EDA交通灯控制系统的课程设计

山东建筑大学课程设计说明书 1 目录目录 摘要 1 一 设计目的与要求 2 二 设计原理 2 2 1 交通灯控制的系统构成 3 2 2 交通灯控制器的电路控制原理框图 3 2 3 器件下载编程与硬件实现 4 三 设计内容 4 3 1 设计步骤 5 3 2 交通灯控制器各模块的程序 6 3 3 软件仿真结果 9 3 4 硬件实现及调试结果 10 总结与致谢 11 参考文献 12 附录 21 山东建筑大学课程设计说明书 2 摘要摘要 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 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 交通控制系统的 适用场合主要是用于交通数据监测 交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合 管理系统 它是现代交通监控指挥系统中最重要的组成部分 关键字 EDA 交通灯 Verilog HDL QuartusIIQuartusII 山东建筑大学课程设计说明书 3 一 设计目的与要求 1 主 支干道各设有一个绿 黄 红指示灯 两个显示数码管 2 主 支道交替允许通行 主干道每次放行 45 s 支干道每次放行 25 s 在每次由亮绿灯变成亮红灯的转换过程中 要亮 5 s 的黄灯作为过渡 并进 行减计时显示 3 具有清零 可预置主 支干道通行时间功能 二二 设计原理 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 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 2 1 为十字路口交通管理信号灯的示意图 图 2 1 十字路口交通管理信号灯 2 1 交通灯控制的系统构成 城市中常见的大型十字路口如下 2 2 图所示 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 城市路口交通信号控制系统大体上分为三种类型 定周期的信号机 多时 段且具有无电缆协调功能的微电脑型信号机以及联网式自适应多相位智能型信 号机 具体采用哪种类型 应根据其应用场合及特点加以确定 其中 第一种 山东建筑大学课程设计说明书 4 类型以其成本低 设计简单 安装及维护方便等特点得到了广泛应用 2 2 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 控制情况如 下 状态状态主干道主干道支干道支干道时间时间 S S 0000 绿灯亮绿灯亮红灯亮红灯亮 4545 0101 黄灯亮黄灯亮红灯亮红灯亮 5 5 1010 红灯亮红灯亮绿灯亮绿灯亮 2525 1111 红灯亮红灯亮黄灯亮黄灯亮 5 5 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 山东建筑大学课程设计说明书 5 2 3 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 三设计内容 3 1 设计步骤 1 启动 Quarrtus 软件 2 单击菜单栏中的 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 Process Start 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 南北两条通道上 山东建筑大学课程设计说明书 6 的车辆通行 所有功能在实验操作平台上进行模拟通过 根据原理其主要功能如 图 3 4 图 3 4 系统结构图 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 View Utility Windows Node Finder 命令 添加 端口引脚名 10 指定芯片管脚 单击菜单栏中的 Assignments Pin 打开芯片管脚对 话框 3 2 交通灯控制器各模块的程序 1 简介控制部分的设计 控制模块是交通控制系统的核心部分 控制模块主要用于控制系统的 时钟 计数值 循环周期判别和人工控制信号输入 并将计数值做相关的 运算得到数码管的倒计时值 同时控制十字路口信号灯的亮 灭火闪烁 如图 3 5 所示 reset 是复位引脚 clk 是时钟引脚 其值为分频器的输出 时钟信号 urgen 是紧急状态引脚 state 1 0 是状态引脚 sub set1 set2 是状态选择引脚 process reset clk begin if reset 1 then count 0000000 state 00 elsif clk event and clk 1 then 图 3 5 控制部分的图形 山东建筑大学课程设计说明书 7 if urgen 0 then count count 1 subtemp 1 else subtemp 0 end if if count 0 then state 00 set1 