基于CPLD的交通灯控制器.docx
《基于CPLD的交通灯控制器.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于CPLD的交通灯控制器.docx（37页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于CPLD的交通灯控制器
本科毕业设计论文
题目基于CPLD的交通灯控制器设计
系别
专业
班级学号
学生姓名
指导教师
2013年6月
摘要
当今时代是一个自动化时代，交通灯控制等很多行业的设备都与计算机密切相关。
因此，一个好的交通灯控制系统，将给道路拥挤、违章控制等方面给予技术革新。
随着大规模集成电路及计算机技术的迅速发展，以及人工智能在控制技术方面的广泛运用，智能设备有了很大的发展，是现代科技发展的主流方向。
本文介绍了一个交通灯系统的设计。
本文介绍的是基于EDA技术设计交通灯系统的一种方案。
EDA技术的一个重要特征就是使用硬件描述语言（HDL）来完成系统的设计文件，应用VHDL的数字电路实验降低了数字系统的设计难度,这在电子设计领域已得到设计者的广泛采用。
本设计就是针对交通信号灯控制器的设计问题，提出了基于VHDL语言的交通信号灯系统的硬件实现方法。
本设计利用VHDL语言来实现交通灯控制器。
通过对系统进行结构分析，采用自顶向下的层次化设计方法，分别给出了用于控制交通灯明灭和倒计时功能的控制模块，用于紧急情况的分频模块，以及控制各个方向数码管的译码显示模块，最终形成用于自动控制十字路口的交通灯和计时器的交通灯控制器。
从本文最后给出的仿真结果可知，该交通灯控制器实现了预期目标。
关键词：
交通信号灯，VHDL语言，仿真
ABSTRACT
Themodernageisaneraofautomation,trafficlightcontrolequipmentformanyindustriesarecloselyrelatedwiththecomputer.Therefore,agoodtrafficlightcontrolsystem,willbringtechnicalinnovationsforroadcongestion,illegalcontrol,etc.Withtherapiddevelopmentoflargescaleintegratedcircuitsandcomputertechnologyandtheextensiveuseofintelligentdevicesinthecontrolofartificialintelligencetechnology,intelligentdeviceshavegottengreatprogressandbecomethemainstreamofthedevelopmentofmodernscience.Thispaperdescribesthesystemdesignoftrafficlights.
TraditionaltrafficlightcontrolsystemismostlyachievedbyasinglechiporPLC,thispaperintroducesaschemeofthedesignoftrafficsignalsystemsbasedonEDAtechnology.AnimportantfeatureofEDAtechnologyistheuseofhardwaredescriptionlanguage（HDL）tocompletethesystemdesigndocuments,theexperimentappliedVHDLdigitalcircuitreducesthedifficultyofdigitalsystemdesign,whichhasbeenwidelyadoptedbythedesignersofelectronicarea.ThisdesignputsforwardamethodofhardwareimplementationfortrafficlightssystembasedonVHDLlanguagetoresolvethedesignproblemoftrafficsignalcontroller.
EachmoduleisgivenVHDLprogrambyanalyzingthestructureofthesystemandusingahierarchicaldesignmethod,anditappliesMaxPlusⅡonthesimulationofapplications,andthecorrespondingsimulationresultsaregained.WhendesignthecircuitwithVHDL,weshouldbefullyawareofthecharacteristicsofVHDLlanguageandoptimizethecircuitdesignfromthedesign,theuseofstatementsandmethodsofdescription,optimizingcircuitdesign,wecanusesmallerprogrammablelogicchip,therebyreducingsystemcost.
DesignandimplementationoftrafficlightcontrollerwithVHDLthesystemforstructuralanalysis,usingtop-downhierarchicaldesignmethod,givesaVHDLprogrammodules,andapplicationsusingQuartusIIsimulation,havecometothecorrespondingsimulationdesignwithVHDLlanguage,shouldbefullyawareofthefeaturesofVHDLlanguage,fromthedesign,usestatement,anddescriptionofthesuperioraspectsofoptimizedcircuitoptimizationdesignofcircuits,programmablelogicchipcanusesmaller,thusreducingsystemcosts.
