EDA课程设计

课程设计说明书。

题目：十字路**通灯控制系统

系别：计算机科学与技术。

班级：计科 2

姓名。指导老师。

同组成员：

目录。1、概述。

设计任务与要求3

2、系统分析。

电路工作原理及设计思路4

3、总体和模块框图。

总体框图6具体模块框图6

4、功能模块设计。

各模块原理及其程序9

5、程序**设计与分析。

程序**12

6、运行**。

7、心得体会。

8、参考文献。

1、概述。在熙熙攘攘的都市中，为了保证城市道路的畅通与行人的安全，交通灯是城市交通监管的重要组成部分。但由于目前很多城市的交通灯实行的是定时控制，在时间和空间方面的应变性能较差，在一定程度上造成了交通资源的浪费，加重了道路交通压力。

而设计周全的交通灯考虑了车流量等因素，有较大的可变性。在一定程度上改变了城市交通的现状，减少交通事故发生的概率。

eda是电子设计自动化（electronic design automation）的缩写，在20世纪60年代中期从计算机辅助设计（cad）、计算机辅助制造（cam）、计算机辅助测试（cat）和计算机辅助工程（cae）的概念发展而来的。

eda技术就是以计算机为工具，设计者在eda软件平台上，用硬件描述语言vhdl完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和**，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程**等工作。eda技术的出现，极大地提高了电路设计的效率和可操作性，减轻了设计者的劳动强度。

设计任务与要求：

1. 设计任务。

设计一个十字路**通控制器，分为手动操作、自动操作和复位系统，假设南北方向和东西方向，两个方向分别设置左拐、绿、黄和红四盏灯，每个方向设置一组倒计时显示器，用以指挥车辆和行人有序的通行。红灯亮表示左转和直行车辆禁行；绿灯亮表示直行车辆可以通行；黄灯亮表示左转或直行车辆即将禁行；左拐灯亮表示左转车辆可以通行；倒计时显示器用来显示允许通行或禁止通行的时间。

2. 设计要求。

1) 在十字路口南北和东西两个方向各设一组红灯、绿灯、黄灯和左拐灯。显示顺序：绿灯→ 黄灯→ 红灯→ 左拐→ 黄灯→ 红灯。在南北和东西两个方向各设一组倒计时显示器。

2) 自动控制：设置一组数码管，以倒计时的方式显示允许通行或禁止通行的时间，南北方向为主干道，左拐、绿灯、黄灯和红灯显示时间分别是20s、20s、5s和20s。东西方向为次干道，左拐、绿灯、黄灯和红灯显示时间分别为15s、15s、5s和25s。

3) 手动控制：按按钮依次执行以上显示状态，绿灯→ 黄灯→ 红灯→ 左拐→ 黄灯→ 红灯，倒计时显示为“0”。

4) 系统设有总复位开关，可在任意时间内对系统进行复位。

5) 通过开关按钮切换交通灯的工作状态。

2、系统分析。

2.1交通灯工作流程分析

十字路口的交通灯指挥着行人和各种车辆的安全运行。实现红绿灯的自动指挥是城市交通管理自动化的重要课题。在一个具有主、支干道的十字路口，设计一个交通灯自动控制装置，实现如下功能：

1.由主干道和支干道汇合成十字路口，在入口处设置

红、绿、黄三色信号灯，红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行，黄灯亮则给行驶中的车辆有时间停在禁行线外。

2.当主干道与支干道均无车辆要求通行时，主干道应保持畅通，亮绿灯；支干道亮红灯。

3.如果主干道无车，支干道有车，则允许支干道通行，主干道亮红灯，支干道亮绿灯。

4.如果主干道和支干道均有车要求通行，则两者应交替通行，并要求主干道每次通行30秒钟，支干道每次通行20秒钟。

5.每次绿灯变红，黄灯应先亮5秒。

2.2设计思路：

1．硬件：由设计任务要求可知，总体输入电路有：

1)在开始计时之前的等待状态，复位键reset接低电位，接通电源后，首先要将它接高电位，表示计时开始。

2)当按一下（on_off）键，表示紧急情况发生，两个方向均为红灯亮，计时停止，当再次按下（on_off）键时，控制器恢复原来状态，正常工作。

输出电路：1）由于东西和南北方向都要显示时间，因此需要4个数码管，这样在设计中就需要四条输出线choose4，用来选通指定一个led七段显示数码管。

2）显示器的每一位都采用led七段显示数码管进行显示，每一个led七段显示数码管都要有七条输出线控制，一共使用4个七段数码管，故输出电路使用四个七位输出信号：showtime1,showtime2,showtime3,showtime4。

