基于CPLD下的交通信号灯设计.doc

1、南京大学金陵学院 毕业论文 (设计 ) 南京大学金陵学院 毕 业 论 文（设 计） 姓名 : 学 号： 2010020400052 系 部 : 电子信息科学与工程系 专 业 : 通信工程 题 目 : 基于 CPLD 下的交通信号灯设计 指导老 师 讲师 /硕士 提交日 期 2014 年 5 月 10 号 南京大学金陵学院 毕业论文 (设计 ) i 摘 要 本 次设计是实现 基于 CPLD 下 的交通信号灯 的 控制电路， 它将有效地解决在人流量和车流量的时间分配问题，提供高效地有条不紊的服务，通过交通灯的显示 和智能化控制功能，可以让人们井然有序的参与到交通活动中来 。在夜间车流量相对较少的情

2、况下，采用黄灯闪烁预警，是行车减速慢行即可，让其尽快通过，因为不必要的等待会造成时间上的浪费。 Verilog 作为一种硬件描述语言，被广泛的应用于电路设计中，可通过不同的器件来实现。利用 Verilog 语言编程的设计方法设计交通灯控制系统，用其来实现道路交通有条不紊地运行，突出了 Verilog 语言的良好的可读性、可移植性和易理解等优势，并通过Quartus II 完成综合和仿真演示。此程序通过下载到 CPLD 芯片后 ,便可用户 与实际的交通系统控制。 关键词： 交通灯 ； CPLD ； Verilog 语言 ；夜间情况 ； Quartus II 南京大学金陵学院 毕业论文 (设计 )

3、 ii Traffic lights under CPLD based designs ABSTRACT This design is to realize the traffic lights control circuit based on CPLD under, it will effectively solve the traffic and time distribution of traffic problems, and to provide the services efficiently in an orderly way, through traffic lights di

4、splay and function of intelligent control, can let the people involved in the transportation activities orderly. Under the condition of relatively few cars at night, use yellow lights flashing warning, is driving slow down, let it pass, as soon as possible because unnecessary waiting will cause the

5、waste of time. Verilog as a kind of hardware description language, as a kind of widely used in the circuit design, can be done by different devices. Use Verilog language programming design method of design of traffic light control system, and use it to realize the road traffic run methodically, high

6、lighted the Verilog language good readability, portability and easy to understand, such as advantage, and through the Quartus II complete comprehensive demonstration and simulation. After this program download to CPLD chip, can the user and the actual traffic control system. Keywords： The traffic li

7、ght ； CPLD ； Verilog language ； The night ； Quartus II 南京大学金陵学院 毕业论文 (设计 ) iii 目 录 摘要 . i ABSTRACT . ii 第一章 绪 论 . 1 1.1 课题研究的 目的与意义 . 1 1.2 交通信号灯国内外研究现状 . 2 1.3 本设计研究的目的及主要内容 . 2 1.4 交通信号灯主要实现的功能 . 2 第二章 设计基础 . 3 2.1 Verilog 语言 . 3 2.2 QuartusII 软件 . 3 2.3 CPLD 介绍 . 4 2.4 EPM240/570 开发板 . 4 第三章 设计内容

8、 . 8 3.1 系统设计要求 . 8 3.2 系统设计思路 . 8 3.2.1 分频模块 . 8 3.2.2 数码管模块 . 10 3.2.3 其他模块 . 11 第四章 测试与结果 . 14 4.1 实物 . 14 4.2 交通灯测试 . 14 4.3 夜间情况测试 . 15 4.4 总结与展望 . 16 结束语 . 18 致谢 . 19 参考文献 . 20 附录 I:源代码 . 21 附录 II：原理图 . 27 南京大学金陵学院 毕业论文 (设计 ) 第一章 绪 论 1.1 课题研究的目的与意义 现今经济迅猛发展，人们的生产生活水平不断地提高，越来越 多生产生活依靠着交通运输，人们对交

