基于VHDL交通灯的系统毕业论文.docx
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基于VHDL交通灯的系统毕业论文
基于VHDL交通灯的系统
目录
目录……………………………………………………………………………………Ⅰ
摘要……………………………………………………………………………………Ⅱ
Abstract………………………………………………………………………………Ⅲ
第1章前言……………………………………………………………………………1
1.1研究背景……………………………………………………………………1
1.2研究目的……………………………………………………………………2
第2章EDA在交通灯上的研究………………………………………………………4
2.1EDA技术及其发展…………………………………………………………4
2.2EDA与传统电子设计方法的比较及优点……………………………………6
2.3VHDL系统概述………………………………………………………………6
第3章交通灯系统设计的方法………………………………………………………16
3.1交通灯的发展趋势…………………………………………………………16
3.2VHDL硬件描述语言设计的优势……………………………………………17
第4章交通灯系统的设计……………………………………………………………19
4.1红绿灯交通信号系统功能描述……………………………………………19
4.2红绿灯交通信号系统的VHDL模块…………………………………………20
4.2.1时钟脉冲发生电路……………………………………………………20
4.2.2计数秒数选择电路……………………………………………………24
4.2.3倒计时控制电路………………………………………………………28
4.2.4红绿灯信号控制电路…………………………………………………32
4.2.5交通灯系统描述………………………………………………………39
第5章总结……………………………………………………………………………45
参考文献………………………………………………………………………………46
致谢……………………………………………………………………………………47
诚信承诺书……………………………………………………………………………48
基于VHDL交通灯的系统设计
摘要
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。
本文介绍了一个交通灯系统的设计。
传统的交通灯控制系统多数由单片机或PLC实现,本文介绍的是基于EDA技术设计交通灯系统的一种方案。
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。
关键词:
交通信号灯,VHDL,仿真
ThesystemdesignoftrafficlightsbasedonVHDL
Abstract
Themodernageisaneraofautomation,trafficlightcontrolequipmentformanyindustriesarecloselyrelatedwiththecomputer.Therefore,agoodtrafficlightcontrolsystem,willbringtechnicalinnovationsforroadcongestion,illegalcontrol,etc.Withtherapiddevelopmentoflargescaleintegratedcircuitsandcomputertechnologyandtheextensiveuseofintelligentdevicesinthecontrolofartificialintelligencetechnology,intelligentdeviceshavegottengreatprogressandbecomethemainstreamofthedevelopmentofmodernscience.Thispaperdescribesthesystemdesignoftrafficlights.
TraditionaltrafficlightcontrolsystemismostlyachievedbyasinglechiporPLC,thispaperintroducesaschemeofthedesignoftrafficsignalsystemsbasedonEDAtechnology.AnimportantfeatureofEDAtechnologyistheuseofhardwaredescriptionlanguage(HDL)tocompletethesystemdesigndocuments,theexperimentappliedVHDLdigitalcircuitreducesthedifficultyofdigitalsystemdesign,whichhasbeenwidelyadoptedbythedesignersofelectronicarea.ThisdesignputsforwardamethodofhardwareimplementationfortrafficlightssystembasedonVHDLlanguagetoresolvethedesignproblemoftrafficsignalcontroller.
EachmoduleisgivenVHDLprogrambyanalyzingthestructureofthesystemandusingahierarchicaldesignmethod,anditappliesMaxPlusⅡonthesimulationofapplications,andthecorrespondingsimulationresultsaregained.WhendesignthecircuitwithVHDL,weshouldbefullyawareofthecharacteristicsofVHDLlanguageandoptimizethecircuitdesignfromthedesign,theuseofstatementsandmethodsofdescription,etc.Throughoptimizingcircuitdesign,wecanusesmallerprogrammablelogicchip,therebyreducingsystemcost.