3）东西和南北方向都有交通灯亮的情况，故输出电路中要有两个状态控制信号state1,state2分别控制东西和南北的灯，每个方向上有4个灯（增加了左、右转弯显示控制功能），所以state1,state2的类型应该是4位数组型的。

2．软件：1）在vhdl设计描述中，采用自顶向下的设计思路，该思路，首先要描述顶层的接口，上面的描述已经规定了交通灯控制的输入输出信号：输入信号：

复位开关信号reset；紧急情况控制信号on_off；外部时钟信号clk。输出信号：led七段显示数码管的选通信号choose4(3 downto 0);led七段显示数码管的输出信号showtime1(6 downto 0),showntime2(6 downto 0),showtime3(6 downto 0),showtome4(6 downto 0);交通灯状态控制信号state1(3 downto 0),state2(3 downto 0)。

2）在自顶向下的vhdl设计描述中，通常把整个设计的系统划分为几个模块，然后采用结构描述方式对整个系统进行描述。根据实验设计的结构功能，来确定使用哪些模块以及这些模块之间的关系。

由于紧急情况控制信号是采用按键的输入方式，其产生时刻和持续时间的长短是随机不定的，且存在因开关簧片**引起的电平抖动现象，因此必须在每个开关后面安排一个消抖和同步化电路模块，以保证系统能捕捉到输入脉冲，故需要有防抖动的模块。

由于外部时钟信号clk的频率为1mhz，而实际需要的内部计时时钟频率为1hz，提供给消抖同步电路的频率为50hz（满足按键）和提供给产生选通信号电路的时钟频率为200hz（满足视觉暂留效应）。

当正常计时开始后，需要进行定时计数操作，由于东西和南北两个方向上的时间显示器是由两个led七段显示数码管组成的，因此需要产生两个2位的计时信息：2个十位信号，2个个位信号，这个定时计数操作可以由一个定时计数器来完成，又因为交通灯的状态变化是在计时为0的情况下才能进行的，因此需要一个计时电路来产生使能信号，因此定时计数的功能就是用来产生2个2位计时信息和使能信号。另外还需要将时间显示出来，为了节省资源，我采用了循环点亮led七段显示数码管的方法来显示计时输出。

通过信号choose4(3 downto 0)来对4个led七段显示数码管进行选择。

由于不能使用7448自动译码集成电路，故在led七段显示数码管显示时间时，要把计时结果转换为七段码输出到相应的led七段显示数码管上，因此还需要一个转换电路。交通灯状态控制也需要一个电路，当有使能信号及无紧急情况下，交通灯状态不发生变化，有紧急情况时，两个方向上均为红灯亮，紧急情况消除后，回到原来状态，无使能信号时，交通灯状态不变。

通过上面的分析，不难得知可以把交通灯控制系统划分为6个模块：键输入模块，时钟分频模块，计时模块，选通模块，显示模块，控制模块。各个模块之间的连接关系如下：

3、总体和模块框图：

总体框图：具体模块框图：

1.时钟分频模块。

系统的动态扫描需要1hz的脉冲，而系统时钟计时模块需要1hz的脉冲。分频模块主要为系统提供所需的时钟计时脉冲。该模块将1khz的脉冲信号进行分频，产生1s的方波，作为系统时钟计时信号。

其实体模块如下：

将end time改为5s

clk采用系统的1khz的时钟脉冲。

2.交通灯控制及计时模块。

控制模块根据外部输入信号和计时模块产生的输出信号，产生系统的状态机，控制其他部分协调工作。计时模块用来设定主干道和支干道计时器的初值，并为扫描显示译码模块提供倒计时时间。

控制及计时模块采用状态机进行设计，可以定义出5种状态，分别为s0:主干道绿灯，支干道红灯且没有车辆行驶；s1:主干道绿灯，支干道红灯或支干道有车辆驶入；s2:

主干道黄灯，支干道红灯；s3:主干道红灯，支干道绿灯；s4:主干道红灯，支干道黄灯。

利用case语句定义状态的转换方式及时间的变换方式，达到主干道绿灯亮45秒，支干道绿灯亮25秒，黄灯亮5秒的设计要求。

其实体模块如下：

car为支干道车辆检测开关。

在支干道有车的情况下，模块可以进行减计时。

clk1s为1s的时钟脉冲。

time1h、time1l、time2h、time2l分别为主干道时钟高位、主干道时钟低位、支干道时钟高位、支干道时钟低位。

led为led灯发光情况，分别为主干道绿灯、主干道黄灯、主干道红灯、支干道绿灯、主干道黄灯、主干道红灯。

count的总的系统时间，用来改变系统的状态。

3.扫描显示译码模块。

扫描显示译码模块可以根据控制信号，驱动交通信号灯以及倒计时数码管的显示，其中数码管的显示采用动态扫描显示。其实体模块如下：

clk为1khz的系统时钟脉冲。

clk1s为1s时钟脉冲。

car为支干道车辆检测开关。

sel为数码管位码扫描。

seg为数码管段码。

time1h、time1l、time2h、time2l为数码管计时的时间，由控制及计时模块为其赋值。

4.顶层文件的编写。

将以上各个单元模块**成功后，再进行顶层文件的编写。将各个单元模块的变量赋值给顶层文件，从而将各个单元模块连接起来，统一调配。得到顶层文件的实体模块：

clk为1khz系统时钟脉冲。

car为支干道车辆行驶情况，高电平为有车行驶，低电平为无车行驶。

led为交通灯发光情况。

sel为数码管位码扫描。

seg为数码管段码。

4、功能模块设计：

各模块的原理及其程序。

1．分频模块设计。

a. 实体：entity clk_10 is

port( clk : in std_logic;

clk_div10 : out std_logic);

end clk_10;

b. 功能：实现十分频。

c. 接口：clk—脉冲输入。

clk-div10—十分频后脉冲输出。

2．计数模块设计。

a. 实体：entity counter is

port( clk0:in std_logic;

con:in std_logic;

reset:in std_logic;

countnum:buffer integer range 0 to 89);

end counter;

b. 功能：实现0到89的计数。

clk0—脉冲输入

con—手动控制信号

reset—复位信号

countnum—计数输出。

3．控制模块设计。

a. 实体：entity controller is

port ( clk1 : in std_logic;

con1 : in std_logic;

con2 : in std_logic;

countnum : in integer range 0 to 89;

numa,numb : out integer range 0 to 25;

ra,ga,ya,ga1 : out std_logic;

rb,gb,yb,gb1: out std_logic);

end controller;

b. 功能：控制发光二极管的亮、灭，以及输出倒计时数值给七段译码管的分位译码电路。

clk1—脉冲信号输入

con1—手动控制信号

con2—状态控制信号

countnum—计数输入。

numa，numb—两个方向的倒计时数值输出

ra,ga,ya,ga1，rb,gb,yb,gb1—发光二极管输出。

4．分位模块设计。

a. 实体：entity fenwei is

port (numin:in integer range 0 to 25;

numa,numb:out integer range 0 to 9 );

end fenwei;

b. 功能：把倒计时的数值分成2个1位的十进制数。

numin：倒计时数值输入

numa，numb—将数值分为2个1位的十进制输出。

5．译码模块设计。

a. 实体：entity display is

port(clk2:in std_logic;

bb: in std_logic_vector(3 downto 0);

ya:out std_logic;

yb:out std_logic;

yc:out std_logic;

yd:out std_logic;

ye:out std_logic;

yf:out std_logic;

yg:out std_logic);

end display;

b. 功能：根据控制电路的控制信号，驱动交通灯的显示，通过输入二进制数值，输出信号点亮二极管。

bb[3..0]--bcd码输入。

clk2—脉冲输入

ya，yb，yc，yd，ye，yf，yg—七段数码管显示输出。

6．顶层模块的设计。

a. 实体：entity dingceng is

port(clkd,resetd,cond,con1d:in std_logic;

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