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1、数字电路课程设计报告数字电路课程设计报告交 通 灯 设 计目 录序言3第一章 设计任务和要求41.1 设计任务41. 2 设计要求4第二章 电路工作原理及方案设计4第三章 单元电路设计与仿真63.1 软件原理图63.2 各模块的原理及其程序63.2.1 分频模块的设计及仿真图63.2.2 计数模块的设计及仿真图73.2.3 控制模块的设计及仿真图93.2.4 分位模块的设计及仿真图103.2.5 译码模块的设计及仿真图11第四章 系统设计124.1 顶层电路设计124.2整体电路波形仿真图13第五章 总结13参考文献14附录14序言CPLD（Complex Programmable Logic
2、 Device）是Complex PLD的简称,一种较PLD为复杂的逻辑元件。CPLD是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆（“在系统”编程）将代码传送到目标芯片中，实现设计的数字系统。 20世纪70年代，最早的可编程逻辑器件-PLD诞生了。其输出结构是可编程的逻辑宏单元，因为它的硬件结构设计可由软件完成，因而它的设计比纯硬件的数字电路具有很强的灵活性，但其过于简单的结构也使它们只能实现规模较小的电路。为弥补PLD只能设计小规模电路这一缺陷，20世纪80年代中期，推出了复杂可编
3、程逻辑器件-CPLD。目前应用已深入网络、仪器仪表、汽车电子、数控机床、航天测控设备等方面。 它具有编程灵活、集成度高、设计开发周期短、适用范围宽、开发工具先进、设计制造成本低、对设计者的硬件经验要求低、标准产品无需测试、保密性强、价格大众化等特点，可实现较大规模的电路设计，因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产(一般在10,000件以下)之中。几乎所有应用中小规模通用数字集成电路的场合均可应用CPLD器件。CPLD器件已成为电子产品不可缺少的组成部分，它的设计和应用成为电子工程师必备的一种技能。 随着基于CPLD的EDA技术的发展和应用领域的扩大与深入，EDA技术在电子信息、通信、自动控制
4、用计算机等领域的重要性日益突出。作为一个学电子信息专业的学生，我们必须不断地了解更多的新产品信息，这就更加要求我们对EDA有个全面的认识。本程序设计的是交通灯的设计。采用EDA作为开发工具，VHDL语言为硬件描述语言，quartusII作为程序运行平台，所开发的程序通过调试运行、波形仿真验证，初步实现了设计目标在一个交通繁忙的十字路口，没有交通灯来控制来往车辆和行人的通行，假设也没有交警，那会发生什么事情呢？后果是难以想象的，可能会陷入一片混乱，甚至瘫痪。当然我们每个人都不希望这样。我们作为社会的一员，每人都有责任为它的更加先进和快捷做出力所能及的事情。我们设计的这个信号控制系统可以通过交通灯
5、控制东西方向车道和南北方向车道两条交叉道路上的车辆交替运行，每次通行时间都可以根据实际情况预设,用以减少交通事故的发生概率。并且经过些次实验使得我们对电子技术课程内容的理解和掌握有了更深一层的认识，也学会使用半导体元件和集成电路，掌握电子电路的基本分析方法和设计方法，进一步提高分析解决实际问题的综合能力，也为将来的就业或继续深造做好准备。第一章 设计任务与要求1.1 设计任务设计一个基于FPGA的十字路口交通控制器，分为手动操作、自动操作和复位系统，假设南北方向和东西方向，两个方向分别设置红灯、绿灯、黄灯和左拐四盏灯，每个方向设置一组倒计时显示器，用以指挥车辆和行人有序的通行。红灯亮表示左转和
6、直行车辆禁行；绿灯亮表示直行车辆可以通行；黄灯亮表示左转或直行车辆即将禁行；左拐灯亮表示左转车辆可以通行；倒计时显示器用来显示允许通行或禁止通行的时间 。1.2 设计要求1 在十字路口南北和东西两个方向各设一组红灯、绿灯、黄灯和左拐灯。显示顺序：绿灯 黄灯 红灯 左拐 黄灯 红灯。在南北和东西两个方向各设一组倒计时显示器。2 自动控制：设置一组数码管，以倒计时的方式显示允许通行或禁止通行的时间，南北方向为主干道，左拐、绿灯、黄灯和红灯显示时间分别是20s、20s、5s和20s。东西方向为次干道，左拐、绿灯、黄灯和红灯显示时间分别为15s、15s、5s和25s。3 手动控制：按按钮依次执行以上显
