交通信号灯控制器设计论文Word格式.doc
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交通信号灯控制器的设计
一、课程设计目的
1、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。
2、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。
通过对系统进行结构分析，采用了层次化的设计方法，给出了各个模块的VHDL程序，并且利用MaxPlusⅡ对应用程序进行了仿真，并给出了相应的仿真结果。
在用VHDL语言进行电路设计时,应充分认识到VHDL语言的特点,从设计思想、语句运用及描述方法上等多方面对电路进行优化设计。
通过电路优化设计,可以使用规模更小的可编程逻辑芯片,从而降低系统成本。
3、本课程设计是在学完EDA原理及课程之后综合利用所学EDA知识完成一个EDA应用系统设计并在实验室实现。
该课程设计的主要任务是通过解决实际问题，巩固和加深“电子设计自动化应用技术”课程中所学的理论知识和实验能力，基本掌握基于VHDL语言应用电路的一般设计方法，提高电子电路的设计和实验能力。
二、设计内容
1、设计一个交通信号灯控制器，由一条主干道和一条支干道汇合成十字路口，在每个入口处设置红、绿、黄三色机动车辆信号灯，红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行，黄灯亮则给行驶中的车辆有时间停在禁行线外。
2、主、支干道两者交替允许通行，主干道每次放行45秒，支干道每次放行25秒，用二位七段LED显示45秒、25秒倒计时。
3、在每次由绿灯亮到红灯亮的转换过程中，要亮5秒黄灯作为过渡，使行驶中的车辆有时间停到禁行线外。
三、设计条件
硬件：
该电路包含了1个CPLD芯片，2组七段LED数码显示器，2组红绿灯，以及相应的限流电阻。
软件：
运用MAXPLUSⅡ软件，采用模块化结构，包括设计输入、项目处理、项目校验和器件编程四个部分，所有这些部分集成在一个可视化的操作环境下。
即将交通灯信号系统划分成若干小电路，编写每一个模块的VHDL程序代码，并将各个小电路相连接。
这样可以增加程序的调试速度，同时也能够将工作细分，以提高编程速度。
四、设计思路
实现交通灯信号控制系统的控制方法很多，可以用标准逻辑器件、可编程序控制器PLC、单片机等方案来实现。
但是这些控制方法的功能修改及调试都需要硬件电路的支持，在一定程度上增加了功能修改及系统调试的困难。
因此，在设计中采用EDA技术，应用目前广泛应用的VHDL硬件电路描述语言，实现交通灯控制系统的设计，利用MAXPLUSⅡ集成开发环境进行综合、仿真，并下载到CPLD可编程逻辑器件中，完成系统的控制作用。
交通灯控制系统与其他控制系统一样，划分为控制器和受控电路两部分。
控制器使整个系统按设定的工作方式交替指挥车辆及行人的通行，并接收受控部分的反馈信号，决定其状态转换方向及输出信号，控制整个系统的工作过程。
交通灯控制系统详细可分为九个单元电路：
1、交通灯控制器JTDKZ：
根据复位信号RESET和来自时基发生电路的基准秒脉冲信号CLK，发出主、支干道指示灯的控制信号，同时向各定时单元、显示控制单元发出使能控制信号EN45、EN25、EN05M、EN05B；
2、45s、25s、05s定时单元CNT45S、CNT25S、CNT05S：
根据RESET、CLK及JTDKZ发出的有关使能控制信号EN45、EN25、EN05M、EN05B，按要求定时，并将其输出传送至显示控制单元；
3、显示控制单元XSKZ：
根据JTDKZ发出的有关使能控制信号EN45、EN25、EN05M、EN05B选择定时单元CNT45S、CNT25S、CNT05S的输出至各显示译码器；
4、译码器YMQ：
将显示控制单元XSKZ的输出作为输入进行译码，并向有关数码显示驱动信号。
按照路口交通运行的实际情况，在本系统中，设定系统的工作情况如下：
路口交通灯控制系统的主路有交通MR（红）、MY（黄）、MG（绿）；
支路有交通灯：
BR（红）、BY（黄）、BG（绿）；
所有灯均为高电平点亮。
CLK是外部提供的基准秒脉冲信号，RESET为复位信号，低电平有效。
有交通灯的系统框图为
JTDKZ
XSKZ
定时单元
CNT
YMQ
主道红绿灯
支道红绿灯
复位信号
时钟信号
五、系统程序实现与仿真分析
1、交通灯控制器JTDKZ
在进行数字系统设计的时候，如果实现一个控制功能，通常会选择状态机。
因为无论是与基于VHDL的其他设计方案相比，还是与可完成相似功能的CPU相比，在很多方面有限状态机都有难以超越的优越性：
