基于EDA的交通灯控制器的设计.docx
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基于EDA的交通灯控制器的设计.docx
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基于EDA的交通灯控制器的设计
毕业论文(设计)题目:
基于EDA的交通灯控制器的设计
学生姓名:
学号:
专业班级:
计算机科学与技术071班
指导教师:
职称
指导教师:
职称
起止时间:
2010.9~2011.5
诚信声明
我声明,所呈交的毕业设计作品和论文是本人经过近四年的基础课程与专业课程学习的基础上,在指导老师的指导下,经过几个月集中的毕业设计学习、实践和努力工作所取得的成果。
据本人查证,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,设计作品和论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。
我承诺,设计作品和论文中的所有内容均真实、可信。
学生签名:
签名日期:
年月日
计算机与信息学院
本科毕业论文(设计)选题审批表
毕业设计(论文)题目
基于EDA的交通灯控制器的设计
指导教师
职称
讲师
指导教师
职称
学生人数及姓名
1人,吴耀才
完成形式
论文+作品
题目来源
自选
选题的依据(题目背景及可行性分析):
本课题的设立依据现实生活中实际交通道路的需求。
面对机动车辆的不断增加,道路安全问题越发严重,为了保证机动车辆的安全行驶,维持城市道路的顺畅,城市交通信号灯控制器就有为重要,是解决交通问题的重要手段之一。
现采用EDA技术设计五叉路口的交通灯控制器,其中重点需要研究解决信号灯的配置问题。
运用实践性方法,通过对五叉路口的观察、实验和调查,制定出最合适的五叉路口通行原则,从而设计交通灯控制器设计方案,解决各个信号灯配置问题,进而编写信号控制的VHDL程序,并运用QuartusⅡ实现测试、仿真。
教研室
审核意见
教研室主任签字:
年 月 日
系审批意见
系主任签字:
年 月 日
计算机与信息学院
本科毕业论文(设计)任务书
题目:
基于EDA的交通灯控制器的设计
1.主要内容及基本要求
通过EDA技术设计五叉路口的交通灯控制器,其中重点需要研究解决信号灯的配置问题。
在五叉路口(ABCDE)的每一个进口设置两组信号灯,一组面对进口道上的车辆,称为入口灯。
另一组面对该进口道与相邻进口道按逆时针方向之间待转区上行驶的车辆,称为待转灯。
由这两组灯轮流给车辆与环内车辆分配通行权,使它们有条件以多股车流分时段通过此五叉路口。
每组信号灯都为红、黄、绿三色。
需要运用实践性方法,通过对五叉路口的观察、实验和调查,制定出最合适的五叉路口通行原则,从而设计交通灯控制器设计方案,解决各个信号灯配置问题。
画出交通灯控制器总体框图与各个步骤,进而编写信号控制的VHDL程序,在QuartusⅡ环境中进行测试、仿真。
2.进度计划
2010.9.6-9.30准备选题以及任务书的下发;
2010.10.1-10.31查阅资料,撰写综述,翻译以及开题报告;
2010.11.6-11.7开题答辩;
2010.11.7-1.10设计作品;
2011.1.10-1.21作品验收,审核论文大纲;
2011.2.21-4.8撰写论文并修改论文;
2011.4.10-5.7评审,打印论文;
2011.5.7-5.8答辩;
2011.5.13以前提交所有电子材料。
3.主要参考文献
[1]潘松,黄继业编著.EDA技术实用教程.科学出版社.2006
[2]冼进主编.数字控制系统设计实例.中国水利水电出版社.2007
[3]赵凯.一种基于EDA的智能交通灯设计[M].武汉工业学院学报.2009.3
[4]方敏,厉光伟.基于VHDL的交通灯控制器设计[M].现代电子技术.2007年第3期
[5](美)StefanSjoholm著.用VHDL设计电子线路.边计年,薛宏熙译.北京:
清华大学出版社.2000
[6]Altera.QuartusⅡtutorial
[7]鲍可进主编.数字逻辑电路设计.清华大学出版社.2004.2
指导教师签名:
_____________ 年 月 日
学生签名:
_____________ 年 月 日
(此表为教师填写,内容打印,签名必须手写。
