基于VHDL的交通节点控制系统毕业设计

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1、 本科毕业论文（设计）论文（设计）题目：基于VHDL技术的交通节点控制系统优化设计学 院: 明德学院 专 业: 电子信息工程 班 级: 学 号: 学生姓名: 指导教师: 2013年6月7日贵州大学本科毕业论文（设计）诚信责任书本人郑重声明：本人所呈交的毕业论文（设计），是在导师的指导下独立进行研究所完成。毕业论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。特此声明。论文（设计）作者签名： 日 期： 目录摘要IIIAbstractIV引言1第1章 概述21.1交通灯的背景21.2交通控制系统目前国内外发展现状31.3 EDA技术概述51.3.1 EDA技术简介及发

2、展51.3.2 EDA设计方法51.3.3 EDA系统设计的主要特点51.3.4 传统电子设计与EDA设计方法比较51.4 VHDL语言综述61.4.1 VHDL语言简介61.4.2 VHDL语言的特点61.4.3 VHDL的设计流程71.5 QuatusII软件简介7第2章 设计方案的优化选择92.1 方案1、基于单片机的交通节点控制系统的设计。92.2 方案2、基于小规模集成电路的设计。102.3 方案3、基于VHDL的设计。10第3章 交通灯控制系统的具体设计123.1总体设计及思路分析123.2 红、绿、黄灯及左转蓝色指示灯的工作规律133.3 分模块设计173.3.1 定时单元模块1

3、73.3.2显示控制电路模块设计293.3.3译码显示电路模块设计32第4章 设计总结37参考文献39致谢40附录41基于VHDL技术的交通节点控制系统优化设计摘要决定一个城市的发展与进步的因数有很多，但交通道路系统无疑是这众多因素中重要的一环。城市发展了，人民生活水平不断提高，城市里的车也越来越多，这使得城市的道路交通成为一个非常棘手的问题，严重的交通拥堵现象，给广大市民的上班等出行带来了许多不便。为了缓解城市的交通拥堵问题，特别是交通交叉路口拥堵问题，那么研究一个更加智能、先进的交通灯控制系统就显得非常有必要。 纵观以前的交通控制系统多数由PLC或单片机实现，本设计介绍的是基于VHDL技术

4、的交通灯控制系统的优化设计。通过对系统进行详细结构分析，采用层次化的设计方法，给出模块的VHDL程序，再利用Quatus软件对程序进行仿真分析。在用系统硬件描述语言进行电路设计时，还应充分认识到VHDL语言的特点，从设计思路、语句运用及描述方法等多方面进行优化设计。关键词：交通控制系统；VHDL语言；Quatus软件；仿真 AbstractDetermine a citys development and progress of factor are many, but the traffic system is one important part of the many factors.

5、Urban development, peoples living standards continue to improve, the car in the city more and more, which makes the city of road traffic become a very thorny problem, severe traffic congestion phenomenon, to the general public to work such as travel brings a lot of inconvenience. In order to relieve

6、 urban traffic congestion problem, especially the intersection traffic congestion problems, so a more intelligent, advanced traffic control system is very necessary.Throughout most previous traffic control system by PLC and singlechip microcomputer, the design is optimized design of traffic light co

7、ntrol system based on VHDL. Through analyzing system structure in detail, using the design method of hierarchical module is given VHDL program, reusing Quatus software for simulation analysis program. When using hardware description language for circuit design, should also fully realize VHDL languag

8、e characteristics, from the design thought, statements, using the optimized design and the description method and so on many aspects.key words： the traffic control system; VHDL language; Quatus software; The simulation第 44 页 贵州大学本科毕业论文（设计） 引言自改革开放以来，我国的经济及各方面都取得了前所未有的进步与发展。人民生活水平不断提高，城镇化进程进一步加快，现在我国