Keywords:
Trafficlight，VHDLlanguage，Simulation
第一章前言
选题意义
随着经济的增长和人口的增加，人们生活方式不断变化，人们对交通的需求不断增加。
城市中交通拥挤、堵塞现象日趋严重，由此造成巨大的经济与时间损失。
资料显示，对日本东京268个主要交叉路口的调查估计表明：
每年在交叉路口的时间延误，折成经济报失为20亿美元；而在我国北京市，当早晚交通高峰时，交叉路口处的排队长度竟达1000多米，有的阻车车队从一个交叉路口延伸到另一个交叉路口，这时一辆车为通过一交叉路口，往往需要半个小时以上，时间损失相当可观。
我国是一个历史悠久、人口众多的国家，城市数量随着社会的发展不断增多。
随着城市化进程的大大加快，诱发的交通需求急剧增长，供需矛盾不断激化，严重的交通问题也随之而来。
人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。
城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。
十字路口车辆穿梭，行人熙攘，车行车道，人行人道，有条不紊，这一切要归功于城市交通控制系统中的交通灯控制系统。
交通灯控制系统对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果，使城市交通得以有效管理。
在交叉路口如何解决混合交通流中的相互影响，就是解决城市交通问题的关键所在！
随着我国经济的稳步发展，人民生活水平的日渐提高，越来越多的汽车进入寻常百姓的家庭，再加上政府大力地发展公交、出租车行业，城市交通问题日益严重。
要解决这些问题不仅要求道路越来越宽阔，而且更需要有新的交通管理模式出台。
旧有的交通控制系统的弊病和人们越来越高的要求激化了矛盾，使原来不太突出的交通问题被提上了日程。
现在有关部门愈来愈多的注重在交通管理中引进自动化、智能化技术，比如“电子警察”、自适应交通信号灯，以及耗资巨大的交通指挥控制系统等。
经济的发展和社会的进步，使道路交通成为社会活动的重要组成部分。
对交通的管控能力，也就从侧面体现了这个国家对整个社会的管理控制能力，因此我们国家越来越重视运用各种高科技手段来加强对交通的管控能力，这不仅是衡量城市交通管理水平的标志，更是城市交通发展的重要目标。
交通灯发展史及国内外研究现状
交通灯通常指由红、黄、绿三种颜色灯组成用来指挥交通的信号灯。
绿灯亮时，准许车辆通行，黄灯亮时，已越过停止线的车辆可以继续通行；红灯亮时，禁止车辆通行。
19世纪初，在英国中部的约克城，红、绿装分别代表女性的不同身份。
其中，着红装的女人表示我已结婚，而着绿装的女人则是未婚者。
后来，英国伦敦议会大厦前经常发生马车轧人的事故，于是人们受到红绿装启发，1868年12月10日，信号灯家族的第一个成员就在伦敦议会大厦的广场上诞生了，由当时英国机械师德·哈特设计、制造的灯柱高7米，身上挂着一盏红、绿两色的提灯--煤气交通信号灯，这是城市街道的第一盏。
在灯的脚下，一名手持长杆的警察随心所欲地牵动皮带转换提灯的颜色。
后来在信号灯的中心装上煤气灯罩，它的前面有两块红、绿玻璃交替遮挡。
不幸的是只面世23天的煤气灯突然爆炸自灭，使一位正在值勤的警察也因此断送了性命。
从此，城市的交通信号灯被取缔了。
直到1914年，在美国的克利夫兰市才率先恢复了红绿灯，不过，这时已是“电气信号灯”。
稍后又在纽约和芝加哥等城市，相继重新出现了交通信号灯。
1918年第一盏电气交通灯出现在纽约市五号街的一座高塔上，只有红绿两色，它是圆形四面投影器，它的诞生，使城市交通大为改善。
1925年，我国的胡汝鼎发明了黄色信号灯，他怀着“科学救国”的抱负到美国深造，在大发明家爱迪生为董事长的美国通用电器公司任职员[1]。
一天，他站在繁华的十字路口等待绿灯信号，当他看到红灯而正要过去时，一辆转弯的汽车呼地一声擦身而过，吓了他一身冷汗。
回到宿舍，他反复琢磨，终于想到在红、绿灯中间再加上一个黄色信号灯，提醒人们注意危险。
他的建议立即得到有关方面的肯定。
于是红、黄、绿三色信号灯即以一个完整的指挥信号家族，遍及全世界陆、海、空交通领域了。
