以計算機為工具，設(shè)計者在EDA軟件平臺上

2、，用硬件描述語言HDL完成設(shè)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(biāo)芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等工作。隨著社會經(jīng)濟的發(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。交通控制系統(tǒng)的適用場合主要是用于交通數(shù)據(jù)監(jiān)測、交通信號燈控制與交通疏導(dǎo)的計算機綜合管理系統(tǒng),它是現(xiàn)代交通監(jiān)控指揮系統(tǒng)中最重要的組成部分。關(guān)鍵字：EDA 交通燈 Verilog HDL QuartusII一 設(shè)計目的與要求(1) 主、支干道各設(shè)有一個綠、黃、紅指示燈，兩個顯示數(shù)碼管。(2) 主、支道交替允許通行

3、，主干道每次放行45 s，支干道每次放行25 s，在每次由亮綠燈變成亮紅燈的轉(zhuǎn)換過程中，要亮5 s的黃燈作為過渡，并進行減計時顯示。(3) 具有清零、可預(yù)置主、支干道通行時間功能。二 設(shè)計原理交通燈控制系統(tǒng)的作用主要是實現(xiàn)城市十字交叉路口紅綠燈的控制。在現(xiàn)代化的大城市中，十字交叉路口越來越多，在每個交叉路口都需要使用紅綠燈進行交通指揮和管理，紅、黃、綠燈的轉(zhuǎn)換要有一個準(zhǔn)確的時間間隔和轉(zhuǎn)換順序，這就需要有一個安全、自動的系統(tǒng)對紅、黃、綠燈的轉(zhuǎn)換進行管理，本系統(tǒng)就是基于此目的而開發(fā)的。如下圖2-1為十字路口交通管理信號燈的示意圖。圖2-1 十字路口交通管理信號燈2.1交通燈控制的系統(tǒng)構(gòu)成城市中常見

4、的大型十字路口如下2-2圖所示。一般情況下，當(dāng)汽車行駛至十字交通路口時，有3種選擇: 向前，向左轉(zhuǎn)彎，向右轉(zhuǎn)彎。根據(jù)我國的交通規(guī)則規(guī)定，汽車是靠右行駛，向右拐彎只要走弧形的支干道即可，不需受十字交通燈的束縛。因此，本文主要考慮前行和左轉(zhuǎn)這兩種 情況。十字路口交通燈負責(zé)控制各走向紅綠燈的狀態(tài)及轉(zhuǎn)換，并且各狀態(tài)之間有一定的時間過渡。同時，東西南北每條干道上都為人行橫道設(shè)置了紅綠燈,提醒行人在安全時刻穿越道路以保證行人的安全。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、多時段且具有無電纜協(xié)調(diào)功能的微電腦型信號機以及聯(lián)網(wǎng)式自適應(yīng)多相位智能型信號機。具體采用哪種類型, 應(yīng)根據(jù)其應(yīng)用場合

5、及特點加以確定。其中, 第一種類型以其成本低,設(shè)計簡單, 安裝及維護方便等特點得到了廣泛應(yīng)用。22交通燈控制器的電路控制原理框圖如圖3-1所示，主要包括置數(shù)器模塊、定時計數(shù)器模塊、主控制器模塊和譯碼器模塊。置數(shù)器模塊將交通燈的點亮?xí)r間預(yù)置到置數(shù)電路中。計數(shù)器模塊以秒為單位倒計時，當(dāng)計數(shù)值減為零時，主控電路改變輸出狀態(tài)，電路進入下一個狀態(tài)的倒計時。核心部分是主控制模塊。具體控紅 綠 黃主控制器顯示器譯碼器置數(shù)器定時計數(shù)器特殊狀態(tài)清零紅 綠 黃圖3-1 電路控制原理框圖制情況如下狀態(tài)主干道支干道時間/S00綠燈亮紅燈亮4501黃燈亮紅燈亮510紅燈亮綠燈亮2511紅燈亮黃燈亮523器件下載編程與硬

