交通灯论文

毕业论文（设计）题目：

基于EDA的交通灯控制器的设计

学生姓名：吴耀才

学号：07013511

专业班级：计算机科学与技术071班指导教师：毕春跃职称讲师指导教师：职称

起止时间：2010.9~2011.5

诚信声明

我声明，所呈交的毕业设计作品和论文是本人经过近四年的基础课程与专业课程学习的基础上，在指导老师的指导下，经过几个月集中的毕业设计学习、实践和努力工作所取得的成果。据本人查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，设计作品和论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。我承诺，设计作品和论文中的所有内容均真实、可信。

学生签名：

签名日期：年月日

计算机与信息学院

本科毕业论文（设计）选题审批表

计算机与信息学院

本科毕业论文（设计）任务书

（此表为教师填写，内容打印，签名必须手写。学生要保存好该任务书，与开题报告一同上交指导教师，以备装订。）

浙江万里学院毕业设计(论文)报告纸┊

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计算机与信息学院

本科毕业论文（设计）开题报告

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┊注：开题报告内容可以打印，但导师和系（教研室）意见及签名必须手写。

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论文目录

摘要 (11)

Abstract (12)

1 引言 (13)

2 设计的基本理论与工具概述 (13)

2.1电子设计自动化EDA技术 (13)

2.1.1 EDA技术的概述 (13)

2.1.2 EDA技术的优势 (14)

2.1.3 EDA技术的发展趋势 (15)

2.2硬件描述语言——VHDL语言 (15)

2.3开发软件平台——QuartusⅡ (16)

2.4时序逻辑电路 (16)

3 交通灯控制器的分析与设计 (17)

3.1五叉路口现状图 (17)

3.2交通信号灯配置方案 (17)

3.3交通灯控制器设计总框图 (19)

4 交通灯控制器各模块的具体实现 (21)

4.1模块FEN的实现 (21)

4.2模块FEN2的实现 (22)

4.3模块XIAO的实现 (23)

4.4模块AN的实现 (24)

4.5模块CONA的实现 (25)

4.6模块CONB与模块CONC的实现 (26)

4.7模块SEL1与模块SEL2的实现 (27)

4.8模块CH61A与CH61B的实现 (29)

4.9模块DISPA与模块DISPB的实现 (30)

5 交通灯控制器的测试与仿真 (32)

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7 总结 (34)

致谢 (35)

[参考文献] (36)

附录1：文献综述 (37)

附录2：测试报告 (40)

附录3：作品说明书 (42)

附录4：外文文献译文 (43)

附录5：外文文献原文 (46)

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摘要

随着我国经济的飞速发展和城市人口的日益增多，城市交通拥挤现象成为越来越严重的现实，由此引发出日益严重的交通问题：交通拥挤甚至堵塞，交通事故频繁，空气和噪声污染严重，公共运输系统效率下降等。为了改善交通秩序，增加交通安全，减少交通延误，节省能源和土地的消耗，因而解决交通问题迫在眉睫。如今，人们越来越关注把先进的科学技术用于交通管理，同时促进了交通自动控制技术的不断发展[3]。因此，设计出智能化的城市交通信号灯控制器是解决交通问题的重要手段之一。

通过利用FPGA/CPLD大容量、可重构、可编程的特点设计五叉路口交通灯控制器，可充分利用现有交通资源，缓解城市交通压力，并对突发事件造成的交通堵塞进行紧急处理，及时疏通道路交通。

根据设计的要求，本文提出了一个交通灯控制器的控制方案，利用EDA工具设计出五叉路口使用的交通灯控制器，要求红、黄、绿灯按规定的时间和方式进行转换。并介绍了用VHDL硬件描述语言和可编程器件FPGA/CPLD，运用QuartusⅡ开发软件平台实现该方案中交通灯控制器的设计。

关键词：EDA，VHDL，交通灯控制器，FPGA/CPLD

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Abstract

With the rapid development of China's economy and the growing urban population, urban traffic congestion becoming an increasingly serious phenomenon of reality, which triggered a growing traffic problem: traffic congestion or congestion, frequent accidents, air and noise pollution is serious , inefficient public transportation systems and so on. In order to improve traffic order to increase traffic safety and reduce traffic delays, saving energy and land consumption, and thus solve the traffic problem is imminent. Now, there is growing concern about the advanced science and technology for traffic management, while promoting the traffic the development of automatic control technology. Therefore, the design of intelligent urban traffic lights controller is one of the most important means to solve traffic problems.

