交通燈控制器的設(shè)計 EDA課程設(shè)計

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1、大 學課程設(shè)計說明書名稱 交通燈控制器的設(shè)計 院 系 電子信息工程系 班 級 姓 名 學 號 系主任 教研室主任 指導教師 目錄第一章 緒論31電子設(shè)計自動化簡介31.1概要31.2 EDA數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計41.2.1 分析方法4第二章 設(shè)計要求52 設(shè)計基本要求52.1電路工作原理5第三章 系統(tǒng)的設(shè)計63 系統(tǒng)設(shè)計要求63.1 設(shè)計思路73.2 設(shè)計流程73.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖83.4 系統(tǒng)程序93.5仿真與調(diào)試14第四章心得體會15參考文獻16第一章 緒論1電子設(shè)計自動化簡介1.1概要EDA技術(shù)是指以計算機為工作平臺，融合了應用電子技術(shù)、計算機技術(shù)、信息處理及智能化技術(shù)的最新成果，進行電子產(chǎn)品的自

2、動設(shè)計。 利用EDA工具，電子設(shè)計師可以從概念、算法、協(xié)議等開始設(shè)計電子系統(tǒng)，大量工作可以通過計算機完成，并可以將電子產(chǎn)品從電路設(shè)計、性能分析到設(shè)計出IC版圖或PCB版圖的整個過程的計算機上自動處理完成。 現(xiàn)在對EDA的概念或范疇用得很寬。包括在機械、電子、通信、航空航天、化工、礦產(chǎn)、生物、醫(yī)學、軍事等各個領(lǐng)域，都有EDA的應用。目前EDA技術(shù)已在各大公司、企事業(yè)單位和科研教學部門廣泛使用。1.1.1 EDA系統(tǒng)的設(shè)計分類根據(jù)采用計算機輔助技術(shù)的介入程度，可以分為三類：第一類：人工設(shè)計方法，這是一種傳統(tǒng)的設(shè)計方法，從方案的提出到驗證和修改均采用人工手段完成，尤其是系統(tǒng)的驗證需要經(jīng)過實際搭試電路

3、完成，花費大、效率低、制造周期長。第二類：借助計算機來完成數(shù)據(jù)處理、模擬評價、設(shè)計驗證等部分，由人和計算機共同完成，但由于軟件匱乏，該階段許多工作尚需人工完成。第三類：該階段的世紀方法稱為電子設(shè)計自動化，這個階段發(fā)展起來的EDA工具，目的是在設(shè)計前期將設(shè)計工程師從事的許多高層次設(shè)計由工具完成。整個設(shè)計過程或大部分設(shè)計均有計算機完成。1.1.2 EDA技術(shù)發(fā)展表現(xiàn)形式 (1) CPLD/FPGA系統(tǒng)：使用EDA技術(shù)開發(fā)CPLD/FPGA，使自行開發(fā)的CPLD/FPGA作為電子系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)的主體。(2) “CPLD/FPGA+MCU”系統(tǒng)：綜合應用EDA技術(shù)與單片機技術(shù)，將自行開發(fā)

4、的“CPLD/FPGA+MCU”作為電子系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)的主體。(3) “CPLD/FPGA+專用DSP處理器”系統(tǒng)：將EDA技術(shù)與DSP專用處理器配合使用，用“CPLD/FPGA+專用DSP處理器”構(gòu)成一個數(shù)字信號處理系統(tǒng)的整體。(4) 基于FPGA實現(xiàn)的現(xiàn)代DSP系統(tǒng)：基于SOPC(a System on a Programmable Chip)技術(shù)、EDA技術(shù)與FPGA技術(shù)實現(xiàn)方式的現(xiàn)代DSP系統(tǒng)。(5) 基于FPGA實現(xiàn)的SOC片上系統(tǒng)：使用超大規(guī)模的FPGA實現(xiàn)的，內(nèi)含1個或數(shù)個嵌入式CPU或DSP，能夠?qū)崿F(xiàn)復雜系統(tǒng)功能的單一芯片系統(tǒng)。(6) 基于FPGA實現(xiàn)的嵌入式系統(tǒng)

