《基于vhdl的交通灯控制系统的设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于vhdl的交通灯控制系统的设计（44页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、摘要EDA技术的一个重要特征就是使用硬件描述语言(HDL)来完成系统的设计文件，应用VHDL的数字电路实验降低了数字系统的设计难度,这在电子设计领域已得到设计者的广泛采用。本设计就是针对交通信号灯控制器的设计问题，提出了基于VHDL语言的交通信号灯系统的硬件实现方法。通过对系统进行结构分析，采用了层次化的设计方法，给出了各个模块的VHDL程序，并且利用Quartus 对应用程序进行了仿真，并给出了相应的仿真结果。通过电路优化设计,可以使用规模更小的可编程逻辑芯片,从而降低系统成本。关键词：交通信号灯；VHDL；仿真ABSTRACTOne important characteristic of
2、the EDA is that the design documents should be completed by the HDL, the digital circuit experiment utilized very-high-speed integrated circuit hardware description language(VHDL) may reduce the difficulties of digital system designing, and it is widely used by electronic designer now. Aiming at the
3、 design problem of traffic light controller, this paper puts forward a hardware realization method of traffic light system with VHDL. By analyzing the architecture of system, it gives the program of each module with VHDL using hierarchical design means. It also gives the simulation results by Quartu
4、s. Optimizes the design through the electric circuit, may use the scale smaller programmable logic chip, thus reduces the system cost. Key word: Street-traffic control lights; VHDL; Simulation目录第1章引言1第2章EDA技术概述22.1 EDA技术及其发展22.2 EDA与传统电子设计方法的比较22.3 EDA的工程设计流程2第3章可编程技术简介43.1 可编程逻辑器件概述43.2 FPGA/CPLD概述
5、43.3 硬件描述语言介绍53.4 选择VHDL硬件描述语言设计的优势63.5 软件开发工具Quartus II 简介6第4章交通灯控制系统的设计84.1 系统功能分析84.2 系统结构设计94.3 系统程序实现与仿真分析104.3.1 时钟脉冲发生电路104.3.2 计数秒数选择电路124.3.3 倒计时控制电路154.3.4 红绿灯信号控制电路194.3.5 建立程序包224.3.6 连接各个模块234.3.7 状态机的优势24结束语26参考文献27致谢28附录291.时钟发生电路程序代码292.计数秒数选择电路程序代码313.倒计时控制电路程序代码324.红绿灯信号控制电路程序代码345
6、.连接各个模块的程序代码38外文资料原文41翻译文稿55第1章 引言不同的城市存在着不同的城市问题，但其中有一个共同的问题就是城市交通。在交叉路口如何解决混合交通流中的相互影响，就是解决问题的关键所在！随着我国经济的稳步发展，人民生活水平的日渐提高，越来越多的汽车进入寻常百姓的家庭，再加上政府大力地发展公交、出租车行业，道路上的车辆越来越多，使得城市的交通成为了一个主要的问题。严重的拥堵现象，逐渐恶化的城市环境，都给广大市民带来了许多困扰。要解决这些问题不仅要求道路越来越宽阔，而且更需要有新的交通管理模式出台。实现路口交通灯系统的控制方法很多，可以用标准逻辑器件、可编程序控制器PLC、单片机等
7、方案来实现。但是这些控制方法的功能修改及调试都需要硬件电路的支持，在一定程度上增加了功能修改及系统调试的困难。交通系统未来的发展趋势就是要提高通行能力，加强环境保护，开展智能化运输和环保专项技术的研究，并且要做到以人为本，重点开展交通安全技术的研究，在这个过程中要确定经济合理的目标，促进新材料的广泛应用和开发。EDA 技术是用于电子产品设计中比较先进的技术，可以代替设计者完成电子系统设计中的大部分工作，而且可以直接从程序中修改错误及系统功能而不需要硬件电路的支持，既缩短了研发周期，又大大节约了成本，受到了电子工程师的青睐。因此，本设计中采用EDA 技术，应用目前广泛应用的VHDL 硬件电路描述
8、语言，实现交通灯系统控制器的设计， 利用Quartus 集成开发环境进行综合、仿真，完成系统的控制作用。第2章 EDA技术概述2.1 EDA技术及其发展现代电子设计技术的核心是EDA（Electronic Design Automation）技术。EDA技术就是依赖功能强大的计算机，在EDA工具软件平台上，对以硬件描述语言HDL（Hardware Description Language）为系统逻辑描述手段完成的设计文件，它能自动地完成逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合、结构综合（布局 布线），以及逻辑优化和仿真测试，直至实现既定的电子线路系统功能。EDA技术使得设计者的工作仅限于利用软件
