EDA交通控制器的設計

SOPC/EDA綜合課程設計報告作者：PAGE·PAGE18·SOPC/EDA綜合課程設計報告設計題目：交通控制器的設計設計者：學號：37號班級：電氣084指導老師：完成時間：2011年1月16號設計報告綜合測試總評格式（10）內(nèi)容(40)圖表（10）答辯（20）平時（20）目錄摘要 3引言 3第一章設計要求及總體方案 41.1設計要求 41.2方案分析 41.3方案對比 4第二章整體設計論述 52.1系統(tǒng)框圖 52.2控制器狀態(tài)轉換圖 52.3設計思路 6第三章軟件編程設計 73.1交通信號控制模塊 73.2分頻計數(shù)器模塊 113.3動態(tài)數(shù)碼管掃描輸出模塊 133.4原理圖輸入綜合模塊 14第四章系統(tǒng)整體數(shù)據(jù) 154.1系統(tǒng)不同狀態(tài)仿真結果 154.1.1控制器啟動 154.1.2控制器正常工作 154.1.3控制器倒計時 16第五章設計總結 17參考文獻 18基于VHDL的交通控制器設計摘要：主要研究基于VHDL的基本邏輯電路和狀態(tài)機電路的交通控制器設計。在狀態(tài)連續(xù)變化的數(shù)字系統(tǒng)設計中，采用狀態(tài)機的設計思想有利于提高設計效率，增加程序的可讀性，減少錯誤的發(fā)生幾率。同時，狀態(tài)機的設計方法也是數(shù)字系統(tǒng)中一種最常用的設計方法。一般來說，標準狀態(tài)機可以分為穆爾（Moore）機和米利（Mealy）機兩種。在穆爾機中，其輸出僅僅是當前狀態(tài)值的函數(shù)，并且僅在時鐘上升沿到來時才發(fā)生變化。最后給出了描述其功能的VHDL語言程序設計方法。通過編程、調(diào)試、仿真、下載正確地實現(xiàn)了LED和數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示控制的結果，其硬件系統(tǒng)的實驗驗證也獲得了與軟件模擬仿真結論相吻合的結果。關鍵詞：交通控制器，狀態(tài)機，VHDL語言數(shù)碼管動態(tài)顯示引言伴隨著社會的發(fā)展以及人類生活水平的提高，汽車的數(shù)量在不斷的增加，交通問題日益突出，單靠人力來指揮交通已經(jīng)不可行了，所以，設計交通燈來完成這個需求就顯得越加迫切了。為了確保十字路口的車輛順利、暢通地通過，往往采用電子控制的交通信號來指揮。隨著技術市場與人才市場對EDA技術的發(fā)展和應用領域的擴大與深入，EDA技術在電子信息、通信、自動控制及計算機應用等領域的重要性日益突出。一下就是運用數(shù)字電子設計出的交通燈：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。第一章設計要求及總體方案1.1設計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。具體要求如下：主、支干道各設有一個綠、黃、紅指示燈，兩個顯示數(shù)碼管。主干道處于常允許通行狀態(tài)，而支干道有車來才允許通行。當主、支道均有車時，兩者交替允許通行，主干道每次放行60s，支干道每次放行20s，在每次由亮綠燈變成亮紅燈的轉換過程中，要亮4s的黃燈作為過渡，并進行減計時顯示。1.2方案分析通過分析可以知道，所要涉計的交通信號燈控制電路要能夠適用于有一條主干道和一條支干道的匯合點形成的十字交叉路口。能夠做到主、支干道的紅綠燈閃亮的時間不完全相同，在綠燈跳變紅燈的過程中能夠用黃燈進行過渡，使得行駛過程中的車輛有足夠的時間停下來。還要求在主、支干道各設立一組計時顯示器，能夠顯示相應的紅、黃、綠倒計時?？梢岳肰HDL語言設計系統(tǒng)功能，使紅黃綠燈的轉換有一個準確的時間間隔和轉換順序。1.3方案對比實現(xiàn)路口交通燈系統(tǒng)的控制方法很多，可以利用標準邏輯器件、可編程序控制器和單片機等方案來實現(xiàn)。雖然利用單片機系統(tǒng)設計的交通燈控制器相對來說較穩(wěn)定，能夠完成較多功能的實現(xiàn)，但這些控制方法的功能修改及調(diào)試都需要硬件電路的支持，在一定程度上增加了功能修改及系統(tǒng)設計與調(diào)試的困難。相反，使用基于FPGA的設計方法具有周期短，設計靈活，易于修改等明顯的優(yōu)點。而且，隨著FPGA器件、設計語言和電子設計自動化工具的發(fā)展和改進，越來越多的電子系統(tǒng)采用FPGA來設計。未來，使用FPGA器件設計的產(chǎn)品將出現(xiàn)在各個領域里。因此，此次的交通控制器的設計將采用基于FPGA的設計方案來實現(xiàn)所要求的功能。第二章整體設計論述2.1系統(tǒng)框圖根據(jù)設計需求和系統(tǒng)所具有的功能，并參考相關的文獻資料進行方案設計，根據(jù)模塊的劃分可以畫出如圖2-1所示的交通燈控制器系統(tǒng)框圖。CLKCLK分頻器模塊控制及計數(shù)器模塊S動態(tài)數(shù)碼管掃描輸出模塊LED顯示數(shù)碼管位碼數(shù)碼管段碼1kHZ1HZ支干道檢測1KHZ數(shù)碼管及LED信號圖2-1控制器系統(tǒng)框圖2.2控制器狀態(tài)轉換圖根據(jù)設計要求，整個交通控制器的狀態(tài)轉換圖如圖2-2示(僅畫出主干道狀態(tài)轉換圖，支干道類似)：S=0立刻轉換下一狀態(tài)S=0立刻轉換下一狀態(tài)S=1S=1S=0S=0S=10系統(tǒng)下載，主干道開始60s倒計時，不論S有無信號，皆為MGCR狀態(tài)。