完整版交通灯控制器毕业设计Word格式.docx

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VHDL;

simulation

引言1

1概述2

1.1交通灯的背景2

1.2交通灯的研究目的3

2EDA技术的介绍4

2.1EDA技术4

2.1.1EDA技术的发展....4

2.1.2EDA技术与传统电子设计方法的比较....4

2.2VHDL5

2.3MAX+PLUSⅡ..6

2.4CPLD..7

3交通灯控制系统工作原理8

3.1设计方案及论证8

3.2具体设计及模块划分9

3.3工作原理10

3.4交通灯工作示意图9

4系统设计11

4.1顶层电路设计......................................11

4.2交通灯主要控制模块................................11

4.3定时单元以及显示控制、译码电路....................3

4.4各模块及整体仿真结果..............................3

5硬件验证.........18

总结.19

致谢.20

参考文献21

附录A英文文献22

附录B各模块源程序29

附录C硬件实物图38

引言

城市交通是城市活动的重要组成部分，犹如人体的动脉，维系着整个城市的正常运转。

随着人口的增多、科技的进步和城市规模的扩大，交通方式由原来简单的车马舟船，演变为现在的火车、汽车、地铁、飞机等各种综合型的运输方式。

交通作为现代城市的重要体现和标志，见证着每一个城市的历史与文明、发展与兴衰。

随着城市经济的飞速发展、城市化进程的加快，大量的人口涌入城市，造成市区人口稠密，社会经济发展、城市化和机动化进程的加快，使许多中心城市的交通在飞速发展的同时也对交通设施的建设提出了更高的要求。

以前普通的交通控制器能根据事先给定的时间进行通道的通禁控制，以达到自动控制的目的，但由于如今车辆的迅速增多，给城市交通增加了严重的负担，而交通灯在其中正扮演着越来越重要的角色。

因此，要求寻找一种可以随时针对通道上车辆的密集程度来控制和调节主支干道的通禁时间，从而减少不合理的堵车现象的发生。

目前EDA技术发展迅速，是由于EDA技术主要是依靠功能强大的电子计算机，在EDA工具软件平台上，对以硬件描述语HDL（HardwareDescriptionLanguage）为系统逻辑描述手段完成的设计文件，自动地完成逻辑编辑、化简、分割、综合、优化和仿真、直至下载到可编程逻辑器件CPLDFPGA或专用集成电路ASIC（ApplicationSpecificIntegratedCircuit）芯片中，实现既定的电子电路设计功能[1]。

EDA技术使得电子电路设计者的工作仅限于利用硬件描述语言和EDA软件平台来完成对系统硬件功能的实现，极大地提高了设计效率，缩短了设计周期，节省了设计成本[2]。

实现路口交通灯系统的控制方法很多，可以用标准逻辑器件，可编程控制器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，实现交通灯系统控制器的设计，利用MAX+PLUSⅡ集成开发环境进行综合、仿真,并下载到CPLD复杂可编程逻辑器件中，完成系统的控制作用。

1概述

1.1交通灯的背景

早在1850年，城市交叉口处不断增长的交通就引发了人们对安全和拥堵的关注。

世界上第一台交通自动信号灯的诞生，拉开了城市交通控制的序幕，1868年，英国工程师纳伊特在伦敦威斯特敏斯特街口安装了一台红绿两色的煤气照明灯，用来控制交叉路口马车的通行，但一次煤气爆炸事故致使这种交通信号灯几乎销声匿迹了近半个世纪。

1914年及稍晚一些时候，美国的克利夫兰、纽约和芝加哥才重新出现了交通信号灯，它们采用电力驱动，与现在意义上的信号灯已经相差无几。

1926年英国人第一次安装和使用自动化的控制器来控制交通信号灯，这是城市交通自动控制的起点。

早期的交通信号灯使用“固定配时”方式实行自动控制，这种方式对于早期交通流量不大的情况曾起过一定的作用。

但随着汽车工业的发展、交通流量增加、随机变化增强，采用以往那种单一模式的“固定配时”方式已不能满足客观需要，于是一种多时段多方案的信号控制器开始出现并逐步取代了传统的只有一种控制方案的控制器。