9、已经到达“城市人口的临界点”，大约有6.75亿人生活在城市，占到了我国总人口的一半以上。到2030年，这一数字有望增加到10亿人。城市人口的增加，必然会给城市的交通带来很大的负担，这将是大多数城市将面临的一大问题。城市交通是一个城市活动的非常重要的组成部分，就像遍布我们人体全身的动脉一样，维系着整个城市系统的正常运转。发展决定了人们的需求不断变化，随着人类社会的进步，人口不断增多，科技的日趋进步和城市规模不断扩大，人们出行的交通方式也不断变化。交通方式也由原来简单的马车木船小舟，逐渐演变成为现在的火车、汽车、地铁、飞机、大型舰船等各种综合型的运输方式。交通作为现代城市的重要体现和标志，始终见证

10、着每一个城市的发展与兴衰。每一个城市经济的发展，城市化进程的加快，人口的增多，必然会使城市的交通高速发展的同时也对交通设施的建设（特别是交通控制系统）提出更高的要求。以前普通的交通控制器主要根据事先给定的时间进行通道的通禁控制，已达到自动控制的目的。显然如今车流量的不断增多，以前的交通控制系统已经不能满足现有交通控制系统的要求。为了缓解城市交通拥堵的状况，交通灯在其中扮演着举足轻重的角色。设计一个交通灯控制系统的方法有很多种，我们可以采用标准逻辑器件、单片机实现、可编程控制器PLC等方案实现。然而前面的3种方案都需要硬件电路来支持其功能的修改和调试，这样就在一定程度上增加了设计的困难，交通控制

11、系统未来的发展趋势更加偏向提高通行能力、加强环境保护、开展智能化控制等专项技术，在这过程中更加注重以人为本，重点开展交通安全技术的研究，同时兼顾经济合理原则的目标，促进新材料的广泛应用和开发。面对如上问题，随着电子技术的发展，电子设计自动化（EDA）的关键技术之一就是用形式化方法来描述数字系统的硬件电路，即用所谓硬件描述语言来描述硬件电路。 第1章 概述1.1交通灯的背景交通灯控制系统中的红绿灯（交通信号灯）是以规定时间交互更迭的光色讯号，设置于交岔路口或其它特殊地点，用以将道路通行权指定给车辆驾驶人与行人，管制其行止及转向的交通管制设施。以红、黄、绿三色灯号或辅以音响，指示车辆及行人停止、注

12、意与行进。红绿灯的由来：19世纪初,在英国中部的约克城。红、绿装分别代表女性的不同身份。其中,穿着红装的女人表示我已结婚,而穿着绿装的女人则表示是未婚者。后来,英国伦敦议会大厦前经常发生马车轧人的事故,于是人们受到红绿装启发,1868年12月10日,信号灯家族的第一个成员就在伦敦议会大厦的广场上诞生了。由当时英国机械师德哈特设计、制造的灯柱高7m,身上挂着一盏红、绿两色的提灯煤气交通信号灯,这是城市街道的第一盏信号灯。在灯的脚下,一名手持长杆的警察随心所欲地牵动皮带转换提灯的颜色。后来在信号灯的中心装上煤气灯罩,它的前面有两块红、绿玻璃交替遮挡。不幸的是只面世23天的煤气灯突然爆炸自灭,使一位

13、正在值勤的警察也因此断送了性命。从此,这个城市的刚刚诞生不久的交通信号灯马上被取缔了。直到1914年,在美国的克利夫兰市才率先恢复了红、绿灯,不过,这时已是“电气信号灯”，稍后又在纽约和芝加哥等城市,相继重新出现了交通信号灯。黄色信号灯的灯的发明者是我国的胡汝鼎,他怀着“科学救国”的抱负到美国深造,在大发明家爱迪生为董事长的美国通用电器公司任职员。一天,他站在繁华的十字路口等待绿灯信号,当他看到红灯而正要过去时,一辆转弯的汽车呼地一声擦身而过,吓了他一身冷汗。回到宿舍,他反复琢磨,终于想到在红、绿灯中间再加上一个黄色信号灯,使红灯和绿灯切换有个缓冲，以提醒人们注意危险。他的建议立即得到有关方面