Keywords:
trafficlight,VHDL,simulation
第1章前言
1.1研究背景
19世纪初,在英国中部的约克城,红、绿装分别代表女性的不同身份。
其中,着红装的女人表示我已结婚,而着绿装的女人则是未婚者。
后来,英国伦敦议会大厦前经常发生马车轧人的事故,于是人们受到红绿装启发,1868年12月10日,信号灯家族的第一个成员就在伦敦议会大厦的广场上诞生了,由当时英国机械师德·哈特设计、制造的灯柱高7米,身上挂着一盏红、绿两色的提灯--煤气交通信号灯,这是城市街道的第一盏信号灯。
在灯的脚下,一名手持长杆的警察随心所欲地牵动皮带转换提灯的颜色。
后来在信号灯的中心装上煤气灯罩,它的前面有两块红、绿玻璃交替遮挡。
不幸的是只面世23天的煤气灯突然爆炸自灭,使一位正在值勤的警察也因此断送了性命。
从此,城市的交通信号灯被取缔了。
直到1914年,在美国的克利夫兰市才率先恢复了红绿灯,不过,这时已是“电气信号灯”。
稍后又在纽约和芝加哥等城市,相继重新出现了交通信号灯。
随着各种交通工具的发展和交通指挥的需要,第一盏名副其实的三色灯(红、黄、绿三种标志)于1918年诞生。
它是三色圆形四面投影器,被安装在纽约市五号街的一座高塔上,由于它的诞生,使城市交通大为改善。
黄色信号灯的发明者是我国的胡汝鼎,他怀着“科学救国”的抱负到美国深造,在大发明家爱迪生为董事长的美国通用电器公司任职员[1]。
一天,他站在繁华的十字路口等待绿灯信号,当他看到红灯而正要过去时,一辆转弯的汽车呼地一声擦身而过,吓了他一身冷汗。
回到宿舍,他反复琢磨,终于想到在红、绿灯中间再加上一个黄色信号灯,提醒人们注意危险。
他的建议立即得到有关方面的肯定。
于是红、黄、绿三色信号灯即以一个完整的指挥信号家族,遍及全世界陆、海、空交通领域了。
从最早的手牵皮带到20世纪50年代的电气控制,从采用计算机控制到现代化的电子定时监控,交通信号灯在科学化、自动化上不断地更新、发展和完善。
交通指挥灯是非裔美国人加莱特?
摩根在1923年发明的。
此前,铁路交通已经使用自动转换的灯光信号有一段时间了。
但是由于火车是按固定的时刻表以单列方式运行的,而且火车要停下来不是很容易,因此铁路上使用的信号只有一种命令:
通行。
公路交通的红绿灯则不一样,它的职责在很大程度上是要告诉汽车司机把车辆停下来。
开车的人谁也不愿意看到停车信号。
美国夏威夷大学心理学家詹姆斯指出,人有一种将刹车和油门与自尊相互联系的倾向。
他说:
驾车者看到黄灯亮时,心里便暗暗作好加速的准备。
如果此时红灯亮了,马上就会产生一种失望的感觉。
他把交叉路口称作“心理动力区”。
如果他的理论成立的话,这个区域在佛罗伊德心理学理论中应该是属于超我而非本能的范畴。
新式的红绿灯能将闯红灯的人拍照下来。
犯事的司机不久就会收到罚款单。
有的红绿灯还具备监测车辆行驶速度的功能。
最早的交通灯出现于一八六八年英国伦敦。
那时的交通灯只有红、绿两色,经改良后,再增加一盏黄色的灯,红灯表示停止,黄灯表示准备,绿灯则表示通行。
其实,用这三色来作交通讯号和人的视觉机能结构和心理反应有关。
我们的视网膜含有杆状和三种锥状感光细胞,。
杆状细胞对黄色的光特别敏感,三种锥状细胞则分别对红光、绿光及蓝光最敏感。
由于这种视觉结构,人最容易分辨红色与绿色。
虽然黄色与蓝色也容易分辨,但因为眼球,对蓝光敏感的感光细胞较少,所以分辨颜色,还是以红、绿色为佳。
所以,交通灯用什么颜色也是有大学问的呀!
