eda课程设计交通灯控制器的设计优秀文档Word下载.docx
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2.2系统组成
其中系统时序发生电路最主要的功能就是产生一些额外的输出信号，它们是为红绿灯信号译码电路提供的频率39kHz的扫描信号，为定时控制电路提供的使能（enable）控制信号，为红绿灯信号译码电路提供的占空比为50%的秒闪烁信号；
红绿灯计数时间选择模块是负责输出显示器需要的值（即倒数的秒数值），作为定时控制电路的倒计时秒数，在该模块中可设置东西路口河南北路口的信号灯维持秒数；
定时控制电路功能就是负责接收红绿灯计数时间选择模块输出的值（即倒数的秒数值），然后将其转换成BCD码，利用七段显示器显示出来，让新人能清楚的知道再过多久就会变成红灯；
红绿灯信号译码电路除了负责控制路口红绿灯的显示外，最主要的功能就是能够利用开关来切换手动与自动的模式，让交警能够通过外部输入的方式指挥交通的，但为了配合高峰时段，防止交通拥挤，有时还必须使用手动红字，即让交警执行指挥交通。
为了系统正常运作，整个控制器采用同步工作方式，由外接信号发生器（该电路的设计可参见本章）提供1Hz的时钟信号CLK。
3.系统层次化设计与软件仿真
EDA技术的基本设计方法有电路设计方法和系统设计方法。
电路级设计方法已经不能适应新的形势，本系统采用的是系统级层次设计方法，对整个系统进行方案设计和功能划分，系统的关键电路用一片FPGA芯片实现，首先用VHDL语言编写各个功能模块程序，最后通过综合器和适配器生成最终的目标器件，然后用顶层原理图将各功能模块连接起来。
下面给出各模块的VHDL设计过程和仿真结果。
3.1系统时序发生电路
在红绿灯交通信号控制系统中，大多数的情况是通过自动控制的方式指挥交通的。
因此，为了避免意外事件的发生，电路必须有一个稳定的时钟（clock）才能让系统正常工作。
但为了配合高峰时段，防止交通拥挤，有时也必须使用手动可能工资，即让交警能够顺利的指挥交通。
CLK_gen电路最主要的功能就是产生一些额外的输出信号，并将其用作后续几个电路的使用（enable）控制与同步信号处理。
该电路的核心部分就是分频电路，通过对外接信号发生器提供1Hz的时钟信号进行1000分频，得到一个周期1s的输出使能信号ena_1Hz（占空比1：
1000）和flash_Hz（占空比1：
1）；
1024分频后得到红绿灯信号译码电路所需要的频率为39kHz的显示使能信号ena_scan。
VHDL源代码：
LIBRARYIEEE;
ENTITYclk_genIS
Port（reset:
instd_logic;
clk:
ena_scan:
outstd_logic;
ena_1Hz:
flash_1Hz:
outstd_logic）;
end;
ARCHITECTUREBEHAVIORofclk_genIS
CONSTANTscan_bit:
positive:
=10;
CONSTANTscan_val:
=1024;
CONSTANTtwo_Hz_bit:
=15;
CONSTANTtwo_Hz_val:
=19532;
signalclk_scan_ff:
std_logic_vector（scan_bit-1downto0）;
signalclk_2Hz_ff:
std_logic_vector（two_Hz_bit-1downto0）;
signalena_s,ena_one,ena_two:
std_logic;
begin
scan:
process（clk,reset）
begin
ifreset='
1'
then
clk_scan_ff<
="
000000000"
;
ena_s<
='
0'
elsif（clk'
eventandclk='
）then
ifclk_scan_ff>
=scan_val-1then
else
=clk_scan_ff+1;
endif;
endprocess;
ena_scan<
=ena_s;
two_Hz:
process（reset,clk,ena_s）
then
ena_one<
ena_two<
clk_2Hz_ff<
0000000000000"
）then
ifena_s='
ifclk_2Hz_ff>
=two_Hz_val-1then
=notena_one;
=clk_2Hz_ff+1;
ena_1Hz<
=ena_oneandena_twoandena_s;
flash_1Hz<
=ena_one;
endBEHAVIOR;
系统时序发生电路clk_gen的仿真输出波形和元件符号
系统时序发生电路clk_gen的仿真输出波形