Through the use of FPGA / CPLD high-capacity, reconfigurable, programmable features designed five-fork in the road traffic light controller that can make full use of existing transport resources, ease the pressure on urban traffic, and traffic congestion caused by emergencies for emergency treatment in time to clear the road.

According to the design requirements, we propose a traffic light controller, the control scheme, the use of EDA tools to design a five-fork in the road traffic light controller used to require red, yellow, green time and manner required for conversion. And introduced the use of VHDL hardware description language and programmable logic device FPGA / CPLD, development software using Quartus Ⅱplatform in the program design of traffic light controller.

Key Words：EDA,VHDL,traffic light controller,FPGA/CPLD.

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1 引言

近年来伴随着社会的发展以及人们生活水平的提高，城市街道车辆出现大幅度增长，给城市交通带来巨大压力，而各式各样的路口，便是车辆通行的瓶颈所在。而交通灯是城市交通监管系统的重要组成部分，对于保证机动车辆的安全行驶，维持城市道路的顺畅起到了重要作用。因此，城市交通信号灯控制器是解决交通问题的重要手段之一。自从道路的出现，交通信号灯就成为了一条道路的灵魂，它维持着道路的顺畅和保证机动车辆的安全行驶。现在的交通灯通常由红、黄、绿三种颜色灯组成用来指挥交通的信号灯。绿灯亮时，准许车辆通行，黄灯亮时，已越过停止线的车辆可以继续通行；红灯亮时，禁止车辆通行。而当中红、黄、绿三种颜色灯的协调变换也便是交通信号灯的本质作用，因此，控制交通信号灯颜色协调变换的时序逻辑电路才是它的真正的灵

魂[1]。所以，只要处理好交通信号灯的时序逻辑电路，就能设计出一个具有完善功能的交通灯控制器。

EDA技术是现代电子信息工程领域的一门新技术，它是在先进的计算机工作平台上开发出来的一整套电子系统设计的软硬件工具，并提供了先进的电子系统设计方法。当今的EDA技术更多的是指芯片内的电子系统设计自动化，即片上系统设计。开发人员完全可以通过自己的电子系统设计来制定其芯片内部的电路功能，可以将设计过程中的许多细节问题抛开，而将注意力集中在系统的总体开发上，实现了真正意义上的电子设计自动化[2]。

本课题主要运用EDA技术设计五叉路口交通灯控制器。由于，五叉路口交通状况更为复杂，所出现的交通意外异常的频繁，因此更需要完美的交通灯信号灯配置方案。运用实践性方法，通过对五叉路口的观察、实验和调查，制定出最合适的五叉路口通行原则，进而设计交通灯控制器设计方案，解决各个信号灯配置问题，并通过在QuartusⅡ环境中进行测试、仿真。完善的交通灯控制器能够进一步保证机动车辆的安全行驶，维持城市道路的顺畅。

2 设计的基本理论与工具概述

2.1电子设计自动化EDA技术

2.1.1 EDA技术的概述

20世纪90年代，国际上电子和计算机技术较先进的国家，一直在积极探索新的电子电路设计方法，并在设计方法、工具等方面进行了彻底的变革，取得了巨大成功。在电子技术设计领域，可编程逻辑器件（如CPLD、FPGA）的应用，已得到广泛的普及，这些器件为数字系统的设计带来了极

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然而，EDA技术就是以计算机为工具，设计者在EDA软件平台上，用硬件描述语言VHDL完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至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。因此，EDA技术的出现，减轻了设计者的劳动强度，极大地提高了电路设计的效率和可操作性。

通过利用EDA工具，电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统，大量工作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程的计算机上自动处理完成[3]。

现在对EDA的概念或范畴用得很宽。其中，包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域，都有EDA的应用。目前EDA技术已在各大公司、企事业单位和科研教学部门广泛使用。例如在飞机制造过程中，从设计、性能测试及特性分析直到飞行模拟，都可能涉及到EDA技术，其具体应用越来越广泛。

2.1.2 EDA技术的优势

与传统的数字电子系统中的手工设计相比，EDA技术有很大的不同：

（1）用HDL对数字系统进行抽象的行为与功能描述以及具体的内部线路结构描述，从而可以在电子设计的各个阶段、各个层次进行计算机模拟验证，保证设计过程的正确性，可以大大降低设计成本，缩短设计周期。