5、：使用CPLD/FPGA實現(xiàn)的，內(nèi)含嵌入式處理器，能滿足對象系統(tǒng)要求的特定功能的，能夠嵌入到宿主系統(tǒng)的專用計算機應用系統(tǒng)。1.2 EDA數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計1.2.1 分析方法傳統(tǒng)的電路設(shè)計方法都是自底向上進行設(shè)計的，也就是首先確定可用的元器件，然后根據(jù)這些器件進行邏輯設(shè)計，完成各模塊后進行連接，最后形成系統(tǒng)。 在基于EDA技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計的最重要環(huán)節(jié)在系統(tǒng)的基本功能或行為級上對設(shè)計的產(chǎn)品進行描述和定義時，我們采用自頂向下分析，自底向上設(shè)計的方法。所謂“自頂向下分析”，就是指將數(shù)字系統(tǒng)的整體逐步分解為各個子系統(tǒng)和模塊，若子系統(tǒng)規(guī)模較大，則還需將子系統(tǒng)進一步分解為更小的子系統(tǒng)和模塊，層層分解，直至整個系統(tǒng)

6、中各子系統(tǒng)關(guān)系合理，并便于邏輯電路級的設(shè)計和實現(xiàn)為止。1.22 實現(xiàn)方法 1硬件描述語言編程實現(xiàn)法2原理圖設(shè)計實現(xiàn)法3參數(shù)可設(shè)置兆功能塊實現(xiàn)法4軟的或硬的IP核實現(xiàn)法第二章 設(shè)計要求2 設(shè)計基本要求1）設(shè)計一個十字路口的交通燈控制器，能顯示十字路口東西、南北兩個方向的紅、黃、綠燈的指示狀態(tài)。用兩組紅、黃、綠三種顏色的燈分別作為東西、南北兩個方向的紅、黃、綠燈。變化規(guī)律為：東西綠燈亮，南北紅燈亮東西黃燈亮，南北紅燈亮東西紅燈亮，南北綠燈亮東西紅燈亮，南北黃燈亮 東西綠燈亮，南北紅燈亮 ，這樣依次循環(huán)。2）南北方向是主干車道，東西方向是支干車道，要求兩條交叉道路上的車輛交替運行，主干車道每次通行時

7、間為35秒，支干車道每次通行的時間為25秒，時間可設(shè)置修改。 3）在綠燈轉(zhuǎn)為紅燈時，要求黃燈先亮5秒鐘，才能變換運行車道。4）要求交通控制器有復位功能，在復位信號使能的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)交通燈的自動復位，并且要求所有交通燈的狀態(tài)變化，包括復位信號引起的均發(fā)生在時鐘脈沖的上升沿。2.1電路工作原理根據(jù)交通燈系統(tǒng)設(shè)計要求，可以用一個有限的狀態(tài)機來實現(xiàn)這個交通燈控制器。根據(jù)功能要求，明確兩組交通燈的狀態(tài)，這兩組交通燈總共有四種狀態(tài)，分別可用st0,st1,st2,st3不表示：st0表示主干路綠燈亮，支干路紅燈亮；st1表示主干路黃燈亮，支干路紅燈亮；st2表示主干路紅燈亮，支干路綠燈亮；st3表示主干

8、路紅燈亮，支干路黃燈亮；根據(jù)上述四種描述列出的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表如下表1所示及交通燈控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如下圖1所示： 表1 交通燈控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)換表第三章 系統(tǒng)的設(shè)計3 系統(tǒng)設(shè)計要求1）設(shè)計一個十字路口的交通燈控制器，能顯示十字路口東西、南北、南北左轉(zhuǎn)三個方向的紅、黃、綠燈的指示狀態(tài)。用三組紅、黃、綠三種顏色的燈分別作為東西、南北、南北左轉(zhuǎn)三個方向的紅、黃、綠燈。變化規(guī)律為：南北綠燈亮，南北左轉(zhuǎn)紅燈亮 ，東西紅燈亮 南北黃燈亮，南北左轉(zhuǎn)紅燈亮 ，東西紅燈亮 南北紅燈亮，南北左轉(zhuǎn)綠燈亮 ，東西紅燈亮 南北紅燈亮，南北左轉(zhuǎn)黃燈亮 ，東西紅燈亮 南北紅燈亮，南北左轉(zhuǎn)紅燈亮 ，東西綠燈亮南北紅燈亮，南北左轉(zhuǎn)紅燈亮