图3-1系统时序发生电路CLK_GEN
3.2红绿灯计数时间选择模块
当过马路的时候，绿灯的一方又是会附加一个显示器告诉行人，目前还剩下几秒信号灯将变成红灯。
因此，traffic_mux电路最主要的功能就是负责输出显示器需要的值（即倒数的秒值数），作为定时控制电路的技术秒数。
该电路的核心部分就是数据选择电路，利用选择语句case_when（单输入，多输出）实现4选1，其选择输入信号sign_state是红绿灯信号译码电路产生的4种状态信号，状态转换输出表如表3-2所示。
状态sign_state
东西路口
南北路口
时间（s）
00（状态0）
东西路口为通行状态，此时东西路口绿灯亮
南北路口红灯亮
30
01（状态1）
东西路口为过渡状态，此时东西路口黄灯亮
5
10（状态2）
东西路口红灯亮
南北路口为通行状态，此时南北路口绿灯亮
20
11（状态3）
南北路口为过渡状态，此时南北路口黄灯亮
表3-2红绿灯计数时间状态转换表
ENTITYtraffic_muxIS
PORT（reset,clk,ena_scan,recount:
sign_state:
instd_logic_vector（1downto0）;
load:
outstd_logic_vector（7downto0））;
ARCHITECTUREBEHAVIORoftraffic_muxIS
CONSTANTyellow0_time:
integer:
=5;
CONSTANTgreen0_time:
=30;
CONSTANTyellow1_time:
CONSTANTgreen1_time:
=20;
load_time:
process（reset,clk）
load<
00000000"
if（ena_scan='
andrecount='
CASEsign_stateIS
WHEN"
00"
=>
load<
=CONV_STD_LOGIC_VECTOR（green0_time,8）;
01"
=CONV_STD_LOGIC_VECTOR（yellow0_time,8）;
10"
=CONV_STD_LOGIC_VECTOR（green1_time,8）;
WHENOTHERS=>
=CONV_STD_LOGIC_VECTOR（yellow1_time,8）;
ENDCASE;
ENDIF;
ENDPROCESS;
ENDBEHAVIOR;
3.2.2计数时间选择模块traffic_mux的仿真输出波形和元件符号
计数时间选择模块traffic_mux的仿真输出波形
3.3定时控制电路
该电路的核心部分是可置数的减法计数器电路和七段译码输出显示电路。
可置数的减法计数器电路是利用if_then_else语句完成，两位七段译码输出显示电路则利用case_when语句通过查表的方式构成。
USEIEEE.std_logic_1164.all;
ENTITYcount_downIS
Port（reset,clk,ena_1Hz,recount:
instd_logic_vector（7downto0）;
seg7:
outstd_logic_vector（15downto0）;
next_state:
ARCHITECTUREBEHAVIORofcount_downIS
signalcnt_ff:
std_logic_vector（7downto0）;
count:
if（reset='
cnt_ff<
seg7<
0000000000000000"
ifena_1Hz='
if（recount='
=load-1;
=cnt_ff-1;
caseconv_integer（cnt_ff）is
when38=
endcase;
next_state<
whencnt_ff=1else'
定时控制电路count_down的仿真输出波形和元件符号
定时控制电路count_down的仿真输出波形
3.4红绿灯信号译码电路
在红绿灯交通灯信号系统中，大多数的情况是通过自动控制的方式指挥交通的。
但为了配合高峰时段，防止交通拥挤，有时还必须使用手动控制，即让交警自行指挥交通。
因此，traffic_fsm电路除了负责监控路口红绿灯之外，最主要的功能就是能够利用开关来切手动与自动的模式，让交警能够通过外部输入的方式来控制红绿灯信号系统的运作。
输出信号：
recount（产生重新计数的输出使能控制信号）、sign_state（产生的输出状态信号共2位，4种状态）、red（负责红灯的显示，共2位，4种状态）、green（负责绿灯的显示，共2位，4种状态）、yelllow（负责黄灯的显示，共2位，4种状态）。
设南北路口红黄绿3色灯为r0、y0、g0，东西路口的红黄绿3色灯为r1、y1、g1，自动操作模式和手动操作模式信号灯显示的真值表如表3-2、表3-3所示。