颜色也有活动(activity)的含意,要表达热或剧烈的话,最强是红色,其次是黄色。
绿色则有较冷及平静的含意。
因此,人们常以红色代表危险,黄色代表警觉,绿色代表安全。
而且,由于红光的穿透力最强,其他颜色的光很容易被散射,在雾天里就不容易看见,而红光最不容易被散射,即使空气能见度比较低,也容易被看见,不会发生事故。
所以我们用红色表示禁止。
1.2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。
要解决这些问题不仅要求道路越来越宽阔,而且更需要有新的交通管理模式出台。
旧有的交通控制系统的弊病和人们越来越高的要求激化了矛盾,使原来不太突出的交通问题被提上了日程。
现在有关部门愈来愈多的注重在交通管理中引进自动化、智能化技术,比如“电子警察”、自适应交通信号灯,以及耗资巨大的交通指挥控制系统等。
经济的发展和社会的进步,使道路交通成为社会活动的重要组成部分。
对交通的管控能力,也就从侧面体现了这个国家对整个社会的管理控制能力,因此我们国家越来越重视运用各种高科技手段来加强对交通的管控能力,这不仅是衡量城市交通管理水平的标志,更是城市交通发展的重要目标。
第2章EDA在交通灯上的研究发展
2.1EDA技术及其发展
现代电子设计技术的核心是EDA(ElectronicDesignAutomation)技术。
EDA技术就是依赖功能强大的计算机,在EDA工具软件平台上,对以硬件描述语言HDL(HardwareDescriptionLanguage)为系统逻辑描述手段完成的设计文件,它能自动地完成逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合、结构综合(布局布线),以及逻辑优化和仿真测试,直至实现既定的电子线路系统功能。
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。
EDA技术在进入21世纪后,得到了更大的发展。
在仿真和设计两方面支持标准硬件描述语言的功能越来越强大,软硬件技术也进一步得到了融合,在电子行业的产业领域、技术领域和设计应用领域得到了进一步的肯定,使得复杂电子系统的设计和验证趋于简单化。
随着大规模集成电路技术和计算机技术的不断发展,在涉及通信、国防、航天、医学、工业自动化、计算机应用、仪器仪表等领域的电子系统设计工作中,EDA技术的含量正以惊人的速度上升;电子类的高新技术项目的开发也逾益依赖于EDA技术的应用。
即使是普通的电子产品的开发,EDA技术常常使一些原来的技术瓶颈得以轻松突破,从而使产品的开发周期大为缩短、性能价格比大幅提高[2]。
不言而喻,EDA技术将迅速成为电子设计领域中的极其重要的组成部分。
EDA(ElectronicDesignAutomation,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FPGA/CPLD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。
因此,EDA代表了当今电子设计技术的最新发展方向[7]。
EDA技术涉及面很广,内容丰富,从教学和实用的角度看,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[8]。
PLD(PorgrammableLogicDevice,可编程逻辑器件)是一种由用户编程以实现某种逻辑功能的新型逻辑器件。
FPGA和CPLD分别是现场可编程门阵列和复杂可编程逻辑器件的简称,两者的功能基本相同,只是实现原理略有不同,所以我们有时可以忽略这两者的区别,统称为可编程逻辑器件或CPLD/FPGA.PLD是电子设计领域中最具活力和发展前途的一项技术,PLD能完成任何数字器件的功能[3]。
PLD如同一张白纸或是一堆积木,工程师可以通过传统的原理图输入法,或是硬件描述语言自由的设计一个数字系统,通过软件仿真,我们可以事先验证设计的正确性。
在PCB完成以后,还可以利用PLD的在线修改能力,随时修改设计而不必改动硬件电路。
使用PLD来开发数字电路,可以大大缩短设计时间,减少PCB面积,提高系统的可靠性。
PLD的这些优点使得PLD技术在20世纪90年代以后得到飞速的发展,同时也大大推动了EDA软件和硬件描述语言(HDL)的进步[9]。
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。
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。
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。
2.2EDA与传统电子设计方法的比较及优点
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。
与世界各知名高校相比,我国高等院校在EDA及微电子方面的教学和科研工作有着明显的差距,我们的学生现在做的课程实验普遍陈旧,动手能力较差。
从某种意义上来说,EDA教学科研情况如何,代表着一个学校电类专业教学及科研水平的高低,而EDA教学科研工作开展起来后,还会对微电子类、计算机类学科产生积极的影响,从而带动各高校相应学科的同步发展[10]。
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,使其将广泛应用于专用集成电路和机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域新产品的开发研制中[4]。
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。
EDA技术是电子设计领域的一场革命,目前正处于高速发展阶段,每年都有新的EDA工具问世,我国EDA技术的应用水平长期落后于发达国家,如果说用于民品的核心集成电路芯片还可以从国外买的到的话,那么军用集成电路就必须依靠自己的力量研制开发,因为用钱是买不到国防现代化的,特别是中国作为一支稳定世界的重要力量,更要走自主开发的道路[5]。
强大的现代国防必须建立在自主开发的基础上,因此,广大电子工程技术人员应该尽早掌握这一先进技术,这不仅是提高设计效率和我国电子工业在世界市场上生存、竟争与发展的需要,更是建立强大现代国防的需要[6]。
2.3VHDL系统
VHDL是一种符号,并且是简明完全定义的语言参考手册(LRM)。
除了其它硬件描述语言此套VHDL,这在一定程度上定义了一个专案方式的行为工具使用它们。
VHDL是一个国际标准,按照IEEE的规则。
这种语言的定义是非专有。
VHDL不是一个信息模型,数据库模式,一种模拟器,一个工具或一种方法!
