交通灯控制器的设计整合报告.doc

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1、目录一 引言21.1 EDA技术概述21.2 VHDL语言31.2.1 VHDL语言的特点31.2.2 VHDL 的主要优点413 交通灯控制技术414 EDA技术设计的优越性5二 介绍交通灯控制系统设计62.1交通灯控制系统的设计要求62.2交通灯控制系统的设计方法62.2.1传统的设计方法62.2.2 现代的设计方法72.3 设计方案92.4 基本组成模块9三 交通灯控制器的设计113.1 交通灯设计流程图113.2 各模块设计113.2.1 控制系统设计113.2.2 显示系统设计123.3 系统结构示意图14四、交通灯控制器的仿真和调试164.1 交通灯控制器的仿真164.1.1 对控

2、制模块的仿真164.1.2 对显示器模块的仿真174.1.3 对交通灯系统进行仿真184.2 程序下载194.2.1 管脚配置194.2.2 器件下载编程194.2.3 硬件实现19五 总结21参考文献:22交通灯控制器的设计摘 要：本论文论述了在QuartusII软件下分析、设计交通灯控制器的设计的过程。通过对交通灯控制器的设计论证，参考各种资料和进行程序实践，在指导老师的帮助下，已经基本上成功地实现了设计要求。关键词：EDA技术 VHDL 语言 交通灯控制器 程序设计 仿真 测试一 引言 随着大规模集成电路技术的发展及电子产品市场运作节奏的进一步加快，现代电子设计技术已迈入一个全新的发展阶

3、段，EDA技术是现代电子设计技术的核心，未来电子技术的时代将是EDA技术的时代。1.1 EDA技术概述电子设计自动化技术以计算机为基础工作平台，一微电子技术为物理基础，以现代电子技术设计技术为灵魂，采用计算机软件工具，最终实现电子系统或专用集成电路的设计。EDA技术可简单概括为以大规模课编程逻辑器件为设计载体，通过硬件描述或将逻辑图输入给相应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。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

4、版图的整个过程的计算机上自动处理完成。 现在对EDA的概念或范畴用得很宽。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。本文所指的EDA技术，主要针对电子电路设计、PCB设计和IC设计。 EDA设计还可分为系统级、电路级和物理实现级。1.2 VHDL语言1.2.1 VHDL语言的特点 1、VHDL是工业标准的文本格式语言。VHDL已成为一种工业标准，设计者、EDA工具供应商以及芯片生厂家都要遵循这一标准

5、。是一种文本格式的语言，ASIC的设计者在设计电路时，就像编写其他高级语言一样，用文本来表达所要设计的电路，这样能比较直观地表达设计者的设计思想，并且易于修改。2、VHDL具有强大的描述能力，VHDL语言既可以描述系统级电路，也可以描述门级电路；既可以采用行为级描述、数据流描述或结构化描述，也可以采用三者混合的描述方式。VHDL还支持惯性延迟和传输延迟，可以方便地建立电子系统模型，其强大的描述功能主要来自于强大的语法结构和丰富的数据类型。3、VHDL能同时支持仿真与综合。VHDL语言是一种能支持系统仿真的语言。VHDL不仅仅是一种仿真语言，它的大部分语句是可综合的，但也有一部分不支持综合，但其

6、中的可综合语句足以描述一个大而完整的系统。因此，VHDL语言可以有两个完全不同的描述：一种是基于仿真的描述，另外一种是用于生成具体电路的可综合描述。4、VHDL是一种并发执行的语句。几乎所有的高级语言程序的执行都是顺序的，而VHDL语言执行在总体上是并行的，这种特性符合实际逻辑电路的工作过程。5、VHDL 语言功能强大 , 设计方式多样VHDL 语言具有强大的语言结构, 只需采用简单明确的VHDL语言程序就可以描述十分复杂的硬件电路。同时, 它还具有多层次的电路设计描述功能。此外 ,VHDL 语言能够同时支持同步电路、异步电路和随机电路的设计实现, 这是其他硬件描述语言所不能比拟的。VHDL