14、的肯定。1918年，电气启动的红绿灯出现在美国。这种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成，安装在纽约市5号大街的一座高塔上。红灯亮表示“停止”，绿灯亮表示“通行”，黄灯表示“警告”。至此世界上第一盏名副其实的红、黄、绿三色灯诞生了。信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。1968年，联合国道路交通和道路标志信号协定对各种信号灯的含义作了规定。绿灯是通行信号，面对绿灯的车辆可以直行，左转弯和右转弯，除非另一种标志禁止某一种转向。左右转弯车辆都必须让合法地正在路口内行驶的车辆和过人行横道的行人优先通行。红灯是禁行信号，面对红灯的车辆必须在交叉路口

15、的停车线后停车。黄灯是警告信号，面对黄灯的车辆不能越过停车线，但车辆已十分接近停车线而不能安全停车时可以进入交叉路口。此后，这一规定在全世界开始通用。于是红、黄、绿三色信号灯即以一个完整的指挥信号家族,世遍及全界陆、海、空交通领域了。从最早的手牵皮带到20世纪50年代的电气自动化控制,从采用计算机控制到现代化的电子定时监控,交通信号灯在科学化、自动化上不断地更新、发展和完善。1.2交通控制系统目前国内外发展现状国外城市交通信号控制系统的现状汇英国、澳大利亚、美国、法国、意大利和加拿大等西方发达国家对交通控制系统的研究投入大量的人力、物力，取得了一系列成果。比较成功的有英国的TRANSYT系统、

16、SC00T系统、美国ACTRA交通信号控制系统和澳大利亚的SCATS系统。 SCOOTS系统是一种实时自适应控制系统，即绿信比一信号周期一相位差优化技术，1975年研制成功，在英国测试时取得了较好的效果。SCOOTS系统已经经历了几十年的发展，不断的改进，在全世界有100多个城市正在运行作。SCOOTS系统的主要特有:实用性强，主要采用连续微调的方式对配时参数进行优化;稳定性强，各个传感器将车辆检测数据采集起来分析，再通过模型计算出配时方案参数，完成信号控制方案联调执行。ACTRA交通信号控制系统是由美国西门子公司所研发的，也是一种自适应的信号控制系统，自适应反映迅速，交通响应模式主要是系统按

17、照交通流的变化或非典型交通的需求在系统范围内进行优化配时和方案的执行。通过从分配的前端交通检测器上获得的数据对划分区域范围内的周期长、绿信比和相位差分别自适应调整和控制，具有感应式线协调控制功能。SCATS系统同样是一种自适应交通控制系统，采用三级协调分布式控制系统:即控制中心为中央控制级、确定协调控制级(多个区域)和路口控制器级。SCATS系统的主要特点是检测器安装在道路停车线上，不需要建立具体的交通模型，所以我们可以看出其控制方案不是基于交通模型的;周期、绿信比和相位差等参数的优化需要在预先确定的多个方案中根据实测的饱和度值进行选择;系统可根据交通需求变换相位的轮换次序或跳过下一个相位，能

18、及时响应每个周期的交通需求。这三种系统都比较先进复杂，在控制原理和控制方式上有很多的相似性。但每个系统又有着自己的特点，在实际应用中，每个城市应该根据自身的实际情况选择合适的信号控制系统，这些系统在全世界范围内都得到了很好的广泛应用。我国城市交通信号控制系统方面的工作起步较晚，在20世纪70年代后期北京开始采用DJS一130型计算机对干道协调控制问题进行了研究。80年代以来，城市道路交通问题越来越严重，国家一方面进行以改善城市市中心交通为核心的UTSM(Urbantraffi。systemmanage)技术研究;另一方面采取引进与开发相结合的方针，建立了一些城市道路交通信号控制系统。如北京引进

19、了SC00T系统，上海引进了SCAT系统，深圳引进了日本的控制系统。我国近几年经过深入研究国外的交通信号控制系统，也开发出一些适用的交通信号控制系统，主要有上海交通大学的SUATA系统和南京、深圳等地研制的系统。而如合肥、湘潭、岳阳等国内中小城市，交通控制系统主要还是使用国产的简易单点信号机和集中协调式信号机的控制系统。这些交通信号控制系统虽然取得了满意的效果，但是中国的国情决定了需要对这些系统进行改进，主要体现在:(1)需要合理解决混合交通流问题(2)国产化率低(3)稳定性和可靠性(4)没有统一标准的通讯协议国外先进系统往往比较复杂、昂贵，很难适合我国其他一些城市的使用，同时国内的一些企业也