如今的交通灯系统的控制方法有很多，国内外常见的多为标准逻辑器件、可编程序控制器PLC、单片机、CPLD等方案。
基于CPLD所设计的系统具有速度更快、体积更小、功耗更小等特点，改变了传统交通灯不稳定和不利于扩展的缺点，得到了广泛应用。
交通系统未来的发展趋势就是要提高通行能力，加强环境保护，开展智能化运输和环保专项技术的研究，并且要做到以人为本，重点开展交通安全技术的研究，在这个过程中要确定经济合理的目标，促进新材料的广泛应用和开发。
智能交通系统是将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子传感技术及计算机处理技术等有效的集成运用于整个地面交通管理系统而建立的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合交通运输管理系统。
随着交通状况的日益恶化，西方发达国家普遍开展了关于智能交通系统共用信息平台的研究、建设。
一方面，西方发达国家开展了许多关于部门间信息共享、以及公有－私有关系的专项研究，从法规、政策、机制等方面对部门间信息共享给予了一定的保障；另一方面，西方发达国家的ITS建设已经发展到一定程度，普遍开展了较高层次的交通信息服务。
然而，在提供良好的交通信息服务的背后，必定要有功能强大、信息资源丰富的ITS共用信息平台作为支撑。
在我国，城市智能交通已逐步得到社会各界的广泛关注，并已成为交通领域的研究热点，社会各界对通过智能交通系统建设、缓解日益严重的交通问题寄予了厚望。
鉴于城市智能交通系统建设涉及到城市管理多个部门职能，因此，只有各相关部门协调配合、共同行动起来，在必要的机制和技术手段下充分实现部门间的信息共享，城市智能交通才可能顺利建设和发展。
为此，国家科技部提出了建设城市交通ITS共用信息平台的构想，在此基础上广泛开展关于交通综合信息的研究和应用。
智能交通各界通过多年的研究和工程实践，普遍认为信息平台的建设应实现信息共享枢纽、综合交通信息服务、交通辅助决策、重大事件管理等功能目标。
目前，已有的交通信息采集系统还处于各自分立的状态。
要实现上述功能，还需面对诸多必须解决的问题。
多学科综合集成ITS共用信息平台。
ITS共用信息平台的建设决不是一般的IT系统集成，为完整解决信息平台数据采集、数据处理整合以及信息发布的问题，必须同时考虑多方面技术的综合集成。
同时，上述关键技术在平台中也不仅仅是堆砌或者简单组合，而是有机融合、互相渗透。
主要研究内容
课题采用文献研究和实验方法进行研究。
通过文献研究，提出基于CPLD的交通灯控制器的设计要求；通过实践研究，验证本课题所实现的功能是否与理论要求相一致。
所获得的资料来源于省图书馆、网上数据库和社会、企业以及校园调研。
本课题设计了一个基于CPLD可编程逻辑器件的交通灯控制器。
该控制器能够自动控制十字路口交通灯状态的改变和同一状态保持的时间，从而保证车辆及行人的安全通过，并且对特殊状况进行适当处理。
控制器主要采用EDA技术，通过VHDL硬件电路描述语言实现设计功能，并使用QuartusII对设计程序进行编译和仿真。
该控制系统主要包括控制模块，分频模块和译码显示模块，会在下面进行详细阐述。
章节安排
第一章前言
第二章本文研究平台简介
第三章交通灯系统的设计
第四章系统仿真
第五章结论与展望
第二章本文研究平台简介
CPLD复杂可编程逻辑器件
CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice）复杂可编程逻辑器件，是从PAL和GAL器件发展出来的器件，相对而言规模大，结构复杂，属于大规模集成电路范围。
是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。
其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆（“在系统”编程）将代码传送到目标芯片中，实现设计的数字系统。
2.1.1CPLD结构及其发展
CPLD主要是由可编程逻辑宏单元（MC，MacroCell）围绕中心的可编程互连矩阵单元组成。
其中MC结构较复杂，并具有复杂的I/O单元互连结构，可由用户根据需要生成特定的电路结构，完成一定的功能。