9、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。利用EDA技术(特指IES/ASIC自动设计技术)进行电子系统的设计，具有以下几个特点： 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； 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。因此，EDA技术是现代电子设计的发展趋势。EDA技术在进入21世纪后，得到了更大的发展。在仿真和设计两方面支持标准硬件描述语言的功能越来越强大，软硬件技术也进一步得到了融合，在电子行业的产业领域、技术领域和设计应用领域得到了进一步的
10、肯定，使得复杂电子系统的设计和验证趋于简单化。2.2 EDA与传统电子设计方法的比较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，查找和修改起来比较方便，而且EDA技术的可移植性很强。2.3 EDA的工程设计流程假设我们需要建造一栋楼房，第一，我们需要进行“建筑设计”用各种设计图纸把我们的建筑设想表示出来；第二，我们要进行“建筑预算”根据投资规模、拟建楼房的结构及有关建房的经验数据等计算需要多少基本的建筑材料(如砖、水泥、预制块、门、窗户等)； 第三，根据建筑设计和建筑预算进行“施工设计”这些砖、水泥、预制块、门、窗户等具体砌在房子的什么部位，相
11、互之间怎样连接；第四，根据施工图进行“建筑施工”将这些砖、水泥、预制块、门、窗户等按照规定施工建成一栋楼房；最后，施工完毕后，还要进行“建筑验收”检验所建楼房是否符合设计要求。同时，在整个建设过程中，我们可能需要做出某些“建筑模型”或进行某些“建筑实验”。那么，对于目标器件为FPGA和CPL D的VHD 设计，其工程设计步骤如何呢？EDA的工程设计流程与上面所描述的基建流程类似：第一需要进行“源程序的编辑和编译”用一定的逻辑表达手段将设计表达出来；第二要进行“逻辑综合”将用一定的逻辑表达手段表达出来的设计，经过一系列的操作，分解成一系列的基本逻辑电路及对应关系(电路分解)；第三要进行“目标器件
12、的布线/适配”在选定的目标器件中建立这些基本逻辑电路及对应关系(逻辑实现)；第四，目标器件的编程/下载将前面的软件设计经过编程变成具体的设计系统(物理实现)；最后，要进行硬件仿真/硬件测试验证所设计的系统是否符合设计要求。同时，在设计过程中要进行有关“仿真”模拟有关设计结果与设计构想是否相符。综上所述，EDA的工程设计的基本流程如图2.1所示 图2-1 EDA工程设计第3章 可编程技术简介3.1 可编程逻辑器件概述可编程逻辑器件(简称PLD)是允许用户编程（配置）实现所需逻辑功能的电路，一般可利用计算机辅助设计，即用原理图、状态机、硬件描述语言（VHDL）等方法来表示设计思想，经过一系列编译或
13、装换程序，生成相应的目标文件，再由编程器或下载电缆将设计文件配置到目标器件中，这时的可编程逻辑器件就可作为满足用户需求的专用集成电路使用了。可编程逻辑器件，不仅速度快、集成度高，并且能随心所欲地完成用户定义的逻辑功能，还可以加密和重新编程，其编程次数最大可达1万次以上。使用可编程逻辑器件可以大大简化硬件系统、降低成本、提高系统的可靠性、灵活性和保密性。PLD的出现，打破了由中小规模通用型集成电路和大规模专用集成电路垄断的局面，在通信、数据处理、网络、仪器、工业控制、军事和航空航天等众多领域得到广泛应用，可以预见，不久的将来，PLD将在集成电路市场占统治地位。3.2 FPGA/CPLD概述FPG
14、A（现场可编程门阵列）和CPLD（复杂可编程逻辑器件）都是可编程逻辑器件，他们是在PAL,GAL等逻辑器件的基础上发展起来的。同以往的PAL,GAL相比较，FPGA/CPLD的规模比较大，它可以替代几十甚至几千块通用IC芯片。这样的FPGA/CPLD实际上就是一个子系统部件。这种芯片受到世界范围内电子工程设计人员的广泛关注和普遍欢迎。比较典型的就是Altera公司和Xilinx公司的CPLD器件系列和FPGA器件系列，他们开发较早，占用了较大的PLD市场。对用户而言，虽然FPGA/CPLD的内部结构稍有不同，但其用法都一样，所以大多数情况下，不加以区分。FPGA/CPLD芯片都是特殊的ASIC
15、芯片，除了具有ASIC的特点外，还具有以下几个优点：(1) 随着VLSI（Very Large Scale IC,超大集成电路）工艺的不断提高单一芯片内部可以容纳上百万个晶体管，FPGA/CPLD芯片的规模也越来越大，其单片逻辑门数已达到上百万门，它所实现的功能也越来越强，同时也可以实现系统集成，即片上系统SOC.(2) FPGA/CPLD芯片在出厂之前都做过百分之百的测试，不需要设计人员承担芯片风险和费用，设计人员只需在自己的实验室就可以通过相关的软硬件环境来完成芯片的最终功能设计。所以，FPGA/CPLD的资金投入就小，减少了潜在的花费。(3) 用户可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情况下用不同软件就可实现不同的功能。FPGA/CPLD软件包中有各种输入工具和仿真工具，及版图设计工具和编程器等全线产品，电路设计人员在很短的时间内就可完成电路的输入、编译、优化。仿真，直至最后芯片的制作。当电路有少量的改动，更能显示FPGA/CPLD的优势。电路设计人员在使用FPGA/CPLD进行电路设计时，不需要具有专门的IC（集成电路）深层次的知识，FPGA/CPLD软件易学易用，能使设计人员更能集中精力进行电路设计，快速将产品推向市场。(4) 在线可编程技术（ISP）使得使用FPGA/CPLD的产品可以做到远程升级。3.3 硬