学生要保存好该任务书,与开题报告一同上交指导教师,以备装订。
)
计算机与信息学院
本科毕业论文(设计)开题报告
论文中文题目
基于EDA的交通灯控制器的设计
论文英文题目
DesignofTrafficLightControllersBasedonEDA
学生姓名
吴耀才
专业班级
计算机科学与技术071班
⒈选题的背景和意义
交通灯是城市交通监管系统的重要组成部分,对于保证机动车辆的安全行驶,维持城市道路的顺畅起到了重要作用。
城市交通信号灯控制器是解决交通问题的重要手段之一。
自从道路的出现,交通信号灯就成为了一条道路的灵魂,它维持着道路的顺畅和保证机动车辆的安全行驶。
现在的交通灯通常由红、黄、绿三种颜色灯组成用来指挥交通的信号灯。
绿灯亮时,准许车辆通行,黄灯亮时,已越过停止线的车辆可以继续通行;红灯亮时,禁止车辆通行。
而当中红、黄、绿三种颜色灯的协调变换也便是交通信号灯的本质作用,因此,控制交通信号灯颜色协调变换的时序逻辑电路才是它的真正的灵魂[1]。
所以,只要处理好交通信号灯的时序逻辑电路,就能设计出一个具有完善功能的交通灯控制器。
随着电子技术的不断更新,数字系统的设计正朝着速度快、容量大、体积小、重量轻的方向发展。
电子设计自动化EDA(ectronicDesignAutomation)技术是用于电子产品设计中比较先进的技术。
EDA技术使得电子电路设计者的工作仅限于利用硬件描述语言和EDA软件平台就能够完成对系统硬件功能的实现,极大地提高了设计效率,缩短了设计周期,节省了设计成本,同时可以将设计过程中的许多细节问题抛开,而将注意力集中在系统的总体开发上,实现了真正意义上的电子设计自动化[2]。
⒉课题基本内容,拟解决的主要问题
通过EDA技术设计五叉路口的交通灯控制器,其中重点需要研究解决信号灯的配置问题。
在五叉路口(ABCDE)的每一个进口设置两组信号灯,一组面对进口道上的车辆,称为入口灯。
另一组面对该进口道与相邻进口道按逆时针方向之间待转区上行驶的车辆,称为待转灯。
由这两组灯轮流给车辆与环内车辆分配通行权,使它们有条件以多股车流分时段通过此五叉路口。
每组信号灯都为红、黄、绿三色。
其中,步骤一:
A、C间双向通行,C至E单向通行,A至E(左转二次停车),C至B(左转二次停车)。
步骤二:
步骤一中二次停车的车辆放行(A至E除外),B、D间双向通行,D至A单向通行,B至A(左转二次停车),D至C(左转二次停车)。
步骤三:
A至E左转放行(注:
B至E需进行三次停车)。
步骤四:
步骤二中二次停车的车辆放行,再按照步骤一的规则,循环进行。
然而,左转至相邻道路(按逆时针方向)的车流,在环状待车区内环行,右转车辆不受信号等控制,但应避让行人。
⒊课题研究方法及技术路线
运用实践性方法,通过对五叉路口的观察、实验和调查,制定出最合适的五叉路口通行原则,从而设计交通灯控制器设计方案,解决各个信号灯配置问题。
画出交通灯控制器总体框图与各个步骤,进而编写信号控制的VHDL程序,在QuartusⅡ环境中进行测试、仿真。
4.研究的总体安排和进度计划
总体安排:
第一步,选题;
第二步,搜集、阅读和整理资料,撰写文献综述,外文翻译;
第三步,撰写开题报告;
第四步,设计作品和撰写论文;
第五步,作品完善、论文修改与定稿;
第六步,答辩。
进度计划:
2010.9.6-9.30准备选题以及任务书的下发;
2010.10.1-10.31查阅资料,撰写综述,翻译以及开题报告;
2010.11.6-11.7开题答辩;
2010.11.7-1.10设计作品;
2011.1.10-1.21作品验收,审核论文大纲;
2011.2.21-4.8撰写论文并修改论文;
2011.4.10-5.7评审,打印论文;
2011.5.7-5.8答辩;
2011.5.13以前提交所有电子材料。
5.主要参考文献
[1]潘松,黄继业编著.EDA技术实用教程.科学出版社.2006
[2]冼进主编.数字控制系统设计实例.中国水利水电出版社.2007
[3]赵凯.一种基于EDA的智能交通灯设计[M].武汉工业学院学报.2009.3
[4]方敏,厉光伟.基于VHDL的交通灯控制器设计[M].现代电子技术.2007.3期
[5](美)StefanSjoholm著.用VHDL设计电子线路.边计年,薛宏熙译.北京:
清华大学出版社.2000
