EDA交通灯控制系统的课程设计

1 苏苏 州州 市市 职职 业业 大大 学学 课课程程设设计计说说明明书书 名称 交通灯控制系统的设计交通灯控制系统的设计 2012 年 6 月 11 日至 2012 年 6 月 15 日共 1 周 院 系 电子信息工程系 班 级 10 微电子 1 班 姓 名 孟园园 系 主 任 张红兵 教研室主任 陈伟元 指导教师 陈伟元 2 目录 第一章 绪论 2 1 1 EDA 技术的概述 2 1 1 1 EDA 技术的发展历程 2 1 1 2 EDA 的应用 3 1 2 EDA 技术的设计方法 3 1 2 1 由底向上 Bottom up 的设计方法 4 1 2 2 自顶向下 Top down 的设计方法 4 1 2 3 总结 6 第二章 交通灯控制系统简介 7 2 1 交通灯控制系统的应用场合 7 2 2 交通灯控制系统的作用 7 2 3 交通灯控制的系统构成 7 第三章 交通灯控制系统的设计 9 3 1 设计目的 9 3 2 设计要求 9 3 3 设计思路 9 3 4 设计流程图 10 3 6 设计步骤及程序 12 3 6 1 设计步骤 12 3 6 2 交通灯控制器各模块的程序 12 3 6 3 软件仿真结果 15 3 7 硬件实现及调试结果 15 第四章 课程设计总结 17 4 1 设计收获 17 4 2 设计改进 17 附录 18 参考文献 20 3 第一章第一章 绪论绪论 1 1 EDA 技术的概述 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 1 1 1 EDA 技术的发展历程 人类社会已进入到高度发达的信息化社会 信息社会的发展离不开电子产 品的进步 现代电子产品在性能提高 复杂度增大的同时 价格却一直呈下降 趋势 而且产品更新换代的步伐也越来越快 实现这种进步的主要因素是生产 制造技术和电子设计技术的发展 前者以微细加工技术为代表 目前已进展到 深亚微米阶段 可以在几平方厘米的芯片上集成数千万个晶体管 作为电子设 计技术的核心的 EDA 技术是指以计算机为工作平台研制成的电子 CAD 通用软件 包 融合了计算机技术 应用电子技术 智能化技术的最新成果 EDA 主要能 辅助进行 IC 设计 PCB 设计和电子电路设计这三方面的设计工作 已有 30 年 的发展历程 大致可分为以下三个阶段 CAD 阶段 CAE 阶段和 EDA 阶段 七十年代为 CAD 阶段 人们开始用计算机辅助进行 IC 版图编辑 PCB 布局 布线 取代了手工操作 产生了计算机辅助设计的概念 八十年代为 CAE 阶段 与 CAD 相比 除了纯粹的图形绘制功能外 又增加 了电路功能设计和结构设计 并且通过电气连接网络表将两者结合在一起 实 现了工程设计 这就是计算机辅助工程的概念 CAE 的主要功能是 原理图输 入 逻辑仿真 电路分析 自动布局布线 PCB 后分析 九十年代为 EDA 阶段 尽管 CAD CAE 技术取得了巨大的成功 但并没有把 人从繁重的设计工作中彻底解放出来 在整个设计过程中 自动化和智能化程 度还不高 各种 EDA 软件界面千差万别 学习使用困难 并且互不兼容 直接 影响到设计环节间的衔接 基于以上不足 人们开始追求 贯彻整个设计过程 4 的自动化 这就是 EDA 即电子设计自动化 1 1 2 EDA 的应用 EDA 技术在教学 科研 产品设计与制造等方面都发挥着巨大的作用 在教学方面 几乎所有理工科院校的电子信息类专业都开设了 EDA 课程 主要目的是让学生了解 EDA 的基本概念和基本原理 掌握用 HDL 语言编写规范 的程序 掌握逻辑综合的理论和算法 使用 EDA 工具进行电子电路课程的实验 并进行简单系统的设计 为今后工作打下基础 在科研方面 主要利用电路仿真工具 EWB 或 Pspice 进行电路设计与仿 真 利用虚拟仪器进行产品测试 将 CPLD FPGA 器件实际应用到仪器设备中 从事 PCB 设计和 ASIC 设计等 在产品设计与制造方面 EDA 技术应用于仿真 生产 测试等各个环节 如 PCB 的制作 电子设备的研制与生产 电路板的焊接 运用 CPLD FPGA 进行 数字系统的设计与制作 ASIC 的流片过程 等等 EDA 技术已经应用于各行各业 在机械 电子 通信 航空和航天 化工 矿产 生物 医学 军事等各个领域都有 EDA 技术的应用 另外 EDA 软件的 功能也日益强大 1 2 EDA 技术的设计方法 EDA 技术的设计方法一般使用数字系统的 EDA 设计 数字系统是指由若干 数字电路和逻辑部件构成的能够处理或传送 存储数字信息的设备数字系统通 常可以分为三个部分 即系统接口 数据处理器和控制器 数字系统的设计可以采用不同的方法 具体选择哪一种设计方法有多方面 的考虑 如设计者的设计经验 设计的规模和复杂程度 设计者采用的工艺及 选定的 IC 生产厂家或选用的可编程器件等 在今天复杂的 IC 设计环境下 概 括起来只有两种设计方法供数字系统设计人员选择 一种为由底向上 Bottom up 的设计方法 也称传统的设计方法 另一种为自顶向下 Top down 的设计 方法 也称现代的设计方法 数字系统结构框图如图 3 1 所示 5 图 1 1 数字系统结构框图 1 2 1 由底向上 Bottom up 的设计方法 自底向上法是根据系统功能要求 从具体的器件 逻辑部件或者相似系统 开始 凭借设计者熟练的技巧和丰富的经验通过对其进行相互连接 修改和扩 大 构成所要求的系统 该方法是从底层即具体元件开始的 实际上无论是取 用已有的模块还是自行设计电路 其设汁成本和开发周期都优于自顶向下法 但由于设计是从最底层开始 