7、语言设计方法灵活多样 , 既支持自顶向下的设计方式, 也支持自底向上的设计方法; 既支持模块化设计方法, 也支持层次化设计方法。6、VHDL 语言具有很强的移植能力。VHDL 语言很强的移植能力主要体现在: 对于同一个硬件电路的 VHDL 语言描述 , 它可以从一个模拟器移植到另一个模拟器上、从一个综合器移植到另一个综合器上或者从一个工作平台移植到另一个工作平台上去执行。 7、 VHDL 语言的设计描述与器件无关。采用 VHDL 语言描述硬件电路时, 设计人员并不需要首先考虑选择进行设计的器件。这样做的好处是可以使设计人员集中精力进行电路设计的优化, 而不需要考虑其他的问题。当硬件电路的设计描

8、述完成以后 ,VHDL 语言允许采用多种不同的器件结构来实现。 8、VHDL 语言程序易于共享和复用。VHDL 语言采用基于库 ( library) 的设计方法。在设计过程中 , 设计人员可以建立各种可再次利用的模块 , 一个大规模的硬件电路的设计不可能从门级电路开始一步步地进行设计 , 而是一些模块的累加。这些模块可以预先设计或者使用以前设计中的存档模块, 将这些模块存放在库中 , 就可以在以后的设计中进行复用。1.2.2 VHDL 的主要优点(1) 覆盖面广, 描述能力强, 是一个多层次的硬件描述语言(HDL )。即设计的原始描述可以是非常简练的描述, 经过层层细化分解,最终成为可直接付诸

9、生产的电路级或板图参数描述。整个过程都可以在VHDL 的环境下进行。(2) 具有良好的可读性, 既可以被计算机接受, 也容易被人们所理解。(3) 移植性强, 即它的设计描述可以被不同的工具所支持。(4) VHDL 的硬件描述与工艺技术无关, 不会因工艺变化而使描述过时, 其生命期长。VHDL 的不足指出是: 设计的最终实现取决于针对目标器件的编程器, 工具的不同导致综合质量不一样。由于 VHDL 语言是一种描述、模拟、综合、优化和布线的标准硬件描述语言 , 因此它可以使设计成果在设计人员之间方便地进行交流和共享, 从而减小硬件电路设计的工作量, 缩短开发周期。13 交通灯控制技术现在我国各地区

10、正在使用的交通灯大体上有两种一种为单灯多向式交通灯一种为单灯单向式交通灯。单灯多向式交通灯, 是指一灯控制多个方向。如绿灯可控制前行、左拐等方向的通行红灯可控制前行、左拐等方向的停止。它由三个灯、红、绿、黄组成, 分别用于提示停止、行进、停预警。单灯单向式交通灯, 是指一灯控制一个方向。如三个绿灯一, 分别为前行绿灯、左转绿灯、右拐绿灯, 分别用于控制各方向的行进与停止。这种交通灯是近几年刚使用的一种新型交通灯。14 EDA技术设计的优越性 EDA代表了当今电子设计技术的最新发展方向，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

11、品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程在汁算机上自动处理完成。设计者采用的设计方法是一种高层次的”自顶向下”的全新设计方法，这种设汁方法首先从系统设计人手，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，在系统一级进行驶证。然后，用综合优化工具生成具体门电路的网络表，其对应的物理实现级可以是印刷电路板或专用集成电路(ASIC)。设计者的工作仅限于利用软件的方式，即利用硬件描述语言和EDA软件来完成对系统硬件功能的实现。由于设计的主要仿真和调试过程是在高层次上完成的，这既有利于早期发现结构设计上的错误，避免设计工作

12、的浪费，又减少了逻辑功能仿真的工作量，提高了设计的一次性成功率。 由于现代电子产品的复杂度和集成度的日益提高，一般分离的中小规模集成电路组合已不能满足要求，电路设计逐步地从中小规模芯片转为大规模、超大规模芯片，具有高速度、高集成度、低功耗的可编程朋IC器件已蓬勃发展起来。二 介绍交通灯控制系统设计2.1交通灯控制系统的设计要求1）能显示十字路口东西、南北两个方向的红、黄、绿的指示状态；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，能实现特

13、殊状态功能：（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，并用层次化设计方法该电路。6）完成电路全部设计后，通过系统实验箱下载验证设计课题的正确性。2.2交通灯控制系统的设计方法数字系统的设计可以采用不同的方法，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：一种为由底向上的设计方法，也称为传统的设计方法；另一种为自顶向下的设计方法，

