交通信号灯控制器设计

交通信号灯控制器的设计（陕西理工学院电信工程系通信班，陕西汉中723003）指导教师：[摘要]：交通灯控制系统在城市交通监管中起着极其重要的作用。

应用V HDL 语言,在Altera 公司的Max + Plus软件环境下,通过模块化编程完成了灯亮时间可调的交通灯控制系统设计,并进行了逻辑综合、仿真和硬件下载,系统的软件仿真和实验测试结果满足了设计要求,达到了预期的效果。

整个设计包括控制器、定时器、显示器、译码器等几部分。

最后各部分模块元件符号连接到一起得到顶层模块，实现控制器的功能要求。

最终需要将设计编程下载到选定的期间进行硬件测试，来了解设计的正确性。

硬件下载采用FPGA数字逻辑电路万能实验开发器硬件，还需要安装硬件驱动（Drivers），以支持Max + Plus Ⅱ对PC机并行接口的操作。

[关键词]：交通信号灯控制器; FPGA ;V HDL ;仿真；硬件描述语言[中图分类号]:TN702 [文献标志码]:ADesign of Traffic Light Controller Based on FPGA(Grade08,Class2,Major of Communication Engineering，Dept. of E.I.of ShaanxiUniversity of Technology, Hanzhong 723003,China)Tutor:[Abstract]: Traffic light control system in urban traffic control plays an extremely important role. Application of V HDL language, in Altera's Max + Plus Ⅱsoftware environment, through the completion of modular programming time is adjustable lights traffic light control system design, and carried out logic synthesis, simulation and hardware to download the system software simulation and experimental test results meet the design requirements to achieve the desired results. The whole design, including controllers, timers, displays, decoders and so on several parts. In the end, part of the module component symbols to be connected to the top of the module together to achieve the controller functional requirements. Eventually need to be designed to download to the selected programming hardware during the test, to understand the design is correct. Download the hardware using FPGA digital logic circuit device universal experimental development hardware, but also need to install the hardware drivers (Drivers), in support of the Max + Plus Ⅱparallel interface on thePC-operation.[Keywords]: traffic signal controllers; FPGA; V HDL; simulation; hardware description language[CLC]: TN702 [Literature Logo yards]: A1．绪论1.1课题背景任何一个由两个或两个以上相互作用部件组成的物体都可以称为系统。

而由电子器件、电路元件及相关装置构成的能实现某种特定功能的电子电路称之为电子系统。

按所处理的信号分，有模拟电子系统、数字电子系统、模拟数字混合的电子系统。

模拟电子系统如：多路输出高精度直流稳压电源；数字电子系统如：数字计算机，数字移动通信网系统，数控机床数字控制系统；模拟数字混合的电子系统如：数字化彩色电视接收机，电站发电过程集散控制系统。

电子系统经历了从分立元件到集成电路的发展阶段，电子系统的设计方法也有了发展变化。

电子设计自动化在不同的时期有不同的内容。

在20世纪70年代表现为计算机辅助设计，既将电子设计中涉及到的许多计算机程序实现。

在20世纪80年代表现为计算机辅助工程（CAE）,主要体现在一些绘图软件出现，减轻了设计人员的劳动。

从20世纪80年代末开始，设计复杂程度越来越高，EDA的主要内容逐步转变为电子系统的设计自动化（ESDA）。

现在数字系统的EDA可以直接根据设计要求，以自顶至底的方式设计，并相应的完成系统描述、仿真、集成和验证等环节，直到最后生成所需要的器件。

在以上过程中，除了统级设计和行为级描述及功能的描述以外均可由计算机自动完成。

对电子系统设计自动化而言，现代设计方法和现代测试方法是至关重要的。

当前，EDA包含单片机、ASIC(专用集成电路)和DSP(数字信号处理)等主要方向。

在我学习了MAX+plusII软件和VHDL语言，了解了CPLD（【注释】：CPLD是复杂的可设计的逻辑装置（复杂可编程逻辑器件）的缩写）的原理和产品设计方法，在设计之前，老师还给我们用了三周的时间对VHDL语言进行熟悉，在在这三周的时间内我通过VHDL语言并结合自己的理解和想法设计交通指示灯电路。

在现代化的大城市中, 十字交叉路口越来越多,在每个交叉路口都需要使用红绿灯进行交通指挥和管理，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运行,维持城市道路的顺畅起到了重要作用。