20、着手研发自己的信号控制系统。最新一代智能化交通信号控制系统是将人工智能和知识工程等先进的前沿科技应用于交通信号控制系统，已取得了一系列重要研究成果。智能控制主要是指基于专家系统的控制、模糊控制、神经网络控制、基于遗传算法的控制等。智能控制方法的最大特点是其控制算法具有较强的逼近非线性函数的能力，不依赖于精确的数学模型，这对于交通系统这样复杂难以建立较好数学模型的系统是一个有效方法。美国和荷兰等国目前正在研究基于智能Agent的UTC，主要原理是在城市交通网络中的一系列重要节点部署智能Agent，用于对所属的网络区域实现信号灯控制，它不但具有交通管理专家的经验知识，还具有不断学习的能力，具有本区

21、域的交通流信息。这些智能Agent之间通过通信层（规范、内容、协议）进行信息（路由信息、交通流信息、控制信息）交流，解决单智能Agent信息不完整性，并通过协调层进行目标协同，解决交通网络中的资源、目标和结果冲突，最终实现交通控制的优化。1.3 EDA技术概述1.3.1 EDA技术简介及发展EDA是电子设计自动化（Electronic Design Automation）的缩写，在20世纪60年代中期从计算机辅助设计（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。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

22、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。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。EDA技术的出现，极大地提高了电路设计的效率和可操作性，减轻了设计者的劳动强度。1.3.2 EDA设计方法(1) 前端设计(系统建模RTL 级描述)后端设计(FPGAASIC)系统建模。(2)IP复用。(3) 前端设计。(4) 系统描述：建立系统的数学模型。(5) 功能描述：描述系统的行为或各子模块之间的数据流图。(6)

23、逻辑设计：将系统功能结构化，通常以文本、原理图、逻辑图、布尔表达式来表示设计结果。(7) 仿真：包括功能仿真和时序仿真，主要验证系统功能的正确性及时序特性。1.3.3 EDA系统设计的主要特点用软件的方式设计硬件; 用软件方式设计的系统到硬件系统的转换是由有关的开发软件自动完成的; 采用自顶向下(top-down)的设计方法; 设计过程中可用有关软件进行各种仿真; 系统可现场编程，在线升级; 整个系统可集成在一个芯片上，体积小、功耗低、可靠性高。1.3.4 传统电子设计与EDA设计方法比较EDA与传统的电子设计方法相比，EDA技术对于复杂电路的设计和调试都比较简单，如果某一过程存在错误，查找和

24、修改起来比较方便，而且EDA技术的可移植性很强。传统机电设备的电器控制系统，如果利用EDA技术进行重新设计或进行技术改造，不但设计周期短、设计成本低，而且将提高产品或设备的性能，缩小产品体积，提高产品的技术含量，提高产品的附加值。1.4 VHDL语言综述1.4.1 VHDL语言简介VHDL（VHSICHardwareDescriptionLanguage）是美国国防部在80年代后期推出的面向多层次的硬件描述语言，它是70年代末、80年代初VHSIC（VeryHighSpeedIntegratedCircuit）计划的产物。VHDL支持硬件的设计、综合、验证和测试，言于1987年被定为IEEE1

25、076标准，1993年升级为IEEE1164标准。目前几乎所有的EDA工具都不同程度上支持VHDL语言VHDL主要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接口。1.4.2 VHDL语言的特点（1） 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 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

26、方法。（2） VHDL 语言具有强大的硬件描述能力。VHDL 语言具有多层次的电路设计描述功能，既可描述系统级电路，也可以描述门级电路；描述方式既可以采用行为描述、寄存器传输描述或者结构描述，也可以采用三者的混合描述方式。同时，VHDL 语言也支持惯性延迟和传输延迟，这样可以准确地建立硬件电路的模型。（3） 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。（4） VHDL 语言的设计描述与器件无关。采用 V