由于CPLD内部采用固定长度的金属线进行各逻辑块的互连，所以设计的逻辑电路具有时间可预测性，避免了分段式互连结构时序不完全预测的缺点。
20世纪70年代，最早的可编程逻辑器件--PLD诞生了。
其输出结构是可编程的逻辑宏单元，因为它的硬件结构设计可由软件完成（相当于房子盖好后人工设计局部室内结构），因而它的设计比纯硬件的数字电路具有很强的灵活性，但其过于简单的结构也使它们只能实现规模较小的电路。
为弥补PLD只能设计小规模电路这一缺陷，20世纪80年代中期，推出了复杂可编程逻辑器件--CPLD。
目前应用已深入网络、仪器仪表、汽车电子、数控机床、航天测控设备等方面。
2.1.2CPLD的特点及其使用
CPLD具有编程灵活、集成度高、设计开发周期短、适用范围宽、开发工具先进、设计制造成本低、对设计者的硬件经验要求低、标准产品无需测试、保密性强、价格大众化等特点，可实现较大规模的电路设计，因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产（一般在10,000件以下）之中。
几乎所有应用中小规模通用数字集成电路的场合均可应用CPLD器件。
CPLD器件已成为电子产品不可缺少的组成部分，它的设计和应用成为电子工程师必备的一种技能。
这里以抢答器为例讲一下它的设计（装修）流程，即芯片的设计流程。
CPLD的工作大部分是在电脑上完成的。
打开集成开发软件（Altera公司Max+pluxII）→画原理图，写硬件描述语言（VHDL，Verilog）→编译→给出逻辑电路的输入激励信号，进行仿真，查看逻辑输出结果是否正确→进行管脚输出，输出锁定→生成代码→通过下载电缆将代码传送并存储在CPLD芯片中。
2.1.3EPM7128SLC84-15芯片介绍
EPM7128SLC84-15隶属于ALTERA公司所生产的MAX7000系列产品。
它是在ALTERA公司的第二代MAX结构基础上，采用先进的氧化物半导体EEPROM技术制造的。
可容纳各种各样、独立的组合逻辑和时序逻辑函数。
可以快速而有效的重新编程，并保证可编程擦除100次。
EPM7128SLC84-15包含128个宏单元，每16个宏单元组成一个逻辑阵列块，同时，每个宏单元有一个可编程的“与”阵和固定的“或”阵，以及一个具有独立可编程时钟、时钟使能、清除和置位功能的可配置触发器。
图2-1是某频率计用到EPM7128SLC84-15时的连线图。
可以看到该CPLD的84个管脚，大部分都是I/O口，接线时只需要注意电源、接地、时钟等特殊管脚即可，其他的输入输出信号可以接入任意I/O口。
图2-1EPM7128SLC84-15结构图
VHDL硬件编辑语言
VHDL语言是一种用形式化方法来描述数字电路和设计数字逻辑系统的语言。
设计者可以利用这种语言来描述自己的设计思想，然后利用电子设计自动化工具进行仿真，再自动综合到门级电路，最后使用PLD实现其功能。
VHDL主要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接口。
除了含有许多具有硬件特征的语句外，VHDL的语言形式，描述风格和句法等与一般的计算机高级语言十分类似。
2.2.1VHDL语言设计特点
⑴覆盖面广，描述能力强，用于复杂的，多层次的设计，支持设计库和设计的重复使用。
在VHDL语言中，设计的原始描述可以非常简练，经过层层加强后，最终可成为直接付诸生产的电路或版图参数描述。
⑵具有良好的可读性，既容易被计算机接受，也容易被读者了解。
⑶支持大规模设计的分解和已有设计的再利用。
一个大规模的设计不可能由一个人独立完成，必须由多人共同承担，VHDL为设计的分解和设计的再利用提供可有力的支持。
⑷使用期长，不会因工艺变化而使描述过时。
因为VHDL的硬件描述与工艺无关，当工艺改变时，只需修改相应程序中的属性参数即可。
⑸有丰富的软件支持VHDL的综合和仿真，从而能在设计阶段就能发现设计中的错误，缩短设计时间，降低成本。
⑹硬件独立，一个设计可用于不同的硬件结构，而且设计时不必了解过多的硬件细节。
2.2.2VHDL语言设计流程
VHDL是IEEE所确认的一种标准化硬件描述语言，它在设计描述过程中有一定的设计流程可以遵循。