7、示状态，绿灯 黄灯 红灯 左拐 黄灯 红灯，倒计时显示为“0”。4 系统设有总复位开关，可在任意时间内对系统进行复位。5 通过开关按钮切换交通灯的工作状态。第二章 电路工作原理及方案设计交通灯的显示状态：绿黄红左拐黄红红绿黄红左拐黄总体框图： 发光二极管控制器分频电路分位电路计数器七段数码管译码电路倒计时数字显示ResetdClkd计数值Con1dCond 在VHDL设计描述中，采用自顶向下的设计思路，该思路，首先要描述顶层的接口，上面的描述已经规定了交通灯控制的输入输出信号：输入信号：复位开关信号reset；外部时钟信号clk。LED七段显示数码管的输出信号count1(6 downto 0
8、),count2(6 downto 0),count3(6 downto 0),count4(6 downto 0);在自顶向下的VHDL设计描述中，通常把整个设计的系统划分为几个模块，然后采用结构描述方式对整个系统进行描述。根据实验设计的结构功能，来确定使用哪些模块以及这些模块之间的关系。通过上面的分析，不难得知可以把交通灯控制系统划分为4个模块：时钟分频模块，计数模块，控制模块，分位译码模块。分频电路：把555多谐振荡器发出的较高频率脉冲用分频电路的到较第频率的时钟信号，本电路通过三次10分平分别得到10Hz、1Hz的时钟信号。控制器电路：根据计数器的计数值控制发光二极管的亮、灭，以及输出
9、倒计时数值给七段译码管的分位译码电路。当检测到手动控制信号（Con=1）时，执行手动控制； 计数器电路：这里需要的计数器的计数范围为089。计到89后，下一个时钟沿升为1时，开始下一轮计数，此外当系统复位信号（Reset=1）使计数器异步清0。手动信号（Con=1）使系统清0。分位译码电路：因为控制器输出的倒计时数值可能是1位或者2位十进制数，所以在七段数码管的译码电路前要加上分位电路（即将其分为2个1位的十进制数，如20分为2和0，7分为0和7）。七段数码管的译码电路根据控制电路的控制信号，驱动交通灯的显示，通过输入二进制数值，输出信号点亮二极管，我们用的是共阳极数码管，因此译码电路输出逻辑
10、数值0点亮二极管，译码电路输出逻辑数值1熄灭二极管。第三章 单元电路设计与仿真3.1 软件原理图3.2 各模块的原理及其程序3.2.1 分频模块的设计及仿真图实体：entity clk_10 isport( clk : in std_logic; clk_div10 : out std_logic);end clk_10;功能：实现十分频接口：clk脉冲输入 Clk-div10十分频后脉冲输出仿真结果如下：3.2.2 计数模块的设计及仿真图实体：entity counter is port( clk0:in std_logic; con:in std_logic; reset:in std_l
11、ogic; countnum:buffer integer range 0 to 89);end counter;功能：实现0到89的计数clk0脉冲输入 con手动控制信号 reset复位信号 countnum计数输出仿真波形如下：3.2.3 控制模块的设计及仿真图实体：entity controller isPort ( clk1 : in std_logic;con1 : in std_logic;con2 : in std_logic; countnum : in integer range 0 to 89; numa,numb : out integer range 0 to 25;
12、 ra,ga,ya,ga1 : out std_logic; rb,gb,yb,gb1: out std_logic);end controller;功能：控制发光二极管的亮、灭，以及输出倒计时数值给七段译码管的分位译码电路。clk1脉冲信号输入 con1手动控制信号 con2状态控制信号 countnum计数输入numa，numb两个方向的倒计时数值输出 ra,ga,ya,ga1，rb,gb,yb,gb1发光二极管输出仿真波形如下：3.2.4 分位模块的设计与仿真图实体：entity fenwei is port ( numin:in integer range 0 to 25; numa,numb:out integer range 0 to 9
