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1、目录目录引言引言第一章第一章 绪论绪论 .11.1 交通灯现状与发展.1 1.2 FPGA/CPLD 技术介绍.1 1.3 交通灯的简介 .3 1.4 本文的研究出发点和基本内容 .3 1.5 本章小结 .4第二章第二章 总体方案设计总体方案设计 .52.1 设计任务与要求 .5 2.2 交通灯的组成方框图 .5 2.3 基本工作原理.5 2.4 本章小结.5第三章第三章 单元电路设计方法单元电路设计方法 .73.1 时钟脉冲发生电路（即分频电路） .7 3.2 计数秒数电路 .7 3.3 倒计时显示电路 .7 3.4 红绿灯信号控制电路 .8 3.5 红绿交通灯控制器顶层电路设计 .8 3.
2、6 本章小结.9第四章 基于 FPGA/CPLD 的十字路口交通灯的设计 .104.1 VHDL 程序设计 .10 4.1.1 clk_gen 时钟发生电路(即分频电路) .10 4.1.2 traffic_mux 计数秒数选择电路 .12 4.1.3 count_down 倒计时控制电路 .14 4.1.4 traffic_fsm 红绿灯信号电路 .17 4.2 芯片设置、编译、管脚设置 .22 4.3 仿真 .25 4.3 下载实验 .29 4.4 本章小结.30第五章 系统测试 .315.1 硬件测试 .31 5.2 软件测试 .31 5.3 本章小结.32第六章 结论与展望 .33参考
3、文献 .34致谢 .35引言引言随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。城市交通控制系统是用于城市交通数据检测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。随着城市机动车量的不断增加，许多大城市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
4、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。所以，如何采用合适的控制方法，最大限制利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。为此，设计了交通灯控制系统13。社会不断进步，技术也在不断的发展。在当今的信息技术时代，交通灯控制系统的实现可以有多种途径，可以用标准逻辑器件、可编程程序控制器 PLC。单片机等方案来实现。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14。因此，在设计中应用 EDA 技术，应用目前广泛应用的 VHDL 硬
5、件电路描述语言，实现交通灯系统控制器的设计，利用 MAXPLUS集成开发环境进行综合、仿真，并下载到 CPLD 可编程逻辑器件中，完成系统的控制作用。基于 FPGA/CPLD 的十字路口交通灯控制1第一章第一章 绪论绪论1.1 交通灯现状与发展近年来,随着我国经济的发展,城市的交通拥挤问题日趋严重,因此提高城市路网的通行能力、实现道路交通的科学化管理迫在眉睫。传统的十字路口交通控制灯,通常的做法是：事先经过车辆流量的调查,运用统计的方法将两个方向红绿灯的延时预先设置好。然而,实际上车辆流量的变化往往是不确定的,有的路口在不同的时段甚至可能产生很大的差异。即使是经过长期运行、较适用的方案,仍然会
6、发生这样的现象：绿灯方向几乎没有什么车辆,而红灯方向却排着长队等候通过。这种流量变化的偶然性是无法建立准确模型的,统计的方法已不能适应迅猛发展的交通现状,更为现实的需要是能有一种能够根据流量变化情况自适应控制的交通灯12。目前,有多种对十字路口交通灯的改良设计,有一种用 PLC 对道路十字路口交通灯作自适应模糊控制的方法,较好地解决了车辆流量不均衡、不稳定的问题。因此,十字路口交通灯控制的设计还存在非常广阔的前景。目前设计交通灯的方案有很多，有应用 CPLD 设计实现交通信号灯控制器方法;有应用 PLC 实现对交通灯控制系统的设计;有应用单片机实现对交通信号灯设计的方法。目前，国内的交通灯一般
7、设在十字路门，在醒目位置用红、绿、黄三种颜色的指示灯。加上一个倒计时的显示计时器来控制行车。对于一般情况下的安全行车，车辆分流尚能发挥作用，但根据实际行车过程中出现的情况，还存在以下缺点：1.只能够进行自动控制，无法根据实际情况进行比较人性化的操作。2两车道的车辆轮流放行时间相同，在十字路口，经常一个车道为主干道，车辆较多，放行时间应该长些；另一车道为副干道，车辆较少，放行时间应该短些。3两条干道的红绿时间不能随时间的改变而修改。1.2 FPGA/CPLD 技术介绍技术介绍当今社会是数字化社会，是数字集成电路广泛应用的社会。数字集成电路本身在不断地进行更新换代，它由早期的电子管、晶体管、小中规
8、模集成电路发展到超大规模集成电路以及许多具有特定功能的专用集成电路4。但是，随着微电子技术的发展，广东技术师范学院本科毕业论文（设计）2设计与制造集成电路的任务已不完全由半导体厂商来独立承担，系统设计最好是在实验室里就能设计出合适的 ASIC 芯片，并且立即投入实际应用之中，因而出现了现场可编程逻辑器件（FPGA） 。FPGA（现场可编程门阵列）与 CPLD(复杂可编程逻辑器件)都是可编程逻辑器件，它们是在 PAL、GAL 等逻辑器件的基础之上发展起来的。同以往的 PAL、GAL 等相比较，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
9、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。经过了几十年的发展，许多公司都开发出了多种可编程逻辑器件。比较典型的就是 Xilinx 公司的 FPGA 器件系列和 Alteral 公司的 CPLD 器件系列，它们开发较早，占有较大的 PLD 市场4。尽管 FPGA、CPLD 和其他类型 PLD 的结构各有其特点和长处，但概括起来，它们是由三大部分组成的：一个二维的逻辑块阵列,构成了 PLD 器件的逻辑组成核心；输入/输出块；连接逻辑块的互连资源，连线资源由各种长度的连线线段组成，其中也有一些可编程的连接开关，它们用于逻辑块之间、逻辑块与输入/输出块之间的连
10、接。对用户而言，CPLD 与 FPGA 的内部结构稍有不用，但用法一样，所以多数情况下不加以区分。FPGA/CPLD 芯片都是特殊的 ASIC 芯片，它们除了具有 ASIC 的特点之外还具有以下几个优点：1、随着 VLSI（Very Large Scale IC,超大规模集成电路）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，其单凭逻辑门数已达到上百万门，它所能实现的功能也越来越强，同时也可以实现系统集成。2、FPGA/CPLD 芯片在出场之前都做过百分百的测试，不需要设计人员承担头片风险和费用，设计人员只需在自己的实验室里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 的资金投入小，节省了许多潜在的花费。3、用户可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不懂的情况下用不同软件就可实现不同的功能。所以，用 FPGA/CPLD 试制作样片能以最快的速度占领市场。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
