1、桂林電子科技大學實訓說明書用紙編號： EDA技術 實訓 (論文)說明書題 目： 交通燈控制電路的設計 院 （系）： 信息與通信學院 專 業： 電子信息工程 學生姓名： 學 號： 指導教師： 2013年 1 月 10 日摘要EDA工具對于電子設計人員來說極其重要，它可以在電子設計的各個階段、層次進行計算機模擬驗證，確保設計的準確性，可縮短設計周期，降低設計成本。交通燈可以實現十字路口紅綠燈的自動控制。基于FPGA的交通燈設計系統具有可靠性強、實時快速擦寫、運算速度高、故障率低、電路簡單,且體積小的特點。本設計采用的是Altera公司CycloneII系列的EP2C5T144芯片作為核心最小系統，

2、它可以方便嵌入到實際的交通燈應用系統中，可以完成簡單的邏輯控制、數據采集、信號處理、數學計算等功能；使用QuartusII軟件作為開發平臺；采用自頂向下的設計思路對系統進行模塊化設計和綜合，并通過波形仿真和硬件實現兩種方式實現并驗證交通燈的功能。關鍵詞：交通燈、EDA、FPGAAbstractEDA tools for electronic design personnel is very important, it can be in the electronic design of each stage, levels of computer simulation verification

3、, to ensure the accuracy of the design, can shorten the design cycle, reduce design cost. The traffic light can realize intersection traffic light automatic control. Based on the FPGA of traffic light design system has the reliability, real-time fast operation speed is high, integration.it, low fail

4、ure rate, circuit is simple, and the characteristics of small volume. This design USES is Altera company CycloneII series of EP2C5T144 chip as the core minimum system, it can be convenient to the actual traffic lights embedded application system, can complete the simple logic control, data acquisiti

5、on, signal processing, mathematical calculations, etc; Use QuartusII software as a development platform, Using the top-down design idea of system modular design and comprehensive, and through the waveform simulation and hardware realization two ways to realize and verify the function of the traffic

6、lights. Key words: traffic lights；EDA；FPGA引言“EDA技術”是一門實踐性和實用性都很強的課程，學習的目的在于應用。本設計實訓是配合“EDA技術”課堂教學的一個重要的實踐教學環節，在本課程設計指導書中列舉了一些常用的小型設計系統，旨在起到鞏固課堂和書本上所學知識，加強綜合能力，提高系統設計水平，啟發創新思想的效果。1設計任務與要求1.1本綜合設計實訓任務的內容和要求 用EDA實訓儀上的4只八段數碼管分別顯示道路東西和南北通行和禁止的倒計時時間。 能設置道路東西和南北兩側通行和禁止的倒計時時間，最大設置時間為99秒，最小設置時間為1秒。 交通燈用紅、綠、黃

7、三種發光二極管（LED）顯示控制的結果。 紅、綠、黃燈顯示的次序應符合實際交通道路控制的要求。2 系統概述及設計原理2.1 系統的主要功能交通燈控制電路是用于城市交通疏導的管理系統，它是現代城市交通監控指揮系統中最重要的組成部分。交通信號燈指揮著人和各種車輛的安全運行,實現紅、黃、綠燈的自動指揮是城鄉交通管理現代化的重要課題。在城鄉街道的十字交叉路口,為了保證交通秩序和行人安全,一般在每條道路上各有一組紅、黃、綠交通信號燈。交通燈控制電路自動控制十字路口兩組紅、黃、綠交通燈的狀態轉換,指揮各種車輛和行人安全通行,實現十字路口城鄉交通管理自動化。設計一個十字路口交通控制器，方向分為東南西北四個方