（2）EDA工具之所以能够完成各种自动设计过程，关键是有各类库的支持。如逻辑仿真时的模拟库、逻辑综合时的综合库、版图综合时的版图库、测试综合时的测试库等。这些库都是EDA公司与半导体生产厂商紧密合作、共同开发的。

（3）某些HDL也是文档型的语言（如VHDL），极大地简化了设计文档的管理。

（4）EDA技术中最为瞩目的功能，即最具现代电子设计技术特征的功能是日益强大的逻辑设计仿真测试技术。EDA仿真测试技术只需要通过计算机，就能对所设计的电子系统从各种不同层次的系统性能特点完成一系列准确的测试与仿真操作，在完成实际系统的安装后，还能对系统上的目标器件进行所谓边界扫描测试。这一切都极大地提高了大规模系统电子设计的自动化程度。

（5）系统对于设计者来说，没有任何自主知识产权可言，因为系统中的关键性的器件往往并非出自设计者之手，这将导致该系统在许多情况下的应用直接受到限制。基于EDA技术的设计则不同，由于用HDL表达的成功的专用功能设计在实现目标方面有很大的可选性，它既可以用不同来源的通用FPGA/CPLD实现，也可以直接以ASIC来实现，设计者拥有完全的自主权，再无受制于人之虞。

（6）EDA技术的设计语言是标准化的，不会由于设计对象的不同而改变；它的开发工具是规范化的，EDA软件平台支持任何标准化的设计语言；它的设计成果是通用性的，IP核具有规范的接口协议。良好的可移植与可测试性，为系统开发提供了可靠的保证。

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（7）从电子设计方法学来看，EDA技术最大的优势就是能将所有设计环节纳入统一的自顶向下的设计方案中[1]。

2.1.3 EDA技术的发展趋势

从目前的EDA技术来看，其发展趋势是政府重视、使用普及、应用广泛、工具多样、软件功能强大。

中国EDA市场已渐趋成熟，不过大部分设计工程师面向的是PCB制板和小型ASIC领域，仅有小部分（约11%）的设计人员开发复杂的片上系统器件。为了与台湾和美国的设计工程师形成更有力的竞争，中国的设计队伍有必要引进和学习一些最新的EDA技术[1]。

在信息通信领域，要优先发展高速宽带信息网、深亚微米集成电路、新型元器件、计算机及软件技术、第三代移动通信技术、信息管理、信息安全技术，积极开拓以数字技术、网络技术为基础的新一代信息产品，发展新兴产业，培育新的经济增长点。要大力推进制造业信息化，积极开展计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程（CAE）、计算机辅助工艺（CAPP）、计算机机辅助制造（CAM）、产品数据管理（PDM）、制造资源计划（MRPII）及企业资源管理（ERP）等。有条件的企业可开展“网络制造”，便于合作设计、合作制造，参与国内和国际竞争。开展“数控化”工程和“数字化”工程。自动化仪表的技术发展趋势的测试技术、控制技术与计算机技术、通信技术进一步融合，形成测量、控制、通信与计算机（M3C）结构。在ASIC和PLD设计方面，向超高速、高密度、低功耗、低电压方面发展[2]。

外设技术与EDA工程相结合的市场前景空间较好，如组合超大屏幕的相关连接，多屏幕技术也有所发展。

中国自1995年以来加速开发半导体产业，先后建立了几所设计中心，推动系列设计活动以应对亚太地区其它EDA市场的竞争。

而在EDA软件开发方面，目前主要集中在美国，其努力开发相应的工具。日本、韩国也都有ASIC 设计工具，但不对外开放。中国华大集成电路设计中心，也提供IC设计软件，但性能不是很强。相信在不久的将来会有更多更好的设计工具在各地开花并结果。据最新统计显示，中国和印度正在成为电子设计自动化领域发展最快的两个市场，其增长率分别达到了50%和30%[1]。

