eda课程设计交通灯控制器的设计.docx
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eda课程设计交通灯控制器的设计
EDA课程设计报告
题 目 交通灯控制器的设计 ﻫ
摘要
交通灯信号控制器通常要实现自动控制和手动控制其红绿灯的变化,基于FＰGA设计的交通灯信号控制器电路简单、可靠性好。
本设计可控制２个路口的红、黄、绿三盏灯．让其按特定的规律进行变化。
利用QuartusⅡ对设计结果进行仿真，发现系统工作性能良好。
据此设计而成的硬件电路，也实现了控制要求。
关键词:
交通灯自动控制手动控制
摘要ﻩ1
１.概述３
１.1课程设计目的ﻩ3
1.3 实验环境3
２.系统总体设计4
２.２系统组成4
３. 系统层次化设计与软件仿真ﻩ5
3．1系统时序发生电路ﻩ5
3.1.2系统时序发生电路ｃlk_gen的仿真输出波形和元件符号6
3.2红绿灯计数时间选择模块７
3.２．1VHＤL源代码:
7
３.3定时控制电路ﻩ8
３.３.１VＨDＬ源代码：
ﻩ9
3.3.２定时控制电路cｏuｎt_dｏwn的仿真输出波形和元件符号ﻩ10
３．4红绿灯信号译码电路10
3.4．2信号译码电路ﻩ１4
3.５ 红绿灯交通控制器顶层电路ﻩ15
3.５.1ＶＨＤＬ源代码:
ﻩ1５
3．5.2交通控制器顶层电路Trａfｆic＿TOP的仿真输出波形和元件符号ﻩ17
4.系统硬件仿真19
5.结论与体会ﻩ21
参考文献２２
１.概述
１.1课程设计目的
此次课程设计是根据《VHDL程序设计》这门课程开设的综合设计课程,要求学生利用VHDL编程语言，基于EDA开发平台Qｕarｔus错误!
未找到引用源。
设计相应的数字系统，通过对系统进行编程、仿真、调试与实现,体验设计的全过程，进一步加深对所学基础知识的理解，培养学生将理论知识应用于实践的能力、学生自学与创新能力和分析解决实际问题的能力。
培养学生设计、绘图、计算机应用、文献查阅、实验研究、报告撰写等基本技能；提高学生独立分析和解决工程实际问题的能力；增强学生的团队协作精神、创新意识、严肃认真的治学态度和严谨求实的工作作风。
１.2课程设计题目及要求
交通灯控制器的设计:
随着各种交通工具的发展和交通指挥的需要,交通灯的诞生大大改善了城市交通状况。
要求设计一个交通灯控制器，假设某个交通十字路口是由一条主干道和一条次干道汇合而成，在每个方向设置红绿黄灯3种信号灯,红灯亮禁止通行,绿灯亮允许通行。
黄灯亮允许车辆有时间停靠到禁止线以外。
在自动控制模式时,主干道（东西）每次放行时间为30s,次干道（南北）每次放行时间为２0s,主干道红灯、次干道黄灯、主干道黄灯、次干道红灯持续时间为５s。
绿灯转为红灯时,要求黄灯先亮5s,才能变换运行车道。
要求交通灯控制器有复位功能,并要求所有交通灯的状态变化在时钟脉冲上升沿处。
１.3 实验环境
软件仿真采用QuartusII6.0；
硬件仿真采用ＫＦH－1型ＣPLD／FPＧA实验开发系统;
２. 系统总体设计
根据设计要求和系统所具有的功能,并参考相关的文献资料，经行方案设计，可以画出如下述所示的交通信号灯控制器的系统流程图与系统框图。
我们选择按照自顶向下的层次化设计方法,整个系统可分为４个模块,系统时序发生电路、红绿灯计数时间选择模块、定时控制电路、红绿灯信号译码电路。
2.2系统组成
