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交通灯控制论文

交通灯控制系统的设计

张海军陆吉银钟犹洪

（湖南衡阳南华大学421001）

指导老师：

王彦

摘要利用VHDL在CPLD上设计交通灯控制系统，取代常规的设计方法。

采用Xilinx公司推出的EDA软件系统XilinxFoundationSeriesISE对系统进行VHDL语言编程、编译、综合和功能仿真，并将程序下载到CPLD器件中，程序主要包括秒脉冲电路、减计数器、状态控制器等模块的编写。

利用清华同方的TPG_FPGA教学实验系统对设计的系统进行总体测试，经过实际电路测试运行效果良好，能很好实现设计要求。

用VHDL设计交通灯控制系统是一个非常简单而且十分不错的方案。

关键词VHDLCPLD交通灯控制系统

DesignofTrafficLightControlSystem

AbstractInsteadofgeneraldesignmethods,designatrafficlightcontrolsystemutilizingVHDLbasedonCPLD.UsingVHDLlanguagetoprogramme,、translateandedit、synthetizeandfunctionalsimulateforthetrafficlightcontrolsystembyutilizingEDAsoftware（XilinxFoundationSeriesISE）ofXilinxcompany,thendownloadtotheCPLD.Theprogrammainlyconcludesecondpulsecircuit、subtractingcounter、statecontrollerandsoon..Totestthesystem,usingtheteachingexperimentsystemofTPG_FPGA.Wecanfoundthatthecirculativeeffectisgoodanditsatisfiesthedesignrequirementcompletelyafterthetesting.Inconclusion,thetrafficlightcontrolsystemdesignedbyusingVHDLiseasyandverygood.

KeywordsVHDL,CPLD,Trafficlightcontrolsystem

目录

设计任务和设计要求…………………………………………………………………3

前言…………………………………………………………………………………………3

第1章系统设计………………………………………………………………………3

第2章单元电路设计…………………………………………………………………5

2.1秒脉冲电路的设计……………………………………………………………5

2.2减计数器的设计………………………………………………………………5

2.3状态控制器的设计……………………………………………………………5

2.4三态门的设计…………………………………………………………………6

2.5功能扩展模块的设计…………………………………………………………7

第3章软件设计…………………………………………………………………………8

3．1ISE介绍………………………………………………………………………8

3．2程序设计流程图………………………………………………………………9

第4章系统测试…………………………………………………………………………10

第5章设计总结…………………………………………………………………………10

附录…………………………………………………………………………………………10

附录1程序清单………………………………………………………………………10

参考文献……………………………………………………………………………………18

设计任务和设计要求

设计一个十字路口交通灯信号控制器，基本要求如下：

●主、支干道交替通行，主干道绿灯亮50秒，支干道绿灯亮20秒。

●每次绿灯变红灯时，先闪6秒黄灯（此时另一个干道的红灯不变）。

发挥部分要求如下：

●晚上十点（22：

00）到次日凌晨七点（07：

00）主、支干道红、绿灯全灭，均只有黄灯闪烁。

前言

随着社会、经济的快速发展，人民的生活水平也在不断提高，随之而出现的是交通也日益发达和紧张起来。

为了很好的控制各个城市主干道的交通，交通灯发挥了不可替代的作用，因此，设计一个交通灯控制系统是非常有用的，具有很高的实用价值。

基于这一点，本设计利用VHDL来设计一个交通灯控制系统。

下面介绍一下VHDL。

VHDL（VeryHighSpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage）是超高速集成电路硬件描述语言的英文缩写。

是美国国防部20世纪80年代后期开发的一种快速的电路设计工具，目前已成为IEEE的标准硬件描述语言之一。

VHDL具有多层次的描述系统硬件功能的能力；支持自顶向下（ToptoDown）和基于库（Library-Based）的设计方法；VHDL对设计的描述具有相对独立性。

因此，设计者可不必了解硬件结构，从系统设计入手，在顶层进行系统方框图的划分和结构设计，在方框图一级用VHDL对电路的行为进行描述，并进行仿真和纠错，然后在系统一级进行验证，最后再用逻辑综合优化工具生成具体的门级逻辑电路的网表，下载到具体的CPLD器件中去，从而实现可编程逻辑器件的专用集成电路（ASIC）设计。

第1章系统设计

要设计一个交通灯控制系统可以用几个方案来实现。

常见的有用单片机设计、用数字电路直接设计和用VHDL来设计。

各种方案的都有其优缺点，下面通过全面比较来最终确定完成本设计的方案。

方案1：

用单片机设计一个交通灯控制系统主要是利用单片机最小系统的定时和中断功能块。

当定时器定时到了之后，马上跳转到中断服务子程序，执行子程序的指令。

子程序包括交通灯的各种状态，如主干道亮红灯，支干道亮绿灯等等。

这样实现比较简单，但是考虑到单片机的一个最致命的缺点（即受外界干扰的影响很大），在选择方案时优先考虑采用其他受干扰影响小设计方案。

方案2：

用数字电路直接设计的交通灯控制系统主要由秒脉冲发生器、状态控制器、定时系统和状态译码器等构成。

状态控制器主要是用于记录十字路口交通灯的工作状态，通过状态译码器分别点亮相应的信号灯。

秒脉冲发生器产生整个定时系统的时基脉冲，通过减法计数器对秒脉冲减计数，达到控制每一种工作状态的持续时间。

减法计数器的回零脉冲使状态控制器完成状态转换，同时状态译码器根据系统下一个工作状态决定计数器下一次减计数的初始值。

在黄灯闪烁其间，状态译码器将秒脉冲引入黄灯灯控制电路，就可使黄灯闪烁。

这种设计方案也能很好的实现设计要求，但是由于采用大量模拟器件来组成整个电路系统，系统性能受元器件的影响明显增大，因此，在模拟器件的质量不高时会给整个系统带来较大偏差，这也是这种方案的一个不足之处。

