基于Multisim的交通管理系统的设计及仿真Word文档格式.docx
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1.1课题意义1
1.2课题背景1
1.3Multisim8软件简介2
2电路系统综合设计的原理3
2.1电路综合设计的一般方法3
2.2系统综合设计步骤3
2.2.1确定电子线路的总体方案3
2.2.2电子电路系统的硬件电路设计4
2.3系统综合设计应注意的问题5
3交通管理系统的原理7
3.1交通管理系统的工作原理7
3.2交通管理系统方案设计7
3.3交通管理系统原理设计8
3.4单元电路设计9
3.4.1减计数控制器9
3.4.2秒脉冲和半秒脉冲发生器10
3.4.3初值设定电路11
3.4.4时间显示电路12
3.4.55秒译码和00译码电路12
3.4.6手动/自动选择电路14
3.4.7黄灯闪动控制电路14
3.4.8信号灯驱动电路15
4Mutism8在交通管理系统设计中的应用16
4.1单元模块电路的设计16
4.1.1时钟产生模块的设计和封装16
4.1.2初值输入模块设计17
4.1.3计数译码模块17
4.1.4数据选择和红绿灯切换模块18
4.2总体电路的设计和仿真19
4.2.1总体电路的设计19
4.2.2仿真分析和操作说明20
4.2.3复杂电路系统仿真应注意的事项20
结论21
致谢22
参考文献23
1绪论
1.1课题意义
随着社会经济建设的飞速发展和城市规模的不断扩大，交通系统对于保证社会经济体系的正常运转发挥着越来越重要的作用。
目前，城市公路交通系统变得越来越复杂，特别是近年来车辆增长的速度己经远远高于道路和其它交通设施的增长速度，这就对交通系统的信息流通、监控调度等提出更高的要求。
因为由此引发的交通拥挤、车辆事故、能源浪费和环境污染等社会问题将日趋严重，给社会造成巨大的经济损失。
因此，如何科学地管理和控制车辆，保证交通畅通、改善道路安全和提高整个交通系统的效益己经成为交通管理部门急待解决的问题。
基于Multisim的交通管理系统为车辆导航，并综合使用现代通信及计算机技术，使交通管理部门能够实时调度车辆交通状况，实行最优化管理，可以有效地控制城市的交通流量，缓解交通堵塞等问题。
另外，利用基于Multisim的交通管理系统能够节省人力成本，减轻交通管理部门的压力，更加科学、高效地管理城市交通，服务市民。
总之，利用基于Multisim的交通管理系统实现车辆的监控和调度对于科学、高效地管理城市交通和方便服务市民都有着重大的现实意义。
1.2课题背景
在早期的城市交通管理系统中采用交通警察现场指挥，但由于其操作难度大、实际效果差，耗费人力物力难于长期使用。
基于Multisim的交通管理系统有效的解决了上述问题，与传统的管理方法相比，它具有自动、准确、省时、省力，不受气候的影响等优点。
交通管理部门可以借助于当今快速发展的新技术来保障交通疏畅，改善道路安全，减少交通拥挤和空气污染对生态环境所造成的恶劣影响。
用EDA工具,电子工程师可以从概念、方法、协议等开始设计系统,大量工作可以通过计算机来完成,并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出印刷板的整个过程在计算机上自动处理完成。
在计算机硬件强有力的支持下,虚拟设备的研究开发与电路仿真的应用也在迅猛地发展,电路仿真是利用EDA系统工具的模拟功能对电路环境和电路过程进行仿真。
这个工作对应着传统电子设计的电路搭试和性能测试,由于不需要真实电路环境的介入,因此花费少、效率高,而且结果快捷、准确、形象。
通过对实际电子线路的仿真分析,对于缩短设计周期,节省设计费用,提高设计质量具有非常重要的意义[1]。
1.3Multisim8软件简介
Multisim8是加拿大InteractiveImageTechnologies公司2006年推出的Multisim最新版本。
可以设计、测试和演示各种电子电路,包括电工电路、模拟电路、数字电路、射频电路及部分微机接口电路等。
可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障,如开路、短路和不同程度的漏电等,从而观察不同故障情况下的电路工作状况。
