课程设计--具有四种信号灯的交通灯控制

******大学《EDA技术》课程设计报告设计题目：具有四种信号灯的交通灯控制器专业班级：通信工程学生姓名：*******学号：*********指导教师：*******课程设计成绩：完成日期：20**年**月**日目录1引言...........................................................................21.1设计背景......................................................................21.2VHDL简介......................................................................21.3QUARTUSⅡ简介.................................................................52交通信号灯控制器的设计.........................................................52.1设计目的......................................................................62.2系统计要求....................................................................62.3设计思路......................................................................72.4交通信号灯控制器系统工作流程..................................................73交通灯控制器的实现.............................................................83.1交通灯控制器的设计原型图......................................................83.2系统各功能模块的实现..........................................................93.2.1模块shuomaguan..............................................................93.2.2模块traffic.................................................................93.3原理图........................................................................94交通信号灯控制器系统仿真及分析................................................104.1SHUMAGUAN模块仿真波形图......................................................104.2顶层实体的仿真波形...........................................................104.3TAFFIC模块的仿真波形图.......................................................114.4管脚锁定.....................................................................115完成调试后所显示结果的八种情况................................................126结论..........................................................................157总结与体会....................................................................15附录...........................................................................171SHUMAGUAN的VHDL程序............................................................172TRAFFIC的VHDL程序..............................................................18参考文献........................................................................2211引言1.1设计背景随着城市机动车量的不断增加，许多大城市如北京、上海、南京等出现了交通超负荷运行的情况，因此，自80年代后期，这些城市纷纷修建城市高速道路，在高速道路建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。然而，随着交通量的快速增长和缺乏对高速道路的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用。而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路耦合处交通状况的制约。因此，开发一套能够社会服务的交通灯控制器将是非常必要的，也是十分及时的。1.2VHDL简介语言硬件描述已经有几十年的发展历史，并且在系统的仿真、验和设计、综合等方面得到成功的应用。目前常用的硬件描述语言有VHDL、VerilogHDL、ABEL等。