27、HDL 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述完成以后，VHDL 语言允许采用多种不同的器件结构来实现。（5） 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。1.4.3 VHDL的设计流程

28、VHDL代码编写。编译源文件。功能仿真（前仿真）。逻辑综合、优化和布局布线。时序仿真（后仿真）。编程下载。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。1.5 QuatusII软件简介QuartusII是著名FPGA厂商Altera公司提供的FPGA/CPLD开发集成环境，属于平台化设计工具。用户可以在QuartusII中实现整个数字集成电路的FPGA设计流程。QuartusII在21世纪初推出，是Altera前一代FPGA/CPLD集成开发环境MAX+plus II

29、的更新换代产品，其界面友好，使用便捷。在QuartusII上可以完成设计输入、HDL综合、布线布局（适配）、仿真和下载和硬件测试等流程，它提供了一种与结构无关的设计环境，使设计者能方便地进行设计输入、快速处理和器件编程。QuartusII 提供了完整的多平台设计环境，能满足各种特定设计的需要，也是单芯片可编程系统（SOPC）设计的综合性环境和SOPC开发的基本设计工具，并为AlteraDSP开发包进行系统模型设计提供了集成综合环境。QuartusII设计工具内部嵌有VHDL、Verilog逻辑综合器。QuartusII也可以利用第三方的综合工具，如Leonardo Spectrum、Synpl

30、ifyPro、FPGA Complier II，并能直接调用这些工具。同样，QuartusII具备仿真功能，同时也支持第三方的仿真工具，如ModelSim。此外，QuartusII与MATLAB和DSP Builder结合，可以进行基于FPGA的DSP系统开发，是DSP硬件系统实现的关键EDA工具。第2章 设计方案的优化选择交通节点控制系统的设计是数字电路设计中的经典案例，其设计方案有基于单片机的设计、基于小规模集成电路的设计、基于VHDL的设计等。下面我主要对这3种设计方案进行分析及论证，最后优化选择实现设计。2.1 方案1、基于单片机的交通节点控制系统的设计。AT89C52单片机数码管倒计

31、时显示晶振电路复位电路各车道信号灯图1.基于单片机的系统框图由上图可以看出基于单片机的交通节点控制系统的设计中，其设计主要以AT89C52单片机为核心器件，设计中考虑到各模块的稳定工作，就采用单片机控制模块提供电源，这主要可以节约成本，但输出功率不高。关于复位电路的部分，为了使程序更加简洁，避免冗长，就采用按键复位，另外还需在芯片的复位端口外接一个复位电路，通过按键对单片机输入一个高电平的脉冲，以便达到复位目的。关于输入信号部分，直接在I/O口接上按键开关，达到精简和优化电路的目的，本控制系统对于交通灯及数码管的控制只用单片机本身的I/O口就能够实现，显示电路部分采用共阳数码管显示。本方案分析

32、：该设计主要以AT89C52单片机为核心器件，电路部分较为简单，扩展性也较为良好，调试难度一般，但是该方案不满足本次毕业设计基于VHDL语言的要求，故不能采用。2.2 方案2、基于小规模集成电路的设计。A车道信号灯B车道信号灯倒计时显示器逻辑控制电路模块主控制器计时控制电路模块预置数产生电路时钟产生电路图2.基于小规模集成电路设计的系统框图由上系统框图可以看出，基于小规模集成电路的交通控制系统设计，其主要由时钟产生电路、主控制电路、计时控制电路、交通信号显示电路四部分组成。时钟产生电路是系统中定时器和控制器的标准时钟信号源。译码器输出两组信号灯的控制信号，经驱动电路驱动信号灯工作。时钟脉冲产生

