基于EDA的交通燈控制系統(tǒng)

引言
     EDA技術(shù)是用于電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中比較先進(jìn)的技術(shù)，可以代替設(shè)計(jì)者完成電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的大部分工作，而且可以直接從程序中修改錯(cuò)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(shí)現(xiàn)路口交通燈系統(tǒng)的控制方法很多，可以用標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件、可編程序控制器PLC、單片機(jī)等方案來實(shí)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(shè)計(jì)中采用EDA技術(shù)，應(yīng)用目前廣泛應(yīng)用的VHDL硬件電路描述語言，實(shí)現(xiàn)交通燈系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)，利用MAXPLUSⅡ集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)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(shè)計(jì)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€(gè)系統(tǒng)按設(shè)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(gè)系統(tǒng)的工作過程。按照路口交通運(yùn)行的實(shí)際情況，在本系統(tǒng)中，設(shè)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(diǎn)亮。設(shè)置15s的通行時(shí)間和5s轉(zhuǎn)換時(shí)間的變模定時(shí)電路，由預(yù)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(jì)數(shù)到4時(shí)清零還是到14時(shí)清零。Clk是外部提供的基準(zhǔn)秒脈沖信號。x0、x1、x2、x3是由控制器輸出的表示計(jì)數(shù)時(shí)間的四位二進(jìn)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(shè)計(jì)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(shí)間。 

                                 圖2 控制器的ASM圖
 
控制器的VHDL程序設(shè)計(jì) 

     根據(jù)所分析的系統(tǒng)的ASM圖，結(jié)合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，用VHDL語言對各個(gè)模塊進(jìn)行編程，最后形成頂層文件，在MAX+PLUSⅡ環(huán)境下進(jìn)行編譯與仿真，檢查所編程序是否運(yùn)行正確。如果出現(xiàn)錯(cuò)誤，需要進(jìn)行修改，直到完全通過為止。需要說明的是，在進(jìn)行程序編譯時(shí)，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?yàn)轫攲映绦蚴菍Φ讓映绦虻母爬?，它是把底層程序各個(gè)模塊連接起來，就相當(dāng)于把每個(gè)模塊的功能匯聚到一起，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的控制功能，所以底層程序的正確與否，關(guān)系到頂層程序的運(yùn)行結(jié)果。 

     在控制器的程序設(shè)計(jì)中，在定義結(jié)構(gòu)體時(shí)，有兩種程序設(shè)計(jì)方法均可以通過編譯及仿真，但在進(jìn)行時(shí)序分析時(shí)結(jié)果卻不同。 

(1)如果這樣定義：

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

(2)

   在這種設(shè)計(jì)方法中，多定義了一個(gè)信號變量，從而使得程序能按設(shè)定的狀態(tài)14，13，12...進(jìn)行轉(zhuǎn)換。通過這個(gè)實(shí)例，可以看出EDA技術(shù)作為電子設(shè)計(jì)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(jìn)行修改，體現(xiàn)了它的優(yōu)越性。 

硬件電路實(shí)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(gè)CPLD芯片，2個(gè)七段LED數(shù)碼顯示器，20個(gè)分別表示各個(gè)方向上的紅、黃、綠燈，以及相應(yīng)的限流電阻。這個(gè)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(jì)的。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的交通燈系統(tǒng)的控制功能。