所以难以保证总体设计的最佳性 例如电路结构 不优化 能够共用的器件没有共用 应当说明的是 自底向上法并非一切从硬件开始设计 设计之初 依然要 了解系统要求 设计中要保证系统功能的实现 所谓自底向上 主要指在设计 子功能模块时 应考虑如何使用现有器件 1 2 2 自顶向下 Top down 的设计方法 自顶向下的设计方法利用功能分割手段 将设计由上到下进行层次化和模 块化分割 即对系统进行分层次 总系统层 子系统层 功能块层 电路逻辑块 层等 设计和仿真 功能分割时 将系统功能分解为功能块 功能块再分解为逻 辑块 逻辑块再分解为更小的逻辑块和电路元件 如此分割逐步地将设计细化 将功能逐步具体化 模块化 这种设汁是逐渐逼近于具体电路的 基于 VHDL 语言的自顶向下设计方法的实现流程如下 1 系统划分 根据系统定义 功能等要素将系统划分为多个相对独立的子 系统 并假设各子系统功能已知 对系统进行仿真 以验证系统划分的合理性 这是设计过程的第一阶段 在层次化设计方法中常称为顶层系统的设计 该阶 6 段要求对设计任务要有透彻的了解 并在此基础上决定设计任务 确定系统的 整体功能 输入信号及输出信号 描述系统功能就是用符号 图形 文字 表 达式等形式来正确描述系统应具有的逻辑功能和应达到的技术指标 2 建模 仿真和分析 各子系统分别用其他高级语言对算法进行建模 仿 真和分析 对其性能进行评估 使用数字系统的图形算法 往往以画出算法流 程图 原理框图作为完成系统级设计的标志 而使用数字系统的文本算法 则 是用硬件描述语言对系统进行行为描述 并以通过仿真作为完成设计系统级的 标志 例如 用 VHDL 语言描述数字系统级设计时 首先进行系统功能的原理仿 真 而不涉及具体器件的综合仿真 但原理仿真通过 就标志了系统级设计 工作的结束 3 VHDL 实现 各子系统分别用 VHDL 描述算法功能 用相应的 EDA 工具 仿真和分析 确保功能和时序满足系统指标要求 4 系统整合 利用 VHDL 的子程序和函数调用功能将各个子系统整合起来 在一个系统内进行全局仿真和分析 系统整合的过程是根据算法选择电路结构 系统算法决定电路结构 虽然不同的算法可以实现相同的系统功能 但是其电 路结构是不同的 此外 相同的算法也可能对应不同的电路结构 5 物理实现 要根据设计 生产条件 选择适当的器件来实现电路 并 导出详细的电路图 过去常常选用标准器件实现电路 这往往给设计带来许多限制和不便 层 次化设计方法提倡继往开来 即发现有适合需要的现成模块或者器件时 可以 直接使用它们 如没有 就应利用可编程逻辑器件设计制造新器件 以满足系 统功能的需求 其的优势还在于 一些设计只要完成了系统的行为描述 选择 器件的任务可交给 EDA 软件帮助自动实现 生成工艺文件 并利用工艺库产生 目标工艺文件 整个过程的流程如图 3 2 所示 值得说明的是 若其各子系统仍然比较复 杂 则该子系统可看成一个系统再细分成更小的子系统 在流程图中框内的子 系统可以是形式上和该流程图本身一样的一个系统 如果需要可以继续分下去 7 图 1 2 自顶向下设计方法的基本设计流程 1 2 3 总结 实际上在现代许多层次化设计中 是混合使用自顶向下法和自底向上法的 因为混合应用可能会取得更好的设计效果 一般地说 自顶向下设计方法适用 于设计各种规模的数字系统 而自底向上法适用于设计小型数字系统 自顶向 下的设计强调是性能的最佳 自底向上强调的是设计的经济性和高效性 实际 的设计往往是这两种设计思想的结合 也就是性能要求和经济要求的结合 在使用大规模集成电路时 特别是使用可编程逻辑器件 CPLD FPGA 进行设 计时 自顶向下的设计就会有更多的优点 因为用这样的芯片进行设计时 对 设计各种限制就很少 设计者在进行系统分解和子模块的描述时 没有太多的 标准部件和标准模块的限制 设计者可以尽可能按照性能要求来进行设计 虽 然 在 QuartusII 中的设计环境中 提供一些 VHDL 宏功能模块供设计者使用 其目的只是给设计者提供方便 而不是对设计者提出限制 8 第二章第二章 交通灯控制系统简介交通灯控制系统简介 2 1 交通灯控制系统的应用场合 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 2 2 交通灯控制系统的作用 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 3 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 9 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 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 图 2 2 常见大型十字路口图 10 第三章第三章 交通灯控制系统的设计交通灯控制系统的设计 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 南北向为主干道 每次通行时间为 25S 东西向为支干道 每次通行时 间为 15S 3 能实现正常的倒计时功能 用两组数码管作为东西 南北向的倒计时显 示 其中 黄灯 5S 4 能实现特殊状态的功能 按下 SP 键后 能实现以下特殊功能 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 5 能实现全清零功能 按下 reset 键后 系统实现全清零 计数器由初状 态计数 对应状态的指示灯亮 6 用 VHDL 语言设计上述功能的交通灯控制器 并用层次化方法设计该电 路 