一種基于CPLD的交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言
    隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，車(chē)輛擁有量也隨之急劇增加，再加上人口數(shù)量的膨脹，城市的交通擁擠問(wèn)題變得日益突出。如何使交通燈的控制更加合理，使現(xiàn)有的交通資源發(fā)揮更大的效益，已經(jīng)成為城市管理者和科技工作者共同關(guān)心的問(wèn)題。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)交通燈控制系統(tǒng)，由于該系統(tǒng)采用VHDL語(yǔ)言自頂向下的設(shè)計(jì)方法，利用可編程邏輯器件CPLD來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)外部輸入可方便地設(shè)定交通燈的延遲時(shí)間，使交通燈控制數(shù)字電路設(shè)計(jì)得到了優(yōu)化，提高了系統(tǒng)的靈活性、可靠性和可擴(kuò)展性。該系統(tǒng)可以較好地緩解交通壓力，并可實(shí)現(xiàn)對(duì)突發(fā)事件進(jìn)行緊急處理。
    在數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)工具已經(jīng)成為主要的設(shè)計(jì)手段，隨著硬件描述語(yǔ)言VHDL和可編程邏輯器件CPLD的廣泛應(yīng)用，使數(shù)字電路的設(shè)計(jì)得到了優(yōu)化，并且具有很強(qiáng)的設(shè)計(jì)和仿真功能。

1 系統(tǒng)原理及方案
    交通信號(hào)燈是由交通燈控制器控制其紅綠燈周期變化的，現(xiàn)在的大部分十字路口交通燈采用的都是固定周期，由于實(shí)際路況較為復(fù)雜，不能有效地實(shí)時(shí)對(duì)時(shí)間資源的合理調(diào)配，達(dá)到緩解交通的目的。本文設(shè)計(jì)的交通燈控制系統(tǒng)的周期可以改變，黃燈和東西方向以及南北方向紅燈時(shí)間由外部輸入設(shè)定，綠燈由系統(tǒng)依據(jù)設(shè)定值自動(dòng)計(jì)算。
    交通燈控制器控制兩個(gè)方向交叉路口的交通，以秒為單位，采用倒計(jì)時(shí)的方式顯示通行或者禁止通行的剩余時(shí)間。系統(tǒng)設(shè)置外部輸入復(fù)位信號(hào)，復(fù)位信號(hào)有效時(shí)，控制信號(hào)處于東西方向綠燈狀態(tài)，并讀取設(shè)定輸入值，再將復(fù)位信號(hào)返回?zé)o效狀態(tài)后，系統(tǒng)按新讀入的設(shè)定值運(yùn)行，綠燈變至紅燈時(shí)，黃燈亮，以便于車(chē)輛能停在停車(chē)線(xiàn)內(nèi)。如果能夠與傳感器相結(jié)合就具有智能功能，能夠根據(jù)當(dāng)時(shí)的路況的隨時(shí)做出相應(yīng)的調(diào)整。交通燈工作時(shí)序見(jiàn)圖1。

    交通燈在東西南北方向安裝信號(hào)燈和數(shù)碼管，兩個(gè)方向共6個(gè)信號(hào)燈，4個(gè)數(shù)碼管。下表1是交通燈控制系統(tǒng)紅燈與黃燈可供改變的值。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    復(fù)雜可編程器件(CPLD)采用CMOS EPROM、E2PROM和快閃存儲(chǔ)器等編程技術(shù)，構(gòu)成了高密度、高速度和低功耗的可編程邏輯器件。本文設(shè)計(jì)的交通燈控制器采用的是Lattice公司提供的CPLD產(chǎn)品－ISPLSI 1032，一片ISPLSI1032中共有192個(gè)寄存器，64個(gè)I／O管腳，8個(gè)特定輸入輸出管腳，4個(gè)特定輸入時(shí)鐘管腳和一個(gè)全局布線(xiàn)池。該器件所需的時(shí)鐘脈沖信號(hào)由外部電路提供，設(shè)為16MHz。
    本文設(shè)計(jì)的交通燈用兩組紅黃綠三色的發(fā)光數(shù)碼管LED作為兩方向的紅黃綠燈，用兩組數(shù)碼管作為東西和南北方向的倒計(jì)時(shí)顯示，用一個(gè)七位的撥動(dòng)開(kāi)關(guān)作為外部按鍵輸入，還需要741s47譯碼器驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字的倒計(jì)時(shí)顯示。
    撥動(dòng)開(kāi)關(guān)高電平位表示"1"，低電平表示"0"，復(fù)位信號(hào)占撥動(dòng)開(kāi)關(guān)的一位，有"1"、"0"兩種狀態(tài)；東西方向和南北方向的紅燈以及黃燈各占兩位，各有"00"、"01"、"10"、"11"四種狀態(tài)，相對(duì)應(yīng)表1中的四種時(shí)間。設(shè)計(jì)框圖如下：

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)
3．1 頂層設(shè)計(jì)
    根據(jù)交通燈控制系統(tǒng)的要求，我們將主控電路分為分頻器、信號(hào)控制器兩個(gè)模塊，在isplever開(kāi)發(fā)平臺(tái)上，分別編譯這兩個(gè)模塊的VHDL程序，然后用原理圖輸入法做出項(xiàng)層設(shè)計(jì)模塊(見(jiàn)圖3)，其中輸入的信號(hào)有16MHz的基準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖、設(shè)定值輸入及復(fù)位信號(hào)；輸出信號(hào)包括兩個(gè)方向的綠燈、黃燈、紅燈控制信號(hào)，倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器的十位、個(gè)位的8421BCD碼信號(hào)。