判斷S1保持MGCR狀態(tài)，顯示保持4秒。2轉入MYCR狀態(tài)，開始4s倒計時3轉入MRCG狀態(tài)，開始20s倒計時判斷S4轉入MRCY狀態(tài)，開始4s倒計時圖2-2主干道狀態(tài)轉換圖2.3設計思路交通控制器由單片的CPLD/FPGA來根據(jù)設計要求和系統(tǒng)所具有的功能，并參考相關的文獻資料，進行方案設計。我們選擇按照自頂向下的層次化設計方法，整個系統(tǒng)可以分為4個模塊，交通信號控制模塊、分頻計數(shù)器模塊、動態(tài)數(shù)碼管掃描輸出模塊、原理圖輸入綜合模塊。第三章軟件編程設計3.1交通信號控制模塊充分理解狀態(tài)轉換圖，根據(jù)狀態(tài)轉換圖設計出相應的應用狀態(tài)機的交通信號控制器程序。設計源程序：libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;useieee.std_logic_unsigned.all;entitytrafficisport(clk,ena,s:instd_logic;--時鐘，使能，傳感器S輸入信號mql,mqh,Sql,Sqh:bufferstd_logic_vector(3downto0);--計數(shù)顯示信號mr,my,mg,Sr,Sy,Sg:outstd_logic);--紅綠燈信號輸出endtraffic;architectureoneoftrafficissignalmq:integersignalSq:integerbeginprocess(clk,ena,s)beginifena='1'thenifrising_edge(clk)thencasemqis--主干道狀態(tài)when0=>--MRSG狀態(tài)ifs='1'then--判斷S值ifmql=0then--倒計時減法計數(shù)mql<="1001";ifmqh>0thenmqh<=mqh-1;elsemq<=1;mql<="1001";mqh<="0101";mr<='0';my<='0';mg<='1';endif;--倒計時結束，將指向下一狀態(tài)并賦初值elsemql<=mql-1;endif;elsemq<=4;mql<="0011";mqh<="0000";mr<='1';my<='0';mg<='0';endif;when1=>--MGSR狀態(tài)casesiswhen'1'=>ifmql=0thenmql<="1001";ifmqh>0thenmqh<=mqh-1;elsemq<=2;mql<="0011";mqh<="0000";mr<='0';my<='1';mg<='0';endif;elsemql<=mql-1;endif;when'0'=>ifmql=0thenmql<="1001";ifmqh>0thenmqh<=mqh-1;elsemq<=3;mql<="0011";mqh<="0000";mr<='0';my<='0';mg<='1';endif;elsemql<=mql-1;endif;whenothers=>null;endcase;when2=>--MYSR狀態(tài)ifmql>0thenmql<=mql-1;elsemq<=0;mql<="0011";mqh<="0010";mr<='1';my<='0';mg<='0';endif;when3=>--MGSR狀態(tài)ifs='0'then--S無信號，保持狀態(tài)mql<="0011";mqh<="0000";mr<='0';my<='0';mg<='1';elsemq<=2;mql<="0011";mqh<="0000";mr<='0';my<='1';mg<='0';--一旦S有信號指向下一狀態(tài)endif;when4=>--MRSY狀態(tài)ifmql>0thenmql<=mql-1;elsemq<=1;mql<="1001";mqh<="0101";mr<='0';my<='0';mg<='1';endif;whenothers=>null;endcase;caseSqis--支干道狀態(tài)when0=>Sq<=1;Sql<="0011";Sqh<="0110";Sr<='1';Sy<='0';cg<='0';when1=>casesiswhen'1'=>ifSql=0thenSql<="1001";ifSqh>0thenSqh<=Sqh-1;endif;elseSql<=Sql-1;ifSql="0100"andSqh="0000"thenSq<=2;Sql<="0011";Sqh<="0000";Sr<='1';Sy<='0';cg<='0';endif;endif;when'0'=>ifSql=0thenSql<="1001";ifSqh>0thenSqh<=Sqh-1;endif;elseSql<=Sql-1;ifSql="0100"andSqh="0000"thenSq<=5;Sql<="0011";Sqh<="0000";Sr<='1';Sy<='0';cg<='0';endif;endif;whenothers=>null;endcase;when2=>ifSql>0thenSql<=Sql-1;elseSq<=3;Sql<="1001";Sqh<="0001";Sr<='0';Sy<='0';Sg<='1';endif;when3=>ifs='1'thenifSql=0thenSql<="1001";ifSqh>0thenSqh<=Sqh-1;elseSq<=4;Sql<="0011";Sqh<="0000";Sr<='0';Sy<='1';Sg<='0';endif;elseSql<=Sql-1;endif;elseSq<=4;Sql<="0011";Sqh<="0000";Sr<='0';Sy<='1';Sg<='0';endif;when4=>ifSql>0thenSql<=Sql-1;elseSq<=1;Sql<="0011";Sqh<="0110";Sr<='1';Sy<='0';Sg<='0';endif;when5=>ifs='0'thenSql<="0011";Sqh<="0000";Sr<='1';Sy<='0';cg<='0';elseSq<=2;Sql<="0011";Sqh<="0000";Sr<='1';Sy<='0';Sg<='0';endif;whenothers=>null;endcase;endif;endif;endprocess;endone;圖3.1交通信號控制模塊仿真說明：控制模塊的字母表示如后，MR（主紅）、MY（主黃）、MG（主綠）、SR(支紅)、SY（支黃）、SG（支綠）、CLK（1HZ時鐘）、ENA（使能信號）、S（支干道檢測信號）。3.2分頻計數(shù)器模塊設計源程序：libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;entityclkgenisport(clk:instd_logic;newclk1:outstd_logic);endentityclkgen;architectureoneofclkgenissignalcnter1:integerrangebeginprocess(clk)isbeginifclk'eventandclk='1'thenifcnter1=10#999#thencnter1<=0;elsecnter1<=cnter1+1;endif;endif;endprocess;process(cnter1)isbeginifcnter1=10#999#thennewclk1<='1';elsenewclk1<='0';endif;endprocess;endarchitectureone;圖3-2分頻計數(shù)器模塊圖3-3分頻計數(shù)器模塊仿真圖3.3動態(tài)數(shù)碼管掃描輸出模塊設計源程序：libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;useieee.std_logic_unsigned.all;entityscanisport(clk:instd_logic;num1,num2,num7,num8:instd_logic_vector(3downto0);sel:outstd_logic_vector(2downto0);num:outstd_logic_vector(3downto0));end;architecturebehaveofscanissignalq:std_logic_vector(2downto0);beginprocess(clk)beginifrising_edge(clk)thenifq="000"thennum<=num1;sel<="000";q<=q+1;endif;ifq="001"thennum<=num2;sel<="001";q<="100";endif;ifq="100"thennum<=num7;sel<="110";q<=q+1;endif;ifq="101"thennum<=num8;sel<="111";q<="000";endif;endif;endprocess;endbehave;圖3-4動態(tài)數(shù)碼管掃描輸出模塊3.4原理圖輸入綜合模塊用原理圖輸入法設計綜合文件，根據(jù)課題要求設計整個交通控制器的原理圖。通過調(diào)用編輯好的各元件，將分頻計數(shù)器、交通信號控制器以及動態(tài)數(shù)碼管掃描輸出組合。圖3-5是原理圖，描述控制器的整個系統(tǒng)，紅綠燈每條道用三個，分別為MR（主紅）、MY（主黃）、MG（主綠）、SR（支紅）、SY（支黃）、SG（支綠）。圖3-6為仿真圖。MRCLK1MYMYENACLKCLKMRCLK1MYMYENACLKCLKMGSMGSSRSRSGSYSGSYMQLMQLMQHSMQHSSQLSQLVCCSQHVCCSQH圖3-5原理圖圖3-6原理圖輸入綜合模塊第四章系統(tǒng)整體數(shù)據(jù)4.1系統(tǒng)不同狀態(tài)仿真結果4.1.1控制器啟動控制器剛啟動時，不管支干道檢測S有沒有信號，都是MRSR狀態(tài)，主干道進行4秒倒計時，接著保持MGSR狀態(tài)，并進行60s倒計時。仿真如圖4-1圖4-1控制器啟動4.1.2控制器正常工作60s倒計時完，S仍有信號，轉入4sMYCR狀態(tài)，再轉入MRSG狀態(tài)，并進行20s倒計時。20s倒計時中S突然無信號，立刻轉入4sMRSY狀態(tài)，再轉入MGSR狀態(tài)。仿真如圖4-2圖4-2控制器正常工作4.1.3控制器倒計時20s倒計時完，S仍有信號，轉入4sMRCY狀態(tài)，再轉入MGCR狀態(tài)，并進行60s倒計時；60s倒計時完，S無信號，轉入4sMGCR狀態(tài)，并保持狀態(tài)，一直等待S信號。仿真如圖4-3圖4-3控制器各個倒計時第五