苏州市职业大学eda交通灯控制系统毕业论文设计.docx

1、苏州市职业大学eda交通灯控制系统毕业论文设计苏州市职业大学eda交通灯控制系统毕业论文设计 苏州市职业大学eda交通灯控制系统毕业论文设计 苏州市职业大学电子信息工程学院实训报告 目 录 绪论- 1 - 摘要- 2 - 【EDA】- 2 - 【交通灯控制系统】- 2 - 【硬件仿真】- 2 - 第一章 EDA 技术- 3 - 1.1 EDA技术简介- 3 - 1.2 EDA应用- 3 - 1.3 EDA技术设计方法- 3 - 1.3.1由底向上（Bottom-up）的设计方法- 3 - 1.3.2自顶向下（Top-down）的设计方法- 3 - 第二章交通灯控制系统简介- 5 - 2.1交通

2、灯控制系统的应用场合- 5 - 2.2交通灯控制系统的系统构成- 5 - 2.3交通灯控制系统的作用- 6 - 第三章 交通灯控制系统的设计- 7 - 3.1设计目的- 7 - 3.2设计要求- 7 - 3.2.1基本要求- 7 - 3.2.2附加要求- 7 - 3.3设计思路- 7 - 3.4设计流程图- 8 - 3.5、器件下载编程与硬件实现- 9 - 3.6设计步骤- 10 - 3.7实验结果及波形图- 10 - 3.7.1软件仿真图- 10 - 3.7.2硬件仿真- 11 - 第四章课程实训总结- 14 - 附录:- 15 - 参考文献- 18 - 绪论 电子设计自动化（EDA）是近几

3、年迅速发展起来的计算机软件、硬件和微电子技术交叉形成的现代电子设计技术，其含义已经不局限于在当初的类似Protel电路版图设计自动化的概念，目前EDA技术更多的是指芯片内部的电路设计自动化。 也就是说，开发人员完全可以通过自己设计电路来定制其芯片内部的电路功能，使之成为专用集成电路芯片，这就是当今的用户可编程逻辑器件（PLD）技术。 试验目的:随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。 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

4、部分。 所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。 研究设想:根据主干道与支干道的交通流量不同，实际交通的需要，设定各个干道上红绿灯的闪亮时间不同。 以达到合理分配交通时间，优化交通设计，减少事故的发生。 实验设计:本设计采用较为广泛的EDA技术，应用Verilog HDL硬件电路描述语言，实现交通灯系统控制器的设计。 预期结果应该能够满足主干道与支干道分配时间不同，规范交通秩序。 EDA技术就是以计算机为工具，设计者在EDA软件平台上，用硬件描述语言VHDL完

5、成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。 EDA技术的出现，极大地提高了电路设计的效率和可操作性，减轻了设计者的劳动强度 下面我们将利用EDA技术进行软件和硬件仿真，设计出交通灯的控制电路和交通灯的控制系统，从现实实例中展现出交通灯的应用。 摘要 【EDA】 EDA是电子设计自动化（Electronic Design Automation）的缩写，在20世纪60年代中期从计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）的概念发展而来的。

6、【交通灯控制系统】 路口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。 路口交通灯控制系统的东西路有交通灯R(红)、Y(黄)、G(绿)；东西人行安全通道灯：RXR(红)、RXG(绿)。 南北路有交通灯：(红)、(黄)、(绿)；南北人行安全通道灯：rxr1(红)、rxg1(绿)，所有灯均为高电平点亮。 设置通行时间和转换时间的变模定时电路，由预置输入整数cnt决定，输入逻辑cx是用来决定计数清零。 Clk是外部提供的基准秒脉冲信号。 【硬件

7、仿真】 在进行硬件测试时，按键k1对应复位端reset，按键k2对应紧急开关urgent。 EDA实验开发系统上的时钟cp2对应计数时钟CLK，数码管M3、M4对应东西走向的时钟显示。 LED灯l16、l15、l14对应东西走向的绿灯G1、黄灯Y1、红灯R1。 数码管M1、M2对应南北走向的时钟显示。 LED灯l1、l2、l3对应南北走向的绿灯G2、黄灯Y2、红灯R2。 第一章 EDA 技术 1.1 EDA技术简介 EDA是电子设计自动化(Electronic Design Automation)的缩写，在20世纪90年代初从计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助测试(