其中系统时序发生电路最主要的功能就是产生一些额外的输出信号，它们是为红绿灯信号译码电路提供的频率３9kHｚ的扫描信号，为定时控制电路提供的使能（enａble）控制信号，为红绿灯信号译码电路提供的占空比为５0%的秒闪烁信号;红绿灯计数时间选择模块是负责输出显示器需要的值（即倒数的秒数值）,作为定时控制电路的倒计时秒数，在该模块中可设置东西路口河南北路口的信号灯维持秒数；定时控制电路功能就是负责接收红绿灯计数时间选择模块输出的值（即倒数的秒数值）,然后将其转换成ＢCD码，利用七段显示器显示出来,让新人能清楚的知道再过多久就会变成红灯;红绿灯信号译码电路除了负责控制路口红绿灯的显示外,最主要的功能就是能够利用开关来切换手动与自动的模式,让交警能够通过外部输入的方式指挥交通的，但为了配合高峰时段,防止交通拥挤,有时还必须使用手动红字,即让交警执行指挥交通。
为了系统正常运作，整个控制器采用同步工作方式,由外接信号发生器（该电路的设计可参见本章）提供1Hz的时钟信号CLK。
3.系统层次化设计与软件仿真
EDＡ技术的基本设计方法有电路设计方法和系统设计方法。
电路级设计方法已经不能适应新的形势,本系统采用的是系统级层次设计方法,对整个系统进行方案设计和功能划分,系统的关键电路用一片ＦPＧA芯片实现,首先用ＶHDＬ语言编写各个功能模块程序,最后通过综合器和适配器生成最终的目标器件，然后用顶层原理图将各功能模块连接起来。
下面给出各模块的VＨDL设计过程和仿真结果。
３.1系统时序发生电路
在红绿灯交通信号控制系统中，大多数的情况是通过自动控制的方式指挥交通的。
因此,为了避免意外事件的发生，电路必须有一个稳定的时钟（ｃlock）才能让系统正常工作。
但为了配合高峰时段,防止交通拥挤,有时也必须使用手动可能工资，即让交警能够顺利的指挥交通。
ＣLK＿ｇeｎ电路最主要的功能就是产生一些额外的输出信号，并将其用作后续几个电路的使用（enａｂｌｅ）控制与同步信号处理。
该电路的核心部分就是分频电路,通过对外接信号发生器提供１Hｚ的时钟信号进行1000分频,得到一个周期1ｓ的输出使能信号eｎa_1Ｈｚ（占空比１:
1000）和flａｓh_Hz（占空比1:
１）；102４分频后得到红绿灯信号译码电路所需要的频率为39kHｚ的显示使能信号eｎａ_scaｎ。
３．1．1VＨDＬ源代码：
ＬIＢRARＹIEEE;
USEＩEＥE.ｓtd_loｇic_1１64.ａll;
UＳEＩEEE．ｓtd＿ｌogｉｃ_arｉth.aｌl;
UＳEIEEＥ．ｓtd＿logic＿uｎsignｅd.all；
ENＴITYclk_gｅnIS
Ｐｏrｔ（resｅt:
in std＿logic;
cｌｋ:
insｔd_logic；
ena_scaｎ:
ouｔstd_logｉc;
ena＿１Hz:
oｕtstd＿logic;
ｆlash_1Ｈz:
outstｄ_logｉc）;
end;
AＲCHITECTＵREBEHAVIORofｃｌｋ_ｇｅｎ IＳ
CONSTＡNＴｓcan＿bit:
pｏｓiｔｉve：
=10;
ＣONＳTANＴscan＿val:
positive:
=1０2４;
ＣONSTANTtwo_Ｈz_bit：
ｐｏsiｔive:
=1５;
CＯNSＴAＮTtwｏ＿Hz_vａl：
posｉｔｉvｅ:
=19532;
siｇnａlclｋ_ｓcａn_ff:
ｓtd_logic_vectｏｒ（scａn_ｂit-１dｏwntｏ0）;
ｓigｎal clk_2Hz＿fｆ:
std_lｏｇic_vector（two_Hz_bit-1 ｄoｗnｔo０）；
signaｌ eｎa＿s,ena_one,enａ_two：
sｔd_logic;
begin
scaｎ:
proｃｅsｓ（clk,reset）
bｅｇiｎ
iｆ ｒｅset＝＇1'ｔheｎ
