EDA课程设计（论文）-交通灯控制器.doc

目目 录录 引引 言言 1 1 1 硬件电路介绍硬件电路介绍2 1.1 eda 技术介绍 .2 1.2 交通灯控制器的基本要求 .2 1.3 交通灯控制器的原理描述 .3 1.4 交通灯控制器的基本方案 .3 2 2 各单元电路设计各单元电路设计5 2.1 计数器的设计 .5 2.1.1 计数器的程序 .5 2.1.2 交通灯计数器波形图 .6 2.2 控制器的设计 .6 2.2.1 控制器的程序 .7 2.2.2 交通灯控制器波形图 .9 2.3 分位器的设计 .9 2.3.1 分位电路程序 .9 2.3.2 分位译码电路波形图 10 2.4 七段译码电路的设计 10 2.4.1 七段译码电路的程序 10 2.4.2 七段译码电路的波形图 12 3 3 顶层设计图顶层设计图 13 3.1 交通灯控制器的顶层原理 13 总总 结结 14 致致 谢谢 15 参考文献参考文献 16 交通灯控制器 eda 课程设计 1 引引 言言 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 （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。 vhdl 的英文全名是 very-high-speed integrated circuit hardware description language，诞生于 1982 年。1987 年底，vhdl 被 ieee 和美国国防部 确认为标 准硬件描述语言。 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 的语言形式和描述风格与句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） ，既涉及实体的内部功能和算法完成部分。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。 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 的语言形式和描述风格与句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（或称可是部分,及端口)和内部（或称不可视部分），既涉及实 体的内部功能和算法完成部分。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 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、可编程序控制器 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 maxplus集成开发环境进行综合、仿真，并下载到 cpld 可编程逻辑器件中，完成系 统的控制作用。 交通灯控制器 eda 课程设计 2 1 硬件电路介绍 1.1 eda 技术介绍 eda 技术是在电子 cad 技术基础上发展起来的计算机软件系统，是指以计算机为 工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、信息处理及智能化技术的最新成果，进 行电子产品的自动设计。 利用 eda 工具，电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统，大量工 作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出 ic 版图或 pcb 版图的整个过程的计算机上自动处理完成。 现在对 eda 的概念或范畴用得很宽。包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、 矿产、生物、医学、军事等各个领域，都有 eda 的应用。目前 eda 技术已在各大公司、 企事业单位和科研教学部门广泛使用。例如在飞机制造过程中，从设计、性能测试及特 性分析直到飞行模拟，都可能涉及到 eda 技术。eda 技术，主要针对电子电路设计、 pcb 设计和 ic 设计。 eda 技术包含以下特点：1，eda 技术所用器件体积小巧、使用灵活、成本低，易于 真正产品化。组装各种智能式控制设备和仪器，能做到机电仪一体化。2，面向控制。能 有针对性地解决各种从简单到复杂的各类控制任务，因而能获得最佳的性能价格比。3， 抗干扰能力强，适应温度范围宽，在各种恶劣的环境下都能可靠的工作。这是其它微机 集中无法比拟的。4，可以方便的实现多机、分布式的集散控制，使整个控制系统的效率 大大地提高。5，eda 技术应用产品的研制周期短，所开发出来的样机就是以后批量生产 的产品，可以避免不必要的二次开发过程。 eda 的应用非常广泛，比如说在工业方面，电机控制，工业机器人，过程控制，智能 传感器，机电仪一体化等都应用到了 eda 技术。而仪器仪表方面、家用电器、电讯方面、 导航与控制方面、汽车方面、数据处理方面等多个方面也应用到了改技术。 1.2 交通灯控制器的基本要求 在十字路口，每条道路上各有一组红、黄、绿灯和倒计时显示器，用以指挥车辆和 行人有序的通行。其中红灯亮表示该条路禁止通行；黄灯亮，表示停车；绿灯亮，表示 可以通行。倒计时显示器是用来显示允许通行或者是禁止通行的时间。交通灯控制器就 是用来自动控制十字路口的交通灯和计时器，指挥各种车辆和行人通行的。 在十字路口的两个方向上各设一组红、黄、绿灯，显示顺序为其中一方向（东西方 向）是绿灯、黄灯、红灯；另一个方向（南北方向）是红灯、绿灯、黄灯。 设置一组数码管，以倒计时的方式显示允许通行或禁止通行的时间，其中绿灯为 20 秒，黄灯 5 秒，红灯 25 秒。当各条路上出现特殊情况时，如救护车或需要放行的车辆时， 交通灯控制器 eda 课程设计 3 各个方向都是红灯，倒计时停止，且显示数字闪烁。当特殊状态结束，恢复原来状态， 继续正常运行。用两组数码管实现双向倒计显示。 1.3 交通灯控制器的原理描述 在十字路口，每条道路各有一组红、黄、绿灯和倒计时显示器，用以指挥车辆和行 人有序地通行。其中，红灯亮，表示该条道路禁止通行；黄灯亮，表示停车；绿灯亮， 表示可以通行。