然而,对于有效地利用VHDL这种方法和工具是最基本的。
模拟和合成是使用VHDL语言两种主要的工具。
这种语言参考手册没有定义模拟器,但明确定义了每个模拟器必须使用每一部分的语言。
VHDL并不限制用户使用一种描述方式。
VHDL允许使用任何方式去描述设计--自顶向下,自底向上或中间空出!
VHDL可以用来描述硬件在门级或更抽象的方式。
成功的高水平的设计需要一种语言,一套工具和一种适当的方法。
VHDL是这种语言,你选择这种工具和方法...好,我猜想这就是doulos产生的方程!
使用VHDL硬件描述语言的优势:
常常有报道说,大多数集成电路设计第一时间看到它们的规格时,当加如一个系统的时候却不能工作。
VHDL使这一问题得到两种解决方式:
一种VHDL的规格,是要在正确设计的情况下达到其最高的可信度才能执行。
才能得到执行,并且可以模拟1到2个量级比门级描述要快。
一种VHDL规格的一部分,可以形成基础上建立一个模拟模型,以核实运作的部分在更广泛的系统背景(如印刷电路板的模拟)。
这将取决于如何正确处理规范等方面的时间和初始化。
行为仿真可以减少设计时间,使设计的问题要及早发现,避免在门级重新做设计。
行为仿真还允许设计优化探讨替代体系结构,从而更好地设计。
VHDL硬件设计及测试板描述在设计工具之间是携带方便的,并且在设计中心和项目合作伙伴也是非常方便的。
你可以安全地投资在VHDL模型工作和培训,明知你不会被捆绑在一个单一的工具,但将通过工具和平台免费保护你的调查。
另外,设计自动化工具的供应商将自己制作一个大的投资在VHDL,确保持续供应VHDL工具的形态艺术。
VHDL许可证技术通过支持自顶向下的设计和逻辑合成进行独立设计。
提出了设计一种新技术,你不需要从零开始,或颠倒工程的规格,替代你返回设计总枝干用VHDL的行为描述,然后执行这样在新科技上认识到正确的功能将被保留。
设计实体举例:
一个设计用设计实体的概念在VHDL中被描述。
一个设计实体分成两个部分,每一部分在VHDL中叫做一个设计单位。
这个实体表明了外部界面的设计实体。
结构体代表的内部描述了设计实体的行为,其结构,或两者。
试想我们要用VHDL描述一个与或invert(aoi)门。
如果我们考虑的AOI门为单芯片封装,这将有四个输入管脚和一个输出管脚;我们不必担心自己带电压和接地的管脚面在模型AOI的设计中。
图1:
AOI门单芯片结构图
VHDL:
anAOIgatedesignentity
--VHDLcodeforAND-OR-INVERTgate
libraryIEEE;
useIEEE.STD_LOGIC_1164.all;
entityAOIis
port(A,B,C,D:
inSTD_LOGIC;
F:
outSTD_LOGIC);
endAOI;
architectureV1ofAOIis
begin
F<=not((AandB)or(CandD));
endV1;
--endofVHDLcode
类似于许多编程语言,VHDL支持
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