步行街道自助式交通灯控制器的设计.docx
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步行街道自助式交通灯控制器的设计
2012-2013学年第二学期
课题:
步行街道自助式交通灯控制器的设计
学院:
班级:
姓名:
学号:
指导老师:
摘要
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。
城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统,它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。
所以,如何采用合适的控制方法,最大限度利用好耗费巨资修建的城市双干线道路,越来越成为交通运输管理部门亟待解决的主要问题。
论文研究交通灯控制器的设计与实现,并利用EDA技术等知识设计了一套自助式交通灯控制器的方案。
自助式交通灯控制器主要由计数电路、控制电路、信号灯转换器、脉冲信号发生器组成。
通过采用数字电路自助式对交通灯控制器的设计,提出使自助式交通灯控制器用数字信号自动控制双干线路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换的新方法,指挥各种车辆和行人安全通行,实现双干线路口交通管理的自动化。
EDA技术在自动化控制实现方面有着诸多优势,值得进一步学习和研究。
关键词:
交通控制系统EDA自助式交通灯控制器自动化
Abstract
Alongwithsocialeconomy’sdevelpoment,themunicipaltransportationquestionarousespeople’sinterestmoreandmore.Theperson,thevechicle,roadthreere;ations’coordinated,havebecomeonewhichofimportantquestionsthetrafficcontroldepartmentneedstosolve.Themunicipaltransportationcontrolsystemisusesinthemunicipaltransportationcontrolsystemisusesinthemunicipaltransportationdatamonitor,thestreet-trafficcontrollightscontrolandthetransportationunblockingcomputerintegratedmanagementsystem,itisinthemodernmunicipaltransportationmonitoringcommandsystemthemostimportantconstituent.Therefore,howtousetheappropriatecontrolmethod,maximumlimitusesthegoodconsumptionlargeamountofmoneyconstructionthecitydoublemainroad,becomesthesubjectmatterwhichmoreandmoretrafficmanagementdepartmenturgentlyawaitstobesolved.thepaperresearchtrafficlightcontroller'sdesignwithrealizes,andusingknowledgeandsoonEDAtechnologyhasdesignedasetofself-servicetypetrafficlightcontroller'splan.Theself-servicetypetrafficlightcontrollermainlybythecountingcircuit,thecontrolcircuit,thesignallightswitch,thesignalimpulsegeneratoriscomposed.Throughusesthedigitalcircuitself-servicetypetothetrafficlightcontroller'sdesign,proposedthatcausestheself-servicetypetrafficlightcontrollerwiththedigitalsignalautomaticcontroldoubleskeletonlinestreetintersectiontwogroupsred,yellow,thegreentrafficlight'sphasetransitionnewmethod,directseachkindofvehiclesandthepedestrianpassesthroughsafely,realizesthedoubleskeletonlinestreetintersectiontrafficcontrolautomation.
TheEDAtechnologyrealizestheaspectintheautomatedcontroltohavemanysuperiority,isworthfurtherstudyingandstudying.
Keywords:
trafficcontrolsystemself-servicetrafficlights,EDA,automationcontroller
第一章EDA技术