除了多时段多方案定时控制的使用，为了避免各交叉路口之间“各自为政”的孤立控制方式对交通流造成的频繁停车，还必须把相邻的交叉路口作为一个系统来统一地加以控制。

1928年，上述系统经过改进，形成“灵活步进式”定时系统；

由于它简单、可靠、价格便宜，很快在美国推广普及。

这种系统以后不断改进、完善，成为当今的协调控制系统。

20世纪30年代初，美国最早开始用车辆感应式信号控制器，之后是英国，当时使用的车辆检测器是气动橡皮管检测器。

车辆感应控制器的特点是它能根据检测器测量的交通流量来调整绿灯时间的长短，使绿灯时间更有效地被利用，减少车辆在交叉口的时间延误，比定时控制方式有更大的灵活性。

车辆感应控制的这一特点刺激了车辆检测器技术的发展。

继气动橡皮管式检测器之后，雷达、超声波、光电、地磁、电磁、微波、红外以及环形线圈等检测器相继问世。

当今在城市道路交通自动控制、交通监测和交通数据采集系统中，应用最广的是环形线圈车辆检测器。

超声波检测器主要在日本等少数国家得到广泛应用。

计算机技术的出现为交通控制技术的发展注入了新的活力，1952年，美国科罗拉多州丹佛市首次利用模拟计算机和交通检测器实现了对交通信号机网的配时方案自动选择式信号灯控制，而加拿大多伦多市于1964年完成了计算机控制信号灯的实用化，建立了一套由IBM650型计算机控制的交通信号协调控制系统，成为世界上第一个具有电子数字计算机城市交通控制系统的城市。

这是道路交通控制技术发展的里程碑。

伴随着城市交通信号控制系统的迅速发展。

人们认识到，要更好地提高城市管理水平，不仅仅依靠硬件设备的更新和改进，还必须同时在控制逻辑和方法上有所突破，即城市交通的区域协调控制。

传统的城市道路交通控制指的是区域交叉口信号灯控制，而城市交通的区域协调控制，是在整个城市范围内对交通进行控制，这无论是从理论角度还是实践角度，都是一个极其复杂的大系统控制问题。

国外对城市区域交通控制的研究，开始于20世纪60年代初。

1967年，英国运输与道路实验室（TRRL）成功开发出TRANsYT（TraffioNetworkStudyTools）交通控制系统，后来又在TRANsYT的基础上开发了SEOOT（SplitCyeleandOffsetOPtimizationTechnique）系统。

澳大利亚在70年代末也开发了基于配时方案实时选择方法来实现路网协调控制的SCAT（SydneyCoordinatedAdaptiveTrafficMethod）系统。

这些系统己经在西方国家的城市网络交通中取得了成功的应用。

进入20世纪80年代后期，随着城市化进程的加快和汽车的普及，城市交通拥挤、阻塞现象日趋恶化，由此引发的事故、噪声和环境污染己成为日益严重的社会问题，交通问题成为困扰世界各国的普遍性难题。

人们对交通系统的规模复杂性和开放性特征有了更深一层的认识，并开始意识到单独考虑车辆或道路方面很难从根本上解决交通拥挤现象，只有把路口交通流运行与信号控制的藕合作用综合考虑，且赋以现代的各种高新技术方可彻底消除有关问题。

于是，智能交通系统（ITS）应运而生，并得到迅猛发展。

除在技术和功能上得到增强和完善的SCOOT和SCATS以外，STREAM、ITACA、MOTION、RT-TRACS、SURFZ000、PRODYN和UTOPIA等新一代城市交通控制系统相继推出并投入应用。

目前城市交通控制研究的新发展主要体现在城市交通网络的各个方面:

区域交通信号灯和城市快速公路匝道口的新的控制方法上；

实现区域和快速公路的集成控制；

采用动态路由导航与交通网络控制结合以实现先进车辆控制系统AvcS为主的智能交通系统（ITS）；

以实现先进交通管理系统ATMS和先进驾驶员信息系统ATIS为主的城市多智能体交通控制系统；

以及一些辅助的交通策略如道路自动计费、公共交通优先等。

可以说，在近百年的发展中，道路交通信号控制系统经历了无感应控制到有感应控制、手动控制到自动控制再到智能控制、单点控制（点控）到干线控制（线控）再到区域控制和网络控制（面控）的过程。

1.2交通灯的研究目的

不同的城市存在着不同的城市问题，但其中有一个共同的问题就是城市交通。

在交叉路口如何解决混合交通流中的相互影响，就是解决问题的关键所在。

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，道路上的车辆越来越多，使得城市的交通成为了一个主要的问题。

严重的拥堵现象，逐渐恶化的城市环境，都给广大市民带来了许多困扰。

可想而知，一个没有交通灯的社会将是何种样子，那必将是交通秩序混乱，人们的出行安全没有了任何保障，社会秩序也必将混乱不堪。

但是以前的交通灯系统根本无法满足现在社会的需求，所以需要运用更新的技术来设计。

本次设计是通过设计交通灯控制器，了解EDA技术，掌握VHDL硬件描述语言的设计方法和思想，巩固和综合运用所学过的计算机组成原理知识，提高分析、解决计算机技术实际问题的独立工作能力。