1 set2 1 elsif count 20 then state 01 set1 1 elsif count 25 then state 10 set1 1 set2 1 elsif count 35 then state 11 set2 1 elsif count 40 then count 0000000 else set1 0 set2 0 end if end if end process statelabel 2 显示部分的设计 显示模块包括数码管动态扫描电路和译码显示电路 动态扫描电路用于选 择需要显示的数码管 译码显示电路用于将输入的二进制信息转换为数码管显 示编码 如图 3 6 所示 clk 是时钟引脚 urgen 是紧急状态引脚 state 1 0 是 状态引脚 sub set1 set2 是状态选择引脚 在 sub 为上升沿时 可以用 set1 和 set2 来选择调整交通灯的状态 r1 g1 y1 r2 g2 y2 分别是主干 道方向和次干道方向的红 绿 黄灯信号引脚 led1 7 0 led2 7 0 分别 为主干道方向和次干道方向的数码管倒计时信号灯 引脚 label2 process sub begin if sub event and sub 1 then if set2 1 then count2 setstate2 图 3 6 显示部分的图形 elsif count2 3 downto 0 0000 then count2 count2 7 else count2 count2 1 end if g2 tg2 山东建筑大学课程设计说明书 8 r2 tr2 y2 ty2 end if end process label2 label1 process sub begin if sub event and sub 1 then if set1 1 then count1 setstate1 elsif count1 3 downto 0 0000 then count1 count1 7 else count1 count1 1 end if g1 tg1 r1 tr1 y1 ty1 end if end process label1 其中ledcontrol部分为控制器模块 ledshhow部分为译码器模块 控制器 包括指数模块 计数模块和主控制器模块 置数模块将交通灯的点亮时间预置 到置数电路中 计数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 译码器模块将控制器模块的控制 作用通过译码表现出来 即我们看到的交通灯 最后上图最左边是系统输入 右边是系统输出 山东建筑大学课程设计说明书 9 3 3 软件仿真结果 图 3 7 仿真波形 3 4 硬件实现及调试结果 1 调试 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 2 指定芯片管脚图 图 3 8 指定芯片管脚图 山东建筑大学课程设计说明书 10 总结与致谢总结与致谢 通过这次设计 我的理论知识掌握得更扎实 动手能力明显提高 同时 通过网上搜索图书馆查阅资料等方式认识到了自己知识的局限性 我学到许多 知识 也认识到理论联系实践的重要 在设计当中遇到了许多以前没遇到的困 难 学会了利用许多的方法去解决所遇到的问题 编好程序后 虽然总是出错 比如说状态不能改变 绿灯不能按时闪烁等 但是经过多次研究在老师和同学 的帮助下终于找到问题所在并纠正 这次设计 让我感受最深是 在仿真的阶 段遇到很多的问题 我们一定要具备一定的检查 排除错误的能力 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 而且通过对此课程的设 计 我不但知道了以前不知道的理论知识 而且也巩固了以前知道的知识 在本次设计中 我们完成本系统设计的要求及功能 在设计开始前我们对 各个模块进行了详细的分析和设计准备工作 设计过程中 我们相互协调 积 极参与完成各个技术实现的难点 山东建筑大学课程设计说明书 11 由于时间仓促和我们自身知识水平有限 本设计在功能上也只是完成了一 些基本功能 对于电路的可靠性 稳定性等参数也还未做过详细的测试 在交 通的人性化控制方面也还未做周全的考虑 若在行驶过程中出现交通信号灯损 坏或是电源断电的情况 则应有紧急状态灯来控制交通的管理 好提醒司机们 或是行人注意保持车距 避免交通事故的发生 对我而言 知识上的收获重要 精神上的丰收更加可喜 同时 非常感谢老师对我的大力帮助 五 参考文献 1 黄仁欣 EDA 技术实用教程 北京 清华大学出版社 2006 2 潘松 黄继业 EDA 技术与 VHDL 北京 清华大学出版社 2009 3 江国强编著 EDA 技术与应用 第三版 北京 电子工业出版社 2010 4 夏宇闻编著 Verilog HDL 数字系统设计教程 北京 北京航空航天大学 出版社 2008 5 周祖成 程晓军 马卓钊编著 数字电路与系统教学实验教程 北京 科 学出版社 2010 6 周润景 苏良碧 基于 Quartus I