EDA课程设计-交通灯控制系统设计.doc

安 徽 矿 业 职 业 技 术 学 院 课 程 设 计eda课程设计 交通灯控制系统设计l 姓 名：许朝亮l 专 业: 应用电子技术 l 班 级：101l 课程设计题目：交通灯控制系统l 指 导 教 师：l 学 号：l 设 计 时 间：2012-01-（0411）- 36 -前言电子设计自动化（eda）是近几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（asic）芯片，这就是当今的用户可编程逻辑器件（pld）技术。目前，在世界范围内，可编程逻辑器件受到了业界的普遍欢迎，在近几年得到了迅速的发展，其集成度和工作速度不断提高，功能不断完善，已经成为当今实现电子系统集成化的重要工具。因此，eda技术势必成为广大电子信息工程技术人员必须掌握的技术，运用eda技术设计电子系统也是一个电子工程师必备的技能。随着交通工具的迅速发展，私家车辆是越来越多，道路已经变得十分拥堵，因此这对那些十字路口的红绿灯要求十分严格，红绿灯能否正常运行关系到交通事故和驾驶员、行人的生命安全，因此交通灯的设计将会变得十分严格，决不允许有半点的差错，这就要求设计人员具有崇高的电子信息工程技术知识和设计思想，具有非常细心的设计态度。目录1绪论- 1 1.1简介- 1 1.2eda 发展历程- 1 1.3摘要- 1 2. quartusii6.0 的使用方法- 2 3. 交通灯的设计目的和要求- 19 3.1设计目的- 19 3.2设计要求- 19 4 交通的设计分析- 20 4.1 设计思路- 20 4.2整体设计方案框架图- 21 4.3交通灯控制器状态控制表- 21 4.4设计流程图- 21 5 分频模块235.1 分频模块的功能- 23 5.2 分频模块的源程序- 23 5.3 分频模块的功能仿真图- 24 6. 控制模块246.1控制模块功能- 24 6.2 控制模块源程序- 25 6.3 控制模块功能仿真图- 26 7. 选择模块- 26 7.1 选择模块的功能- 26 7.2 选择模块的源程序- 27 7.3 选择程序的功能仿真图- 29 8. led显示模块- 30 8.1 led显示模块的功能- 30 82 led显示模块的源程序- 30 8.3 led显示模块的功能仿真图- 31 9. 顶层文件原理图设计329.1顶层文件原理图- 32 9.2 顶层原理图的功能仿真波形图- 33 10.交通灯的测试结果- 34 11.课程设计总结- 35 参考文献- 36 1绪论1.1简介 电子设计自动化（electronic design automation ,eda）技术以计算机为基础工作平台，以微电子技术为物理基础，以现代电子设计技术为灵魂，采用计算机软件工具，最终实现电子系统或专用集成电路（asica）的设计。eda技术的使用者包括两类：一类是专用集成电路芯片的设计研发人员；另一类是广大电子线路设计人员。eda技术可简单概括为以大规模可编程逻辑器件为设计载体，通过硬件描述语言或逻辑图输入给相应eda开发软件，经过编译和仿真，最终将设计的电路下载到设计载体中，从而完成系统设计任务的一门新技术。 1.2eda 发展历程从目前的eda技术来看，其发展趋势是政府重视，使用普及、应用广泛、工具多样、软件功能强大。随着微电子技术与工具软件的发展，eda技术的硬件载体、软件开发工具与设计输入方式都发生了很大的变化。1.3摘要本课程设计侧重于逻辑电路设计同时采用vhdl硬件描述语言辅助完成对十字路口交通灯电路的功能仿真。在设计过程中，重点探讨了交通灯控制系统的设计思路和功能模块的划分，对设计过程中出现的问题详细进行分析。系统主要由四个模块组成： 分频模块、控制模块、选择模块、数码显示模块。关键词：交通灯 功能模块 vhdl语言2. quartusii6.0 的使用方法启动quartus ii6.0双击桌面上的quartus ii6.0图标或单击“开始”按钮并在程序菜单中选择quartus ii6.0,可以启动quartus ii6.0.编辑文件（1）单击菜单栏中的filenew命令，打开“new”对话框，用于输入文件类型。（2）单击“new”对话框中的device design files选项卡，选择输入文件的类型。这里选择“block diagram/schematic file”，选好后单击“ok”按钮，打开图形编辑窗口。输入原理图（1）右击鼠标，弹出快捷菜单，点击“insertsymbol”，会出现一个输入原理符号的窗口（2）右击鼠标，弹出快捷菜单，点击“insertsymbol”，会出现一个输入原理符号的窗口。本实训中所用的原件74151、74161在othersmaxplus2库中，输入端口信号、输出端口信号在primitivespin中，电源信号（vcc）、接地信号（gnd）在primitivesother库中。在画连线时，把光标置于端口处，当出现十字形时按下左键进行画线。其余的操作与protel相似。（3）保存所建立的文件，将该文件保存到d盘design文件夹中，文件名为ex1-v。创建工程（1）打开创建工程向导a：单击filenew preject wizard菜单，出现新建工程向导的对话框，b：单击”nex”按钮，出现工程基本设置对话框。