33、电路利用晶振，它可以发出连续脉冲从而控制两片74LS161组成的计时电路的CLK端。主控制器是系统的最主要部分，由它控制其他电路之间的协调工作。本方案分析：本套方案采用的是以集成硬件电路进行搭建连接，各个小模块之间的接口不一定有保证，其连接过程中采用大量芯片来搭建各个模块，这样就使得电路系统体积相对较大，相对来说就增加了系统的调试难度，以基本不能满足现代电路的设计要求。故该方案舍弃。2.3 方案3、基于VHDL的设计。标准信号模块定时电路模块显示控制电路模块7段译码显示电路模块信号灯控制电路模块信号灯显示模块图3.基于VHDL的设计框图上图3为基于VHDL交通节点控制系统设计框图，该方案主要以

34、CPLD器件为核心，并用VHDL编程实现各模块单元以及控制电路的功能，用QuartusII软件仿真调试，最后显示电路采用7段共阴极数码管。本方案分析：该方案主要CPLD器件为核心，以VHDL硬件描述语言为基础，编程具有很大的灵活性，在设计过程中采用自顶向下，分小模块进行设计，调试和修改都比较容易，设计方法及技术更加先进，满足毕业设计的要求，故我最终选择本方案。第3章 交通灯控制系统的具体设计3.1总体设计及思路分析总体设计的思路主要围绕任务书提供要求进行扩展，现将任务书的主要设计要求展现如下： 1、用VHDL硬件描述语言设计一个交通节点（以十字路口为例）的交通灯控制系统 ，该系统包括基本的红、

35、绿、黄灯的显示、车的左转以及基本的交通灯功能。另外，该系统应还具有时间显示、倒计时设置以及显示等基本功能。2、设东西方向和南北方向的车流量大致相同，因此红、黄、绿灯的时常也相同，则定为红灯58秒，黄灯3秒，绿灯45秒；另设置左转灯为蓝色箭头指示灯，时间为10秒。3、同时用7段数码管显示当前红灯、黄灯、绿灯的时间状态。4、选用Quatus软件设计及仿真分析。由上面任务书的主要设计要求，再结合上一章选择的论证方案，基于VHDL的交通节点控制系统的设计，我的总体设计将采取自顶向下的思路，分小模块进行设计、编程、仿真。由上章的图3可以知道，本设计共可以分为6个基本的小模块：标准信号电路模块、定时单元电

36、路模块、信号灯控制电路模块、显示控制电路模块、信号灯显示模块、译码显示电路模块。其中每个模块有不同的功能，标准信号电路模块的作用为整个电路提供1Hz信号；信号灯控制电路模块的作用控制8路灯的亮灭；定时单元电路模块的作用为绿灯45s、左转灯10s、黄灯3s、红灯58s定时单元，分别控制8路灯的亮灭时间；信号灯显示模块的作用为LED红、绿、黄灯及左转蓝色指示灯显示；显示控制电路模块的作用为控制每一路灯的倒计时显示时间，译码显示电路模块的作用为将倒计时时间译码后通过7段数码管显示。然后得出基于VHDL的交通控制系统总体设计框图见上页（图3.基于VHDL的设计框图）。3.2 红、绿、黄灯及左转蓝色指示

37、灯的工作规律南北方向东西方向图4.十字交叉路口简图由图4.十字交叉路口简图可以看出，计划在十字交叉路口的东西方向和南北方向分别安装红、绿、黄交通信号灯及左转蓝色指示灯。一般交通规则情况下，当车行驶路线绿灯亮时，行进中的车右转将不受其他限制，故本设计不考虑车右转的情况。根据交通规则，为了避免交通事故，行驶路线上的车必须严格按照交通指示灯来执行，尤其是交通节点交叉路口处车的左拐，只有在左拐灯亮的时候才可以左拐。现将各交通灯的亮灭工作规律设定为：南北方向车道的绿灯和东西方向车道的红灯(红灯亮58s）同时亮，然后南北方向车道的车可以通行，东西方向车道禁止通行，经45s后，南北方向车道绿灯灭，同时南北方