14、也称为现代的设计方法。2.2.1传统的设计方法设计的方向是由底向上，需要先定义和设计每个基本模块，然后对这些模块进行连线以及整体设计。由底向上设计方法的特征如下：（1）设计的方向是自底至上，先设计最小单元电路。（2）采用通用逻辑元器件，通常采用74系或CMOS4000系列的产品进行设计。（3）在系统硬件设计的后期进行调制和仿真。（4）设计结果是多张电路图。设计调试完毕形成电路原理图，该图包括元器件型号和信号之间的互联关系。2.2.2 现代的设计方法我们采用的是设计方法自顶向下的设计方法。这种设计方法综合运用各方面的知识，设计者必须从系统的角度来分析每个设计方法，同时还要对数字电路结构、EDA工

15、具、微电子等有关知识有比较全面的了解，这样才能发挥自顶向下的优势，提高电路的质量和效率。在进行自顶向下的设计时，仿真和综合只是系统实现的手段，要成功完成一个复杂系统的设计，不仅要熟练使用先进的高层次设计工具，还要对系统本身有正确理解。采用自顶向下技术进行设计可分为三个主要阶段：系统设计、系统的综合优化和系统实现，各个阶段之间并没有绝对的界限。系统设计是整个设计流程中最重要的部分，它包括系统功能分析、体系结构设计、系统描述与系统功能仿真4个步骤，这一阶段所做的工作基本上决定了索设计电路的性能。在完成系统功能仿真后，接下来的工作就是系统的综合优化，主要包括系统的综合优化与门级仿真。最后是系统实现。

16、系统功能仿真体系结构设计系统描述功能正确否系统综合优化门级仿真速度、面积满足要求否布局布线时序仿真时序满足要求否结束是修改源程序或修改结构否否是修改综合约束条件或修改结构是否系统设计阶段系统综合优化阶段系统实现阶段图1 自顶向下设计流程2.3 设计方案设计的交通灯控制电路，主要适用于在两条干道汇合点形成的十字交叉路口，路口设计两组红绿灯，分别对两个方向上的交通运行状态进行管理。交通灯持续闪亮时间由键盘输入控制。灯亮时序如下图所示，当南北方向的红灯亮时，东西方向对应的绿灯亮，由绿灯转换成红灯的过渡阶段黄灯亮，即南北方向红灯亮的时间等于东西方向绿灯和黄灯亮的时间之和。同理，当东西方向的红灯变亮时，

17、南北方向的交通灯也遵循此规则。各干道上安装有数码管，以倒计时的形式显示本道各信号灯闪亮的时间。当出现特殊情况时，各方向均亮红灯，倒计时停止。特殊运行状况结束后，控制器恢复原来的状态，继续运行。 黄灯亮南北东西绿灯亮红灯亮红灯亮绿灯亮黄灯亮图2 交通灯闪亮时序图2.4 基本组成模块交通灯控制器原理框图如下图所示，包括置数模块、计数模块、主控制器模块和译码器模块。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。其中，核心部分是主控制模块。主控制器清零红 绿 黄特殊状态红 绿 黄定时计数器置数器译码器显示器图3

18、 交通灯控制系统模块图控制情况表。状态主干道支干道时间1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5三 交通灯控制器的设计3.1 交通灯设计流程图设计流程：硬件描述语言输入时序和功能仿真综合适配与下载实验箱验证该系统的程序流程图如所示。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。图4 程序流程图3.2 各模块设计3.2.1 控制系统设计ledcontrol.vhd源程序library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_log

19、ic_unsigned.all;entity ledcontrol is port(reset,clk,urgen:in std_logic; state :out std_logic_vector(1 downto 0); sub,set1,set2 :out std_logic);end ledcontrol;architecture a of ledcontrol issignal count: std_logic_vector(6 downto 0); signal subtemp: std_logic;beginsub=subtemp and (not clk);statelabel

20、:process(reset,clk)beginif reset=1then count=0000000; state=00;elsif clkevent and clk=1then if urgen=0then count=count+1;subtemp=1;else subtemp=0;end if; if count=0 then state=00;set1=1;set2=1; elsif count=40 then state=01;set1=1; elsif count=45 then state=10;set1=1;set2=1; elsif count=85 then state

21、=11;set2=1; elsif count=90 then count=0000000;else set1=0;set2=0;end if;end if;end process statelabel;end a;3.2.2 显示系统设计ledshow.vhd源程序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,s

22、et1,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 signal count1,count2:std_logic_vector(7 downto 0); signal setstate1,setstate2:std_logic_vector(7 downto 0); signal tg1,tg2,tr1,tr2,ty1,ty2 :std_logic;beginled