它有丰富的元件库,并开设了EdaPARTS.com网站,为用户提供元器件模型的扩充和技术,虚拟测试仪器仪表种类齐全,其操作方法与实际仪器十分相似,具有较为详细的电路分析功能,可以完成电路的瞬态分析和稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等18种电路分析方法,基本上能满足一般电子电路的分析设计的要求。
提供了多种输入输出接口,Multisim8可以与国内外流行的印刷电路板设计自动化软件Prote及电路仿真软件Pspice之间的文件接口,也能通过Windows电路图送往文字处理系统中进行编辑排版,同时还支持VHDL和VerilogHDL语言的电路仿真与设计。
Multisim8软件专门用于电路仿真，是迄今为止使用最方便、最直观的仿真软件，增加了大量的VHDL元件模型，可以仿真更复杂的数字元件，在保留了EWB形象直观等优点的基础上，大大增强了软件的仿真测试和分析功能，大大扩充了元件库中的元件的数目，特别是增加了大量与实际元件对应的元件模型，使得仿真设计的结果更精确、更可靠、更具有实用性。
2电路系统综合设计的原理
2.1电路综合设计的一般方法
要设计一个电子电路系统，首先要明确设计任务，深入了解系统功能、技术指标和使用条件等，从而确定设计思想和设计方法。
下面介绍电子电路系统设计的一般方法。
（1）方案论证和方案设计：
设计者针对设计任务、要求和条件，通过调查研究和查阅资料拟定出几种设计方案，画出每种方案的原理框图，然后逐个分析每个方案的优缺点，并加以比较，择优选用。
（2）设计系统的硬件电路和软件程序：
按总体方案设计硬件电路，首先画出电路的功能组成框图，明确各功能单元电路要求；
然后设计各单元电路（包括电路的拓扑结构、元器件参数及型号等），设计好单元电路后，画出总体电路图，总体电路图是调试和维修的依据；
最后，根据总体电路图，设计电路的PCB，在设计PCB时，要注意元器件的布局和走线要求，系统输入和输出接口的安排和强电与弱电的隔离等[3]。
（3）安装调试：
安装和调试包括硬件调试、软件调试和软硬件联调。
在进行硬件调试时，不要急于触电，要反复检查，在确定电路元器件、连线、直流供电等无误后再通电；
软件调试要先进行单元程序调试，后进行总体程序调试，一般要经过调试、修改、和再调试的过程；
软硬件联调将调试好的软件在通过仿真器看系统是否满足功能要求，若存在偏差，先确定是软件的问题还是硬件的问题，再分别进行调试直至满足功能要求。
2.2系统综合设计步骤
2.2.1确定电子线路的总体方案
认真分析和研究课题的任务、要求和条件，查阅相关资料，利用有关的理论知识进行方案的构思，提出实现课题的原理和方法。
对构思的多个方案进行分析比较和可行性论证，最后选取合理的方案。
控制类电子电路系统：
自动控制系统应能使被控对象的某些参数自动按给定的控制规律变化。
其系统结构通常分为开环和闭环两类。
开环控制系统的控制器具有接收输入信号的作用，输出控制信号通过执行部件作用于被控对象，使输出信号和输人信号之间建立起确定的函数关系。
由于没有反馈，器件参数的变化、突发干扰、被控对象特性的变化等引起的输出变化不能反馈到控制器，控制器不能自动纠正这种偏差，这是开环控制系统的主要缺点。
但开环控制系统结构简单，调试方便，因此在对控制精度要求不高，系统内外干扰校对、的情况下经常采用。
闭环控制系统是一种反馈控制系统，系统的输出通过反馈网络反馈到系统的输入端，并和输入信号进行比较，其结果为净输入量用于控制器，当出现偏差时，控制器根据一定的调节规律，发出控制信号，自动减小偏差。
闭环控制系统克服了开环系统的缺点，通过引入反馈形成闭环，在系统有干扰的情况下，仍能获得较高的控制精度。
但闭环系统比开环系统复杂，成本高，调试也比较困难。
在实际操作中，要视情况选用。
控制器是系统的关键部件。
对于简单的系统，采用硬件实现可获得很高的响应速度，其成本也较低。
对于复杂的控制系统．控制参数和控制规律需要经常改变，这时可考虑采用计算机作为控制器。
这是一种硬件和软件结合的控制器，它使许多由电路设计的问题转化为程序设计问题，系统的控制规律以程序形式出现，通过执行程序，输出相应的控制信号，完成对被控对象的控制。
2.2.2电子电路系统的硬件电路设计
（1）单元电路设计
首先，结合现有的条件将系统的原理方案框图具体化。
系统原理框图只考虑从原理上如何实现任务要求，其中每一部分只是原理功能的描述，其实现方法是多种多样的。
因此，要结合设计者的知识储备和现有的器件条件，将原理框图具体化。