8、向。東西方向的紅綠燈狀態一樣，南北方向的紅綠燈狀態一樣。每個方向上，有四盞燈，分別是左轉燈、紅燈、綠燈和黃燈。左拐燈亮表示左轉車輛可以通行；紅燈亮表示左轉和直行車輛禁行；綠燈亮表示直行車輛和右轉的車輛可以通行；黃燈亮表示左轉和直行的車輛即將禁行。本論文簡要介紹了FPGA器件的特點和設計意義，以QuartusII軟件為開發平臺，通過VHDL硬件描述語言以及原理圖的輸入方式來設計交通燈。交通燈控制器用于自動控制十字路口交通燈和計時器。系統的主要功能模塊方框圖如圖2-1所示圖2-1 系統主要功能模塊2.2交通燈的設計原理交通燈控制電路的原理框圖如圖1.3所示。其中，clkgen是分頻器，將EDA實訓

9、儀主板提供的20MHz的主頻經20000000分頻后，得到電路所需的1Hz（秒）時鐘。Cnt10de（兩個）是十進制減法計數器，產生道路東西和南北通行和禁止的倒計時時間。Contr是控制電路，控制整個系統的工作。控制器接收倒計時的結果，當倒計時歸0時，改變電路的控制模式，輸出倒計時的初始時間和交通燈亮滅控制信號。圖2-2 交通燈控制電路的原理圖3 系統各個模塊的的設計與仿真3.1 分頻器模塊的設計由于采用的FPGA芯片的時鐘頻率是50MHz，需要將其分頻為1Hz。該模塊即是實現50M的分頻，將頻率變為1Hz的脈沖波，從而得到周期為1s的脈沖波。如果要真正的實現分頻50M，在仿真結果圖中是很難觀

10、察的，甚至是沒有辦法驗證的，故在仿真過程中，將分頻的倍數變小，變為20分頻，這樣從圖中可容易的得到并驗證對時鐘輸入信號的20分頻，如圖3-1所示， Reset是復位信號，CLK_50MHz是輸入時鐘頻率，CLK_1Hz是輸出時鐘頻率，從圖中可以看出，輸出頻率CLK_1Hz確實是輸入時鐘頻率CLK_50MHz的20分頻。圖3-1 分頻器仿真圖3.2 狀態控制模塊的設計狀態控制模塊根據輸入CLK_1Hz的脈沖信號輸出不同的STATUS值，下游的模塊依據STATUS的值來確定紅綠燈的狀態；于此同時對倒計時信號賦初值。在狀態控制模塊仿真圖中，輸入信號CLK是一個頻率為1Hz的時鐘脈沖信號,RESET是

11、復位信號；輸出信號STATUS是狀態轉換信號，控制著下游交通信號燈顯示模塊的顯示情況；LOAD_EW、LOAD_SN是東西、南北方向倒計時開始控制信號，DJS_EW、DJS_SN是東西、南北方向倒計時間信號。其仿真結果圖如圖3-2所示，由圖可得，STATUS共有000（S1）、001(S2)、010(S3)、011(S4)、100(S5)、101(S6)共6個狀態，80s為紅燈和左轉燈的倒計時間，45s為綠燈的倒計時間，5s是黃燈的倒計時間,和狀態轉換表的狀態一致。圖3-2 狀態控制模塊仿真圖3.3 交通燈信號燈顯示模塊的設計交通信號燈顯示模塊根據輸入的STATUS信號，輸出對應的紅綠黃燈信號

12、，并直接驅動交通信號燈的亮滅。在交通燈信號燈顯示模塊程序仿真結果圖中，STATUS為輸入信號，而它依賴于狀態控制模塊產生的信號STATUS信號，一種六種狀態，依次為000（S1）、001(S2)、010(S3)、011(S4)、100(S5)、101(S6)；EW_LRGY（8位）是東西方向上交通信號燈的狀態， SN_LRGY（8位）是南北方向上交通信號燈的狀態，依次為左轉、紅、綠、黃，對應著EW_LRGY、SN_LRGY的前四位，1表示點亮，0表示熄滅，后四位均為0，表示四個燈的陰極接負極。例如，在STATUS為001時，對應的是東西方向紅燈亮，南北方向綠燈亮，仿真結果符合預期,完全正確。其