它可以应用于从系统分析到设计的所有阶段，同时简单易用，状态间的关系清晰直观等。
根据功能要求，用st0、st1、st2、st3来表示这两组交通灯的状态：
st0表示主路绿灯亮，支路红灯亮；
st1表示主路黄灯亮，支路红灯亮；
st2表示主路红灯亮，支路绿灯亮；
st3表示主路红灯亮，支路黄灯亮。
这四种状态描述的状态转换表为：
当前状态
下一状态
转换条件
st0
st1
主路绿灯亮了45s
st2
主路黄灯亮了5s
st3
支路绿灯亮了25s
支路黄灯亮了5s
st0orst1orst2orst3
复位信号复位
由转化表得交通灯的状态转化图为：
其功能模块图为：
设计仿真的截图：
2、45s定时单元CNT45S
CLK上升沿到来时，若到计时使能信号有效，CNT45S开始计数，并将输入状态通过DOUT45M、DOUT45B分别输出到主、支干道显示。
3、25s定时单元CNT25S
CLK上升沿到来时，若到计时使能信号有效，CNT25S开始计数，并将输入状态通过DOUT25M、DOUT25B分别输出到主、支干道显示。
4、05s定时单元CNT05S
CLK上升沿到来时，若到计时使能信号有效，CNT25S开始计数，并将输入状态通过DOUT05M、DOUT05B输出到主、支干道显示。
5、显示控制单元XSKZ
根据EN45、EN25、EN05M、EN05B的信号以及3个倒计时计数器的计数状态决定输出3个倒计时计数器中某个的状态输出。
6、译码器YMQ
七段译码显示器，输出0～9的数据在显示屏上
六、设计结果
经过VHDL语言对各个模块进行编程，形成顶层文件，在MAX+PLUSⅡ环境下进行原理图编译与仿真，得仿真结果为：
全局结果
局部结果
从仿真波形图可以看出，设计的程序完全满足交通灯控制器的主路和支路控制红绿灯等的功能要求。
首先进入st0状态，此时主路绿灯亮，支路红灯亮；
计数器计数到45时，交通灯控制器状态机进入st1状态，此时主路黄灯亮，支路红灯亮；
计数器再记5后，交通灯控制器状态机进入st2状态，此时主路红灯亮，支路绿灯亮；
计数器再记25后，交通灯控制器状态机进入st3状态，此时主路红灯亮，支路黄灯亮；
在st3状态计数器又开始计数，计数器再记5后，交通灯控制器状态机进入st0状态，此时主路绿灯亮，支路红灯亮。
如此循环反复，完成交通路口的红路灯控制，并将这些计数用二位七段LED显示45秒、25秒倒计时显示出来。
七、设计体会与心得
1、通过上面图形的展示，状态机有着难以超越的优越性，主要表现在一下几方面：
（1）状态机克服了纯硬件数字系统顺序方式控制不灵活的缺点。
（2）由于状态机的结构相对简单，设计方案相对固定，特别是可以定义符号化枚举类型的状态，这一切都为VHDL综合器尽可能发挥其骐达的优化功能提供了有利条件。
而且，性能良好的综合器都具有许多可控或自动的优化状态机的功能。
（3）状态机容易构成性能良好的同步时序逻辑模块，这对于大规模逻辑电路设计中令人深感棘手的竞争冒险现象无疑是一个上佳的选择。
（4）与VHDL的其他描述方式相比，状态机的VHDL描述丰富多样、程序层次分明，结构清晰，易读易懂；
在排错、修改和模块移植方面也有独到的好处。
（5）在高速运算和控制方面，状态机更有其巨大的优势。
在VHDL中，一个状态机可以由多个进程构成，一个结构体中可以包含多个状态机，而一个单独的状态机以顺序方式所能完成的运算和控制方面的工作与一个CPU的功能类似。
（6）高可靠性。
2、在进行程序编译时，要先从底层程序开始，所有底层程序都正确后，才能开始顶层程序的编译。
这是因为顶层程序是对底层程序的概括，它是把底层程序各个模块连接起来，就相当于把每个模块的功能汇聚到一起，实现整个系统的控制功能，所以底层程序的正确与否，关系到顶层程序的运行结果
3、在EDA电子系统设计的综合仿真过程中经常可以看到在仿真图上的波形有时候会有“毛刺”出现，本设计过程中就遇到这样的问题，解决该问题的方法就是在出现“毛刺”的信号端接入D触发器（或者缓冲器）。
4、在设计的过程中还应该多联系下实际情况，要了解实际情况下交通信号灯的工作情况，才能更好的完成此次的课程设计。
在今后的工作和学习中，我们不能仅仅把目光停留在课本上，要多理论联系实际。
有的时候，理论上是正确的东西放到现实中去，可能由于种种因素的制约，并不能达到实际的效果，还需要我们进行相应的修改才能完成要求。
这次的课程设计使我巩固了以前学习到的知识，还使我掌握了以前没有掌握的知识，同时锻炼了自己的能力。
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