VHDL则起源于20世纪70年代末和80年代初，美国国防部提出的VHSIC计划，目标是为下一代集成电路的生产、实践阶段性的工艺极限和完成10万门级以上的电路设计而建立一种新的描述方法。VHDL的英文全称为Very-High-SpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage,是IEEE标准化的硬件描述语言，并且经成为系统描述的国际公认标准，得到众多EDA公司的支持。2成为系统描述的国际公认标准，得到众多EDA公司的支持。IEEE-1076（简称87版)之后，各EDA公司相继推出自的VHDL设计环境，或宣布自己的设计工具可以和VHDL接口。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。VHDL和Verilog作为IEEE的工业标准硬件描述语言，得到众多EDA公司支持，在电子工程领域，已成为事实上的通用硬件描述语言。VHDL具有很多的优点使它能够被大多数人认可，被广泛应用在逻辑电路的设计方面，并且成为了标准化的硬件描述语言，其优点如下：(1)功能强大和设计灵活。一个简洁的使用VHDL语言编写的程序就可以描述一个复杂的逻辑电路，因为VHDL拥有强大的语言结构。VHDL多层次的设计描述功能可以有效地控制设计的实现，支持设计库和可重复使用的元件生成，还支持多种设计方式，如层次化设计、模块化设计和同步、异步和随机电路设计。(2)与具体器件无关。用VHDL设计硬件电路时不用先确定设计要用到哪种器件，也不用特别熟悉器件的内部结构，这样可以使设计人员专注于进行系统设计。设计完成后，可以根据消耗的资源选择合适的器件，而不造成资源的浪费。(3)很强的移植能力。VHDL由很多不同的工具支持，同一个设计的程序可以在包括综合工具、仿真工具、系统平台等工具中使用。3(4)强大的硬件描述能力。VHDL可以描述系统级电路和门级电路，而且描述方式多样，可以采用行为描述、寄存器传输描述或者结构描述，也可以用其混合描述方式。同时，VHDL可以准确地建立硬件电路模型，因为它支持惯性延迟和传输延迟。VHDL的数据类型很丰富，支持标准定义的数据类型，当标准定义的数据类型不能满足用户的需求时，用户可以自己定义的所需要的数据类型，增加了设计的自由度。(5)语法规范，易于共享。当把用VHDL编写的代码文件看作是程序时，它可以作为设计人员之间的交流内容；当把它看作是文档时，可以作为签约双方的合同文本。VHDL易于共享的特点，使得大规模的协作开发容易实现。同时，这些特点也促进了VHDL的发展和完善。综上所述，VHDL有很多其他的硬件描述语言所不具备的优点。但是，VHDL仍然存在一些缺点，主要是3个方面。(1)要求设计者对硬件电路知识甚至是芯片结构方面的知识了解较多。应该摆脱一般的高级语言程序设计思路，因为在电路世界里的事件很多是并行发生的，并且硬件电路系统内部的模块可以是互相独立的，也可以是互为因果的，所以，在用VHDL设计硬件电路时应摆脱一般的高级语言程序设计思路。在设计电路时，应先构思电路，然后才能描述。(2)不能进行太抽象的系统描述。因为EDA工具无法综合抽象性太强的系统,故用VHDL描述系统电路时不能太抽象。目前的VHDL很难综合实际的硬件电路，只能适用于系统建模。4(3)不能描述模拟电路。对于模拟电路而言，VHDL并不是一种理想的硬件描述语言。但可以预见，未来硬件描述语言的发展方向是模拟电路和数模混合电路的描述方式。1.3QuartusⅡ简介QuartusII是Altera公司的综合性PLD/FPGA开发软件，支持原理图、VHDL、VerilogHDL以及AHDL（AlteraHardwareDescriptionLanguage）等多种设计输入形式，内嵌自有的综合器以及仿真器，可以完成从设计输入到硬件配置的完整PLD设计流程。QuartusII可以在XP、Linux以及Unix上使用，除了可以使用Tcl脚本完成设计流程外，提供了完善的用户图形界面设计方式。具有运行速度快，界面统一，功能集中，易学易用等特点。QuartusII支持Altera的IP核，包含了LPM/MegaFunction宏功能模块库，使用户可以充分利用成熟的模块，简化了设计的复杂性、加快了设计速度。对第三方EDA工具的良好支持也使用户可以在设计流程的各个阶段使用熟悉的第三方EDA工具。此外，QuartusII通过和DSPBuilder工具与Matlab相结合，可以方便地实现各种DSP应用系统；支持Altera的片上可编程系统（SOPC）开发，集系统级设计、嵌入式软件开发、可编程逻辑设计于一体，是一种综合性的开发平台。2交通信号灯控制器的设计52.1设计目的采用VHDL语言对交通灯控制器的设计,使交通灯控制电路用数字信号自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的通过状态转换的方法,指挥各种车辆和行人安全通行,实现十字路口交通管理的自动化。绿灯亮时，准许车辆通行，但转弯的车辆不得妨碍被放行的直行车辆、行人通行，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。2.2系统计要求系统设要求为：由一条主干道和一条支干道汇合十字路口，在每个入口处设置红，绿，黄，拐允许四盏信号灯，红灯亮禁止通行，黄灯亮则给行驶中的车辆有时间停在禁行线外，左拐灯亮允许车辆向左拐外。信号灯变换次序为：主干道每次放行40秒，亮5秒红灯让行驶中的车辆有时间停到禁行线外，左拐放行15秒，亮5秒红灯；支干道放行30秒，亮5秒黄灯，左拐放行15秒，亮5秒红灯......，各计时电路位倒计时显示。系统框图如下：6图2-1设计思路示意图2.3设计思路根据系统的功能要求，可分为四个部分来实现，分别是定时模块，主控电路，译码驱动电路和扫描显示几部分。分频部分是把外部提供的1Hz进行分频得到系统工作需要的工作脉冲，显示部分包括两个内容，一个是主干道红绿灯显示，另一个是支干道红绿灯显示。然