一般来讲，VHDL的设计流程主要包括一下几个步骤：
1.设计规范的定义
采用VHDL进行设计描述之前，设计人员首先要对电子系统的设计目的和设计要求有一个明确，清晰的认识，然后形成具体的设计规范定义，这一步骤对以后的设计来说是非常重要的。
设计规范的定义相当于系统设计的总体方案。
2.采用VHDL进行设计描述
采用VHDL进行设计描述主要包括设计规划和程序编写的步骤。
设计规划的主要任务是进行设计方式的选择以及是否进行模块规划。
通常情况下，设计中采用的设计方式包括直接设计，自上而下的设计和自下而上的设计，一般采用自上而下的设计方法。
模块划分是设计过程中一个非常重要的步骤模块划分的好坏直接影响最终的电路设计，因此设计人员在这一步应该花费一定的时间，从而保证模块划分的最优化。
设计规划完成后，设计人员就可以按照模块划分来编写各个模块的VHDL程序，然后将各个模块的VHDL程序组合在一起，从而完成整个设计的VHDL描述。
程序仿真
在设计流程中，综合，优化和装配（或布局布线）等后续操作往往需要花费大量时间。
一旦在后续工作中发现设计错误，设计人员往往需要修改VHDL描述，然后再重新进行综合，优化和装配（或布局布线）等后续操作，如此反复，将会浪费大量的时间。
因此，设计人员常常在完成编码后采用仿真器对VHDL设计描述进行仿真（有时称作前仿真），这样可以提早发现设计错误，节省时间，缩短开发周期。
4.综合，优化和装配（或布局布线）
综合是指将较高层次的抽象描述转化到较低级别抽象的一种方法，简单的说，就是将设计的描述转化成底层电路表示。
通常，综合的结果是一个网表或一组逻辑方程。
优化是指将设计的时延缩到最小和有效利用资源。
几乎所有的高级VHDL综合工具都可以使用约束条件对设计进行优化。
约束条件的设置主要包括时间约束和面积约束。
5.装配（或布局布线）后的仿真
与VHDL程序仿真不同，装配后的仿真不仅要对设计描述的逻辑功能进行验证，而且还要对设计描述的时序功能进行验证。
如果时序不能满足，那么需要回到前面的步骤重新进行操作。
通常，装配后的仿真称作后仿真。
6.器件编程
器件编程就是将设计描述经过编译，综合，优化和装配后的结果，经过一定的映射，转化成器件编程所需要的数据文件格式，然后通过烧片器或下载电缆将数据文件下载到器件中的过程。
2.2.3VHDL的描述风格
1.行为描述
结构体的行为描述表示输入与输出之间转换的关系，是对设计实体按计算的路径来描述。
行为描述在EDA工程中称为高层次描述或高级描述。
一般来说，采用行为描述方式的VHDL程序主要用于系统教学模型的仿真或系统工作原理的仿真。
常用顺序语句描述有进程，过程和函数。
另外，采用行为描述方式设计电路，可以降低设计难度，只需表示输入输出之间的关系，没有设计任何有关的电路组成和门级电路。
设计者只需写出源程序，而挑选电路方案的工作有EDA软件自动完成，最终的电路优化程度往往取决于综合软件的技术水平和器件支持能力。
当电路的规模较大或需要描述复杂逻辑关系时，应首先考虑用行为描述方式设计电路。
如果设计结果不能满足资源占有率的要求，则应改变描述方式。
2.数据流描述
结构体的数据流描述也称为RTL描述方式，RTL是寄存器转换层次的简称。
RTL描述是以规定设计中的各种寄存器形式为特征，然后在寄存器之间插入组合逻辑。
VHDL的RTL描述方式类似于布尔方程，可以描述时序电路，也可以描述组合电路。
它反映了从输入数据到输出数据之间所发生的逻辑变换，或者说描述了数据流程的运动路径，运动方向和运动结果。
RTL描述主要采用并行信号赋值语句描述。
3.结构化描述
结构体的结构化描述给出了实体内部结构，它所包含的模块和元件及其互联关系，与实体外部引线的对应关系。
结构化描述是使用元件例化语句或生成语句，完成元件互连的描述。
原件的定义或使用声明及元件例化是用VHDL实现层次化，模块化设计的手段。
与传统的原理图设计输入方式相仿，在综合时，VHDL实现层次化，模块化设计的手段与传统的原理图设计输入方式相仿。
在综合时，VHDL综合器会根据相应的元件声明，搜索与元件同名的实体，将此实体合并到生成的门级网表中。
2.2.4选择VHDL硬件描述语言设计的优势
首先，简单地介绍一下什么是VH
升级会员 