7 仿真 验证设计的正确性 11 3 3 设计思路 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 见表1 表 1 状态表 3 4 设计流程图 由以上要求可以得到该系统的程序流程图如图 3 2 所示 其中 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 状态状态主干道主干道支干道支干道时间时间 S 00绿灯亮绿灯亮红灯亮红灯亮20 01黄灯亮黄灯亮红灯亮红灯亮5 10红灯亮红灯亮绿灯亮绿灯亮10 11红灯亮红灯亮黄灯亮黄灯亮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 12 图 3 2 程序流程图 3 53 5 器件下载编程与硬件实现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 13 图 3 3 交通灯控制系统的硬件示意图 3 63 6 设计步骤及程序设计步骤及程序 3 6 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 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 14 3 6 2 交通灯控制器各模块的程序 下面是各功能模块的 VHDL 程序 文中只写出了它们的核心部分 各模块完 整的程序在附录中给出 1 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 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 15 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 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 16 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 3 6 3 软件仿真结果 图 3 7 仿真波形 3 73 7 硬件实现及调试结果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 17 图 3 8 指定芯片管脚图 3 硬件实验结果如下图所示 图 3 9 硬件实验图 18 第四章第四章 课程设计总结课程设计总结 4 14 1 设计收获设计收获 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 4 24 2 设计改进设计改进 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 当出现交通事故或有紧急状况 时 应启动紧急状态 比如增设一个控制信号使其出发交通灯东西南北四个方 向红灯同时点亮 从而避免连环的交通事故发生 对我而言 知识上的收获重 要 精神上的丰收更加可喜 19 附录附录 源程序 library ieee use ieee std logic 1164 all use ieee std logic unsigned all entity ledcontrol is port reset clk urgen in std logic state out std logic vector 1downto 0 sub set1 set2 out std logic end ledcontrol architecture a of ledcontrol is signal count std logic vector 6 downto 0 signal subtemp std logic begin sub subtemp and not clk statelabel process reset clk begin if reset 1 then count 0000000 state 00 elsif clk event and clk 1 then 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 end a library ieee use ieee std logic 1164 all use ieee std logic unsigned all entity ledshow is port clk urgen in std logic state in std logic vector 1 downto 0 sub set1 set2 in std logic r1 g1 y1 r2 g2 y2 out std logic led1 led2 out std logic vector 7 downto 0 end ledshow architecture a of ledshow is 20 signal count1 count2 std logic vector 7 downto 0 signal setstate1 setstate2 std logic ve ctor 7 downto 0 signal tg1 tg2 tr1 tr2 ty1 ty2 std logi c begin led1 11111111 when urgen 1 and clk 0 else count1 led2 11111111 when urgen 1 and clk 0 else count2 tg1 1 when state 00 and urgen 0