方案3：

用VHDL设计的交通灯控制系统的组成部分有：

秒脉冲发生电路、减计数器、状态控制器、三态门控制电路等。

用VHDL设计虽然组成部分与用数字电路实现差不多，但是，由于用硬件描述语言来描述各电路模块的功能由EDA开发工具直接生成相应的门级逻辑电路的网表，下载到具体的CPLD器件中去，从而实现可编程逻辑器件的专用集成电路设计。

这样减少了模拟器件的使用，使得整个系统的更加电路简单，降低了整个系统对器件性能和质量的依赖，从而提高了系统的稳定性。

用VHDL设计的交通灯控制系统首先由秒脉冲发生电路输出一个秒脉冲，用它来作为减计数器的时钟输入信号。

计数器输出的计数结果输入到状态控制器，由状态控制器来控制主干道、支干道的信号灯的亮与灭以及黄灯的闪烁。

黄灯的闪烁是通过将秒脉冲信号经三态门输出给黄灯来实现的。

综合考虑各个方案的优缺点，在实现交通灯控制系统时采用第3个方案。

其原理方框图如图1.1所示。

图1.1原理方框图

第2章单元电路的设计

2．1秒脉冲电路的设计

秒脉冲电路主要是由分频器构成。

由于实验箱上的石英晶体振荡器产生的频率为32MHZ，因此要想得到一个秒脉冲信号必须要用到分频器。

分频器有两个输入端（一个是时钟输入CLK，另一个是使能输入EN），一个输出端CLK0（即秒脉冲信号输出）。

将输入频率为32MHZ的脉冲信号进行32000000分频就可以得到1HZ的秒脉冲信号。

分频器的工作波形图如2.1所示。

图2.1分频器工作波形图

2.2减计数器的设计

为了满足主干道绿灯亮50秒，支干道绿灯亮20秒，绿灯变红灯时先亮6秒黄灯的要求，计数器的最大值应为82，也就是说，减计数器要设计为一个82进制计数器。

计数器的初值设为81，依次递减一直减到0为止，然后又变为81，一直这样循环计数。

计数器的时钟输入信号由秒脉冲发生电路提供，这样，计数器每计一次数的时间为一秒，计数的周期就为82秒。

输出的计数值送给状态控制器，通过状态控制器来实现各信号灯亮、灭的时间长短。

82进制减计数器的工作波形图如图2.2所示。

图2.182进制减计数器的工作波形图

2.3状态控制器的设计

状态控制器是整个系统的核心，各个信号灯的亮、灭均由它来控制。

交通灯控制系统的设计要求是要求主干道绿灯亮50秒，接着黄灯闪烁6秒，这段时间里支干道一直亮红灯，也即红灯亮56秒。

主干道黄灯闪完后接着支干道亮20秒绿灯，绿灯灭后闪6秒黄灯，在这段时间里主干道亮26秒红灯，支干道黄灯灭后主干道又接着亮50秒绿灯……一直循环下去。

交通灯工作顺序流程图如图2.3所示。

状态控制器就是用来控制各个状态的转换。

图2.3交通灯工作顺序流程图

2.4三态门的设计

三态门有一个数据输入端、一个使能端和一个数据输出端。

当使能输入端输入的信号为‘1’时，数据从输入端传送到输出端；当使能信号为‘0’时，输出呈高阻态，在VHDL语言描述时将高阻态数据‘Z’向输出端赋值。

在本设计中，三态门的输入数据为秒脉冲信号，输出的数据用来控制信号灯黄灯的闪烁。

三态控制门的电路如图2.4.1所示，工作波形图如图2.4.2所示。

在设计中由于有两路黄灯且闪烁的时刻不同，因此设计时用到了两个三态控制门电路，分别控制主干道和支干道的黄灯。

图2.4.1三态控制门电路图

图2.4.2三态门工作波形图

交通灯控制系统的总电路图如图2.4.3所示。

图2.4.3系统总电路图

2.5功能扩展模块的设计

为了实现发挥部分的设计要求，特增加功能扩展模块。

功能扩展模块主要是由一个定时系统组成。

当时间达到晚上十点（即22：

00）时，定时系统发出一个信号去控制信号灯，使得红绿灯熄灭，黄灯闪烁，这种状态一直持续到次日早上七点（即07：

00）。

该模块的总电路图如图2.5.1所示。

图2.5.1扩展模块的总电路图

系统总的仿真波形图如图2.1所示。

图2.1系统总的仿真波形图

第3章软件设计

3．1ISE的介绍

本设计中采用可编程逻辑设计环境XilinxFoundationSeriesISE4.2i进行设计。

ISE是Xilinx公司推出的EDA软件系统。

该系统是一个集成化环境，由项目导航工具（ProjectNavigator）、设计输入工具（Designentrytools）、逻辑综合工具（DesignSynthesis）、设