基于EDA的交通燈控制系統(tǒng)

引言
     EDA技術是用于電子產(chǎn)品設計中比較先進的技術，可以代替設計者完成電子系統(tǒng)設計中的大部分工作，而且可以直接從程序中修改錯誤及系統(tǒng)功能而不需要硬件電路的支持，既縮短了研發(fā)周期，又大大節(jié)約了成本，受到了電子工程師的青睞。 

     實現(xiàn)路口交通燈系統(tǒng)的控制方法很多，可以用標準邏輯器件、可編程序控制器PLC、單片機等方案來實現(xiàn)。但是這些控制方法的功能修改及調(diào)試都需要硬件電路的支持，在一定程度上增加了功能修改及系統(tǒng)調(diào)試的困難。因此，在設計中采用EDA技術，應用目前廣泛應用的VHDL硬件電路描述語言，實現(xiàn)交通燈系統(tǒng)控制器的設計，利用MAXPLUSⅡ集成開發(fā)環(huán)境進行綜合、仿真，并下載到CPLD可編程邏輯器件中，完成系統(tǒng)的控制作用。 

交通燈系統(tǒng)控制器設計要求

   路口交通燈控制系統(tǒng)與其他控制系統(tǒng)一樣，劃分為控制器和受控電路兩部分?？刂破魇拐麄€系統(tǒng)按設定的工作方式交替指揮車輛及行人的通行，并接收受控部分的反饋信號，決定其狀態(tài)轉(zhuǎn)換方向及輸出信號，控制整個系統(tǒng)的工作過程。按照路口交通運行的實際情況，在本系統(tǒng)中，設定系統(tǒng)的工作情況如下。
      
   路口交通燈控制系統(tǒng)的東西路有交通燈R(紅)、Y(黃)、G(綠)；東西人行安全通道燈：RXR(紅)、RXG(綠)。南北路有交通燈：r1(紅)、y1(黃)、g1(綠)；南北人行安全通道燈：rxr1(紅)、rxg1(綠)，所有燈均為高電平點亮。設置15s的通行時間和5s轉(zhuǎn)換時間的變模定時電路，由預置輸入整數(shù)cnt決定是模15還是模5，輸入邏輯cx是用來決定計數(shù)到4時清零還是到14時清零。Clk是外部提供的基準秒脈沖信號。x0、x1、x2、x3是由控制器輸出的表示計數(shù)時間的四位二進制數(shù)。圖1是該系統(tǒng)控制器的符號框圖。

                       圖1 系統(tǒng)控制器的符號框圖

控制器的ASM圖 

     根據(jù)系統(tǒng)設計要求，得到控制器的ASM圖，如圖2所示。在這里，所有輸入信號均為高電平有效。該ASM圖反映了交通燈系統(tǒng)的不同狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過程及持續(xù)時間。 

                                 圖2 控制器的ASM圖
 
控制器的VHDL程序設計 

     根據(jù)所分析的系統(tǒng)的ASM圖，結(jié)合系統(tǒng)的設計要求，用VHDL語言對各個模塊進行編程，最后形成頂層文件，在MAX+PLUSⅡ環(huán)境下進行編譯與仿真，檢查所編程序是否運行正確。如果出現(xiàn)錯誤，需要進行修改，直到完全通過為止。需要說明的是，在進行程序編譯時，要先從底層程序開始，所有底層程序都正確后，才能開始頂層程序的編譯。這是因為頂層程序是對底層程序的概括，它是把底層程序各個模塊連接起來，就相當于把每個模塊的功能匯聚到一起，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的控制功能，所以底層程序的正確與否，關系到頂層程序的運行結(jié)果。 

     在控制器的程序設計中，在定義結(jié)構(gòu)體時，有兩種程序設計方法均可以通過編譯及仿真，但在進行時序分析時結(jié)果卻不同。 

(1)如果這樣定義：

   在進行程序調(diào)試時，均通過了編譯及仿真，但在進行時序分析中，卻出現(xiàn)了不按設定的計數(shù)順序工作的結(jié)果：14, 13, 2,1, 0...。經(jīng)過反復修改調(diào)試，對程序進行了修改，如(2)所定義的。 

(2)

   在這種設計方法中，多定義了一個信號變量，從而使得程序能按設定的狀態(tài)14，13，12...進行轉(zhuǎn)換。通過這個實例，可以看出EDA技術作為電子設計工具的功能修改及調(diào)試的方便快捷，即不需要硬件電路的支持就可以找到問題所在并進行修改，體現(xiàn)了它的優(yōu)越性。 

硬件電路實現(xiàn)

    根據(jù)交通燈系統(tǒng)的控制要求，圖3所示為本系統(tǒng)的硬件電路圖。該電路包含了1個CPLD芯片，2個七段LED數(shù)碼顯示器，20個分別表示各個方向上的紅、黃、綠燈，以及相應的限流電阻。這個電路與其他控制方法相比，所用器件可以說是比較簡單經(jīng)濟的。經(jīng)過實驗，實現(xiàn)了預定的交通燈系統(tǒng)的控制功能。