[6]Altera.QuartusⅡtutorial
[7]鲍可进主编.数字逻辑电路设计.清华大学出版社.2004.2
[8]刘昌华,张希编著.数字逻辑EDA设计与实践.国防工业出版社.2009.7
[9]刘欲晓,方强等编著.EDA技术与VHDL电路开发应用实践.电子工业出版社.2009.4
[10]江国强编著.EDA技术与应用.电子工业出版社.2010.4
[11]周润景,图雅等编著.基于QuartusⅡ的FPGA/CPLD数字系统设计实例.电子工业出版社.2007.8
[12]孙芹芝,张瑾,苏晓鹭.基于EDA交通灯控制系统.今日电子.2005.5期
指导教师意见
指导教师签名:
年月日
教研室(系)评议意见
系(教研室)主任签名:
年月日
注:
开题报告内容可以打印,但导师和系(教研室)意见及签名必须手写。
论文目录
摘 要
随着我国经济的飞速发展和城市人口的日益增多,城市交通拥挤现象成为越来越严重的现实,由此引发出日益严重的交通问题:
交通拥挤甚至堵塞,交通事故频繁,空气和噪声污染严重,公共运输系统效率下降等。
为了改善交通秩序,增加交通安全,减少交通延误,节省能源和土地的消耗,因而解决交通问题迫在眉睫。
如今,人们越来越关注把先进的科学技术用于交通管理,同时促进了交通自动控制技术的不断发展[3]。
因此,设计出智能化的城市交通信号灯控制器是解决交通问题的重要手段之一。
通过利用FPGA/CPLD大容量、可重构、可编程的特点设计五叉路口交通灯控制器,可充分利用现有交通资源,缓解城市交通压力,并对突发事件造成的交通堵塞进行紧急处理,及时疏通道路交通。
根据设计的要求,本文提出了一个交通灯控制器的控制方案,利用EDA工具设计出五叉路口使用的交通灯控制器,要求红、黄、绿灯按规定的时间和方式进行转换。
并介绍了用VHDL硬件描述语言和可编程器件FPGA/CPLD,运用QuartusⅡ开发软件平台实现该方案中交通灯控制器的设计。
关键词:
EDA,VHDL,交通灯控制器,FPGA/CPLD
Abstract
WiththerapiddevelopmentofChina'seconomyandthegrowingurbanpopulation,urbantrafficcongestionbecominganincreasinglyseriousphenomenonofreality,whichtriggeredagrowingtrafficproblem:
trafficcongestionorcongestion,frequentaccidents,airandnoisepollutionisserious,inefficientpublictransportationsystemsandsoon.Inordertoimprovetrafficordertoincreasetrafficsafetyandreducetrafficdelays,savingenergyandlandconsumption,andthussolvethetrafficproblemisimminent.Now,thereisgrowingconcernabouttheadvancedscienceandtechnologyfortrafficmanagement,whilepromotingthetrafficthedevelopmentofautomaticcontroltechnology.Therefore,thedesignofintelligenturbantrafficlightscontrollerisoneofthemostimportantmeanstosolvetrafficproblems.
ThroughtheuseofFPGA/CPLDhigh-capacity,reconfigurable,programmablefeaturesdesignedfive-forkintheroadtrafficlightcontrollerthatcanmakefulluseofexistingtransportresources,easethepressureonurbantraffic,andtrafficcongestioncausedbyemergenciesforemergencytreatmentintimetocleartheroad.