38、向的左拐蓝色指示灯亮，南北方向车可以左转东西方向通行，经10s后左转指示灯熄灭，南北方向车道黄灯开始闪烁，闪烁3s后，南北方向车道红灯亮（亮58s），与此同时东西方向红灯熄灭，绿灯亮，南北方向车道车禁止通行，东西方向车道开始通车，经45s后，东西方向车道绿灯熄灭，同时东西方向车道的左拐指示灯亮，东西方向车左转南北方向通行，经10s后东西方向左转指示灯熄灭，禁止东西方向车左转，紧接着东西方向车道黄灯开始闪烁，闪烁3s后，东西方向红灯亮（亮58s），再切换到南北方向车道，同时南北绿灯亮，重复上述过程。在开始时表示南北方向车道的绿色发光二极管亮45s，然后依次是表示左拐的蓝色二极管亮10s和黄色二极

39、管亮3s，同时此过程东西方向车道的红色二极管亮58s；此后东西方向车道的绿色发光二极管亮45s，蓝色发光二极管亮10s，黄色发光二极管亮3s，同时此过程南北方向车道红色发光二极管亮58s。重复以上过程。在这循环过程中的四个数码管，分两个为一组，前一组表示南北方向车道的倒计时时间，后一组表示东西方向车道的倒计时时间。四组交通灯的亮灭设定，“1 ”代表亮，“0 ”代表灭（不亮）。 四组交通灯： 红灯 黄灯 绿灯 左转灯 南北方向： 0 0 1 0东西方向： 1 0 0 0南北方向： 0 0 0 1东西方向： 1 0 0 0南北方向： 0 1 0 0东西方向： 1 0 0 0南北方向： 1 0 0

40、0东西方向： 0 0 1 0南北方向： 1 0 0 0东西方向： 0 0 0 1南北方向： 1 0 0 0东西方向： 0 1 0 0 由上真值表可以看出，南北方向和东西方向的灯可以分为上面六种状态，现在将其按照红灯、黄灯、绿灯、左转灯依次排列可以得出其状态图如下： 00101000 00011000 01001000 10000100 10000001 10000010 图5.状态转换图由上面的图5可以看出，其主要控制部分分别列出了四种颜色交通灯灯的亮灭状态，可以分为六种状态A、B、C、D、E、F，其中每种状态的持续时间即是对应控制每一路的四种不同交通灯亮的时间。如下为交通灯控制模块生成的器件

41、，在此处设定CLK是输入标准时钟信号，ar（a代表南北方向车道，r为red开头字母，ar为南北方向车道红灯）ay（a代表南北方向车道，y为yellow开头字母，ay为南北方向车道黄灯）、ag（a代表南北方向车道，g为green开头字母，ag为南北方向车道绿灯）、al(left左转灯)为输出信号控制南北方向车道的四盏交通指示灯，br（b代表东西方向车道，r为red开头字母，故br为东西方向车道红灯)、by(yellow黄灯)、bg(green绿灯)、bl(left左转灯)为输出信号控制东西方向车道的四盏交通指示灯，现在将部分程序展示如下：library ieee;use ieee.std_log

42、ic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity jtd is port(clk:in std_logic; ar,ay,ag,al,br,by,bg,bl:out std_logic); -开始定义各路交通信号灯 end entity jtd; architecture a of jtd is type state_type is(A,B,C,D,E,F); -南北方向和东西方向的信号亮灭状态分为六种状态 signal state:state_type; begin cnt:process(clk) variable s:integer r

43、ange 0 to 58; -整形变量s范围0到58 when A=ar=0;ay=0;ag=1;al=0; -A状态各路灯的亮灭状态 br=1;by=0;bg=0;bl=0; if s=45 then -南北车道路绿灯亮状态持续45s state=B;clr:=0;en:=0; else state=A;clr:=1;en:=1; 仿真结果如下：图7.控制模块仿真图仿真分析，由上图可以清晰的看出，CLK处于高电平时，在A状态下东西方向车道的br红灯处于高电平时，即红灯亮，则南北方向车道的ag也处于高电平，即绿灯亮45s,当绿灯时间结束，紧接着左转指示灯亮10s,即al处于高电平，当左转灯熄灭