1.1EDA技术的发展回顾----------------------------------------------
(1)
1.2EDA技术的构成----------------------------------------------------
(2)
1.3EDA设计行为描述语言-------------------------------------------(3)
第二章EDA设计方法流程及其工具
2.1FPGA/CPLD设计流程--------------------------------------------(4)
2.2EDA的一般设计方法---------------------------------------------(4)
2.3各种电子系统设计步骤综述-------------------------------------(4)
第三章VHDL设计
3.1QuartusⅡ概述-------------------------------------------------------(5)
3.2QuartusⅡ软件的开发流程----------------------------------------(6)
3.3QuartusⅡ工程的创建与管理------------------------------------(6)
3.4设计输入---------------------------------------------------------------------(6)
3.5编译处理---------------------------------------------------------------------(6)
3.6仿真测试---------------------------------------------------------------------(7)
3.7设计仿真---------------------------------------------------------------------(7)
第四章步行街道自助式交通灯控制器的设计
4.1统设计要求----------------------------------------------------------(8)
4.2系统设计方案-------------------------------------------------------(8)
4.3VHDL源程序-------------------------------------------------------(9)
4.4系统仿真-------------------------------------------------------------(10)
总结------------------------------------------------------------------------------(14)
参考文献------------------------------------------------------------------------(15)
附件VHDL源程序---------------------------------------------------------(15)
第一章EDA技术
1.1EDA技术的发展回顾
EDA技术伴随着计算机、集成电路、电子系统设计的发展,经历了计算机辅助设计CAD(ComputerAssistDesign)、计算机辅助工程设计CAE(ComputerAssistEngineeringDesign)和电子系统设计自动化ESDA(ElectronicSystemDesignAutomation)三个发展阶段。
20世纪70年代,随着中小规模集成电路的出现和应用,传统的手工制图设计印刷电路板和集成电路的方法已无法满足设计精度和效率的要求,人们开始将产品设计过程中高重复性的繁杂劳动如布图布线工作用二维平面图形编辑与分析的CAD工具代替。
这就产生了第一代EDA工具。
受当时计算机工作平台的制约,能支持的设计工作有限且性能比较差。
80年代出现的第一个个人工作站(Apollo)计算机平台,推动了EDA工具的迅速发展。
为了适应电子产品在规模和制作上的需要,出现了以计算机仿真和自动布线为核心技术的第二代EDA技术。
具有自动综合能力的CAE工具代替了设计师的部分设计工作。
其特点是以软件工具为核心通过这些软件完成产品开发的设计、分析、生产、测试等各项工作。
但是,大部分从原理图出发的EDA工具仍然不能适应复杂电子系统设计的要求,而且具体化的元件图形制约着优化设计。
90年代,设计师逐步从使用硬件转向设计硬件,从电路级电子产品开发转向系统级电子产品开发。
ESDA工具是以系统级设计为核心,包括系统行为级描述与结构级综合,系统仿真与测试验证,系统划分与指标分配,系统决策与文件生成等一整套的电子系统设计自动化工具。
第三代EDA技术的出现,极大地提高了系统设计的效率,使设计师开始实现“概念驱动工程”的梦想。
设计师摆脱了大量的辅助设计工作,把精力集中于创造性的方案与概念构思上,从而极大地提高了设计效率,缩短了产品的研制周期。
1.2EDA技术的构成
现代EDA技术的基本特征是采用高级语言描述,具有系统级仿真和综合能力。
EDA技术研究的对象是电子设计的全过程,有系统级、电路级和物理级各个层次的设计。
EDA技术研究的范畴相当广泛,从ASIC开发与应用角度看包含以下子模块:
设计输入子模块、设计数据库子模块、分析验证子模块、综合仿真子模块、布局布线子模块等。