8、CAT)和计算机辅助工程(CAE)的概念发展而来的。 EDA技术就是以计算机为工具，设计者在EDA软件平台上，用硬件描述语言HDL完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。 1.2 EDA应用 EDA技术在教学、科研、产品设计与制造等方面都发挥着巨大的作用。 在教学方面，几乎所有理工科院校的电子信息类专业都开设了EDA课程，主要目的是让学生了解EDA的基本概念和基本原理，掌握用HDL语言编写规范的程序，掌握逻辑综合的理论和算法，使用EDA工具进行电子电路课程的实验并进行简单系统的设计，为今后

9、工作打下基础。 在科研方面，主要利用电路仿真工具（EWB或Pspice）进行电路设计与仿真，利用虚拟仪器进行产品测试，将CPLD/FPGA器件实际应用到仪器设备中，从事PCB设计和ASIC设计等。 1.3 EDA技术设计方法 1.3.1由底向上（Bottom-up）的设计方法 自底向上法是根据系统功能要求，从具体的器件、逻辑部件或者相似系统开始，凭借设计者熟练的技巧和丰富的经验通过对其进行相互连接、修改和扩大，构成所要求的系统。 该方法是从底层即具体元件开始的，实际上无论是取用已有的模块还是自行设计电路，其设汁成本和开发周期都优于自顶向下法；但由于设计是从最底层开始，所以难以保证总体设计的最佳

10、性，例如电路结构不优化、能够共用的器件没有共用。 1.3.2自顶向下（Top-down）的设计方法 自顶向下的设计方法利用功能分割手段，将设计由上到下进行层次化和模块化分割，即对系统进行分层次(总系统层、子系统层、功能块层、电路逻辑块层等)设计和仿真。 功能分割时，将系统功能分解为功能块，功能块再分解为逻辑块，逻辑块再分解为更小的逻辑块和电路元件，如此分割逐步地将设计细化，将功能逐步具体化、模块化。 这种设汁是逐渐逼近于具体电路的。 图1-1自顶向下的设计方法 图1-2数字系统结构框图 第二章 交通灯控制系统简介 随着社会的发展，车辆越来越多，交通事故的发生已经严重的影响到了百姓的安全。 所以

11、，交通灯的出现已经极大力度的减少了事故的发生，交通灯在生活中已经变得越来越重要，严格的遵守交通灯的指挥，可以维持公共交通秩序，为国民的生活提供保障。 然而交通灯的设计也是比较繁琐的，所以利用EDA技术可以十分有效的设计出交通灯的控制系统。 2.1交通灯控制系统的应用场合 随着现在车辆的增多，不少车辆违法行驶，严重影响交通秩序，因此交通灯一般大多数应用在以下路口。 A、 十字路口 B、 人流量比较大的路口 C、车辆行驶比较多的路口 D、车辆多、发生堵车的情况等 2.2交通灯控制系统的系统构成 路口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

12、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。 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东西路有交通灯R(红)、Y(黄)、G(绿)；东西人行安全通道灯：RXR(红)、RXG(绿)。 南北路有交通灯：r1(红)、y1(黄)、g1(绿)；南北人行安全通道灯：rxr1(红)、rxg1(绿)，所有灯均为高电平点亮。 设置15s的通行时间和5s转换时间的变模定时电路，由预置输入整数cnt决定是模15还是模5，输入逻辑cx是用来决定计数到4时清零还是到14时清零。 Clk是外部提供的基准秒脉冲信号。 x

13、0、x1、x2、x3是由控制器输出的表示计数时间的四位二进制数。 一般情况下，当汽车行驶至十字交通路口时，有3种选择: 向前，向左转弯，向右转弯。 根据我国的交通规则规定，汽车是靠右行驶，向右拐弯只要走弧形的支干道即可，不需受十字交通灯的束缚。 因此，本文主要考虑前行和左转这两种 情况。 十字路口交通灯负责控制各走向红绿灯的状态及转换，并且各状态之间有一定的时间过渡。 同时，东西南北每条干道上都为人行横道设置了红绿灯,提醒行人在安全时刻穿越道路以保证行人的安全。 2.3交通灯控制系统的作用 交通灯控制系统的作用主要是实现城市十字交叉路口红绿灯的控制。 在现代化的大城市中，十字交叉路口越来越多，

14、在每个交叉路口都需要使用红绿灯进行交通指挥和管理，红、黄、绿灯的转换要有一个准确的时间间隔和转换顺序，这就需要有一个安全、自动的系统对红、黄、绿灯的转换进行管理，本系统就是基于此目的而开发的。 如下图所示： 2-1十字路口交通管理信号灯 第三章 交通灯控制系统的设计 3.1设计目的 1、掌握数字系统的设计流程。 2、掌握利用原理图与VHDL混合设计数字系统的方法。 3、掌握交通灯的设计原理与设计实现。 3.2设计要求 3.2.1基本要求 1、 能显示十字路口东西、南北两个方向的红、黄、绿灯的指示状态，用两组红、黄、绿三色灯作为两个方向的红、黄、绿灯； 2、 南北向为主干道，每次通行时间为25S