cｌｋ_scaｎ_ff<＝"0000０000０";
eｎa＿s＜＝'０';
ｅｌsif（clｋ＇eｖenｔaｎｄclk='1'）then
ifclk_scan＿ff＞＝scaｎ＿vａｌ-1theｎ
ｃｌｋ＿scan_ff<="0０0００0000";
ｅｎa_s<='1'；
else
ｃlk_sｃan_ff<＝clk_scan_fｆ+1；
enａ_s＜='0'；
eｎdｉf；
eｎdif;
enｄprocesｓ;
ena＿scan<=eｎa_s;
ｔwo_Ｈz：
procｅss（rｅｓet,clk,ｅnａ＿ｓ）
ｂｅgin
if reｓet='1＇thｅｎ
ｅna_ｏne<='0＇;
ena_two<='0';
clｋ_２Ｈz_ff<="0０＂;
elｓif（cｌk'evenｔａndｃlk＝'１＇） theｎ
ｉｆena_s＝＇1'then
ｉｆclｋ_2Hz_ff>=two_Hz_val-1tｈen
cｌk_2Hz＿ｆｆ<="00";
ｅｎa_ｔwo<='１'；
ena＿oｎe<=ｎｏt ena_ｏne;
ｅｌse
clk_2Hｚ_fｆ＜= ｃlk＿2Hz_fｆ+１;
enａ＿tｗo＜＝＇０';
endif;
endif;
endiｆ;
eｎｄ procｅｓs;
eｎa_1Hz<=ena_ｏnｅandena_twｏ ａｎｄ eｎa_s；
flａsh_1Hｚ<=ena_ｏｎe;
ｅndBEHAVIOR；
3.1．２系统时序发生电路clｋ_gｅn的仿真输出波形和元件符号
系统时序发生电路cｌk＿gen的仿真输出波形
图3-1 系统时序发生电路ＣLＫ_ＧEN
3.２ 红绿灯计数时间选择模块
当过马路的时候,绿灯的一方又是会附加一个显示器告诉行人，目前还剩下几秒信号灯将变成红灯。
因此，traffic＿mux电路最主要的功能就是负责输出显示器需要的值（即倒数的秒值数），作为定时控制电路的技术秒数。
该电路的核心部分就是数据选择电路,利用选择语句case_when（单输入,多输出）实现4选1，其选择输入信号sｉgｎ_staｔｅ是红绿灯信号译码电路产生的４种状态信号，状态转换输出表如表３－２所示。
状态sign_statｅ
东西路口
南北路口
时间（s）
00（状态0）
东西路口为通行状态，此时东西路口绿灯亮
南北路口红灯亮
30
０1（状态１）
东西路口为过渡状态,此时东西路口黄灯亮
南北路口红灯亮
５
1０（状态2）
东西路口红灯亮
南北路口为通行状态，此时南北路口绿灯亮
20
11（状态3）
东西路口红灯亮
南北路口为过渡状态，此时南北路口黄灯亮
5
表３-2红绿灯计数时间状态转换表
３.2.1VHDL源代码：
ＬＩBRARYIEEE;
USE IＥＥE.ＳＴD_ＬOＧIC＿11６4.ＡLL;
ＵSEIＥEＥ.STＤ_LＯGIC＿ARITＨ．ALL；
USEIEEE.STＤ_LOＧIC_UNSＩGNED.AＬL;
EＮTITYtraｆｆiｃ＿ｍuxＩS
POＲT（rｅｓｅt,cｌk,ena_sｃａn,rｅcｏｕnｔ：
in std_logic;
sｉgn_ｓｔatｅ：
instｄ_logｉc_vectoｒ（1 downｔo0）；
load:
ouｔｓｔd_logｉc＿vｅctｏr（7downto0））；
end;
ＡRCＨＩTECＴＵREBEHAVIORoftrafｆic＿ｍｕx IS
COＮSＴANT yellow0_tiｍe:
iｎtｅｇｅｒ：
=5;
CONSTANＴgrｅｅn０_tiｍe：
iｎｔeger:
=30;
CONSＴANTｙｅllow１＿ｔime:
ｉｎtｅgｅr：
=5;
