交通灯控制逻辑电路的设计

摘要：根据实际路口的交通灯设置与运行规律，基于VHDL硬件描述语言，利用FPGA器件EP1K10TC100_3和自行设计的高亮LED交通灯指示模拟电路板以及数码显示模拟电路板，通过了QuartusⅡ软件的功能仿真和实际调试，体现了EDA 技术的设计优越性。

关键词：交通灯；VHDL；FPGA；计数器Abstract：According to the design and operation rules of traffic lights at the practical crossings，and based on the descriptive language of VHDL hardwares，making use of the device of EP1K10TC100_3 and self-designed highly bright LED traffic lights indicating imitation circuit panels and imitation circuit panel with digital display，going through functional simulation and practical debugging by Quartus softwares，this paper displays the design advantages of EDA．Key words：traffic lights；VHDL；FPGA；counter前言交通灯是城市交通中的重要指挥系统，它与人们日常生活密切相关。

随着人们生活水平的提高，对交通管制也提出了更高的要求，因此提供一个可靠、安全、便捷的多功能交通灯控制系统有着现实的必要性。

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，同时，交通灯控制系统也是应用电子技术中最经典的电子设计，但目前尚存在系列问题有待解决，例如实际路口设置的交通灯种类较多、数量也较多、程序结构较复杂等等问题。

本次设计整个交通灯控制器电路系统采用 verilog hdl程序编写，并能进行硬件仿真。

课题除了学习相应的硬件知识外，还要学习如何使用VHDL语言设计可编程逻辑器件。

VHDL是广泛使用的设计输人硬件语言，可用于数字电路与系统的描述、模拟和自动设计.CPLD/FPGA（复杂可编程逻辑器件/现场可编程门阵列）为数字系统的设计带灵活性，兼有串/并行工作方式和高集成度、高速、高可靠性等明显的特点，CPLD/FPGA的时钟延迟可达纳秒级，结合其并行工作方式，在超高速领域和实时测控方面有非常广泛的应用。

本文根据实际路口的交通灯设置与运行规律，基于FPGA技术设计出交通灯控制电路，不但通过QuartusⅡ软件的功能仿真，而且得到实践的检验，证明设计是符合实际的。

目录第1章：绪论 (1)1.1 EDA技术概述....................................... 错误！未定义书签。

1.1.1 EDA技术的发展与应用............... 错误！未定义书签。

1.1.2 EDA技术的基本特征................. 错误！未定义书签。

1.1.3 EDA的设计方法..................... 错误！未定义书签。

1.2 数字系统......................................... 错误！未定义书签。

1.3 数字系统的设计方法............................... 错误！未定义书签。

1.3.1 自底向上的设计方法(Bottom Up) ...... 错误！未定义书签。

1.3.2 自顶向下设计(Top Down) ............ 错误！未定义书签。

1.4 现代数字系统的设计过程........................... 错误！未定义书签。

第2章：交通灯控制系统介绍. (6)2.1 交通灯控制系统的功能 (6)2.2 交通灯控制系统设计 (6)2.3 交通灯控制系统的基本组成模块 (6)2.4 交通灯控制器状态 (7)2.5 程序流程图 (8)第3章：交通灯控制系统的设计 (9)3.1 交通灯控制器功能描述及设计方法 (9)3.2 设计要求 (9)3.2.1 控制部分的设计 (10)3.2.2 显示部分的设计 (11)3.2.3 分频器部分的设计 (13)3.3 交通灯控制系统的仿真 (14)3.3.1 对交通灯控制部分进行仿真 (14)3.3.2 对交通灯显示部分模块进行仿真 (15)3.3.3 对交通灯系统进行仿真 (16)3.4 程序下载 (17)3.4.1 引脚配置 (17)3.4.2 编程下载 (18)第4章：单元模块电路设计 (19)4.1 5V电源的设计 (19)4.2 3.3V电源转换电路 (20)4.3时钟电路的设计 (20)4.4 JTAG基本工作原理 (21)4.5复位电路 (22)4.6复杂可编程PLD电路 (23)第5章：总结 (25)参考文献 (26)第一章：绪论1.1EDA技术概述EDA是电子设计自动化（Electronic Design Automation）的缩写，在20世纪90年代初从计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）的概念发展而来的。

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HDL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。

1.1.1 EDA技术的应用与发展电子设计技术的核心就是EDA技术，EDA是指以计算机为工作平台，融合应用电子技术、计算机技术、智能化技术最新成果而研制成的电子CAD通用软件包，主要能辅助进行三方面的设计工作，即IC设计、电子电路设计和PCB设计。

EDA 技术是伴随着计算机、集成电路、电子系统设计的发展, 经历了计算机辅助设计(CAD) 、计算机辅助工程设计(CAE) 和电子系统设计自动化( ESDA) 三个发展阶段。