15、，东西向为支干道，每次通行时间为15S； 3、 能实现正常的倒计时功能，用两组数码管作为东西、南北向的倒计时显示。 其中，黄灯：5S。 4、 能实现特殊状态的功能。 按下SP键后，能实现以下特殊功能： （1）显示倒计时的两组数码管闪烁； （2）计数器停止计数并保持在原来的状态； （3）东西、南北路口均显示红灯状态； （4）特殊状态解除后能继续计数； 5、 能实现全清零功能。 按下reset键后，系统实现全清零，计数器由初状态计数，对应状态的指示灯亮； 6.、用VHDL语言设计上述功能的交通灯控制器，并用层次化方法设计该电路； 7、 仿真、验证设计的正确性。 3.2.2附加要求 1、时钟输入：c

16、lkin=2KHz 2、采用分频器分成：1Hz，然后提供给系统 3.3设计思路 交通灯控制器的电路控制原理框图如图1所示，主要包括置数器模块、定时计数器模块、主控制器模块和译码器模块。 置数器模块将交通灯的点亮时间预置到置数电路中。 计数器模块以秒为单位倒计时，当计数值减为零时，主控电路改 红 绿 黄 主控制器 显示器 译码器 置数器 定时计数器 特殊状态 清零 红 绿 黄 图3-1 电路控制原理框图 变输出状态，电路进入下一个状态的倒计时。 核心部分是主控制模块。 表3-1状态图 状态 主干道 支干道 时间/S 00 绿灯亮 红灯亮 20 01 黄灯亮 红灯亮 5 10 红灯亮 绿灯亮 10

17、 11 红灯亮 黄灯亮 5 交通灯控制器的电路控制原理框图如图3-1所示，主要包括置数器模块、定交通灯控制器的电路控制原理框图如图3-1所示，主要包括置数器模块、定时计数器模块、主控制器模块和译码器模块。 置数器模块将交通灯的点亮时间预置到置数电路中。 计数器模块以秒为单位倒计时，当计数值减为零时，主控电路改变输出状态，电路进入下一个状态的倒计时。 核心部分是主控制模块。 具体控制情况见上表3-1。 3.4设计流程图 由以上要求可以得到该系统的程序流程图如图3-2所示。 其中，GA、RA、YA表示A支路的绿灯、红灯、黄灯，GB、RB、YB表示B支路的绿灯、红灯、黄灯，S表示特殊功能按键，T表示

18、计时的时间。 图3-2交通灯设计控制电路流程图 3.5、器件下载编程与硬件实现 在进行硬件测试时，按键k1对应复位端reset，按键k2对应紧急开关urgent。 EDA实验开发系统上的时钟cp2对应计数时钟CLK，数码管M3、M4对应东西走向的时钟显示。 LED灯l16、l15、l14对应东西走向的绿灯G1、黄灯Y1、红灯R1。 数码管M1、M2对应南北走向的时钟显示。 LED灯l1、l2、l3对应南北走向的绿灯G2、黄灯Y2、红灯R2，对应的硬件结构示意图如图3-3所示。 图3-3交通灯控制系统的硬件示意图 图3-4硬件结构图 3.6设计步骤 1、启动Quarrtus软件； 2、单击菜单栏

19、中的File/New命令，打开New对话框，选择Device Design Files中的Block Diagram/Schematic，打开图形编辑窗口； 3、右击鼠标，弹出菜单，点击“Insert/Symbol”,画一个图形保存，同时创建一个工程； 4、在同一个工程下，单击菜单栏中的File/New命令，打开New对话框，选择Device Design Files中的VHDL Files，输入实训的源程序； 5、单击菜单栏中的ProcessStart Compilation命令，启动全程编译； 6、编译后加载源程序的Symbol; 7、画出实训的原理图，通过两组交通灯来模拟控制东西、南北两

