《基于VHDL状态机设计的智能交通控灯.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于VHDL状态机设计的智能交通控灯.doc（12页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、毕 业 论 文（设 计）论文（设计）题目：基于VHDL状态机设计的智能交通控灯 所属系别 信息工程系 专业班级 电子信息工程技术 姓名 学号 指导教师 撰写日期 2010 年 4 月摘 要实现路口交通灯系统控制的方法很多，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设计难度。采用EDA技术，应用VHDL硬件电路描述语言实现交通灯系统控制器的设计，电子设计自动化(EDA)的关键技术之一。它采用一种自上而下(topdown)的设计方法，即从系统总体要求出发，自上至下地逐步将设计内容细化，如划分为若干子模块，最
2、后完成系统硬件的整体设计它支持设计库和可重复使用的元件生成，支持阶层设计，提供模块设计的刨建，VHDL设计技术对可编程专用集成电路(ASIC)的发展起着极为重要的作用。利用MAX+PLUS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。该灯控制逻辑可实现3种颜色灯的交替点亮、时间的倒计时，指挥车辆和行人安全通行。关键词：智能交通灯，VHDL，状态机，CPLDAbstractA lot of devices, such as standard logic device, PLC(Programmable Logic Controller), single chi
3、p microcomputer etc can be used in the design of traffic light system.However，debugging and adjusting the circuits based on these devices require hardware supports.In some sense it complicates the design procedure. In this article, VHDL is applied in designing the system and the logic functions are
4、achieved by CPLD. Electronic design automation (EDA) one of the key technologies. It uses one kind of top-down (top-down) design method, starting from the general requirements of the system, since the content will be designed to gradually refine Shimoji, as divided into several sub-modules, and fina
5、lly to complete the overall design of the system hardware It supports design libraries and reusable components that generate, support groups designed to provide modular design of the plane built, VHDL design of the programmable application specific integrated circuit (ASIC) development plays a very
6、important role.The code is synthesized simulated and then downloaded into the CPLD by MAX+PLUS .The control logic of the system can change the color of traffic lights alternately and has the function of countdown,thus it can command vehicles and people on the road.Key Words： intelligent traffic ligh
7、t，VHDL，state machine ，CPLD目 录1 引言12设计方案12.1状态机简介12.2主体设计23 总体设计结构框图24 仿真结果44.1状态机仿真44.2计数器仿真55总结5参考文献：6致 谢71 引言可编程器件的广泛应用，为数字系统的设计带来了极大的灵活性。由于可编程器件可以通过软件编程对硬件的结构和工作方式进行重构，使得硬件的设计可以如同软件设计那样快捷方便。由于高速发展的FPGA/CPLD兼有串、并行工作方式和高速、高可靠性的特点1，在电子系统设计中得到了广泛应用。通常使用硬件描述语言（Hardware Description Language，HDL）进行数字电子系
8、统设计。目前应用广泛的硬件描述语言有：VHDL语言， Verilog HDL语言，AHDL语言。VHDL语言由于具有强大的行为描述能力和丰富的仿真语句从而成为系统设计领域最佳的硬件描述语言。2设计方案2.1状态机简介关于状态机的一个极度确切的描述是它是一个有向图形，由一组节点和一组相应的转移函数组成2。状态机通过响应一系列事件而“运行”。每个事件都在属于“当前” 节点的转移函数的控制范围内，其中函数的范围是节点的一个子集。函数返回“下一个”（也可以是同一个）节点。这些节点中至少有一个必须是终态。当到达终态， 状态机停止。包含一组状态集（states）、一个起始状态（start state）、一
9、组输入符号集（alphabet）、一个映射输入符号和当前状态到下一状态的转换函数（transition function）的计算模型3。当输入符号串，模型随即进入起始状态。它要改变到新的状态，依赖于转换函数4。在有限状态机中，会有有许多变量，例如，状态 机有很多与动作（actions）转换或状态关联的动作，多重起始状态，基于没有输入符号的转换，或者指定符号和状态（非定有 限状态机）的多个转换，指派给接收状态（识别者）的一个或多个状态5，等等。 有限状态机克服了纯硬件数字系统顺序方式控制不灵活的缺点6。状态机的工作方式是根据控制信号按照预先设定的状态进行顺序运行的，状态机是纯硬件数字系统中的顺序