6、件實現(xiàn)在進行硬件測試時，按鍵k1對應(yīng)復(fù)位端reset，按鍵k2對應(yīng)緊急開關(guān)urgent。EDA實驗開發(fā)系統(tǒng)上的時鐘cp2對應(yīng)計數(shù)時鐘CLK，數(shù)碼管M3、M4對應(yīng)東西走向的時鐘顯示。LED燈l16、l15、l14對應(yīng)東西走向的綠燈G1、黃燈Y1、紅燈R1。數(shù)碼管M1、M2對應(yīng)南北走向的時鐘顯示。LED燈l1、l2、l3對應(yīng)南北走向的綠燈G2、黃燈Y2、紅燈R2，對應(yīng)的硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-3所示。圖3-3 交通燈控制系統(tǒng)的硬件示意圖三設(shè)計內(nèi)容3.1設(shè)計步驟1、啟動Quarrtus軟件；2、單擊菜單欄中的File/New命令，打開New對話框，選擇Device Design Files中的Bloc

7、k Diagram/Schematic，打開圖形編輯窗口；3、右擊鼠標(biāo)，彈出菜單，點擊“Insert/Symbol”,畫一個圖形保存，同時創(chuàng)建一個工程；4、在同一個工程下，單擊菜單欄中的File/New命令，打開New對話框，選擇Device Design Files中的VHDL Files，輸入實訓(xùn)的源程序；5、單擊菜單欄中的ProcessStart Compilation命令，啟動全程編譯；6、編譯后加載源程序的Symbol;7、畫出實訓(xùn)的原理圖，通過兩組交通燈來模擬控制東西、南北兩條通道上的車輛通行,所有功能在實驗操作平臺上進行模擬通過,根據(jù)原理其主要功能如圖3-4：圖3-4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

8、8、進行仿真，建立波形文件，單擊File/New命令，打開文件選擇窗口，然后單擊“Other Files”選項卡，選擇其中的“Vector Waveform File”選項；9、輸入信號節(jié)點，單擊ViewUtility WindowsNode Finder命令，添加端口引腳名；10、指定芯片管腳，單擊菜單欄中的AssignmentsPin，打開芯片管腳對話框。3.2交通燈控制器各模塊的程序1 簡介控制部分的設(shè)計控制模塊是交通控制系統(tǒng)的核心部分，控制模塊主要用于控制系統(tǒng)的時鐘、計數(shù)值、循環(huán)周期判別和人工控制信號輸入，并將計數(shù)值做相關(guān)的運算得到數(shù)碼管的倒計時值，同時控制十字路口信號燈的亮、滅火閃爍

9、。如圖3-5所示，reset是復(fù)位引腳；clk是時鐘引腳，其值為分頻器的輸出時鐘信號；urgen是緊急狀態(tài)引腳；state1.0是狀態(tài)引腳；sub，set1，set2是狀態(tài)選擇引腳。process (reset,clk) beginif reset=1 then count=0000000;state=00; elsif clkevent and clk=1 then 圖3-5控制部分的圖形if urgen =0 then count=count+1;subtemp=1;else subtemp=0;end if;if count =0 then state=00;set1=1;set2=1;

10、elsif count =20 then state=01;set1=1;elsif count =25 then state=10;set1=1; set2=1;elsif count =35 then state=11;set2=1;elsif count =40 then count=0000000;else set1=0; set2=0;end if;end if;end process statelabel2、顯示部分的設(shè)計顯示模塊包括數(shù)碼管動態(tài)掃描電路和譯碼顯示電路，動態(tài)掃描電路用于選擇需要顯示的數(shù)碼管，譯碼顯示電路用于將輸入的二進制信息轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管顯示編碼。如圖3-6所示，clk

11、是時鐘引腳；urgen是緊急狀態(tài)引腳；state1.0是狀態(tài)引腳；sub，set1，set2是狀態(tài)選擇引腳，在sub為上升沿時，可以用set1和set2來選擇調(diào)整交通燈的狀態(tài)；r1，g1，y1，r2，g2，y2分別是主干道方向和次干道方向的紅、綠、黃燈信號引腳；led17.0，led27.0分別為主干道方向和次干道方向的數(shù)碼管倒計時信號燈引腳。 label2:process(sub)beginif subevent and sub=1 thenif set2=1 then count2=setstate2; 圖3-6顯示部分的圖形elsif count2(3 downto 0)=0000 th

12、en count2=count2-7;else count2=count2-1;end if;g2=tg2;r2=tr2;y2=ty2;end if;end process label2;label1:process(sub)begin if subevent and sub=1 thenif set1=1 thencount1=setstate1;elsif count1(3 downto 0)=0000 then count1=count1-7;else count1=count1-1;end if;g1=tg1;r1=tr1;y1=ty1;end if;end process label