信号灯显示的真值表
CLK
reset
ena_1hz
next_stage
state状态
sign_stage
recount
light
state1
1
X
r0g1
00
010010
state2
r0g1->
roy1
01
011000
state3
r0y1->
g0r1
10
100001
r0y1
state4
g0r1->
y0r1
11
100100
state5
y0r1->
state6
others
110000
表中定义了一些进程（process）间整体共享的电路内部传递信号，以整合所有功能，它们是：
state信号（设定红绿灯电路的状态，在该程序里定义8种状态）、st_transfer（在手动模式下判断是否转态的控制信号）、light[5:
0]（在自动模式下该信号为是否转态的控制信号，其位数从高到低分别表示red1、red0、yellow1、yellow0、green1、green0）。
USEIE
ENTITYtraffic_CONIS
Port（reset,clk,ena_scan,ena_1Hz,flash_1Hz,a_m,st_butt,next_state:
recount:
outstd_logic_vector（1downto0）;
red:
green:
yellow:
outstd_logic_vector（1downto0））;
ARCHITECTUREBEHAVIORoftraffic_CONIS
typeSreg0_typeis（r0g1,r0y1,g0r1,y0r1,y0y1,y0g1,g0y1,r0r1）;
signalstate:
Sreg0_type;
signalst_transfer:
signallight:
std_logic_vector（5downto0）;
rebounce:
process（reset,clk,ena_scan,st_butt）
variablerebn_ff:
if（st_butt='
orreset='
rebn_ff:
111111"
st_transfer<
if（ena_scan='
if（rebn_ff>
=3）then
rebn_ff:
=rebn_ff-1;
elsif（rebn_ff=2）then
else
=rebn_ff;
endif;
endprocess;
CON:
process（clk,ena_1Hz,reset）
If（reset='
state<
=r0g1;
sign_state<
recount<
if（clk'
caseSTATEis
whenr0g1=>
if（a_m='
andena_1Hz='
if（next_state='
=r0y1;
elsif（a_m='
andena_scan='
if（st_transfer='
whenr0y1=>
if（a_m='
=g0r1;
wheng0r1=>
=y0r1;
11"
wheny0r1=>
whenothers=>
state<
endcase;
light<
010010"
when（state=r0g1）else
"
011000"
when（state=r0y1）else
100001"
when（state=g0r1）else
100100"
when（state=y0r1）else
110000"
;
red<
=light（5downto4）;
yellow<
=light（3downto2）;
green<
=light（1downto0）;
信号译码电路
信号译码电路traffic_CON的仿真输出波形
在源程序中，利用类别的定义格式Typetype_nameistype_mark，将所有红绿灯交通信号系统发生的状况利用类别（type）的定义格式一一列举出来（程序中共定义了8种情况），信号线state的设置的目的是将sreg0_type定义的8种状况转换成位的方式表示。
程序包含两个进程debounce、con。
进程debounce是抖动清除电路，其重点在于st_transfer何时为1.当外部按下st_butt键时（即st_buff=0），内部的计数器rebn_ff开始计数（3f-02），在rebn_ff尚未数到02秒时，st_butt键被松开，那么状态将不会改变。
假如是由于电路效应引起开关误动作，开关抖动的速度是非常快的（约小于1ms），故电路不会有误动作的产生，也就达到了这个抖动消除的目的。
进程con是红绿灯状态控制器和红绿灯闪烁控制器。
3.5红绿灯交通控制器顶层电
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