3．2 分頻器模塊
    分頻器模塊是對(duì)輸入16MHz的脈沖進(jìn)行分頻，把這個(gè)固定頻率的時(shí)鐘脈沖通過(guò)分頻轉(zhuǎn)化為低頻率的脈沖，得到的1Hz信號(hào)用作控制器的時(shí)鐘信號(hào)。圖4為分頻器模塊的框圖。下面為分頻主要程序：

3．3 控制器模塊
    控制器模塊的功能是控制信號(hào)燈的亮滅和數(shù)碼管的顯示。對(duì)于控制器模塊，其輸入信號(hào)為1Hz的方波信號(hào)、復(fù)位信號(hào)、黃燈和東西方向紅燈和南北方向紅燈時(shí)間設(shè)定值。輸出信號(hào)包括東西方向和南北方向綠燈、黃燈、紅燈控制信號(hào)。圖5為控制器模塊的框圖?？刂破髂K程序

圖中：cp、reset分別為時(shí)鐘脈沖和復(fù)位輸入信號(hào)。yellow_1，yellow_0，ew_red_l，ew_red_0，sn_red_1，sn_red_0分別為黃燈和東西方向紅燈和南北方向紅燈可調(diào)輸入變量。
    r_ew，y_ew，g_ew，r_8n，y_sn，g_sn分別為東西方向和南北方向的紅綠燈控制信號(hào)。
    qhew，qlew，qhsn，qlsn則是東西方向和南北方向的紅綠燈倒數(shù)計(jì)時(shí)顯示信號(hào)。
    控制器模塊工作流程：
    先由外部開(kāi)關(guān)控制可調(diào)的南北方向紅燈、東西方向紅燈和黃燈時(shí)間的高位和低位。 (設(shè)南北方向紅燈通行時(shí)間為X、東西方向紅燈通行時(shí)間為Y、黃燈時(shí)間通行時(shí)間為Z，一個(gè)總周期的時(shí)間為X+Y)
    首先東西方向通行，東西方向綠燈亮，南北方向紅燈亮，且兩個(gè)方向上的倒數(shù)計(jì)時(shí)顯示器由X向下作減法計(jì)時(shí)。當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)顯示器減法計(jì)時(shí)到Z時(shí)，東西方向黃燈亮，南北方向繼續(xù)紅燈。當(dāng)兩個(gè)方向的的倒計(jì)時(shí)顯示器減法計(jì)時(shí)到1，然后由1變?yōu)閅后，轉(zhuǎn)為南北方向通行。
    南北方向通行：東西方向紅燈亮，南北方向綠燈亮，且兩個(gè)方向上的倒計(jì)時(shí)顯示器由Y向下作減法計(jì)時(shí)。當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)顯示器減法計(jì)時(shí)到z時(shí)，南北方向黃燈亮，東西方向繼續(xù)紅燈。當(dāng)兩個(gè)方向的的倒計(jì)時(shí)顯示器減法計(jì)時(shí)到1，然后由1變?yōu)閄后，轉(zhuǎn)為東西方向通行。如此交替運(yùn)行。
3．4 仿真結(jié)果
    對(duì)控制器模塊的VHDL程序利用ispLEVER輸入如下的一測(cè)試向量：

    在isp[EVER平臺(tái)上進(jìn)行仿真，在波形觀(guān)察器的窗口觀(guān)察仿真結(jié)果。對(duì)應(yīng)上面仿真向量的仿真波形如圖6所示，改變仿真向量可以做出其他仿真波形，結(jié)果都顯示基于VHDL語(yǔ)言的交通燈控制器的硬件實(shí)現(xiàn)方法是可行的。

3．5 軟件到硬件的過(guò)度
    Lattice器件的在系統(tǒng)編程是借助ispVM system軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。ispVM SystemTM是一個(gè)綜合的將設(shè)計(jì)下載到器件的軟件包。運(yùn)用這一完整的器件編程工具快速簡(jiǎn)便地通過(guò)i spSTREAMTM將編寫(xiě)好的程序燒寫(xiě)到可編程邏輯器件CPLD上，實(shí)現(xiàn)軟件到硬件的過(guò)渡。

4 結(jié)束語(yǔ)
    本設(shè)計(jì)由于采用自頂向下法設(shè)計(jì)交通燈控制器，合理地處理燈時(shí)分配，分頻，控制顯示與編碼的相互關(guān)系，采用VHDL語(yǔ)言層次化和模塊化的設(shè)計(jì)方法，減少了設(shè)計(jì)芯片的數(shù)量、減少系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期，降低了功耗，可以通過(guò)改變程序或著外部輸入來(lái)控制交通燈，經(jīng)過(guò)調(diào)試，運(yùn)行正常。此設(shè)計(jì)是基于硬件描述語(yǔ)言VHDL，借助CPLD器件完成的數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，顯示了可編程器件廣闊前景，加之工藝的改進(jìn)，可編程邏輯器件的集成度和速度將進(jìn)一步提高，性能將進(jìn)一步完善。