9、 ，東西黃燈亮 南北綠燈亮，南北左轉(zhuǎn)紅燈亮 ，東西紅燈亮這樣依次循環(huán)。 2）南北方向是主干車道，東西方向是支干車道，要求兩條交叉道路上的車輛交替運行，主干車道每次通行時間為35秒，主干轉(zhuǎn)彎車道每次通行時間為20秒，支干車道每次通行的時間為25秒，時間可設(shè)置修改。 3）在綠燈轉(zhuǎn)為紅燈時，要求黃燈先亮5秒鐘，才能變換運行車道。4）要求交通控制器有復位功能，在復位信號使能的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)交通燈的自動復位，并且要求所有交通燈的狀態(tài)變化，包括復位信號引起的均發(fā)生在時鐘脈沖的上升沿。5)顯示器倒計時顯示時間3.1 設(shè)計思路1）本交通燈控制器是一個已知主、主左、支干道通行時間的系統(tǒng)，為了滿足主、主左、支干道

10、通行時間變化要求，我們可設(shè)計一個可預置主、主左、支干道通行時間的交通控制器。 2）交通燈控制器的電路控制主要包括置數(shù)器模塊、定時計數(shù)器模塊、主控制器模塊和譯碼器模塊。置數(shù)器模塊將交通燈的點亮時間預置到置數(shù)電路中。計數(shù)器模塊以秒為單位倒計時，當計數(shù)值減為零時，主控電路改變輸出狀態(tài)，電路進入下一個狀態(tài)的倒計時。核心部分是主控制模塊。3.2 設(shè)計流程根據(jù)設(shè)計要求和系統(tǒng)所具有功能，并參考相關(guān)的文獻資料，經(jīng)可行方案設(shè)計畫出如下所示的十字路口交通燈控制器系統(tǒng)框圖，及為設(shè)計的總體方案，框圖如下圖（2）所示：CLK交通燈控制及計時模塊掃描顯示模塊LED顯示圖（2）交通燈控制器系統(tǒng)框圖3.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3.4

11、系統(tǒng)程序控制器電路程序：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY ledcontrol ISPORT( reset,clk,urgen : INSTD_LOGIC; state : OUTSTD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0); sub,set1,set2,set3: OUTSTD_LOGIC);END ledcontrol;ARCHITECTURE a OF ledcontrol ISSIGNAL count : STD_LOGIC_VECTOR(6 DOW

12、NTO 0);SIGNAL subtemp: STD_LOGIC;BEGINsub=subtemp AND (NOT clk) ;statelabel:PROCESS (reset,clk)BEGINIF reset=1 THEN count=0000000;state=000;set2=1;ELSIF clkevent AND clk=1 THEN IF urgen=0 THEN count=count+1;subtemp=1;ELSE subtemp=0;END IF;IF count=0 then state=000;set1=1;set2=1;set3=1;ELSIF count=35

13、 then state=001;set1=1;ELSIF count=40 THEN state=010;set1=1;set2=1;ELSIF count=60 THEN state=011;set2=1;ELSIF count=65 THEN state=100;set2=1;set3=1;elsif count=90 THEN state=101;set3=1;ELSIF count=95 THEN count=0000000; ELSE set1=0; set2=0;set3=0;END IF;END IF; END PROCESS statelabel;END a;輸出顯示電路程序：

14、LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY ledshow ISPORT(clk,urgen: IN STD_LOGIC;state: IN STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0);sub,set1,set2,set3: IN STD_LOGIC;eg1,ey1,er1,edg2,edy2,edr2,ng1,ny1,nr1: OUTSTD_LOGIC;led1,led2: OUTSTD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);END ledshow;A