目前很多城市交叉路口的交通灯实行的是定时控制,灯亮的时间是预先设定好的,在时间和空间方面的应变性能较差,一定程度上造成了交通资源的浪费,加重了道路交通压力。

本文在EDA 技术的基础上,利用FPGA 的相关知识设计了交通灯控制系统, 通过制作来了解交通灯控制系统，交通灯控制系统主要是实现城市十字交叉路口红绿灯的控制。

可以根据实际情况对灯亮时间进行自由调整,整个设计系统通过Max + Plus Ⅱ软件进行了模拟仿真,并下载到FPGA 器件中进行硬件的调试,验证了设计的交通信号灯控制电路完全可以实现预定的功能,具有一定的实用性。

《计算机综合课程设计》是通信专业学生的主要实践教学环节之一。

目的是使我们通过对已学过的相关计算机方面的知识的理解，结合具体实践应用完成设计，为以后的学习和工作打下基础。

通过实践设计来培养我们理论与实践相结合的能力和动手能力。

要熟练掌握数字电子技术基础，计算机基础，微型计算机原理，EDA技术等课程，通过自己对知识的理解与应用来完成本次课程设计任务。

本次试验主要采用了EDA技术，利用Max + Plus Ⅱ软件完成了程序的设计。

EDA技术的一个重要手段就是使用硬件描述语言（HDL），常用的有VHDL、Verilog HDL、System C等，其中VHDL、Verilog HDL在EDA设计中使用最多。

VHDL是电子设计主流硬件的描述语言之一，它具有很强大的电子描述和建模能力，能从多个层次对数字系统进行建模和描述，从而大大简化了硬件设计任务，提高了设计效率和可靠性。

1.2方案选择1.2.1方案对比方案一、用纯数字系统方式控制实现当支干道没有车时，只需要点亮主干道的绿灯和支干道的红灯，而且主、支干道的数码管不需要显示,这很容易实现。

当支干道有车时，则进入交替通行的情况，交替通行一次所需要的时间是80秒，所以需要一个0到79循环计数的计时器，在不同的计数时间段里实现相应的功能。

主干道：0到44秒亮绿灯，数码管从44倒计时到00；45到49秒亮黄灯，数码管从04倒计时到00；50到79秒亮红灯，数码管从29倒计时到00。

支干道：0到49秒，亮红灯，数码管从49倒计时到00；50到74秒，亮绿灯，数码管从24倒计时到00；75到79秒，亮黄灯，数码管从04倒计时到00。

所以要根据0到79循环计数器的计数情况来控制主、支干道的红绿黄灯和50秒、45秒、30秒、25秒和5秒倒计时计数器的计数。

方案二、用状态机控制交通灯的工作状态明显可以分成5个状态，如下表表1: 交通灯的工作状态把交通灯的工作分成五个状态，则写程序的时候思路就比较清晰，只要在相应的状态里完成相应的工作，控制好黄绿红灯和数码管的倒计时显示，而且把握好五个状态转换的条件。

1.2.2方案的选择由上述两种方法的对比可知，方案一主要用到计数器，纯硬件，连线多，杂，修改不方便而且抗干扰能力差；而方案二用到软件编程，系统仿真，连线少，稳定性高，易于修改等优点，随着FPGA器件、设计语言和电子设计自动化工具的发展和改进，越来越多的电子系统采用FPGA来设计。

未来，使用FPGA器件设计的产品将出现在各个领域里。

因此，此次的交通信号灯控制器的设计将采用基于FPGA 的设计方案来实现所要求的功能，即选用方案二。

1.3系统总体设计交通灯控制器的功能设东西和南北方向的车流量大致相同，因此红、黄、绿灯的时长也相同，定为红灯45s，黄灯5s，绿灯30s，同时用数码管指示当前状态（红、黄、绿）剩余时间。

分别用1、2、3、4表明四个流向的主车道，用a、b、c、p分别表示各主车道的左行车道、直行车道、右行车道以及人行横道。

通过分析很容易得知，除了四个右行车道外，在同一时间，最多只能有两个车道通行，如1a、1b通行时，其它车道都会被阻断。

所以在设计红绿灯时，可以两两组合，共有四组（如la-1b、2a-2b、3a-3b、4a-4b）；而各车道的红灯时间和人行横道通停时间都由这四个组合的绿灯窗口时间决定。

制器的工作过程如下：设计十字路口的M为主干道，B为支干道，G、R、Y分别表示红、绿、黄灯，组合到一起MG、MR、MY表示主干到绿、红、黄灯，BG、BR、BY表示支干道的绿、红、黄灯。

SM、SB分别为主支干道的传感信号，CLK 来自时钟信号，他们为系统定时器和控制器提供时钟信号源。