ＣONSTANTgrｅｅn1＿ｔiｍe:
inteｇｅr:
=20;
ｂegｉｎ
load_ｔime：
process（ｒｅｓeｔ,ｃlk）
ｂeｇin
ifrｅｓｅt＝'1'then
load<＝"０0０00000"；
elｓｉｆ（ｃlｋ'evenｔ ａnｄclｋ＝'1'） thｅn
ｉｆ（ena_ｓcan='1'aｎd ｒｅcｏｕnｔ＝'１'）then
CAＳEsign＿ｓtａteＩS
WHEN"00"=>load＜＝CONV_STＤ_LOＧIC_VＥCTOＲ（gｒeen０＿time,８）；
ＷHＥN＂０1＂=>load<=CONV_STD＿LOGIC_VＥCＴOR（yelｌow０_ｔｉｍe,8）；
WHEN"10"=>lｏａd<=CＯＮV_STD＿ＬOＧIＣ_VEＣTOR（ｇreen1_tｉme,8）;
WHEN OＴHERS=>loaｄ<=ＣＯNＶ＿ＳTD_ＬOGＩC＿ＶＥCＴOR（yellow1_tｉme,8）;
EＮＤＣASE;
EＮDIF;
ＥND IF;
ＥNDPＲOＣESＳ;
ENＤBＥHＡVIOR;
３．2.2计数时间选择模块traffic_ｍux的仿真输出波形和元件符号
计数时间选择模块trａfｆic＿mux的仿真输出波形
3．3定时控制电路
该电路的核心部分是可置数的减法计数器电路和七段译码输出显示电路。
可置数的减法计数器电路是利用ｉf_thｅn_elｓe语句完成,两位七段译码输出显示电路则利用cａse_wｈen语句通过查表的方式构成。
3．3.１VHDL源代码:
ＬIＢRＡRYIEＥE;
ＵSEIEＥE.stｄ_loｇic_１164．all;
UＳEIＥEＥ.std＿lｏgｉc_arｉth．aｌl;
ＵSEＩEＥE.ｓtd＿ｌogic_uｎｓｉgnｅｄ.aｌｌ;
ENTITYcount_downIS
Ｐort（reseｔ,cｌk,eｎa_1Ｈｚ,ｒecounｔ:
instd_ｌogｉc;
ｌoad:
instd_logic_vｅctｏr（7downto ０）;
seｇ7:
oｕｔ sｔd_lｏgiｃ＿veｃｔoｒ（15doｗｎto0）;
ｎeｘt_state:
outstd＿lｏｇic）;
eｎd;
ＡRCHＩTECTUREBEHAVIORｏfｃｏunt＿downIS
signalcｎt_ff：
std_loｇic_vecｔor（7dｏwｎｔo 0）;
bｅgｉn
counｔ：
ｐrocess（ｃｌk,rｅsｅt）
bｅgin
if（rｅsｅｔ='1＇）tｈｅn
cnt＿ff<=＂０0000000＂;seg7<＝"０0000"；
elsif（ｃlｋ'ｅvenｔand clｋ＝＇１'）then
ifeｎa_1Hｚ=＇1'theｎ
iｆ（recoｕｎt＝'1'）then
cnt_ff<=ｌｏａd-1；
elｓe
cｎｔ_ｆf＜=cnt_ｆｆ-１;
enｄｉf;
eｎｄｉｆ;
casecoｎｖ＿ｉnteger（cnｔ＿fｆ）ｉs
ｗhｅn0=>ｓｅg7（１5dｏwnｔo 0）＜=＂11111";
when１=>sｅg７（15 ｄowntｏ0）<="０0１10";
ｗhｅn2=>seg7（15dｏwｎtｏ0）＜＝"11011＂;
whｅn3=>seg7（15 dｏwntｏ０）＜="01111";
when4=＞ｓeg7（15ｄoｗnｔo0）<＝＂00110";
when5＝>seg７（１5downto0）<＝＂0１101";
when6=＞seg7（15downto 0）<="11101"；
when7＝>seg7（15dowｎtｏ０）<="０0111";
wheｎ ８=＞ｓｅg7（15downｔo0）<="1１１1１"；
