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1、目录引言第一章 绪论11.1交通灯现状与发展11.2 FPGA/CPLD技术介绍11.3 交通灯的简介31.4 本文的研究出发点和基本内容31.5 本章小结4第二章 总体方案设计52.1 设计任务与要求52.2 交通灯的组成方框图52.3基本工作原理52.4本章小结5第三章 单元电路设计方法73.1 时钟脉冲发生电路（即分频电路）73.2 计数秒数电路73.3 倒计时显示电路73.4 红绿灯信号控制电路83.5 红绿交通灯控制器顶层电路设计83.6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104.1.1 clk_gen时钟发生电路(即分频电路)1
2、04.1.2 traffic_mux计数秒数选择电路124.1.3 count_down倒计时控制电路144.1.4 traffic_fsm红绿灯信号电路174.2 芯片设置、编译、管脚设置224.3 仿真254.3 下载实验294.4本章小结30第五章 系统测试315.1 硬件测试315.2 软件测试315.3本章小结32第六章 结论与展望33参考文献34致谢351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
3、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
4、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第一章 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
5、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
6、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
7、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，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
8、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
9、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
10、，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。当电路有少量改动时更能现
11、实出FPGA/CPLD的优势。电路设计人员使用FPGA/CPLD进行电路设计时不需要具备专门的IC（集成电路）深层次的知识，FPGA/CPLD软件易学易用，可以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。在电子设计技术领域，可编程逻辑器件的广泛应用为数字系统的设计带来极大的灵活性。高集成度、高速和高可靠性是FPGA/CPLD明显的特点。由于FPGA/CPLD的集成规模非常大，可利用先进的EDA工具进行电子系统设计和产品开发，在超高速应用领域和实时测控方面有非常广阔的应用前景。可编程逻辑器件（PLD，Programmable Logic Device）是20世纪70年代发展起来的一种
12、新型器件，他的应用和发展不仅简化了电路设计、降低了成本、提高了系统的可靠性，而且给数字系统的设计方式带来的了革命性的变化。PLD雏形是20世纪70年代中期出现的可编程逻辑阵列（PLA，Programmable Logic Array），后来出现了可编程阵列逻辑PAL，它由可编程的与阵列组成，设计比较灵活，器件速度快，因而称为第一个得到普遍应用的PLD器件4。1.3 交通灯的简介城市道路交叉口是城市道路网络的基本焦点，也是网络交通流的瓶颈。目前，大部分无控制交叉口都存在高峰小时车流混乱、车速缓慢、延误情况严重、事故多发、通行能力和服务水平低下等问题。特别是随着城市车流量的快速增长，称呼四无控制道
13、路交叉口的交通能力越来越大。因此，做好基于EDA技术平台的交叉口信号控制涉及是缓解交通阻塞、提高城市道路交叉口车辆通行效率的有效方法。交通信号控制的目的是为城市道路交叉口（或交通网络）提供安全可靠和有效的交通流，通常最为单唱的原则是车辆在交叉口的通过量最大或乘凉在交叉口的延误最小。在十字路口,每条道路各有一组红、黄、绿灯和倒计时显示器，用以指挥车辆和行人有序地通行。其中，红灯（R）亮，表示该道路禁止通行；黄灯（Y）亮，表示停车；绿灯（G）亮，表示可以通行。倒计时显示器是用来显示允许通行或禁止通行的时间。交通灯控制器就是用来自动控制十字路口的交通灯和计时器，指挥车辆和行人安全通行。这是在正常情况
14、下交通灯所具备的功能，但在我们的日常生活中，交通等还必须更加人性化，也就是在特殊情况下还能够根据实际情况进行调整，或者是转换成人工指挥。1.4 本文的研究出发点和基本内容交通灯是保障城市交通有序、安全、快速运行的一种有效解决方案，能够根据现代城市的特点设计适合的交通灯能够在很大程度上舒缓城市交通的压力，更好地促进城市经济的发展。另一方面,数字集成电路的飞速发展以及在机械制造、冶金、化工、能源等各种行业运用也使我们看到了集成电路带来的便利。本文正是将两者结合起来进行学习，通过对交通灯的应用更好地学习数字集成电路的相关知识。传统数字电子技术的设计问题, 一般是用若干计数器、逻辑门、触发器等构成电路
15、，元器件众多，结果使电路中的接线多、故障率增加、可靠性降低。正是由于传统的数字电路包含了这些缺陷，我们在不断的进行探索，开发新的技术。EDA (Elect rical Design A u tom at ion) 技术的发展, 在线可编程逻辑器件( In System P rogram - P rogramm ab le Logic Device 简称ISP- PLD )的出现, 使实验室中制作专用集成电路成为可能。FPGA/CPLD芯片的种类很多,内部结构也不同, 但共同的特点是集成度高、使用方便。用专用软件对芯片“下载”所形成的电路,就是一片专用集成电路,由于不存在人工接线的问题,所以故障率低、可靠性好。通过本课程的研究，我们将更好地了解到各大城市当今时代在交通灯方面的基本设计方向以及存在的不足之处，同时，也让我们看到了数字集成电路在当今社会的一个发展和了解到FPGA/CPLD芯片基本的应用方法以及需要掌握的知识，为以后的运用打下坚实的基础。1.5 本章小结在本章中，通过对交通灯的现状与发展的了解，可以看到现有交通灯的功能、所涉及到的一些技术以及存在的一些不足、交通灯的简介以及FPGA/CPLD技术的介绍等内容，我们可以对本课题确定好设计方向以及所使用到的技术工具。第二章 总体方案设计2.1 设计任务与要求1、在十字路口的