13、仿真圖如3-3所示：圖3-3 信號燈顯示模塊仿真圖3.4東西方向倒計時模塊設計東西方向倒計時模塊用來接收狀態控制模塊的輸出并作為初值，每檢測到一個CLK脈沖信號，就進行減一動作，最后把減一結果輸出。在該模塊仿真圖中，CLK為1Hz的輸入信號，LOAD_EW為計數器的裝載信號，當其為高電平時，將輸入信號DJS_EW_IN的值裝載到計數器中，并開始進行減一操作，每遇一個CLK脈沖，進行一次減一操作，并將結果輸出，由于輸入的時鐘頻率是1Hz，所以顯示的時間間隔是1s，與現實生活中的時間保持一致。其仿真結果如圖3-4所示，由圖可得，該模塊首先將80秒的倒計時信號裝載進去，并進行減一操作。圖3-4 東西

14、方向倒計時仿真圖3.5 南北方向倒計時模塊設計南北方向倒計時模塊用來接收狀態控制模塊的輸出并作為初值，每檢測到一個CLK脈沖信號，就進行減一動作，最后把減一結果輸出。在該模塊仿真圖中，CLK為1Hz的輸入信號，LOAD_SN為計數器的裝載信號，當其為高電平時，將輸入信號DJS_SN_IN的值裝載到計數器中，并開始進行減一操作，每遇一個CLK脈沖，進行一次減一操作，并將結果輸出，由于輸入的時鐘頻率是1Hz，所以顯示的時間間隔是1s，與現實生活中的時間保持一致。其仿真結果如圖3-5所示，由圖可得，該模塊將45秒的倒計時信號裝載進去，并進行減一操作。圖3-5南北方向倒計時仿真圖3.6 譯碼模塊設計譯

15、碼模塊程序用來將輸入的兩位倒計時數值，分解成兩個整形數值，以此供后面的譯碼顯示模塊譯碼顯示。在譯碼程序TO_8421_BCD模塊仿真圖中，DJS_EW_OUT,DJS_SN_OUT為上一倒計時模塊的輸出信號，其范圍在080，所有倒計時的范圍都包含其內；DJS_EW_OUT_SW,DJS_EW_OUT_GW,DJS_SN_OUT_SW,DJS_SN_OUT_GW為輸出信號，其范圍為09，代表了各個方向的倒計時的十位和個位，且數碼管所有顯示數字的范圍均在其內。例如圖中DJS_EW_OUT的值不斷變化，相應的依次將其分解為十位（DJS_EW_OUT_SW）和個位（DJS_EW_OUT_GW），并依次

16、遞減，仿真結果符合預期，完全正確。仿真結果如圖3-6所示：圖3-6 譯碼仿真結果圖3.7 譯碼顯示模塊設計譯碼顯示模塊將上一模塊譯碼模塊輸出的四個一位數譯碼成相對應的七位數碼管段碼，完成倒計時的譯碼和顯示。在譯碼顯示模塊仿真圖中，DJS_ EW_OUT_ SW,DJS_EW_OUT_GW,DJS_SN_OUT_SW,DJS_SN_OUT_GW是四位的輸入信號，也是上一模塊TO_8421_BCD的輸出信號，它們的范圍為數字09，DJS_EW_ OUT_SW1,DJS_ EW_ OUT_GW1,DJS_SN_OUT_SW1,DJS_SN_OUT_GW1對應的是相應的七位數碼管顯示段碼的值。圖中輸出

17、信號的值隨著輸入信號的變化而相應的變化，例如DJS_EW_OUT_SW為7,DJS_EW_OUT_GW為5時，DJS_EW_OUT_SW1為00000111（a、b、c、d、e、f、g依次對應著1110000，最高位的0表示是數碼管的類型是共陰的）,表示數碼管顯示7,DJS_EW_OUT_GW1為01101101，表示數碼管顯示5。仿真完全正確，符合預期。其仿真結果如圖3-7所示：圖3-7 譯碼顯示模塊仿真圖3.8 頂層文件模塊設計頂層設計采用VHDL語言描述方式實現，并在工程文件仿真過后通過工具菜單自動生成原理圖文件，從而是設計原理更加清晰明朗。在頂層設計VHDL描述中，共包含7個元件，分別