10、控制电路，因此状态机在其运行方式上类似于控制灵活和方便的CPU，而在运行速度和工作可靠性方面都优于CPU7。2.2主体设计十字路口设计两组交通灯分别控制东西和南北两个方向的交通。如图2-1所示, 当东西方向的红灯亮时, 南北方向对应绿灯亮, 过渡阶段黄灯亮,即东西方向红灯亮的时间等于南北方向绿灯和黄灯亮的时间之和。交通灯维持变亮的时间取决于键盘输入的控制键值。同理,当南北方向的红灯变亮时,东西方向的交通灯也遵循此逻辑。总体上由状态机实现控制,本设计中使用两个状态机分别控制东西和南北两个方向的交通。每个状态机中都设有4个状态,分别对应红灯亮、绿灯亮、黄灯亮和出现紧急状况时两个方向上的红灯同时变亮
11、,停止倒计时的同时数码管上出现闪烁。路口的繁忙程度是不一样的, 白天时的交通比较繁忙, 因此, 红绿灯要变化快一些以便提高通过效率, 减少拥堵时间; 相反, 夜晚交通稀疏, 就需要红绿灯变化慢一些。因此, 加入键盘控制程序来控制交通维持变亮状态的持续时间。绿灯亮红灯亮黄灯亮红灯亮YX00绿灯亮黄灯亮南北向东西向nmgetingetin计数值（时间）图2-1 控制灯控制情况3 总体设计结构框图总体设计结构框图如图3-1所示，共有11个功能模块，包括控制东西方向交通灯的状态机和控制南北方向交通灯的状态机、计数器模块、键盘扫描模块、数字合成模块、三个分位模块、数码管显示模块、动态显示扫描模块。 Ke
12、yclk kboResetKeyin keyout键盘模块ClkKeyvalue countumGetnum 数字合成模块 ClockResetKeyin countnumHold 计数器模块Clock numaRrset redaHold greenaGetin yellowaCountnum 状态机（东西方向）Clock numbReset redbHold greenbGetin yellowbCountnum 状态机（南北方向）Numin numa Numb分位模块NunmaNumbNumcNumdNumeNumf SelClk d-outReset动态显示扫描模块ABCE FG显示模
13、块ClockkeyinNumin numa Numb分位模块Numin numa Numb分位模块1024HZ8HZ1HZ图3-1 总体设计结构图用VHDL语言对各个模块进行编程，在MAX+PLUS环境下进行编译与仿真，检查所编程序是否运行正确。如果出现错误，需要进行修改，直到完全通过为止。需要说明的是，在进行程序编译时，要先从底层程序开始，所有底层程序都正确后，才能开始顶层程序的编译8。4 仿真结果4.1状态机仿真东西方向和南北方向状态机仿真结果如图4-1和图4-2所示，从图4-1可以看出，getin是从键盘获得的键值，这里输入的是40 s，初始状态为S0状态红灯亮。从S0状态跳转到S1状态
14、即由红灯状态跳转到绿灯状态时，数码管显示的倒计时从15 s开始；当由S1状态跳转到S2状态即由绿灯状态跳转到黄灯状态时，GREENA由高电平变为低电平，YELLOWA由低电平变为高电平。倒计时时间从5s开始。南北方向仿真图与东西方向类似，这里不再赘述。图4-1 东西方向状态机仿真结果图4-2 南北方向状态机仿真结果4.2计数器仿真计数器从键盘上得到的键值为40s，从仿真结果图4-3所示上可以看出，计数器能正常计数。图4-3 计数器仿真结果 从仿真结果可以看出，计数器能够正常计数，状态机状态能够正确状态变换。东西方向初始状态为绿灯，从15开始倒计时，南北方向初始状态为红灯，从20开始倒计时。该系
15、统硬件电路包含了1个CPLD，6个7段LED数码显示器，分别表示各个方向上的红、黄、绿灯，以及相应的限流电阻。与其他控制方法相比，所用器件可以说是比较简单经济的。经过实验，实现了预定的交通灯系统的控制功能9。数码显示器采用动态扫描方式，大大节约了资源。5总结该交通灯控制逻辑可以实现3种颜色灯的交替点亮以及时间的倒计时，指挥车辆和行人安全通行。本文介绍的是一种最基本和简单的交通灯设计情况。在此基础上能够举一反三，从而用VHDL语言实现其它交通灯的控制设计10。随着EDA技术的发展，在今后的电子产品研究开发中，EDA技术具有更好的开发手段和性价比，拥有广泛的市场应用前景。参考文献：1 徐春娇. 基
16、于VHDL状态机设计的智能交通控制灯J.国外电子元器件，2007 第02期2 程云长.可编程逻辑器件与VHDL 语言M:北京:科学出版社，20053 黄任.VHDL入门解惑经典实例,经验总结M.北京:北京航空航天大学出版社，2005 4 张亮.数字电路设计与verllog hdlM.张亮.人民邮电出版社，20005 褚振勇，翁木云.FPGA设计及应用M.西安电子科技大学出版社，2002.76 林明权.VHDL数字控制系统设计范例M.电子工业出版社，2003.17 赵曙光、郭万有、杨颂华.可编程逻辑器件原理、开发与应用M.西安电子科技大学出版社，2000年8月8 Jun Hao. Electro
17、nic Technology practice JPetroleum Industry Press，20069 郝宏安.实际电路应用集锦M.上海科技文献出版社，200710 王小军.VHDL简明教程M.清华大学出版社，1997致 谢衷心的感谢能在百忙之中参加本人论文答辩的各位老师，谢谢你们的批评和指正！本文是在老师的悉心指导和帮助下完成的。在论文的写作过程中，老师对论文主题的确立、结构的搭建、写作方法、写作规范等方方面面提出了详尽、中肯的意见和指导，这些对于论文的完成是不可或缺的。通过老师的指导，本人对所学知识，特别是软件工程和数据库应用及开发方面有了更加系统、深刻的认识，在这个过程中，老师严谨的治学态度、诲人不倦的师表风范深深地感染了我，对此，致以诚挚的谢意！在学校学习期间，在老师的教导和同学们的帮助下，本人在知识水平和工作能力上都有了显著的提高，对于论文的完成也起了很大的作用。在此，致以诚挚的谢意！指导教师评语（主要评价论文的工作量、试验数据的可靠性、论文的主要内容与特点、写作水平等）：论文的工作量：试验数据的可靠性：论文的主要内容与特点、写作水平： 签 名： 年 月 日答辩委员会评语及论文成绩（主要评价论文的性质、难度、质量、综合训练、答辩情况、不足等。评定论文成绩）：论文的性质、难度、质量：学生的综合训练、答辩情况、不足等：论文成绩：主任委员签名： 年 月 日