也就是说，确定用什么器件（通用集成电路、专用集成电路、PLD和单片机等）和电路（各种运算电路、比较电路、波形发生电路、VCO、编码器、译码器、数据选择器、计数器、寄存器、存储器、A／D、D／A电路等）实现原理框图中的各部分功能，为设计单元电路做准备。
接着进行单元电路设计。
根据方案要求，将任务要求和技术指标等进行分解和分配明确对各单元电路的要求，详细拟订各单元电路的性能指标，并注意各单元电路的输入信号、输出信号和控制信号之间的关系与相互配合。
电路设计的工作主要是选择或设计单元电路的结构形式，确定元器件的参数及型号等。
在选择单元电路的结构形式时，首选的方法是从已学过的或从文献资料中寻找合适的电路形式，修改部分元器件参数，这一般能满足要求。
需要自己设计的电路一般是各功能单元之间的接口电路、保证集成电路正常工作的外围电路和不适合集成电路完成的功能电路（如高电压、大电流、大功率电路等）。
有了电路的拓扑结构，就可以根据电路理论计算各元器件的参数，设计时，一般要选用EDA（如Multisim仿真软件）工具对电路性能进行仿真分析。
确定元器件参数后，经优化选择分析，选择元器件的型号。
经过比较分析，综合考虑择优选择。
（2）总体电路原理图设计。
总体电路原理图是准备元器件，是进行PCB（印刷电路板）设计、电路安装和调试的依据，是最重要的设计文件之一．必须正确、规范。
画总体电路原理图有助于找出设计中存在的问题，尤其是各单元之间的连接问题。
画原理图时要注意合理布局，排列均匀，横平竖直，连线清晰。
原理图设计完成之后要进行一次认真、全面的审核。
因为在设计过程中有些问题难免考虑不周，甚至出错，且在设计时对各单元电路实现的功能考虑较多，前后电路的配合可能放在次要的位置。
审核的主要内容如下：
①级间电气性能是否匹配，如阻抗、线性范围、负载能力和电平等。
②时序是否能配合。
尤其对时序电路，各信号之间有确定的时序关系，当时序配合不当时，系统将无法正常工作。
③信号耦合方式是否合理，如阻容耦合、直接耦合、光电耦会和变压器耦合等[4]。
2.3系统综合设计应注意的问题
一般而言，所设计的电路系统最终要应用于电子产品，要经受市场和实际应用的考验，电子产品的性能和可靠性在很大程度上取决于内部电路的性能和可靠性。
因此，在设计电路时，除了满足性能指标的要求外，还必须采取措施提高电路的稳定性和可靠性，考虑实际应用中的一些问题。
（1）工作稳定可靠。
首先，所用的电路在原理上要正确，不能有大的欠缺。
有条件的话需通过仿真来验证。
其次，要采取切实可行的办法提高电路的稳定性。
例如，采取适当的方法，对所设计的电路进行优化，减少器件的种类、数量和型号等；
必要时设计一些辅助电路，如温度补偿电路和过压过流保护电路，以使产品稳定可靠。
最后，根据元器件在电路中的作用和对电路性能的影响程度，合理选择元器件。
既要深入了解电路的工作原理，又要熟悉元器件的特性和参数（如容差、稳定性、使用条件和体积大小等）[5]。
（2）电路简单、合理。
，
在设计电路时，在满足性能指标的前提下，力求电路简单，合理实用，技术先进，切忌导电路复杂，过分追求使用高档次、贵重器件。
一般来说，在用分立元件和集成电路都能实现所要求的功能时，优先使用集成电路路。
（3）采用标准接口
采用国际标准接口易于实现各种仪器设备的控制、数据传输和通信，便于功能扩展。
（4）安装、调试、维修方便
为达到这个要求，设计时应采用模块化结构、总线结构和标准接口，同时电路的元器件的品种和数量尽可能地少[6]。
3交通管理系统的原理
交通管理系统是一个城市交通管理系统的重要组成部分，其性能的好坏直接关系到城市的现代化水平，我们设计的电子电路系统模拟十字路口的交通灯管理，管理车辆通过十字路口。
在十字路口正中，面对各个方向悬挂红、绿、黄三色信号灯和时间的数码显示牌。
通过对红、绿、黄三色信号灯和时间的数码显示牌的管理实现管理交通的目的。
3.1交通管理系统的工作原理
分析交通管理系统的设计要求，要实现的功能有两个，一个是红绿灯管理，红绿灯管理主要是控制其“亮”和“灭”；
另一个是时间牌管理，时间牌管理是按照设计要求控制其显示时间。
因此，交通管理系统属于数字系统。
其关键部分是控制器的选择，数字系统中的控制器用于控制系统各部分协调工作，其控制器通常有移位型控制器、计数型控制器、微程序控制器以及PLC型控制器。
3.2交通管理系统方案设计
通过对系统的设计要求和功能分析，系统要控制红绿灯的交替、控制时间牌显示、控制黄灯闪动、有手动和自动控制。
因此，该系统属于控制类电子电路系统。