18、是：1、分頻器模塊，2、狀態控制模塊，3、交通信號燈顯示模塊，4、東西方向倒計時模塊設計，5、南北方向倒計時模塊設計，6、譯碼模塊設計，7、譯碼顯示模塊設計。這7個模塊經過程序設計、編譯仿真，結果均能夠達到設計要求。最后在頂層設計中，通過元件例化語句將這7個模塊連接起來，生成頂層文件。在頂層設計中，RESET是復位信號，輸入的時鐘頻率CLK是50MHz，經過分頻50M的分頻器后，變為頻率為1Hz的時鐘信號，周期為1s，用此時鐘信號來控制整個系統的步調，與現實生活中交通燈的步調保持一致。EW_LRGY、SN_LRGY分別為東西和南北方向上交通信號燈的狀態，EW_DJS_DISPLAY、SN_DJ

19、S_DISPLAY為東西和南北方向紅綠燈倒計時間。另外，所有的數碼管和二極管均為共陰極顯示。例如，在EW_LRGY為01000000（即東西方向紅燈亮）、SN_LRGY為10000000（即南北方向左轉燈亮）時，EW_DJS_DISPLAY的前八位表示倒計時的十位，后八位表示倒計時的個位；圖中EW_DJS_DISPLAY的前八位都是00000111表示7，后八位01111101表示6，后八位01101101表示5，后八位01100110表示4；SN_DJS_DISPLAY的前八位是01001111表示3，后八位01011011表示2，后八位00000110表示1，后八位00111111表示0，

20、以上表明紅綠燈和倒計時時間顯示符合預期。仿真結果如圖3-8所示：圖3-8 頂層文件波形仿真圖4 實訓心得體會本次EDA技術實訓的交通燈采用的是Altera公司CycloneII系列的EP2C5T144芯片作為核心最小系統，它可以方便嵌入到實際的交通燈應用系統中，可以完成簡單的邏輯控制、數據采集、信號處理、數學計算等功能；使用QuartusII軟件作為開發平臺；采用自頂向下的設計思路對系統進行模塊化設計和綜合，并通過波形仿真和硬件實現兩種方式實現并驗證交通燈的功能。為期兩周的實訓，我利用網絡和圖書館的有效資源，搜集并下載了大量的關于用FPGA做交通燈設計的資料；然后精心閱讀，在老師的指導督促下，

21、并和周圍同學進行有效學習和溝通，最終確定了自己的設計方案；最后按照既定的設計方案，通過努力有步驟的實現了交通燈的設計。通過此次實訓設計，讓我加深了FPGA的理解，更加熟練了VHDL語言，同時，我深深體會到了通過FPGA設計數字電路的方便、簡潔的特點，這讓我相信未來數字電路的應用必將更加廣泛。另外，我還體會到：從事開發設計工作，一定要保持個勤奮、踏實、嚴謹的工作態度，這樣才能更好的完成工作。最后，我覺得在交通燈控制系統設計中還可以增加一些實用功能，如：1、針對弱視或色盲人群進行聲音提示；2、在遇到突發狀況時，可以將紅綠燈改為緊急模式控制；3、當有119、120等特種車輛通過時，系統可轉為特種車放行，其他車輛禁行。但是這次實訓我也發現自己的很多不足之處。在設計過程中我發現自己考慮問題很不全面，自己的專業知識掌握的很不牢靠，所掌握的編程語句還不夠，很多程序都看不懂，我希望自己的這些不足之處能在今后的工作和學習中得到改善。而且，通過這次實訓，我懂得了學習的重