倒计时显示器是用来显示允许通行或禁止通行时间。交通灯控制器就是 用来自动控制十字路口的交通灯和计时器，指挥各种车辆和行人安全通行。交通灯控制 器的核心范围是一个计数范围为 049 共（50 秒）的计数器和一个根据计数值做出规定反 映的控制器。另外，作者所用的实验仪配备的晶振为 20mhz,因此还需要一个分频电路。 最后，要驱动七段数码管，显然还需要一个译码电路。 图 1.1 交通灯控制器原理图 1.4 交通灯控制器的基本方案 控制器的作用是根据计数器的计数值控制发光二极管的亮、灭，以及输出倒计时数 值给七段数码管的分位译码电路。此外，当检测到特殊情况（hold=1 ）发生时，无条 件点亮红灯的二极管。本控制器可以有两种设计方法，一种是利用时钟信号的下降沿读 取前级计数器的计数值，然后作出反应；另一种则是将本模块设计成纯组合逻辑电路， 不需要时钟驱动。这两种方法各有所长，必须根据所用器件的特性进行选择：比如有些 44 0 红灯亮绿灯亮 绿灯亮 绿灯亮 红灯亮 东西方向 南北方向 黄灯亮 灯亮 2449 24 19 49 黄灯亮 灯亮 0 交通灯控制器 eda 课程设计 4 fpga 有丰富的寄存器资源，而且可用与组合逻辑的资源则相对较少，那么使用第一种方 法会比较节省资源；而有些 cpld 的组合逻辑资源则比较多，用第二种方法可能更好。 图 1.2 交通灯控制器系统框图 倒计时数字及闪烁控制信号 交通灯控制器 eda 课程设计 5 2 各单元电路设计 2.1 计数器的设计 这里需要的计数器的计数范围为 049。计到 49 后，下一个时钟沿恢复到 0，开始下 一轮计数。此外，当检测到特殊情况（hold=1）发生时，计数器暂停计数，而系统恢复信 号则使计数器异步清 0。 2.1.1 计数器的程序 library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; entity counter is port (clock:in std_logic; reset:in std_logic; hold:in std_logic; countnum: buffer integer range 0 to 49); end; architecture behavior of counter is begin process(reset,clock) begin if reset=1 then countnum=20 then numa=10 then numadisplaydisplaydisplaydisplaydisplaydisplaydisplaydisplaydisplaydisplaydisplay=“0000000“; end case; else display=“0000000“; end if; end if; end process; 交通灯控制器 eda 课程设计 12 end; 2.4.22.4.2 七段译码电路的波形图七段译码电路的波形图 图 2.5 七段译码电路的波形图 交通灯控制器 eda 课程设计 13 3 顶层设计图 3.1 交通灯控制器的顶层原理 交通灯控制器的核心范围是一个计数范围为 049 共（50 秒）的计数器和一个根据计 数值做出规定反映的控制器。另外，还需要输入 clk 时钟信号。最后，要驱动七段数码 管，显然还需要一个译码电路来完成交通灯控制器的设计 图 3.1 控制器的顶层原理图 交通灯控制器 eda 课程设计 14 总 结 eda 课程设计很快就结束了，虽然在之前的学习过程中还存在着没有弄懂的问题，但 是通过这次设计，进一步加深了对 eda 的了解，让我对它有了更加浓厚的兴趣。 eda 设计我感觉程序调试、试验软件、硬件熟悉最重要。在编完各模块程序之后，编 译查错最初有三十几个错误，有输入错误、语法错误。一遍一遍的编译查错，直到没有 错误。必须注意工程名和实体名一致，不然一般会出错。在没有错误之后可以进行波形 仿真。若与理想的不同，再查看程序，有无原理上的编辑错误或没有查出的输入错误。 在设计的过程中，通过对各种资料了阅读，对各种电子产品的原理有了初步了解， 知道了很多看似不可思议的东西其实是很简单的，这些都增强了我的自信，增加了我对 设计的兴趣，我想这种培养我们动手能力的课程能够激发我们的潜能，有利于我们以后 的成长。为了这次设计，我们从图书馆、网上查阅了很多资料，通过这次设计，我又了 解到了很多以前教材上未学到的知识，开阔了自己的视野，丰富了自己的知识。 并且，在本次课程设计的过程中还应该多联系下实际情况，要了解实际情况下交通 信号灯的工作情况，才能更好的完成此次的课程设计。在今后的工作和学习中，我们不 能仅仅把目光停留在课本上，要多理论联系实际。有的时候，理论上是正确的东西放到 现实中去，可能由于种种因素的制约，并不能达到实际的效果，还需要我们进行相应的 修改才能完成要求。这次的课程设计使我巩固了以前学习到的知识，还使我掌握了以前 没有掌握的知识，同时锻炼了自己的能力。 交通灯控制器 eda 课程设计 15 致 谢 为期三周的 eda 课程设计在尹老师的合理安排和认真监督下，很快了就结束了。在 这三周的时间里，是尹老师和包老师的耐心指导帮我明确了方向，是小组同学的相互帮 助给我作了导航，让我增强了信心，鼓足干劲，开始着手设计。每天，老师都会帮助我 们解答一些我们想不明白的问题。在老师的悉心指导下，我们的原理电路图终于做完了。 本来以为一切都快结束了，没想到在真正用软件仿真时，问题百出，让我们都失去 了信心，这时候，老师给予我们无私的帮助，教育我们要有耐心，慢慢检查，并告诉我 们，不是每个人都能一次就把程序仿真好，一个完整的程序总是在不断的修改过程中， 一点一滴的完善的。在我们的努力和老师的帮助下，我们终于把程序给完善了。面对完 善后的程序，我们就开始仿真波形，写报告。一直到最后一刻，我们终于成功的完成了。 真的很感谢尹老师和包老师，是他们使我们尝到了成功的喜悦。在这次课程设计中 我们不仅完成了老师交给的各项任务，还增加了很多知识。对 eda 这门课程也有了更深 的了解和更大的兴趣，使我们的知识更加巩固和完善了。 另外，我要感谢我亲爱的同学们。是他们一直陪在我身边，和我并肩奋斗，使我有 信心完成自己的工作