2012 届本科生毕业论文（设计）本科生毕业论文（设计）题目： 基于基于 VHDL 的交通灯信号控制器设计的交通灯信号控制器设计 系 部 电子信息工程学院学科门类 工学 专 业 电子信息工程 学 号 姓 名 指导教师 2012 年 5 月 22 日装订线2012 届本科生毕业论文（设计）I基于 VHDL 的交通灯信号控制器的设计摘 要传统的交通灯控制系统多数由单片机或 PLC 实现，本文介绍的是基于 EDA 技术设计交通灯系统的一种思路和方法。通过用数字信号自动控制十字路口交通灯状态转换的方法，指挥车辆和行人安全通行，实现十字路口交通管理的自动化。本设计利用 VHDL 语言来实现交通灯控制器。通过对系统进行结构分析，采用自顶向下的层次化设计方法，给出了各个模块的 VHDL 程序，并且利用 Quartus对应用程序进行了仿真，得出了相应的仿真结果。在用 VHDL 语言进行电路设计时,应充分认识到 VHDL语言的特点,从设计思想、语句运用及描述方法上等多方面对电路进行优化设计。通过电路优化设计,可以使用规模更小的可编程逻辑芯片,从而降低系统成本。关键词：关键词：交通信号灯 VHDL 仿真2012 届本科生毕业论文（设计）IIABSTRACTMost traditional traffic light control system implemented by a single-chip computer or PLC, this article describes the design of a traffic light system is based on EDA technology ideas and methods.By using digital methods of signal control intersection traffic signal state transition, command vehicles and pedestrians safe passage, implementation of intersection traffic management automation.Design and implementation of traffic light controller with VHDL language.Through the system for structural analysis, using top-down hierarchical design method, gives a VHDL program modules, and applications using Quartus II simulation, have come to the corresponding simulation results.Circuit design with VHDL language, should be fully aware of the features of VHDL language, from the design, use statement, and description of the superior aspects of optimized circuit design.Through optimization design of circuits, programmable logic chip can use smaller, thus reducing system costs.Keywords: traffic light VHDL simulation2012 届本科生毕业论文（设计）III目 录一 前言 11.1 研究背景 11.2 研究目的 1二 EDA 技术与 VHDL 语言 32.1 EDA 技术及其发展32.2 EDA 与传统电子设计方法的比较及优点 42.3 VHDL 系统概述5三 交通灯系统的设计73.1 红绿灯交通信号系统功能描述73.2 系统的模块设计 83.2.1 时钟脉冲发生电路 83.2.2 计数秒数选择电路 93.2.3 倒计时控制电路 103.2.4 红绿灯信号控制电路113.2.5 交通灯系统描述 12四 总结15参考文献16附录 172012 届本科生毕业论文（设计）1一 前言1.1 研究背景自从 1858 年英国人发明了原始的机械扳手交通灯之后，随后的一百多年里，交通灯改变了交通路况，也在人们日常生活中占据了重要地位，随着人们社会活动日益增加，经济发展，汽车数量急剧增加，城市道路日渐拥挤，交通灯更加显示出了它的功能，使得交通得到有效管制，对于交通疏导，提高道路导通能力，减少交通事故起到了显著的效果。近年来，随着汽车数量的猛增，我国大中型城市的城市交通，正面临着严峻的考验，从而导致交通问题日益严重，其主要表现如下：交通事故频发，对人类生命安全造成极大威胁；交通拥堵严重，导致出行时间增加，能源消耗加大；空气污染和噪声污染程度日益加深等。日常的交通堵塞成为人们司空见惯而又不得不忍受的问题。在这种背景下，结合我国城市道路交通的实际情况，开发出真正适合我们自身特点的智能信号灯控制系统已经成为当前的主要任务。和谐的城市交通具有很重要的现实意义。城市交通是城市经济生活的命脉，是衡量一个城市文明进步的标志，对于城市经济的发展和人民生活水平的提高起着十分重要的作用。作为城市交通网的重要组成部分, 交叉口是道路通行能力的瓶颈和交通阻塞及事故的多发地。