20、条通道上的车辆通行,所有功能在实验操作平台上进行模拟通过。 8、进行仿真，建立波形文件，单击File/New命令，打开文件选择窗口，然后单击“Other Files”选项卡，选择其中的“Vector Waveform File”选项； 9、输入信号节点，单击ViewUtility WindowsNode Finder命令，添加端口引脚名； 10、指定芯片管脚，单击菜单栏中的AssignmentsPin，打开芯片管脚对话框。 3.7实验结果及波形图 3.7.1软件仿真图 图3-5软件仿真波形 3.7.2硬件仿真 在QuartusII软件中，通过对所设计的硬件描述语言代码进行波形仿真后，达到了预期

21、效果，于是，我们在该软件上进行下载配置设置。 在Assignments菜单下选中Devices，在Family栏选择ACEX1K，选中EPF10K10LC84-4器件。 再在Assignments菜单下选中Pins按照相应要求对管脚进行锁定。 最后在Tools菜单下，选中Programmer，对配置方式进行设置，这里选择Passive Seril(PS)被动串行模式。 选择好要下载的硬件设备后点击Start即可开始编程下载了。 图3-6制定芯片管脚 硬件仿真结束后，在实验箱上显示出结果如下图： 第四章 课程实训总结 通过这次课程设计，我进一步加深了对电子设计自动化的了解。 并进一步熟练了对Qu

22、artusII软件的操作。 在编写程序的过程中，遇到了很多问题，使我发现自己以前学习上存在的不足。 通过与同学探讨和请教老师，终于把问题都解决了，并加深了对交通灯原理和设计思路的了解。 同时也掌握了做课程设计的一般流程，为以后的设计积累了一定的经验。 做课程设计时，先查阅相关知识，把原理吃透，确定一个大的设计方向，在按照这个方向分模块的把要实现的功能用流程图的形式展示。 最后参照每个模块把输入和输出引脚设定，运用我们所学的VHDL语言进行编程。 总之，通过这次的设计，进一步了解了EDA技术，收获很大，对软件编程、排错调试、相关仪器设备的使用技能等方面得到较全面的锻炼和提高。 我重新认识了QUA

23、RTUS II软件和EDA芯片。 对大二所学的 EDA课程又重新温习了一遍，特别是VHDL语言的编程，好久没有接触到，遗忘了很多。 看起来很平常的十字路口交通灯，真正要自己去设计，还是有一定的困难的。 里面还涉及到了一定的生活常识，比如主干道的绿灯点亮时间要比支干道的多，而且黄灯的点亮是在绿灯过渡到红灯的时候出现，还有黄灯不是一直亮，是闪烁的，每一个细节都有可能影响整个系统的成败。 一个简单的系统不仅仅需要课本知识，还有许多的生活常识也涉及到了。 本次课程设计不仅让我们将所学的课本知识温故了一遍，并且很好的开阔了一下我们的视野，培养了我们的综合素质。 在编写程序的过程中，遇到了很多问题，使我发

24、现自己以前学习上存在的不足。 通过与同学探讨和请教老师，终于把问题都解决了，并加深了对交通灯原理和设计思路的了解。 同时也掌握了做课程设计的一般流程，为以后的设计积累了一定的经验。 做课程设计时，先查阅相关知识，把原理吃透，确定一个大的设计方向，在按照这个方向分模块的把要实现的功能用流程图的形式展示。 最后参照每个模块把输入和输出引脚设定，运用我们所学的VHDL语言进行编程。 总之，通过这次的设计，进一步了解了EDA技术，收获很大，对软件编程、排错调试、相关仪器设备的使用技能等方面得到较全面的锻炼和提高。 在此，感谢给我提供帮助的老师和同学。 附录 源程序： -ledcontrol.vhd -

25、 17 - library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; use ieee.std_logic_unsigned.all; entity ledcontrol is port(reset,clk,urgen :in std_logic; state :out std_logic_vector(1 downto 0); sub,set1,set2 :out std_logic); end ledcontrol; architecture a of ledcontrol is signal count:std_logic_vector(6 downto 0)

26、; signal subtemp:std_logic; begin sub科学出版社，2002 2 焦素敏.EDA应用技术.北京：清华大学出版社，2005 3 江国强.EDA技术与应用.北京：电子工业出版社，2005 4 金西.VHDL与复杂数字系统设计.西安：西安电子科技大学出版社，2003 5 谭会生.EDA技术综合应用实例与分析.西安：西安电子大学科技出版社，2007 6 尹常永.EDA技术与数字系统设计.西安：西安电子科技大学出版社，2007 7 顾斌.数字电路EDA设计.西安：西安电子科技大学出版社，2007 8 林明权.VHDL数字控制系统设计范例.北京：电子工业出版社，2005 9 王振红.VHDL数字电路设计与应用实践教程.北京：机械工业出版社，2003 - 19 -