23、1=11111111when urgen=1and clk=0 else count1;led2=11111111when urgen=1and clk=0 else count2;tg1=1when state=00and urgen=0 else 0;ty1=1when state=01and urgen=0 else 0;tr1=1when state(1)=1or urgen=1 else 0;tg2=1when state=10and urgen=0 else 0;ty2=1when state=11and urgen=0 else 0;tr2=1when state(1)=0or

24、urgen=1 else 0;setstate1= 01000000when state=00else 00000101when state=01else 01000101;setstate2= 01000000when state=10else 00000101when state=11else 01000101;label2:process(sub)beginif subevent and sub=1thenif set2=1then count2=setstate2;elsif count2(3 downto 0)=0000 then count2=count2-7;else count

25、2=count2-1; end if; g2=tg2; r2=tr2; y2=ty2;end if;end process label2;label1:process(sub)beginif subevent and sub=1thenif set1=1then 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;end a;3.3 系统结构示意图分别将设计

26、好的源程序转换成符号元件，用于画原理图。图5 结构示意图四、交通灯控制器的仿真和调试4.1 交通灯控制器的仿真4.1.1 对控制模块的仿真在QuartusII软件中导入交通灯显示程序，对此程序编译无错误后，建立Vector waveform file 文件保存时仿真文件名要与设计文件名一致。将控制仿真的结果贴到显示仿真中，两次在其中设计的开始时间为0，结束时间为5us，周期为50ns。仿真结果如下：图 6 控制部分波形仿真图（urgent=0）当reset=1，state=00，count=0;当reset=0时执行当 count=0 一开始时state=00;40秒后set1=“01”;45

27、秒后set2=“10;85秒后set1=“11”；90秒后，count又置零。仿真结果与程序设计相符合。图 7 控制部分波形仿真图（reset=0）由仿真图可以看出：当urgen=1时sub=0 ；当urgen=0时sub=subtemp and (not clk)；count=0 一开始时state=00;40秒后set1=“01”;45秒后set2=“10;85秒后set1=“11”；90秒后，count又置零。仿真结果与程序设计相符合。4.1.2 对显示器模块的仿真交通灯控制程序经综合无误后，保存为波形仿真文件即Vector waveform file类型的文件，即ledcontrol.

28、vwf文件。在设计始终开始时间为0，结束时间为5us，周期为50ns。仿真结果如下：图8 显示器部分仿真波形仿真结果与程序所要的结果一样。当state=”00”时g1=1；当state(1)=0时r2=1.图9 显示器部分仿真波形当urgen=1时r1=1,r2=1;仿真结果与程序设计符合。4.1.3 对交通灯系统进行仿真图10 交通灯部分仿真波形图11交通灯部分仿真波形4.2 程序下载4.2.1 管脚配置在试验箱上选择管脚与程序中的输入输出信号对应，其管脚配置如下：clkPin_93管脚led17Pin_129管脚 led27Pin_121管脚 g1Pin_142管脚led16Pin_128

29、管脚 led26Pin_120管脚 g2Pin_67管脚led15Pin_127管脚 led25Pin_114管脚 r1Pin_140管脚led14Pin_126管脚 led24Pin_113管脚 r2- Pin_84管脚led13Pin_125管脚 led23Pin_112管脚 y1Pin_141管脚led12Pin_124管脚 led22Pin_111管脚 y2Pin_68管脚led11Pin_123管脚 led21Pin_110管脚 urgenPin_42管脚led10Pin_122管脚 led20Pin_109管脚 resetpin_41管脚4.2.2 器件下载编程适配后生成的下载或配

30、置文件通过编程器或编程电缆向FPGA或CPLD进行下载，以硬件进行硬件调试和验证。对CPLD的下载称为编程（Program）。点击QuartusII软件中的Program就实行了本次试验的下载。4.2.3 硬件实现在进行硬件测试时，按键k1对应复位键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142、141、140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67、68、84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下CPLD/FPGA芯片I/OI/O时钟输入时钟CLK输入复位开关按键与紧急开关按键三极管或驱动芯片数码管译码驱动芯片LED灯用于显示红、黄、绿灯数码管M4、M3、M2、M1（用于显示倒计时）下载配置电路图12 交通灯控制系统的硬件示意图最后对载入了设计的FPGA或CPLD的硬件系