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首页基于CPLD的交通灯课程设计
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目 录
第一章 绪论............................................................................................................3
1.1 交通灯的介绍...........................................................................................3
1.2 基于 CPLD 的交通灯的优点..........................................................3
1.3 EDA 简介..................................................................................................4
1.4 QuartusⅡ 简介...........................................................................................4
2.1 设计内容要求...........................................................................................5
2.2 设计初步构思...........................................................................................6
2.3 设计总框图...............................................................................................6
第三章 各模块设计原理及其仿真.......................................................................7
3.1 5 秒倒计时计数器....................................................................................7
3.1.1 源代码............................................................................................7
3.1.2 元件图............................................................................................8
3.1.3 仿真图............................................................................................8
3.1.4 电路图............................................................................................9
3.1.5 流程图............................................................................................9
3.2 25 秒倒计时计数器................................................................................10
3.2.1 源代码..........................................................................................10
3.2.2 元件图..........................................................................................12
3.2.3 仿真图..........................................................................................13
3.2.4 电路图..........................................................................................13
3.3 20 秒倒计时计数器................................................................................13
3.3.1 源代码..........................................................................................13
3.3.2 元件图..........................................................................................15
3.4 30 秒倒计时计数器................................................................................16
3.4.1 源代码..........................................................................................16
3.4.2 元件图..........................................................................................18
3.4.3 仿真图..........................................................................................18
3.4.4 电路图..........................................................................................18
3.5 15 秒倒计时计数器................................................................................19
3.5.1 源代码..........................................................................................19
3.5.2 元件图..........................................................................................20
3.5.3 仿真图..........................................................................................21
3.5.4 电路图..........................................................................................21
3.6 控制模块.................................................................................................21
1
3.6.1 源代码 A......................................................................................21
3.6.2 元件图..........................................................................................23
3.6.3 仿真图..........................................................................................23
3.6.4 电路图..........................................................................................24
3.6.5 源代码 B......................................................................................24
3.6.6 元件图..........................................................................................26
3.6.7 仿真图..........................................................................................26
3.6.8 电路图..........................................................................................27
3.6.9 流程图..........................................................................................28
3.7 显示模块.................................................................................................30
3.7.1 源代码..........................................................................................30
3.7.2 元件图..........................................................................................32
3.7.3 电路图..........................................................................................33
3.7.4 流程图..........................................................................................34
3.8.设计总图.................................................................................................35
3.8.1 总电路图......................................................................................35
3.8.2 总仿真图......................................................................................35
第四章 调试..........................................................................................................36
第五章 实验现象..................................................................................................37
第六章 总结..........................................................................................................38
2
第一章 绪论
1.1 交通灯的介绍
1918 年诞生的第一盏交通灯只有红绿两色,它是圆形四面投
影器,被安装在纽约市五号街的一座高塔上,它的诞生,使城市
交通大为改善。
1925 年,留学美国的中国电机专家胡汝鼎提出在绿灯之后加
个黄灯的设想被采纳,于是诞生了真正意义上的三色交通灯。
传统的交通灯主要由单片机来控制,它主要由红黄绿三色灯
组成。工作原理是设置好南北向和东西向的各色灯的亮灭顺序和
持续时间来指挥车辆通行。
交通灯的发明和使用极大地保障了人民的生命安全,但因此
引起的交通事故却还是时有发生。究其原因有以下两点:
(1)单片机稳定性不够高,长年累月的运行容易引起故障,
使得交通信号混乱;
(2)单片机控制的交通灯不利于扩展,当交通灯功能扩充
或更改的时候只能全部更换,不但浪费了资源,而带来了不便。
因此,传统的交通灯能基本满足一般交通状况的需求。然而,
对于交通繁忙、路况复杂的大都市来说就显得力不从心了。
1.2 基于 CPLD 的交通灯的优点
基于 CPLD 的交通灯改变了基于单片机的传统交通灯不稳定
和不利于扩展的缺点。
本文设计的基于 CPLD 的交通信号控制电路,突破了单片机
的种种限制,对传统的交通灯做了如下改进:
(1)用三色箭头指示灯来替代传统的红黄绿三色灯,分别
指示左转、直行和右转,改变了传统交通灯一灯三向的状态,使
交通更趋规则。
3
(2)增加了左弯待转指示灯,缓解了转弯时的拥堵状况。
(3)增加了直行绿灯倒计时功能,以便让司机控制过十字
路口的车速,使交通更加安全有序。
(4)增加了全红灯的紧急状态。尽管警车、救护车等公务
车可以在绿灯的状态下任意前行,可繁忙的交通还是使得公务车
“有路难行”。紧急状态彻底改变了这一状况,让十字路口各方向
的车都让路给公务车,真正做到畅通无阻。
本文设计的交通信号控制电路更趋于理性化和智能化,交通
部门可以依据各路段各个时间点交通的繁忙状态和路况的复杂程
度,利用 CPLD 的可擦除性,根据时段或路段进行不同的设置,
避免了资源浪费。而且,CPLD 的可扩展性也有利于交通部门在
新的交通功能发明之后,在原有交通灯的基础上进行扩展,而不
必重新设计,全部更换。
1.3 EDA 简介
EDA 技术是指以计算机为工作平台,融合应用电子技术、
计算机技术、信息处理及智能化技术的最新成果,进行电子产
品的自动设计。
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。
现在对 EDA 的概念或范畴用得很宽。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。
本文所指的 EDA 技术,主要针对电子电路设计、 PCB 设计和
IC 设计。
EDA 设计可分为系统级、电路级和物理实现级。
1.4 QuartusⅡ 简介
Quartus II 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,
4
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。 Quartus II 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 。 Quartus II 支 持
Altera 的 IP 核,包含了 LPM/MegaFunction 宏功能模块库,
使用户可以充分利用成熟的模块,简化了设计的复杂性、加快
了设计速度。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 。 此外
Quartus II 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 。
Maxplus II 作为 Altera 的上一代 PLD 设计软件,由于其出色
的 易 用 性 而 得 到 了 广 泛 的 应 用 。 目 前 Altera 已经停止 了 对
Maxplus II 的更新支持,Quartus II 与之相比不仅仅是支持
器件类型的丰富和图形界面的改变。Altera 在 Quartus II 中
包含了许多诸如 SignalTap II、Chip Editor 和 RTL Viewer
的设计辅助工具,集成了 SOPC 和 HardCopy 设计流程,并且
继 承 了 Maxplus II 友 好 的 图 形 界 面 及 简 便 的 使 用 方 法 。
Altera Quartus II 作为一种可编程逻辑的设计环境, 由于其强
大的设计能力和直观易用的接口,越来越受到数字系统设计者
的欢迎
第二章 设计电路
2.1 设计内容要求
2.1.1 设计制作一块十字路口的交通灯信号灯的控制电路的专
用芯片。
2.1.1 A 方向和 B 方向各设置红(R)、黄(Y)、绿(G)三
盏灯,三盏灯按合理的顺序亮灭,并能将灯亮的时间以倒计时
的方式显示出来。
2.1.3、 两个方向各灯的时间可方便地进行设置和修改。假设
A 方向为主干道,车流量大,A 方向通行时间比 B 方向长。设
A 方向每次至多通行 t1 秒,B 方向每次至多通行 t2 秒,黄灯
亮 t 秒。
5
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