c：在最上面的输入框中输入工作库文件夹的地址，这里用的地址是d:dsigns,单击旁边浏览按钮，选择所需的设计文件。d:输入该工程的名称，一般可以用顶层文件的名称作为工程名称，这里的顶层文件名是ex1-v。最下面的文件名输入框要求输入顶层设计文件实体的名称，这里顶层文件的实体的名称也是ex1-v。单击“打开”按钮，会出现一个工程设置完成对话框。（2）将设计文件加入工程中单击“nex”按钮，弹出添加文件对话框，将与本工程有关的文件加入，（3）选择目标芯片单击“nex”按钮，打开选择目标芯片的对话框，根据系统设计的实际需要选择目标芯片。首先在family栏选择芯片系列，这里选择cylone系列的ep1c3t144c8芯片。（4）选择仿真器和综合器类型.a:单击“nex”按钮，弹出选择仿真器和综合器对话框。b:单击“nex”按钮，弹出工程设置统计窗口。最后单击“finish”按钮，结束设置。目标芯片的配置。（1）选择目标芯片，单击菜单栏中的assignmentsdevice命令，弹出一个对话框，选择category下的device选项，然后在右侧选择目标芯片ep1c3t144c8。（2）选择目标器件编程配置方式单击“device& pin options.”按钮进入器件管脚操作对话框。首先选择configuration方式为passive serial，这种方式可以直接由pc机配置。（3）选择输出配置单击“programming files”选项卡，可以选“hexadecimal”，即产生下载文件的同时，产生十六进制配置文件。（4）选择目标器件闲置引脚的状态单击“unused pins”选项卡，可根据实际需要选择目标器件空闲管脚的状态。编译(1)编译单击菜单栏中的processingstart compilation命令，启动编译(2)阅读编译报告编译成功后可以看到编译报告。仿真（1）建立波形文件仿真前必须建立波形文件。单击filenew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。（2）打开波形编译器 单击“ok”按钮，即出现空白的波形编辑窗口（3）输入信号节点。a: 单击viewutility windowsnode finder 命令，打开输入信号节点对话框。在该对话框的filter栏中选pins:all,然后单击“list”按钮，在下方的“nodes found”列表框中会出现设计工程的所有端口引脚名。b:。用鼠标输入节点,逐个拖到波形编辑窗口。然后单击关闭按钮，关闭“node finder”对话框。（4）编辑输入波形分别给输入管脚编辑波形，给输入信号添加脉冲波形。（5）启动仿真及阅读仿真报告单击菜单栏中的processingstart simulation命令，即可启动仿真器，生成仿真波形图。指定芯片管脚(1) 单击菜单栏中的assignmentspin,打开芯片管脚编辑对话框。(2) 双击芯片的管脚，弹出“pin properties”对话框。给管脚添加相应的信号。3. 交通灯的设计目的和要求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 、能实现正常的倒计时功能，用两组数码管作为东西、南北方向的倒计时显示，显示时间为红灯45秒，绿灯40秒，黄灯5秒。3、能实现特殊状态的功能。按s1键后，能实现以下特殊状态：(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。4、能实现总体清零功能。按下sb键后，系统实现总体清零，计数器由初状态计数，对应状态的指示灯亮。5、用vhdl语言设计上述功能的交通灯控制器，并用层次化的方法设计该电路。6、完成电路全部设计后，通过系统实验箱下载严重所设计课题的正确性。4 交通的设计分析4.1 设计思路本实验中主要应用了状态机以及减法器的设计原理。在状态连续变化的数字系统设计中，采用状态机的设计思想有利于提高设计效率，增加程序的可读性，减少错误的发生几率。其中，主要模块包括分频模块、控制模块、选择模块、数码显示模块。各个模块先用eda技术中的vhdl语言编程仿真，再生成各个模块的模拟元件，最后根据设计连接电路生成顶层原理图文件十字路口交通灯系统。4.2整体设计方案框架图4.3交通灯控制器状态控制表状态主干道支干道时间/s1绿灯亮红灯亮402黄灯亮红灯亮53红灯亮绿灯亮404红灯亮黄灯亮54.4设计流程图在程序流程图中，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表示计时的时间。5 分频模块5.1 分频模块的功能 该模块的功能是将时间256分频，得到占空比为1：256的方波。以达到将交通灯的电亮时间预置到分频电路中。