根据系统应实现的功能，可设计系统的控制方案组成框图，如图3.1所示。
图3.1交通管理系统控制方案组成框图
如图3.1所示，系统控制器是整个系统的关键部件，担负着接收输入信号，经过运算，D产生控制输出的功能，是交通管理系统的核心模块；
输入模块包括时间初值输入、脉冲的输入和手动／自动选择输入模块；
输出模块包括时间显示和信号灯显示模块[7]。
3.3交通管理系统原理设计
考虑到本系统运行在“自动”时，有多个环节的运作与东西南北方向通行的倒计时（对时钟脉冲作减计数）有关。
例如，减计数至小干等于5s，黄灯闪动；
减计数至Os，红绿灯交替并读入设定值；
减计数至当前值，时间牌显示等。
因此，选计数型控制器是合适的。
具体应选用输出是两位BCD码的减计数器。
减计数至小于等于5s，黄灯闪动。
这意味着，应能将01～05s从计数结果中识别出来，故应有“5秒译码电路”承担对01～05s的译码任务；
并有“黄灯闪动控制电路”控制黄灯的闪动。
减计数至0s，红绿灯交替。
与以上分析类似，应有“00秒译码电路”承担对00s的译码任务；
并有“红绿灯闪动控制电路”控制红绿灯的交替。
设定值分20-60s，五个档，故应有“设定值读入电路”，给出相应的设定值。
时间牌按秒显示，黄灯每秒闪烁两次，故应有“脉冲发生器”，为计数器和黄灯控制提供所需频率的矩形脉冲。
应有“时间显示电路”承担计数结果的显示任务。
应有“信号灯驱动电路”承担信号灯发光的任务。
因为本系统有手动和自动两种控制方式，因此应该有“手动/自动电路”达到控制调换的功能。
当系统在自动运行时，信号灯的显示（周期为60s）流程如图3.2所示：
流程分为四个阶段：
1、东西红灯（南北绿灯）亮。
2、东西红灯（南北绿灯）亮，且黄灯闪。
3、东西绿灯（南北红灯）亮。
4、东西绿灯（南北红灯）亮，且黄灯闪。
四个阶段如图3.2箭头所示，周而复始，循
环下去。
图3.2信号灯显示流程
综上考虑，可以画出交通管理系统的电路原理框图，如图3.3所示。
图3.3交通管理系统电路原理控制框图
3.4单元电路设计
3.4.1减计数控制器
可考虑选用BCD码输出的减计数器。
选用两片74LS192构成计数控制器，计数器74LS192的逻辑符号和功能引脚时序图分别如图3.4和图3.5所示。
引脚说明：
①A、B、C、D：
表示初值设定。
②QA、QB、QC、QD：
表示计数输出。
③BO、CO：
表示借位和进位。
④LOAD:
表示异步置数。
⑤CSL：
表示清零。
⑥UP：
表示加计数脉冲。
⑦DOWN：
表示减计数脉冲。
图3.474LS192逻辑符号
依据74LS192的功能时序，可用两片74LS192芯片构成减计数控制器，如图3.5所示。
图3.574LS192各引脚功能时序图
时序说明：
①加计数至9，产生进位输出；
减计数至0，产生错位输出。
②清除信号（CLR）控制预置数和计数输出。
③预置数信号（LOAD）为异步置数信号。
④做加法计数时，减计数输入（DOWN）必须为高水平，做减法计数时，加计数输入（UP）必须为高电平。
计数器连接时，将低位片的借位信号（BO）连至高位片的减计数输入端（DOWN），低位片的减计数输入端接时钟信号；
做减计数时，两片的加计数输入端均接高电平（Vcc）；
正常计数时，两片的清零信号（CLR）均接低电平（地）。
这样连接后的计数器的计数循环为99-98-97-…-2-l-0-99-98…，是100进制计数器。
在此基础上，可进一步计为其他进制计数器。
3.4.2秒脉冲和半秒脉冲发生器
秒脉冲和半秒脉冲发生器电路如图3.6所示。
对于交通管理系统来说，对计数时钟的精度要求不是很高，设计时可选用555定时器构成时钟脉冲产生电路，如图3.6所示，通过设置电阻、电容，可产生2Hz时钟脉冲，选择电阻R1为电位器，通过调整电位器的值，可精确调整输出脉冲的频率。
设计时，先确定电容值的大小，再确定电阻R1、R2的值[8]。
图3.6秒脉冲和半秒脉冲发生器
如图3.6所示的74LS73D为JK触发器构成的T’触发器。
起分频作用，将2Hz时钟信号分频为1Hz。
这样就得到系统所需要的秒脉冲和半秒脉冲信号。
应说明的是，能产生时钟脉冲的电路很多，如用晶体振荡器附加适当的门电路，可产生脉冲，但其振荡频率由晶体决定，而且振荡频率通常很高，调整和分频不太方便。
还可用滞回比较器加RC电路产生时钟
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