Accordingtothedesignrequirements,weproposeatrafficlightcontroller,thecontrolscheme,theuseofEDAtoolstodesignafive-forkintheroadtrafficlightcontrollerusedtorequirered,yellow,greentimeandmannerrequiredforconversion.AndintroducedtheuseofVHDLhardwaredescriptionlanguageandprogrammablelogicdeviceFPGA/CPLD,developmentsoftwareusingQuartusⅡplatformintheprogramdesignoftrafficlightcontroller.
KeyWords:
EDA,VHDL,trafficlightcontroller,FPGA/CPLD.
1引言
近年来伴随着社会的发展以及人们生活水平的提高,城市街道车辆出现大幅度增长,给城市交通带来巨大压力,而各式各样的路口,便是车辆通行的瓶颈所在。
而交通灯是城市交通监管系统的重要组成部分,对于保证机动车辆的安全行驶,维持城市道路的顺畅起到了重要作用。
因此,城市交通信号灯控制器是解决交通问题的重要手段之一。
自从道路的出现,交通信号灯就成为了一条道路的灵魂,它维持着道路的顺畅和保证机动车辆的安全行驶。
现在的交通灯通常由红、黄、绿三种颜色灯组成用来指挥交通的信号灯。
绿灯亮时,准许车辆通行,黄灯亮时,已越过停止线的车辆可以继续通行;红灯亮时,禁止车辆通行。
而当中红、黄、绿三种颜色灯的协调变换也便是交通信号灯的本质作用,因此,控制交通信号灯颜色协调变换的时序逻辑电路才是它的真正的灵魂[1]。
所以,只要处理好交通信号灯的时序逻辑电路,就能设计出一个具有完善功能的交通灯控制器。
EDA技术是现代电子信息工程领域的一门新技术,它是在先进的计算机工作平台上开发出来的一整套电子系统设计的软硬件工具,并提供了先进的电子系统设计方法。
当今的EDA技术更多的是指芯片内的电子系统设计自动化,即片上系统设计。
开发人员完全可以通过自己的电子系统设计来制定其芯片内部的电路功能,可以将设计过程中的许多细节问题抛开,而将注意力集中在系统的总体开发上,实现了真正意义上的电子设计自动化[2]。
本课题主要运用EDA技术设计五叉路口交通灯控制器。
由于,五叉路口交通状况更为复杂,所出现的交通意外异常的频繁,因此更需要完美的交通灯信号灯配置方案。
运用实践性方法,通过对五叉路口的观察、实验和调查,制定出最合适的五叉路口通行原则,进而设计交通灯控制器设计方案,解决各个信号灯配置问题,并通过在QuartusⅡ环境中进行测试、仿真。
完善的交通灯控制器能够进一步保证机动车辆的安全行驶,维持城市道路的顺畅。
2设计的基本理论与工具概述
2.1电子设计自动化EDA技术
2.1.1EDA技术的概述
20世纪90年代,国际上电子和计算机技术较先进的国家,一直在积极探索新的电子电路设计方法,并在设计方法、工具等方面进行了彻底的变革,取得了巨大成功。
在电子技术设计领域,可编程逻辑器件(如CPLD、FPGA)的应用,已得到广泛的普及,这些器件为数字系统的设计带来了极大的灵活性。
这些器件可以通过软件编程而对其硬件结构和工作方式进行重构,从而使得硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷。
这一切极大地改变了传统的数字系统设计方法、设计过程和设计观念,促进了EDA技术的迅速发展[2]。
然而,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VHDL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。
因此,EDA技术的出现,减轻了设计者的劳动强度,极大地提高了电路设计的效率和可操作性。
通过利用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[3]。
现在对EDA的概念或范畴用得很宽。
其中,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,其具体应用越来越广泛。
2.1.2EDA技术的优势
与传统的数字电子系统中的手工设计相比,EDA技术有很大的不同:
(1)用HDL对数字系统进行抽象的行为与功能描述以及具体的内部线路结构描述,从而可以在电子设计的各个阶段、各个层次进行计算机模拟验证,保证设计过程的正确性,可以大大降低设计成本,缩短设计周期。
(2)EDA工具之所以能够完成各种自动设计过程,关键是有各类库的支持。
如逻辑仿真时的模拟库、逻辑综合时的综合库、版图综合时的版图库、测试综合时的测试库等。
这些库都是EDA公司与半导体生产厂商紧密合作、共同开发的。
(3)某些HDL也是文档型的语言(如VHDL),极大地简化了设计文档的管理。
(4)EDA技术中最为瞩目的功能,即最具现代电子设计技术特征的功能是日益强大的逻辑设计仿真测试技术。
EDA仿真测试技术只需要通过计算机,就能对所设计的电子系统从各种不同层次的系统性能特点完成一系列准确的测试与仿真操作,在完成实际系统的安装后,还能对系统上的目标器件进行所谓边界扫描测试。
这一切都极大地提高了大规模系统电子设计的自动化程度。
(5)系统对于设计者来说,没有任何自主知识产权可言,因为系统中的关键性的器件往往并非出自设计者之手,这将导致该系统在许多情况下的应用直接受到限制。
基于EDA技术的设计则不同,由于用HDL表达的成功的专用功能设计在实现目标方面有很大的可选性,它既可以用不同来源的通用FPGA/CPLD实现,也可以直接以ASIC来实现,设计者拥有完全的自主权,再无受制于人之虞。
(6)EDA技术的设计语言是标准化的,不会由于设计对象的不同而改变;它的开发工具是规范化的,EDA软件平台支持任何标准化的设计语言;它的设计成果是通用性的,IP核具有规范的接口协议。
良好的可移植与可测试性,为系统开发提供了可靠的保证。
(7)从电子设计方法学来看,EDA技术最大的优势就是能将所有设计环节纳入统一的自顶向下的设计方案中[1]。
2.1.3EDA技术的发展趋势
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。
中国EDA市场已渐趋成熟,不过大部分设计工程师面向的是PCB制板和小型ASIC领域,仅有小部分(约11%)的设计人员开发复杂的片上系统器件。
为了与台湾和美国的设计工程师形成更有力的竞争,中国的设计队伍有必要引进和学习一些最新的EDA技术[1]。
在信息通信领域,要优先发展高速宽带信息网、深亚微米集成电路、新型元器件、计算机及软件技术、第三代移动通信技术、信息管理、信息安全技术,积极开拓以数字技术、网络技术为基础的新一代信息产品,发展新兴产业,培育新的经济增长点。
要大力推进制造业信息化,积极开展计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助工程(CAE)、计算机辅助工艺(CAPP)、计算机机辅助制造(CAM)、产品数据管理(PDM)、制造资源计划(MRPII)及企业资源管理(ERP)等。
有条件的企业可开展“网络制造”,便于合作设计、合作制造,参与国内和国际竞争。
开展“数控化”工程和“数字化”工程。
自动化仪表的技术发展趋势的测试技术、控制技术与计算机技术、通信技术进一步融合,形成测量、控制、通信与计算机(M3C)结构。
在ASIC和PLD设计方面,向超高速、高密度、低功耗、低电压方面发展[2]。
外设技术与EDA工程相结合的市场前景空间较好,如组合超大屏幕的相关连接,多屏幕技术也有所发展。
中国自1995年以来加速开发半导体产业,先后建立了几所设计中心,推动系列设计活动以应对亚太地区其它EDA市场的竞争。
而在EDA软件开发方面,目前主要集中在美国,其努力开发相应的工具。
日本、韩国也都有ASIC设计工具,但不对外开放。
中国华大集成电路设计中心,也提供IC设计软件,但性能不是很强。
相信在不久的将来会有更多更好的设计工具在各地开花并结果。
据最新统计显示,中国和印度正在成为电子设计自动化领域发展最快的两个市场,其增长率分别达到了50%和30%[1]。
2.2硬件描述语言——VHDL语言
VHDL语言的英文全名为Very-High-SpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage,诞生于1982年。
VHDL主要用于描述数字系统的结构,行为,功能和接口。
1987年底,VHDL被IEEE和美国国防部确认为标准硬件描述语言。
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。
同时,它也具备了以下几方面的特点:
(1)VHDL语言功能强大,设计方式多样
(2
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