EDA主要采用并行工程和“自顶向下”的设计方法,然后从系统设计入手,在顶层进行功能方框图的划分和结构设计,在方框图一级进行仿真、纠错,并用VHDL、Verilog-HDL、ABEL等硬件描述语言对高层次的系统行为进行描述,在系统一级进行验证,最后再用逻辑综合优化工具生成具体的门级逻辑电路的网表,其对应的物理实现级可以是印刷电路板或专用集成电路。
EDA工具的发展经历了两个大的阶段:
物理工具和逻辑工具。
物理工具用来完成设计中的实际物理问题,如芯片布局、印刷电路板布线等。
逻辑工具是基于网表、布尔逻辑、传输时序等概念,首先由原理图编辑器或硬件描述语言进行设计输入,然后利用EDA系统完成综合、仿真、优化等过程,最后生成物理工具可以接受的网表或VHDL、Verilog-HDL的结构化描述。
现在常见的EDA工具有逻辑器、仿真器、检查/分析工具、优化/综合工具等。
目前,PLD已成为现代数字系统设计的主要手段。
传统的编程技术是将PLD器件插在编程器上进行编程,而“在系统可编程”(ISP,即In-SystemProgrammable)逻辑器件的问世,将可编程器件的优越性发挥到了极致。
ISP技术就是直接在用户设计目标系统中或线路板上对PLD器件进行编程的技术。
打破了使用PLD必先编程后装配的惯例,可以先装配后编程,成为产品后还可反复编程。
ISP允许用户“在系统中”编程和修改逻辑,给使用者提供了在不修改系统硬件设计的条件下重构系统的能力和硬件升级能力,使硬件修改变得像软件修改一样方便,系统的可靠性因此而提高。
1.3硬件描述语言VHDL
硬件描述语言HDL是EDA技术的重要组成部分,常见的HDL有下列几种:
(1)VHDL
(2)VerilogHDL
(3)SystemVerilog
(4)SystemC
其中VHDL、Verilog在现在EDA设计中使用最多,也拥有几乎所有的主流EDA工具的支持。
而SystemC和SystemVerilog这两种HDL语言还处于完善过程中。
VHDL是电子设计主流硬件的描述语言之一本书将重点介绍它的编程方法和使用技术。
VHDL的英文全名是Very-High-SpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage,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。
自IEEE公布了VHDL的标准版本,IEEE-1076(简称87版)之后,各EDA公司相继推出了自己的VHDL设计环境,或宣布自己的设计工具可以和VHDL接口。
此后VHDL在电子设计领域得到了广泛的接受,并逐步取代了原有的非标准的硬件描述语言。
1993年,IEEE对VHDL进行了修订,从更高的抽象层次和系统描述能力上扩展VHDL的内容,公布了新版本的VHDL,即IEEE标准的1076-1993版本,(简称93版)。
现在,VHDL和Verilog作为IEEE的工业标准硬件描述语言,又得到众多EDA公司的支持,在电子工程领域,已成为事实上的通用硬件描述语言。
有专家认为,在新的世纪中,VHDL于Verilog语言将承担起大部分的数字系统设计任务。
VHDL语言是一种用于电路设计的高级语言。
它在80年代的后期出现。
最初是由美国国防部开发出来供美军用来提高设计的可靠性和缩减开发周期的一种使用范围较小的设计语言。
我们本学期在学习电子系统中所涉及的语言是VHDL。
第二章EDA设计流程及其工具
2.1FPGA/CPLD设计流程
(1)电路设计和输入
(2)功能仿真
(3)综合优化
(4)综合后仿真
(5)实现和布局布线
(6)时序仿真和验证
(7)板级仿真和验证
(8)调试和加载设置
2.2EDA的设计方法
(1)电子系统的层次法
(2)自下而上的设计方法
(3)自顶而下的设计方法
2.3各种电子系统设计步骤综述
2.3.1数字系统设计步骤
(1)明确设计要求。
(2)确定系统方案。
(3)完成受控器的详细设计。
(4)将系统级ASM及定时图细化,然后进行行控制器的设计。
(5)工程实现与调试。
(2)模拟系统设计步骤
注:
具体上述详细内容见南京师范大学现代电子系统设计图书
第三章VHDL设计
3.1QUARTUSⅡ概述
QuartusⅡ是Altera公司提供的FPGA/CPLD开发集成环境,Altera是世界上最大可编程逻辑器件的供应商之一。
QuartusⅡ界面友好,使用便捷,被誉为业界最易用易学的EDA软件。
在QuartusⅡ上可以完成设计输入、元件适配、时序仿真和功能仿真、编程下载整个流程,它提供了一种与结构无关的设计环境,是设计者能方便地进行设计输入、快速处理和器件编程。
QuartusⅡ开发系统的特点
(1)开放的界面
QuartusⅡ支持与Cadence,Exemplarlogic,MentorGraphics,Synplicty,Viewlogic和其它公司所提供的EDA工具接口。
(2)与结构无关
QuartusⅡ系统的核心Complier支持Altera公司的FLEX10K、FLEX8000、FLEX6000、MAX9000、MAX7000、MAX5000和Classic可编程逻辑器件,提供了世界上唯一真正与结构无关的可编程逻辑设计环境。
(3)完全集成化
QuartusⅡ的设计输入、处理与较验功能全部集成在统一的开发环境下,这样可以加快动态调试、缩短开发周期。
(4)丰富的设计库
QuartusⅡ提供丰富的库单元供设计者调用,其中包括74系列的全部器件和多种特殊的逻辑功能(Macro-Function)
以及新型的参数化的兆功能(Mage-Function)。