城市的交通拥堵，大部分是由于交叉口的通行能力不足或没有充分利用造成的，这导致车流中断、事故增多、延误严重。对交叉口实行科学的管理与控制是交通控制工程的重要研究课题，是保障交叉口的交通安全和充分发挥交叉口的通行能力的重要措施，是解决城市交通问题的有效途径。所以，改变和完善我国现有的交通系统已成为当务之急。1.2 国内外研究现状在国外，英国，澳大利亚，日本和美国等国家均在交通控制系统上日益完善。如以澳大利亚悉尼为背景开发的交通自适应协调系统 SCATS (Sydney Coordinated Adaptive Traffic System)，英国的运输和道路研究所（TRRL）研制的 SCOOT（Split Cycle Offset Optimization Technique )系统，日本的京三（Kyosan）系统等。这些系统，大都是在各路口附近安装磁性环路监控器，由各路口的控制设备、人员将交通控制参数通过通讯网络输入微处理器，用小型计算机进行集中处理1。目前国内己有一些自主开发的城市交通控制系统，如公安部交通科学研究所研制开发的 HT-UTCS 系统，但它在整体性能上比国外同类系统仍有较大差距，只在一些中小城市得到一些应用。国内城市尤其是大城市引进的交通控制系统大部分为进口的 SCOOT 和SCATS 以及京三系统等，这些系统皆是建立在机动车为主的道路交通条件基础之上的被动型控制系统上的.由于我国交通流是混合交通流，和国外的交通流大不相同，因此，国外的这些交通控制系统在国内的使用效果不尽人意。所以国内的科研人员也在孜孜不倦的2012 届本科生毕业论文（设计）2研究着更好的交通灯控制系统，大致研究可以分为两类，其一是按固定配时方案运行，其二是由车辆检测器提供的实时交通信息控制信号机运行的。如，基于时间分布的交通控制系统设计，它将一天分为 N 个不同的时间区间，应用计算机算出各个交通路口各时间段信号灯的最佳周期，在不同的时间区间赋予交通信号控制器不同的周期，以对应交通流量随时间的分布2。但在现实应用中，这种固定周期的交通信号灯的周期只在一天交通流量变化不大的路口可以得到较理想的效果，而交通流量呈周期变化的路口则无法两者兼顾，其只能使某个时段达到较好的效果，在另外一个时刻则需要人工干预，不然可能产生交通堵塞。再如基于模糊逻辑的智能交通灯控制系统，是从禁行车辆等待时间的角度出发，综合了各个方向车辆密度的因素，模仿交通带察的行为而设计的。其控制器采用三变量输入，输出不再是时间变量，而是车辆通行的权限3。2012 届本科生毕业论文（设计）3二 EDA 技术与 VHDL 语言2.1 EDA 技术及其发展现代电子设计技术的核心是 EDA（Electronic Design Automation）技术。EDA 技术就是依赖功能强大的计算机，在 EDA 工具软件平台上，对以硬件描述语言 HDL（Hardware Description Language）为系统逻辑描述手段完成的设计文件，它能自动地完成逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合、结构综合（布局布线） ，以及逻辑优化和仿真测试，直至实现既定的电子线路系统功能。EDA 技术使得设计者的工作仅限于利用软件的方式，即利用硬件描述语言和 EDA 软件来完成对系统硬件功能的实现。EDA 技术在进入 21 世纪后，得到了更大的发展。在仿真和设计两方面支持标准硬件描述语言的功能越来越强大，软硬件技术也进一步得到了融合，在电子行业的产业领域、技术领域和设计应用领域得到了进一步的肯定，使得复杂电子系统的设计和验证趋于简单化。随着大规模集成电路技术和计算机技术的不断发展，在涉及通信、国防、航天、医学、工业自动化、计算机应用、仪器仪表等领域的电子系统设计工作中，EDA 技术的含量正以惊人的速度上升;电子类的高新技术项目的开发也逾益依赖于 EDA 技术的应用。即使是普通的电子产品的开发，EDA 技术常常使一些原来的技术瓶颈得以轻松突破，从而使产品的开发周期大为缩短、性能价格比大幅提高2。不言而喻，EDA 技术将迅速成为电子设计领域中的极其重要的组成部分。EDA( Electronic Design Automation，电子系统设计自动化)技术是 20 世纪 90 年代初从 CAD(计算机辅助设计)、CAM(计算机辅助制造),CAT(计算机辅助测试)和 CAE(计算机辅助工程)的概念发展而来的。现代 EDA 技术就是以让算机为工具，在 EDA 软件平台上，根据硬件描述语言 HDL 完成的设计文件，能自动地完成用软件方式描述的电子系统到硬件系统的逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化、布局布线、逻辑仿真，直至完成对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。设计者的工作仅限于利用软件的方式来完成对系统硬件功能的描述，在 EDA 工具的帮助下和应用相应的FPGA/CPLD 器件，就可以得到最后的设计结果。尽管目标系统是硬件，但整个设计和修改过程如同完成软件设计一样方便和高效。可见 ， 利 用 EDA 技术进行电子系统的设计，具有以下几个特点:(1)用软件的方式设计硬件;(2)用软件方式设计的系统到硬件系统的转换是由有关的开发软件自动完成的；(3)采用自顶向下(top-down)的设计方法;(4)设计过程中可用有关软件进行各种仿真;