13、1; 其中l(wèi)edcontrol部分為控制器模塊，ledshhow部分為譯碼器模塊?？刂破靼ㄖ笖?shù)模塊、計數(shù)模塊和主控制器模塊。置數(shù)模塊將交通燈的點亮?xí)r間預(yù)置到置數(shù)電路中，計數(shù)模塊以秒為單位倒計時，當(dāng)計數(shù)值減為零時，主控電路改變輸出狀態(tài)，電路進入下一個狀態(tài)的倒計時。譯碼器模塊將控制器模塊的控制作用通過譯碼表現(xiàn)出來，即我們看到的交通燈。最后上圖最左邊是系統(tǒng)輸入，右邊是系統(tǒng)輸出。3.3 軟件仿真結(jié)果圖3-7仿真波形3.4硬件實現(xiàn)及調(diào)試結(jié)果1、調(diào)試在QuartusII軟件中，通過對所設(shè)計的硬件描述語言代碼進行波形仿真后，達到了預(yù)期效果，于是，我們在該軟件上進行下載配置設(shè)置。在Assignments菜單

14、下選中Devices，在Family欄選擇ACEX1K，選中EPF10K10LC84-4器件。再在Assignments菜單下選中Pins按照相應(yīng)要求對管腳進行鎖定。最后在Tools菜單下，選中Programmer，對配置方式進行設(shè)置，這里選擇Passive Seril(PS)被動串行模式。選擇好要下載的硬件設(shè)備后點擊Start即可開始編程下載了。2、指定芯片管腳圖圖3-8 指定芯片管腳圖總結(jié)與致謝通過這次設(shè)計，我的理論知識掌握得更扎實，動手能力明顯提高。同時，通過網(wǎng)上搜索圖書館查閱資料等方式認識到了自己知識的局限性。我學(xué)到許多知識，也認識到理論聯(lián)系實踐的重要。在設(shè)計當(dāng)中遇到了許多以前沒遇到的

15、困難。學(xué)會了利用許多的方法去解決所遇到的問題。編好程序后，雖然總是出錯，比如說狀態(tài)不能改變，綠燈不能按時閃爍等，但是經(jīng)過多次研究在老師和同學(xué)的幫助下終于找到問題所在并糾正。這次設(shè)計，讓我感受最深是：在仿真的階段遇到很多的問題，我們一定要具備一定的檢查、排除錯誤的能力。我深刻認識到了“理論聯(lián)系實際”的這句話的重要性與真實性。而且通過對此課程的設(shè)計，我不但知道了以前不知道的理論知識，而且也鞏固了以前知道的知識。在本次設(shè)計中，我們完成本系統(tǒng)設(shè)計的要求及功能。在設(shè)計開始前我們對各個模塊進行了詳細的分析和設(shè)計準(zhǔn)備工作，設(shè)計過程中，我們相互協(xié)調(diào)，積極參與完成各個技術(shù)實現(xiàn)的難點。由于時間倉促和我們自身知識水

16、平有限，本設(shè)計在功能上也只是完成了一些基本功能，對于電路的可靠性，穩(wěn)定性等參數(shù)也還未做過詳細的測試。在交通的人性化控制方面也還未做周全的考慮，若在行駛過程中出現(xiàn)交通信號燈損壞或是電源斷電的情況，則應(yīng)有緊急狀態(tài)燈來控制交通的管理，好提醒司機們或是行人注意保持車距，避免交通事故的發(fā)生。對我而言，知識上的收獲重要，精神上的豐收更加可喜。同時，非常感謝老師對我的大力幫助。五、參考文獻1 黃仁欣EDA技術(shù)實用教程北京：清華大學(xué)出版社，20062 潘松，黃繼業(yè)EDA技術(shù)與VHDL北京：清華大學(xué)出版社，20093 江國強編著EDA技術(shù)與應(yīng)用（第三版）.北京：電子工業(yè)出版社，20104 夏宇聞編著Verilog HDL數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計教程.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，20085 周祖成，程曉軍，馬卓釗編著數(shù)字電路與系統(tǒng)教學(xué)實驗教程北京：科學(xué)出版社，20106 周潤景，蘇良碧