2EDA技术的介绍

2.1EDA技术

2.1.1EDA技术的发展

现代电子设计技术的核心是EDA（ElectronicDesignAutomation）技术。

EDA技术使得设计者的工作仅限于利用软件的方式，即利用硬件描述语言和EDA软件来完成对系统硬件功能的实现[3]。

EDA（电子系统设计自动化）技术是20世纪90年代初从CAD（计算机辅助设计）、CAM（计算机辅助制造），CAT（计算机辅助测试）和CAE（计算机辅助工程）的概念发展而来的。

现代EDA技术就是以让算机为工具，在EDA软件平台上，根据硬件描述语言HDL完成的设计文件，能自动地完成用软件方式描述的电子系统到硬件系统的逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化、布局布线、逻辑仿真，直至完成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。

设计者的工作仅限于利用软件的方式来完成对系统硬件功能的描述，在EDA工具的帮助下和应用相应的FPGACPLD器件，就可以得到最后的设计结果。

尽管目标系统是硬件，但整个设计和修改过程如同完成软件设计一样方便和高效。

可见利用EDA技术进行电子系统的设计，具有以下几个特点:

（1）用软件的方式设计硬件；

（2）用软件方式设计的系统到硬件系统的转换是由有关的开发软件自动完成的；

（3）采用自顶向下（top-down）的设计方法；

（4）设计过程中可用有关软件进行各种仿真；

（5）系统可现场编程，在线升级；

（6）整个系统可集成在一个芯片上，体积小、功耗低、可靠性高[4]。

EDA技术涉及面很广，内容丰富，主要应掌握如下四个方面的内容:

（1）大规模可编程逻辑器件；

（2）硬件描述语言；

（3）软件开发工具；

（4）实验开发系统。

其中大规模可编程逻辑器件是利用EDA技术进行电子系统设计的载体，硬件描述语言是利用EDA技术进行电子系统设计的主要表达手段，软件开发工具是利用EDA技术进行电子系统设计的智能化的自动设计工具，实验开发系统则是利用EDA技术进行电子系统设计的下载工具及硬件验证工具[5]。

硬件描述语言（HDL）是相对于一般的计算机软件语言如C、Pascal而言的。

HDL是用于设计硬件电子系统的计算机语言，它描述电子系统的逻辑功能、电路结构和连接方式[6]。

HDL具有与具体硬件电路无关和与设计平台无关的特性，并且具有良好的电路行为描述和系统描述的能力，并在语言易读性和层次化结构化设计方面，表现了强大的生命力和应用潜力[7]。

用HDL进行电子系统设计的一个很大的优点是设计者可以专心致力于其功能的实现，而不需要对不影响功能的与工艺有关的因素花费过多的时间和精力。

2.1.2EDA技术与传统电子设计方法的比较

与传统的电子设计方法相比，EDA技术对于复杂电路的设计和调试都比较简单，如果某一过程存在错误，查找和修改起来比较方便，而且EDA技术的可移植性很强。

由于可编程逻辑器件性能价格比的不断提高，开发软件功能的不断完善，而且由于用EDA技术设计电子系统具有用软件的方式设计硬件，设计过程中可用有关软件进行各种仿真，系统可现场编程，在线升级，整个系统可集成在一个芯片上等特点，比起传统的设计方法可编程逻辑器件更符合现在数字电路设计的需求。

传统机电设备的电器控制系统，如果利用EDA技术进行重新设计或进行技术改造，不但设计周期短、设计成本低，而且将提高产品或设备的性能，缩小产品体积，提高产品的技术含量，提高产品的附加值[8]。

2.2VHDL

（1）VHDL简介

VHDL是一种用于电路设计的高级语言。

它在80年代的后期出现。

最初是由美国国防部开发出来供美军用来提高设计的可靠性和缩减开发周期的一种使用范围较小的设计语言。

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、描述风格以及语法是十分类似于一般的计算机高级语言。

VHDL的程序结构特点是将一项工程设计，或称设计实体（可以是一个元件，一个电路模块或一个系统）分成外部（或称可视部分，及端口）和内部（或称不可视部分）设计[9]。