whｅn9=>ｓeg7（15downｔｏ ０）<=＂0１１11"；
ｗhｅｎ１0=＞ｓeg7（１5 ｄowntｏ0）<="11111";
wｈen11=>seg7（1５doｗnｔo ０）<＝"００110"；
when12=>seg7（15downｔo0）＜＝"110１１";
wheｎ13=>seg７（１5 ｄｏwｎto0）＜=＂０１1１1";
when14=>seg7（15 downｔｏ0）<="00110";
ｗhｅｎ 15＝>seg7（15dｏwnto 0）＜＝"0１1０1";
when１6＝＞seg７（１5downｔo0）<="11１01";
wｈeｎ 17=>ｓeg7（1５ downｔｏ0）＜＝"0０１１１＂；
ｗheｎ18=＞ｓｅg7（1５dowｎto ０）＜="11１11＂；
ｗheｎ１9=>seg７（1５doｗnto ０）<="01111＂;
whｅn２0=＞sｅg７（15ｄoｗntｏ 0）<="１11１1";
whｅn2１=>seg7（15 doｗnto0）<＝"0011０＂；
when２2=＞seg7（1５ｄoｗnto0）<="１10１1";
when２3=>seｇ7（１5dｏwｎto0）＜=＂01１11";
ｗhen24＝>seｇ7（1５dｏwｎｔo０）<＝＂00１１0";
wheｎ25=＞seg7（１５ｄｏwnto0）＜="01101";
when26=＞seg7（15doｗnｔo0）<＝"１1101";
wｈen27＝＞sｅg７（１５ｄｏwｎto0）<=＂0０111＂;
wｈen28=>seｇ7（１5 ｄownto０）＜＝"1１１１1";
ｗheｎ２9＝>seg7（1５ dowｎto 0）<=＂01111＂;
wｈen３0=＞seg7（15downto0）<=＂11１11";
whｅn31=>seｇ7（15dowｎto０）＜="0011０";
when 32=>seg7（１5ｄｏwnto0）<="１１011＂;
wｈｅｎ33=>seｇ7（15ｄoｗnto0）<="０111１";
whｅn3４=>ｓeg７（１5ｄoｗnｔo０）<="00110";
whｅn35=>seg７（15 doｗnto0）<=＂０1101";
when 36＝>seｇ7（15 doｗnto０）<="1１101";
when 37＝>seｇ7（15downｔo0）<="00１11";
wｈen 3８=＞seｇ7（１5 dｏwｎｔo0）<="11１１1";
when３9=＞ｓeg7（１5 downto0）＜="011１1＂;
whenotheｒｓ=>seg７（１5 dowｎto0）<=＂11111";
end case;
endif;
endｐｒoｃess;
next_state<='1'ｗhencnｔ_ｆｆ=1elｓe'0'；
enｄＢEHAVIOR;
3.３.2定时控制电路count_doｗｎ的仿真输出波形和元件符号
定时控制电路ｃoｕｎt_ｄown的仿真输出波形
3.4 红绿灯信号译码电路
在红绿灯交通灯信号系统中，大多数的情况是通过自动控制的方式指挥交通的。
但为了配合高峰时段，防止交通拥挤,有时还必须使用手动控制,即让交警自行指挥交通。
因此，ｔraffic_fsm电路除了负责监控路口红绿灯之外,最主要的功能就是能够利用开关来切手动与自动的模式,让交警能够通过外部输入的方式来控制红绿灯信号系统的运作。
输出信号:
recount（产生重新计数的输出使能控制信号）、sｉgn＿ｓtate（产生的输出状态信号共2位，4种状态）、ｒed（负责红灯的显示，共２位，4种状态）、ｇreｅｎ（负责绿灯的显示,共２位,4种状态）、yellloｗ（负责黄灯的显示，共2位,4种状态）。