2.2硬件描述语言——VHDL语言

VHDL语言的英文全名为Very-High-Speed Integrated Circuit HardwareDescription Language,诞生于1982年。VHDL主要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接口。1987年底，VHDL被IEEE和美国国防部确认为标准硬件描述语言。除了含有许多具有硬件特征的语句外，VHDL的语言形式和描述风格与句法是十分类似于一般的计算机高级语言。VHDL的程序结构特点是将一项工程设计，或称设计实体（可以是一个元件，一个电路模块或一个系统）分成外部（或称可视部分,及端口)和内部（或称不可视部分），既涉及实体的内部功能和算法完成部分。在

┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊对一个设计实体定义了外部界面后，一旦其内部开发完成后，其他的设计就可以直接调用这个实体。这种将设计实体分成内外部分的概念是VHDL系统设计的基本点。同时，它也具备了以下几方面的特点：

（1）VHDL语言功能强大，设计方式多样

（2）VHDL语言具有强大的硬件描述能力

（3）VHDL语言具有很强的移植能力

（4）VHDL语言的设计描述与器件无关

（5）VHDL语言程序易于共享和复用

由于VHDL语言是一种描述、模拟、综合、优化和布线的标准硬件描述语言，因此它可以使设计成果在设计人员之间方便地进行交流和共享，从而减小硬件电路设计的工作量，缩短开发周期[5]。

2.3开发软件平台——QuartusⅡ

QuartusⅡ是Altera公司的综合性PLD开发软件，支持原理图、VHDL、VerilogHDL以及AHDL （Altera Hardware Description Language）等多种设计输入形式，内嵌自有的综合器以及仿真器，可以完成从设计输入到硬件配置的完整PLD设计流程。可以在XP、Linux以及Unix上使用，除了可以使用Tcl脚本完成设计流程外，提供了完善的用户图形界面设计方式。具有运行速度快，界面统一，功能集中，易学易用等特点。对第三方EDA工具的良好支持也使用户可以在设计流程的各个阶段使用熟悉的第三方EDA工具，简化了设计的复杂性、加快了设计速度。

此外，QuartusⅡ通过和DSP Builder工具与Matlab/Simulink相结合，可以方便地实现各种DSP应用系统；支持Altera的片上可编程系统（SOPC）开发，集系统级设计、嵌入式软件开发、可编程逻辑设计于一体，是一种综合性的开发平台[8]。

2.4时序逻辑电路

时序逻辑电路在逻辑功能上的特点是任意时刻的输出不仅取决于当时的输入信号，而且还取决于电路原来的状态，或者说，还与以前的输入有关，其相当于在组合逻辑的输入端加上了一个反馈输入，在其电路中有一个存储电路，其可以将输出的状态保持住。若用一个简单的函数来表示的话，其输出就是输入及输出前一个时刻的状态的函数，这里引入了现态（Present state）和次态（Next State）的概念,当现态表示现在的状态（通常用Qn来表示），而次态表示输入发生变化后其输出的状态（通常用Qn 1表示），那么输入变化后的输出状态表示为：

Qn 1=f(X,Qn)，其中：X为输入变量；

因此，时序逻辑电路其任一时刻的输出不仅取决于该时刻的输入，而且还与过去各时刻的输入有关[7]。常见的时序逻辑电路都有触发器、计数器、寄存器等，从而时序逻辑电路就具有了存储或记忆的功能。

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3 交通灯控制器的分析与设计

交通灯控制器是解决交通问题的重要手段之一，尤其五叉路口交通情况有为复杂，为了保证机动车辆的安全行驶，维持城市道路的顺畅，因而需要更完善的交通灯控制器来应对各个类不同的交通情况，并且也需要更人性化的设计。

通过对相关资料的查阅，对类似五叉路口的实地调查、研究，从而设计出基于EDA技术，运用VHDL语言完成的新型交通灯控制器。

3.1五叉路口现状图

五叉路口如图3-1所示。

图3-1 五叉路口

五叉路口中，各路口依次命名为A、B、C、D、E。其中A、B、C、D路口为双向通行路口，E路口为单向通行路口。

3.2交通信号灯配置方案

五叉路口的交通灯控制器，其中信号灯的配置。如下：

在五叉路口（ABCDE）的每一个进口设置两组信号灯，一组面对进口道上的车辆, 称为入口灯。另一组面对该进口道与相邻进口道按逆时针方向之间待转区上行驶的车辆, 称为待转灯。由这两组灯轮流给车辆与环内车辆分配通行权, 使它们有条件以多股车流分时段通过此五叉路口。每组信号灯都为红、黄、绿三色，且都对应设置一组数码管，以倒计时的方式显示允许通过或禁止通行的时间，其中绿灯、黄灯、红灯的具体持续时间转换，见表3-1。