5.2 分频模块的源程序library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity m isport ( clk : in std_logic; - - 时钟信号输入端；d: out std_logic; sel: buffer std_logic_vector(2 downto 0);- -sel端输出；end;architecture one of m issignal a : std_logic_vector(7 downto 0);- - 定义变量a；beginprocess(clk)beginif clk event and clk =1 then a=a+1;sel=sel+1;end if;- - 上升沿有效end process;dyyy=0000;end case; end process;end;6.3 控制模块功能仿真图说明：由上图得到sel的8个数，在这里分成了000，001和others三种结果，分别控制shi，ge和清零的三种状态。7. 选择模块7.1 选择模块的功能该模块为整个程序的核心，它实现东西和南北方向的三种交通灯颜色的交替点亮、时间的倒计时。7.2 选择模块的源程序library ieee; use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity xuanze isport(clk,clr:in std_logic;- -时钟和清零信号的输入；dx,nb:out std_logic_vector(2 downto 0);shi1,ge1:out std_logic_vector(3 downto 0) );end;architecture ad of xuanze issignal shi,ge:std_logic_vector(3 downto 0);- - 十位，个位的定义；type fsm_st is (s1,s0,s2,s3);signal state :fsm_st;beginprocess(clk,clr)beginif clr=1then state=s0;ge=0000;shidx=100;nb=001;if ge=0000 then if shi=0000 then state=s1;ge=0101;shi=0000;else shi=shi-1;ge=1001;end if;else gedx=100;nb=010;if ge=0000 then if shi=0000 then state=s2;ge=0000;shi=0100;else shi=shi-1;ge=0000;end if;else gedx=001;nb=100;if ge=0000 then if shi=0000 then state=s3;ge=0101;shi=0000;else shi=shi-1;ge=1001;end if;else gedx=010;nb=100;if ge=0000 then if shi=0000 then state=s0;ge=0000;shi=0100;else shi=shi-1;ge=0101;end if;else ge=ge-1;end if;end case;end if;shi1=shi;ge1yyyyyyyyyyyyyyyy=01000000;end case; end process; end;8.3 led显示模块的功能仿真图说明：当由上面的程序确定q值时，显示模块通过判断q值，把对应的值赋值给y，由数码管输出可以看到的数字。9. 顶层文件原理图设计9.1顶层文件原理图9.2 顶层原理图的功能仿真波形图图1：说明：图1显示的是nb=010，dx=100时，sel控制的是十位数为4，个位数为0；由图可以看到sel=001时，y=01100110；led数码管显示的是40的数字，图2：说明：图2显示的是nb=001，dx=100时，sel控制的是个位为5，十位数为0；由图可以看到sel=000时，y=01101101；led数码管显示的是05的数字。 10.交通灯的测试结果 经过测试得到如下结论： 当东西方向亮红灯时，南北方向同时亮灯；南北方向黄绿灯交替点亮，红灯45秒倒计时，黄灯5秒倒计时之后，绿灯40秒倒计时；当两个方向的数码管同时为零时，南北方向亮红灯，东西方向同时亮灯；东西方向黄绿灯交替点亮，红灯45秒倒计时，黄灯5秒倒计时之后，绿灯40秒倒计时；当两个方向的数码管同时为零时；重复上述过程，当clk信号不断输出时，结果无限循环下去。说明本程序能完成交通灯的基本工作。11.课程设计总结一周的课程设计结束了，通过这次设计，更加熟悉quartus ii6.0的使用方法和vhdl硬件描述语言的特点，使我的理论知识掌握得更扎实，动手能力明显提高。我们小组一共9个人，我们采取分工去完成任务，两个人一小组，我主要负责显示模块这方面。我们通过分工协作，最后一起共同完成了这次课程设计任务，这次课程设计促进了我们小组分工和协作的能力，组与组之间相互讨论，形成最终的结果。在设计过程中，我们有遇到过困难，我们课间、晚上的时间通过上网搜索，查找资料解决困难，有时真无法解决的就请教老师。在这次课程设计过程中，我们学会了利用许多方法解决所遇到的困难。这次设计，让我感受最深的是：在设计的阶段遇到的问题，我们一定要细心，有时一个程序就因为标点符号的不对，导致程序编译不成功，其次，要具备检查、排除故障的能力。这次课程设计，我深刻认识到了“理论联系实际”的这句话的重要性与真实性。平常的我们也在机房进行练习，但那时的我就纯粹为了敲一个程序，照书抄