设南北路口红黄绿3色灯为r0、y0、g0,东西路口的红黄绿3色灯为r1、y1、g1,自动操作模式和手动操作模式信号灯显示的真值表如表３－2、表3-3所示。
信号灯显示的真值表
CLK
reset
ena＿1ｈz
next_staｇe
stａｔｅ状态
sigｎ_stagｅ
reｃouｎt
liｇｈt
state１
1
X
X
r0g1
00
1
0100１0
stａtｅ2
0
１
1
r０g1->ｒoｙ1
0１
1
０110００
0
1
0
r０g1
０0
0
0１0０10
sｔａte3
0
1
1
r0y１－＞g0r1
10
1
100001
0
1
0
ｒ0ｙ1
0１
0
01100０
ｓtaｔｅ4
０
１
１
g0ｒ1->y0r１
11
1
10０1０0
0
1
0
ｇ０r1
10
０
10０001
sｔａte5
0
１
1
y0r1->ｒ0g1
00
1
０10010
0
1
0
ｙ0ｒ1
11
0
100１00
state6
０
1
1
oｔhers
0０
0
110000
表中定义了一些进程（process）间整体共享的电路内部传递信号，以整合所有功能,它们是：
sｔａte信号（设定红绿灯电路的状态,在该程序里定义8种状态）、sｔ_trａnsｆer（在手动模式下判断是否转态的控制信号）、lｉgｈt[5：
0]（在自动模式下该信号为是否转态的控制信号,其位数从高到低分别表示red1、ｒed0、yｅｌlow1、yelloｗ0、green１、ｇｒｅeｎ０）。
3.4.１VＨＤL源代码:
LIBRAＲYIＥEE;
USE IEEE．ｓtd_ｌogic＿1１64.all;
USEIEEE.std_logic_ａritｈ.aｌl;
USEＩＥEE.ｓｔd＿logic_unsigneｄ.alｌ；
EＮTITYtｒaｆfｉc_CONＩS
Port（rｅsｅt,ｃlｋ,enａ_ｓcaｎ,ｅna＿１Hz,ｆlａｓｈ_1Ｈz，a_ｍ,sｔ_butt,next_sｔaｔe:
iｎstd_logｉc;
recｏunｔ:
oｕｔstd_logｉc;
sign_state:
outstd_logic_vｅｃｔoｒ（1ｄownto0）;
red:
ｏuｔstd_loｇic＿vector（１dowｎｔo 0）；
gｒeen:
outｓtｄ_logic_vｅcｔor（1downto0）;
yellｏw：
oｕtstd_logic_ｖeｃtｏr（１dowｎｔo0））；
ｅnｄ;
ARＣHITECTUＲEBEＨＡVＩＯRｏｆ traffｉc_ＣONIＳ
ｔyｐeSreg0_tｙpeｉs（r0g1,r0ｙ1,g0r1,y０r１，y0ｙ１,y0ｇ1,g0y1,r0r1）；
ｓiｇnalstaｔe:
Ｓrｅg0_type;
ｓignalｓt_transfer:
std_loｇiｃ;
signaｌlｉghｔ:
sｔd＿logic_veｃtoｒ（５downtｏ0）；
ｂeｇin
rebounce:
pｒocess（reseｔ,cｌk，eｎa＿sｃan,st_butt）
vａrｉableｒebn_fｆ:
std_logic_ｖeｃtｏｒ（5dｏwnto0）;
bｅgin
if（st_buｔt＝＇1＇ orｒeseｔ='1'）thｅn
rebn_ｆf:
=＂１1１111＂;st_traｎsfer<＝'0＇;
elsif（ｃｌk'event and
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