其中，步骤一：A、C间双向通行，C至E单向通行，A至E（左转二次停车），C至B（左转二次

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然而，左转至相邻道路（按逆时针方向）的车流，在环状待车区内环行，右转车辆不受信号等控制，但应避让行人。

其中信号灯名称设定，

路口A的两组信号灯分别为：入口灯（A）、待转灯（a）；

路口B的两组信号灯分别为：入口灯（B）、待转灯（b）；

路口C的两组信号灯分别为：入口灯（C）、待转灯（c）；

路口D的两组信号灯分别为：入口灯（D）、待转灯（d）；

信号灯亮灯规则为：①入口灯（A）、入口灯（C）、待转灯（b）和待转灯（d）的状态对应相同；

②入口灯（B）、入口灯（D）和待转灯（c）的状态对应相同；③待转灯（a）单独处理，与入口灯（D）的黄绿状态不同时发生；④对于①②中的信号灯，黄绿状态也不同时发生。

关于五叉路口各信号灯转换情况，如表3-1所示。

表3-1 五叉路口各信号灯计数时间状态转换表

A路口B路口C路口D路口时间/s 入口灯（A）绿灯亮，

待转灯（a）红灯亮

入口灯（B）红灯亮，

待转灯（b）绿灯亮

入口灯（C）绿灯亮，

待转灯（c）红灯亮

入口灯（D）红灯亮，

待转灯（d）绿灯亮

20

入口灯（A）黄灯亮，

待转灯（a）红灯亮

入口灯（B）红灯亮，

待转灯（b）黄灯亮

入口灯（C）黄灯亮，

待转灯（c）红灯亮

入口灯（D）红灯亮，

待转灯（d）黄灯亮

5

入口灯（A）红灯亮，

待转灯（a）绿灯亮

入口灯（B）红灯亮，

待转灯（b）红灯亮

入口灯（C）红灯亮，

待转灯（c）红灯亮

入口灯（D）红灯亮，

待转灯（d）红灯亮

10

入口灯（A）红灯亮，

待转灯（a）黄灯亮

入口灯（B）红灯亮，

待转灯（b）红灯亮

入口灯（C）红灯亮，

待转灯（c）红灯亮

入口灯（D）红灯亮，

待转灯（d）红灯亮

5

入口灯（A）红灯亮，

待转灯（a）红灯亮

入口灯（B）绿灯亮，

待转灯（b）红灯亮

入口灯（C）红灯亮，

待转灯（c）绿灯亮

入口灯（D）绿灯亮，

待转灯（d）红灯亮

20

入口灯（A）红灯亮，

待转灯（a）红灯亮

入口灯（B）黄灯亮，

待转灯（b）红灯亮

入口灯（C）红灯亮，

待转灯（c）黄灯亮

入口灯（D）黄灯亮，

待转灯（d）红灯亮

5

当各条路中任意一条上出现特殊情况，例如消防车、救护车或其他需要优先放行的车辆时，各方向上均为红灯亮，倒计时停止，且显示数字在闪烁。当特殊运行状态结束后，控制器恢复原来状态，继续正常运行。

┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊3.3交通灯控制器设计总框图

根据五叉路口的实际情况要求，首先，设计出简易总框图，

如图3-2所示。

图3-2 简易总框图

其中，

模块FEN和模块FEN2起到分频的作用，从而提供稳定的时钟信号；

模块XIAO起到消抖同步的作用，且它的输入输出都为正脉冲；

模块AN实现紧急情况与正常情况的转换作用；

模块CONA、模块CONB和模块CONC均为交通信号灯模块，实现三种颜色信号灯的交替点亮和相应时间的倒计时的作用；

模块SEL1和模块SEL2产生片选信号，起到片选的作用；

模块CH61A和模块CH61B是信号六选一模块，与片选信号一起作用，将不同数码管要显示的数据在与片选信号相同的时间送到端口；

模块DISPA和模块DISPB均为七段数码管显示模块，实现十进制数转换为七段数码管数据的作用。

而在QuartusⅡ软件设计平台上，通过模块化设计方法，设计出具体的五叉路口交通灯控制器的总框图。