(5)模块化工具
设计人员可以从各种设计输入、处理和较验选项中进行选择从而使设计环境用户化。
(6)硬件描述语言(HDL)
QuartusⅡ软件支持各种HDL设计输入选项,包括VHDL、VerilogHDL和Altera自己的硬件描述语言AHDL。
本学期我们进行EDA编程的主要工具就是以QuartusⅡ为主。
3.2QuartusⅡ软件的开发流程
(1)设计输入
(2)设计编译
(3)设计仿真
(4)配置,下载编程
3.3QuartusⅡ工程的创建与管理
(1)QuartusⅡ工程的创建
(2)QuartusⅡ工程的管理
(3)QuartusⅡ文件的管理
3.4设计输入
1.原理图设计输入
(1)基本单元符号的输入
(2)图形模块输入
(3)建立完整的原理图文件
2.文本文件输入
(1)打开文本编辑器
(2)编辑文本文件
(3)设置文本编辑器的选项
(4)保存文本编辑器设计的文件
3.编译处理
3.5编译处理
1.编译前设置
(1)device设置
(2)Compilationprocess设置
(3)Analysis&synthesis设置
(4)Fitter设置
2.启动编译器
3.6仿真测试
创建一个仿真波形文件
在矢量波形文件中加入输入,输出节点
编译输入节点
时钟节点波形的输入
总线信号波形的输入
任意信号波形的输入
3.7设计仿真
仿真器的设置
启动仿真器
查看仿真波形报告
使用仿真波形
注:
具体上述详细内容见南京师范大学现代电子系统设计的第五章
第四章步行街道自助式交通灯控制器的设计
4.1统设计要求
(1)正常情况下保证主干道的畅通。
(2)当步行街上的行人要穿过主干道时,通过设置的按钮来发生请求。
(3)当有人按下此按钮时,主干道变为黄灯,设置计数器时时间为X秒。
(4)X秒过后,主干道变为红灯,计数器继续时(计时时间为Y秒),在Y秒内若有人再次按按钮,计数器不重新计时。
(5)步行街道绿灯闪烁时间为Y1秒,(Y-Y1)秒后主干道变为绿灯,车辆通行。
且要保证车辆通行一定时间(Z秒)。
在此时间内,行人按按钮无效。
Z秒过后,若有人再按下按钮,又出现(3)中的状态。
(6)计时器的计时时间长短X、Y、Z可以任意设定。
4.2系统设计方案
根据系统设计要求,系统设计采用自顶向下的设计方法。
顶层设计采用原理图设计方式,系统的整体组装设计原理图如图4.1所示,它由去抖模块,设计计数模块和交通灯控制模块三部分。
(1)去抖模块
去抖模块的作用在于消除按键的抖动。
因为当输入信号在高低电平之间转换时,在转换的瞬间会产生毛刺,使信号波形不稳定,从而使系统不能正常工作,因此加入去抖模块。
(2)设置计数模块
设置计数模块的是设置并存储主干道方向和步行街道方向的时间长短。
主干道方向需要设置的时间包括主干道黄灯信号时间、红灯信号时间和主干道车辆允许通行的最短时间,步行街道方向需要设置的时间为步行街道绿灯的闪烁时间。
图4.1系统整体组装设计原理图
(3)交通灯控制模块
交通灯控制模块采用状态机来实现,用于存储交通灯的五种状态。
五种状态的具体说明如表4.1所示。
表4.1交通灯信号的五种状态
状态
主干道信号灯
步行街道信号灯
主干道
步行
街道
红
绿
黄
红
绿
S0
0
1
0
1
0
通行
禁行
S1
0
0
1
1
0
车停靠
禁行
S2
1
0
0
0
1
禁行
通行
S3
1
0
0
0
Π
禁行
通行
S4
0
1
0
1
0
通行
通行
4.3VHDL源程序
交通灯控制器VHDL源程序请参见附件.
程序中输入输出端口含义如下:
(1)去抖模块(dither.vhd)
upin:
按键弹起downin:
按键压下
keyout:
按键输出信号
(2)设置计数模块(count.vhd)
clk:
时钟信号clear:
清零信号
clkadd:
加计数clksub:
减计数
pre_set:
预置有效信号human_set:
行人方向设置
rst:
复位信号human_time:
行人通过时间
human_clkt:
行人方向信号灯闪烁时间
gvehicle_time:
车辆通过时间
(3)交通灯控制模块(sr.vhd)
sred:
行人方向红灯sgreen:
行人方向绿灯
ered:
车辆方向红灯egreen:
车辆方向绿灯
eyellow:
车辆方向黄灯gt_set:
预置有效信号输入
human_time:
行人通过时间request:
请求信号输入
clk:
时钟信号rst:
复位信号
human_clkt:
行人方向信号灯闪烁时间
gvehicle_time:
车辆通过时间
4.4系统仿真
(1)去抖模块仿真
图4.2保存后的源程序
图4.3编译排错
图4.4去抖模块的仿真图
(2)设置计数模块仿真
图4.5设置计数模块的仿真图1
图4.6设置计数模块的仿真图2
图4.7设置计数模块的仿真图3
(3)交通灯控制模块
图4.8交通灯控制模块的仿真图
图4.9交通灯控制模块的部分仿真图1
图4.9交通灯控制模块的部分仿真图2
图4.10交通灯控制模块的部分仿真图3
(4)整个系统的仿真
图4.11整个系统的仿真图
总结
通过应用所学的知识设计了步行街道自助式交通灯控制器的设计。
交通灯控制器系统主要由计数电路、控制电路、信号灯转换器、脉冲信号发生器组成。
通过采用数字电路对交通灯控制电路的设计,提出使交通灯控制电路用数字信号自动控制双干线路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换的新方法,
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