15、RCHITECTURE a OF ledshow ISSIGNAL count1,count2,count3: STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); SIGNAL setstate1,setstate2,setstate3: STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);SIGNAL etg1,ety1,etr1,edirr1,edirg1,ediry1,norg2,nory2,norr2: STD_LOGIC; BEGINled1=00000000 WHEN urgen=1 AND clk=0 ELSE count1 WHEN state=000 ELSEc

16、ount1 WHEN state=001 ELSE count2 WHEN state=010 ELSEcount2 WHEN state=011 ELSEcount2 WHEN state=100 ELSEcount1;led2=00000000 WHEN urgen=1 AND clk=0 ELSEcount3 WHEN state=000 ELSEcount3 WHEN state=001 ELSE count3 WHEN state=010 ELSEcount3 WHEN state=011 ELSEcount3 WHEN state=100 ELSEcount3 WHEN state

17、=101 ELSEcount3;etg1=1 WHEN state=000 AND urgen=0 ELSE 0;ety1=1 WHEN state=001 AND urgen=0 ELSE 0;etr1=1 WHEN state=010 or urgen=1 OR state=011 OR state=100 OR state=101 OR state=110 OR state=111 ELSE 0;edirg1=1 WHEN state=010 and urgen=0 ELSE 0;ediry1=1 WHEN state=011 and urgen=0 ELSE 0;edirr1=1 WH

18、EN state=000 OR urgen=1 OR state=001 OR state=100 OR state=101 OR state=110 OR state=111 ELSE 0;norg2=1 WHEN state=100 AND urgen=0 ELSE 0;nory2=1 WHEN state=101 and urgen=0 ELSE 0;norr2=1 WHEN state=000 OR state=001 OR state=010 OR state=011 OR state=110 OR state=111 OR urgen=1 ELSE 0;setstate1=0011

19、0101 WHEN state=000 ELSE 00000101 WHEN state=001 ELSE 00110000WHEN state=101 ELSE 00100000 ;setstate2=00010101 WHEN state=000 ELSE 00100000 WHEN state=010 ELSE 00000101 WHEN state=011 ELSE 00110000 WHEN state=100 ELSE 00000000 ;setstate3=01100101 WHEN state=000 ELSE 00100101 WHEN state=100 ELSE 0000

20、0101 WHEN state=101 ELSE 01100101 ;label3: PROCESS (sub)BEGINIF subevent AND sub=1 THENIF set3=1 THEN count3=setstate3;elsif count3(3 downto 0)=0000 then count3=count3-7;ELSE count3=count3-1; END IF;ng1=norg2;ny1=nory2;nr1=norr2;END IF;END PROCESS label3;label2: PROCESS (sub)BEGINIF subevent AND sub

21、=1 THENIF set2=1 THEN count2=setstate2;elsif count2(3 downto 0)=0000 then count2=count2-7; ELSE count2=count2-1; END IF;edg2=edirg1;edy2=ediry1;edr2=edirr1;END IF;END PROCESS label2;label1: PROCESS (sub)BEGINIF subevent AND sub=1 THENIF set1=1 THEN count1=setstate1; elsif count1(3 downto 0)=0000 the

22、n count1=count1-7;ELSE count1=count1-1; END IF;eg1=etg1;er1=etr1;ey1=ety1;END IF;END PROCESS label1;END a;3.5 仿真與調(diào)試系統(tǒng)總體仿真圖如圖（3）所示：圖（3）系統(tǒng)總體仿真圖復位電路仿真圖： 圖（4）復位仿真圖系統(tǒng)硬件管腳分配圖如下： 圖（5）管腳分配圖第四章 心得體會 參考文獻【1】孫加存 電子設(shè)計自動化 西安電子科技大學出版社 2008【2】譚會生等主編，EDA技術(shù)及應用，西安電子科技大學出版社，2001【2】江國強 EDA技術(shù)與應用 北京電子工業(yè)出版社 2003【3】焦素敏 EDA應用技術(shù) 北京清華大學出版社 200515