44、，黄灯紧接开始闪烁3s，即ay处于高电平，黄灯闪烁结束，紧接着南北方向车道ar红灯和东西方向bg同时处于高电平，即南北方向红灯亮，同时东西方向绿灯亮。 图6.控制模块生成图3.3 分模块设计3.3.1 定时单元模块定时单元模块在本设计中的作用非常重要，每个定时单元模块主要控制南北和东西两路各交通灯亮的显示时间。58s红灯定时单元模块主要控制南北车道和东西车道两路红灯处于亮状态的显示时间，从Djs58端口输出到显示控制模块的译码显示端口，58s红灯定时单元模块生成器件中，EN58A（EN为使能信号标志，另A代表南北方向车道）为南北方向车道红灯的使能控制信号，其作用是当其处于高电平时，则控制南北方

45、向车道的红灯处于亮状态。EN58B（EN为使能信号标志，B代表东西方向车道）为东西方向车道红灯的使能控制信号，当其处于高电平时，则东西方向车道的红灯处于亮状态。58s定时单元模块及58S倒计时程序如下：library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity ds58s is port (CLK,EN58A,EN58B:in std_logic; djs58:out std_logic_vector(7 downto 0);end entity ds58s;architecture a of

46、ds58s is signal cnt6b:std_logic_vector(5 downto 0); begin process(CLK, EN58A,EN58B) begin if(CLKevent and CLK=1) then if EN58A=1or EN58B=1 then cnt6b=cnt6b+1; else cnt6bdjs58djs58djs58djs58djs58djs58djs58djs58djs58djs58djs58djs58djs58djs58djs58djs58djs58djs58djs58djs58djs58djs58djs58djs58djs58djs58d

47、js58djs58djs58djs58djs58djs58djs58djs58djs58djs58djs58djs58djs58djs58djs58djs58djs58djs58djs58djs58djs58djs58djs58djs58djs58djs58djs58djs58djs58djs58djs58djs58djs58=00000000; end case; end process;end architecture a;图8.红灯定时模块，倒计时仿真图仿真分析，由上图8仿真截图可以看出，红灯58秒定时控制模块此时处于南北方向车道红灯亮的状态。输入Clk处于高电平，南北方向车道红灯使能信

48、号控制EN58A处于高电平，东西方向车道红灯使能信号控制EN58B处于低电平。则倒计时显示djs58输出的为南北方向的红灯的倒计时显示时间。上图辅助线指示处显示为倒计时58秒时,依次为57s,56s,55s,54s,53s,。但从辅助线处观察可以看出在这仿真过程中因为软件的关系输出结果有一定的延迟，当clk一开始处于高电平上升沿时，就应该开始倒数计时58s。下图9为上面程序再通过QuartusII软件生成器件。图9.红灯定时模块生成器件绿灯45s定时、45s倒计时模块的设计在此的主要作用是控制南北方向车道和东西方向车道两路绿灯的显示时间，从djs45s端口输出到显示控制模块的端口，南北方向车道

49、使能控制信号EN45A作用为控制南北方向的45s绿灯是否处于亮的状态、东西方向车道的使能信号EN45B作用为控制东西方向的绿灯是否处于亮的状态。其VHDL程序如下：library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity ldds45s is port (clk,EN45A,EN45B:in std_logic; djs45s:out std_logic_vector(7 downto 0);end entity ldds45s;architecture a of ldds45s is sig

50、nal cnt6b:std_logic_vector(5 downto 0); begin process(clk, EN45A,EN45B) -将时钟信号、南北方向（A）路、东西方向（B）路使能信号设为敏感信号 begin if(clkevent and clk=1) then if EN45A=1or EN45B=1 then cnt6b=cnt6b+1; else cnt6bdjs45sdjs45sdjs45sdjs45sdjs45sdjs45sdjs45sdjs45sdjs45sdjs45sdjs45sdjs45sdjs45sdjs45sdjs45sdjs45sdjs45sdjs45sdjs45sdjs45sdjs45sdjs45sdjs45sdjs45sdjs45sdjs45sdjs45sdjs45sdjs45sdjs45sdjs45sdjs45sdjs45sdjs45sdjs45sdjs45sdjs45sdjs45sdjs45sdjs45s=00000110;