20 世纪70 年代为CAD 阶段, 这一阶段人们开始用计算机辅助进行IC 版图编辑和PCB 布局布线, 取代了手工操作。

80 年代为CAE 阶段,与CAD 相比, 除了纯粹的图形绘制功能外, 又增加了电路功能设计和结构设计, 并通过电气连接网表将两者结合在一起,以实现工程设计。

90 年代为ESDA 阶段, ESDA 的基本特征是设计人员按“自顶向下”的设计方法, 对整个系统进行方案设计和功能划分, 系统的关键部分用一片或几片专用集成电路实现, 然后采用硬件描述语言(HDL) 完成系统行为级设计, 最后通过综合器和适配器生成最终的目标器件。

ESDA 的出现, 使设计师开始实现“概念驱动工程”的梦想, 从而摆脱了大量的辅助设计作, 把精力集中在创造性的方案与概念构思上, 极大地提高了系统的效率, 缩短了产品的研制周期。

1.1.2 EDA技术的基本特征EDA代表了当今电子设计技术的最新发展方向，它的基本特征是：设计人员按照“自顶向下”的设计方法，对整个系统进行方案设计和功能划分，系统的关键电路用一片或几片专用集成电路（ASIC）实现，然后采用硬件描述语言（HDL）完成系统行为级设计，最后通过综合器和适配器生成最终的目标器件，这样的设计方法被称为高层次的电子设计方法。

1.1.3 EDA的设计方法“自顶向下”的设计方法。

高层次设计是一种“自顶向下”的全新设计方法，这种设计方法首先从系统设计人手，在顶层进行功能方框图的划分和结构设计。

在方框图一级进行仿真、纠错，并用硬件描述语言对高层次的系统行为进行描述，在系统一级进行验证。

然后，用综合优化工具生成具体门电路的网络表，其对应的物理实现级可以是印刷电路板或专用集成电路。

由于设计的主要仿真和调试过程是在高层次上完成的，这既有利于早期发现结构设计上的错误，避燃计工作的浪费，又减少了逻辑功能仿真的工作量，提高了设计的一次成功率。

1.1.4 硬件描述语言硬件描述语言（HDL）是一种用于设计硬件电子系统的计算机语言，它用软件编程的方式来描述电子系统的逻辑功能、电路结构和连接形式，与传统的门级描述方式相比，它更适合大规模系统的设计。

VHDL是一种全方位的硬件描述语言，包括系统行为级。

寄存器传输级和逻辑门级多个设计层次，支持结构、数据流和行为三种描述形式的混合描述，因此VHDL几乎覆盖了以往各种硬件俄语言的功能，整个自顶向下或由底向上的电路设计过程都可以用VHDL 来完成。

VHDL还具有以下优点：（1）VHDL的宽范围描述能力使它成为高层进设计的核心，将设计人员的工作重心提高到了系统功能的实现与调试，而花较少的精力于物理实现。

（2）VHDL可以用简洁明确的代码描述来进行复杂控制逻辑艄设计，灵活且方便，而且也便于设计结果的交流、保存和重用。

（3）VHDL的设计不依赖于特定的器件，方便了工艺的转换。

（4）VHDL是一个标准语言，为众多的EDA厂商支持，因此移植性好。

1.2 数字系统数字系统是由对信息进行采集, 转换、传输、存储、加工处理和利用的一组相互联系, 相互作用的部件所组成的一个有机的整体. 虽然信息来源不同, 有经济信息、政治信息、图文信息,信息形态不一,有离散的、有连续的等等.但都可经过变换, 转换成数字系统所能接收的数字信息, 进行存储和处理. 同时又可把数字系统加工、处理后的信息经过相应逆变换,成为对被控对象进行控制的可靠依据.数字系统具有可靠性强, 精确度高,稳定性好可模块化, 便于集成等优点.数字系统通常由三部份组成: 输入接口、输出接口, 数据器和控制器其结构如图示:图 1.1 数字系统结构图输入接口是用来将模似量转化为系统能接收的数字量的模块,同理输出接口是完成可逆变化的模块.数字系统的信号包括数据流和控制流信号, 对数据流进行传送和加工处理为数据处理器, 对控制流信号进行传送和加工处理为控制器.数据处理器和控制器是数字系统中最基本的两个部份.尽管各种数字系统可能具有完全不同的功能和形式,但是都可以用数据处理器和控制所构成的数字系统的本结构来描述.控制器的产生的输出控制信号影响着其它系统控制器的操作, 使本系统与其它系统协调一致地工作,控制器的输入信号也有可能是其系统的输出控制信号.数据处理器作用是控制系统内各部份模块的工作, 使它们按一定顺序进行操作,数字系统中就是这样通过数据处理器和控制器之间的密切配合协调工作,成为一个自动实现信息处理功能的有机整体. 通常以是否有控制器作为区别数字系统和系统部件的标志, 凡是包含控制器且能按顺序进行操作的系统,不论规模大小一律称为数字系统,否则只能是一个系统的部件.1.3 数字系统的设计方法现代数字系统的设计方法早期的数字系统多采用试凑法设计, 此法无固定的套路可循, 主要凭借设计者的经验。