在对一个设计实体定义了外部界面后，一旦其内部开发完成后，其他的设计就可以直接调用这个实体。

这种将设计实体分成内外部分的概念是VHDL系统设计的基本点。

（2）VHDL的特点

①功能强大、设计灵活

VHDL具有功能强大的语言结构，可以用简洁明确的源代码来描述复杂的逻辑控制。

它具有多层次的设计描述功能，层层细化，最后可直接生成电路级描述。

VHDL支持同步电路、异步电路和随机电路的设计，这是其他硬件描述语言所不能比拟的。

VHDL还支持各种设计方法，既支持自底向上的设计，又支持自顶向下的设计；

既支持模块化设计，又支持层次化设计。

②支持广泛、易于修改

由于VHDL已经成为IEEE标准所规范的硬件描述语言，目前大多数EDA工具几乎都支持VHDL，这为VHDL的进一步推广和广泛应用奠定了基础。

在硬件电路设计过程中，主要的设计文件是用VHDL编写的源代码，因为VHDL易读和结构化，所以易于修改设计。

③强大的系统硬件描述能力

VHDL具有多层次的设计描述功能，既可以描述系统级电路，又可以描述门级电路。

而描述既可以采用行为描述、寄存器传输描述或结构描述，也可以采用三者混合的混合级描述。

另外，VHDL支持惯性延迟和传输延迟，还可以准确地建立硬件电路模型。

VHDL支持预定义的和自定义的数据类型，给硬件描述带来较大的自由度，使设计人员能够方便地创建高层次的系统模型。

④独立于器件的设计、与工艺无关

设计人员用VHDL进行设计时，不需要首先考虑选择完成设计的器件，就可以集中精力进行设计的优化。

当设计描述完成后，可以用多种不同的器件结构来实现其功能。

⑤很强的移植能力

VHDL是一种标准化的硬件描述语言，同一个设计描述可以被不同的工具所支持，使得设计描述的移植成为可能。

⑥易于共享和复用

VHDL采用基于库（Library）的设计方法，可以建立各种可再次利用的模块。

这些模块可以预先设计或使用以前设计中的存档模块，将这些模块存放到库中，就可以在以后的设计中进行复用，可以使设计成果在设计人员之间进行交流和共享，减少硬件电路设计。

（3）VHDL的优势

　①与其他的硬件描述语言相比，VHDL具有更强的行为描述能力，从而决定了他成为系统设计领域最佳的硬件描述语言。

强大的行为描述能力是避开具体的器件结构，从逻辑行为上描述和设计大规模电子系统的重要保证。

　　②VHDL丰富的仿真语句和库函数，使得在任何大系统的设计早期就能查验设计系统的功能可行性，随时可对设计进行仿真模拟[10]。

　　③VHDL语句的行为描述能力和程序结构决定了他具有支持大规模设计的分解和已有设计的再利用功能，符合市场大规模系统、高效、高速的完成且必须有多人甚至多个代发组共同并行工作才能实现的需求。

　　④对于用VHDL完成的一个确定的设计，可以利用EDA工具进行逻辑综合和优化，并自动的把VHDL描述设计转变成门级网表。

⑤VHDL对设计的描述具有相对独立性，设计者可以不懂硬件的结构，也不必知道最终设计实现的目标器件是什么，而进行独立的设计。

2.3MAX+PLUSⅡ

（1）软件简介

Max+plusⅡ是Altera公司提供的FPGACPLD开发集成环境，Altera是世界上最大可编程逻辑器件的供应商之一。

Max+plusⅡ界面友好，使用便捷，被誉为业界最易用易学的EDA软件。

在Max+plusⅡ上可以完成设计输入、元件适配、时序仿真和功能仿真、编程下载整个流程，它提供了一种与结构无关的设计环境，是设计者能方便地进行设计输入、快速处理和器件编程[11]。

（2）软件开发系统的特点

①开放的界面

　　Max+plusⅡ支持与Cadence，Exemplarlogic，MentorGraphics，Synplicty，Viewlogic和其它公司所提供的EDA工具接口。

　②与结构无关

　　Max+plusⅡ系统的核心Complier支持Altera公司的FLEX10K、FLEX8000、FLEX6000、MAX9000、MAX7000、MAX5000和Classic可编程逻辑器件，提供了世界上唯一真正与结构无关的可编程逻辑设计环境。

　③完全集成化

　　Max+plusⅡ的设计输入、处理与较验功能全部集成在统一的开发环境下，这样可以加快动态调试、缩短开发周期[12]。

　④丰富的设计库

　　Max+plusⅡ提供丰富的库单元供设计者调用，其中包括74系列的全部器件和多种特殊的逻辑功能（Macro-Function）以及新型的参数化的兆功能（Mage-Function）。

　⑤硬件描述语言（HDL）

　　Max+plusⅡ软件支持各种HDL设计输入选项，包括VHDL、VerilogHDL和Altera自己的硬件描述语言AHDL。

2.4CPLD

（1）CPLD简介

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IO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。

（2）CPLD的发展历史及应用领域

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。

（3）CPLD器件的特点

它具有编程灵活、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。

3交通灯控制系统方案论证

3.1设计方案及论证

（1）设计方案

方案一：

采用小规模集成电路，用纯硬件电路搭建。

整个交通灯控制系统主要由时钟产生电路、主控制电路、计时控制电路和交通信号显示电路组成。

时钟产生电路是该系统中定时器和控制器的标准时钟信号源。

译码器输出两组信号灯的控制信号，经驱动电路驱动信号灯工作。

时钟脉冲产生电路利用晶振，它可以发出连续脉冲从而控制两片74LS161组成的计时电路的CLK端。

它的周期T=0.7（R1+R2）C，其周期约为1秒。

主控制器是系统的主要部分，由它控制其他