9、通的需求也在不断地提高。而我们可以看到现在我们的城市交通拥堵，有些地方交通控制方案设计不合理，造成了时间浪费和金钱浪费。 将来随着城市化进程的不断推进，交通问题将日益严重，更多的供需矛盾将浮出水面，如果交通建设与控制的发展跟不上经济发展的脚步，必将会为未来的现代化建设平添阻碍。 交通部门现在亟须解决交通活动中各个参与者之间的关系，让它们之间协调也是交通部门努力的目标，所以交通建设要紧随社会前进的步伐，往多元化，高智能化，人性化的方向发展 1。 在我们的十字路口也是某个地段的 人口和车流量的密集区域，同时是交通事故容易发生的地段， 而如今我们的交通有条不紊， 这里交通信号灯控制系统起了关键作用，

10、是它提供了有效地交通控制机制 。 交通信号灯控制系统在疏导人和车流量时意义重大，可有效避免很多没必要的交通事故，保证国民的生命财产安全，使得社会稳定和谐地发展下去 。 现如今解决交通问题中的特殊情况和突发状况也是交通建设中的重点和难点，因为交通活动中的突发性和不可预见性，使得这一问题难以解决 。 当今我国经济平稳发展了许多岁月，越来越多的交通工具普及到寻常百姓家中，从一开始的自行车，到摩托车，再到出租车， 公交，私家车，甚至现今出现的地铁，轻轨 .无一不显示出现出强劲的交通发展势头。从而就要求我们 对交通的管控能力 要飞速发展 ， 因此我们国家越来越重视将高科技应用于交通领域，从而实现交通的智

11、能化和人性化 。 1.2 交通信号灯国内外研究现状 当前，我们经常看到在我们的十字路口有交通信号灯来管控我们的时间，有些交通灯上面还会装有摄像监控装置，交通信号灯以红黄绿区别，再加上时间控制即我们常见的交通信号灯控制 。目前设计交通灯的方案有很多，有应用 PLC设计实现交通信号灯控制器方法 ； 有应用单片机实现对交通灯控 制系统的设计 ;有应用 CPLD 实现对交通信号灯设计的方法；也有应用 FPGA 实现设计的。 很南京大学金陵学院 毕业论文 (设计 ) 多情况下我们都可以看到不合理的交通信号控制系统会造成很多时间上的浪费，和道路资源的浪费，反而造成了道路通行能力的降低，对人们的生活造成不便

12、，而 对于一般情况下的安全行车， 一些简单的交通信号灯控制器还能发挥作用 ， 但是在实际情况下我们可以看到有些地方的交通信号灯控制器 还存在以下缺点：1 两干道的放行时间和禁止通行时间是一致的 ，在十字路口，经常一个车道车辆较多，放行时间应该长些；而另一车道车辆较少，放行时间应该短些。 2在夜间情况 ，车流量很少的时候，应该予以黄灯闪烁示警，但是无需用红绿灯指示车辆等待，造成不必要的时间浪费。 1.3 本设计研究的目的及主要内容 本设计采用 EPM240/570 开发板来完成，该开发板可以作为 CPLD 全功能开发板来使用，对于本次实验来说其功能是毋庸置疑的。 板载 6 个独立按键，可做按键控

13、制，数字逻辑基础实验等；板载 8 位 LED 发光二极管，做数字逻辑基础流水，显示等实验；板载 8 位数码管，做动态或静态数码管显示实验，频率计，秒表等；板载 4 位拨码开关，可做开关控制等实验 .该开发板功能全面，利用 Quartus II 编写好的 Verilog 语言可直接下载到该板件上，具有操作性好，功能全面和经济实惠的优点。 1.4 交通信号灯主要实现的功能 （ 1）设计在一个城市中车流量，人流量相对较少的十字路口的交通信号灯控制器，每条干道各一个红绿灯。 （ 2）红绿灯控制的时间分别用数码管的高两位跟低两位显示，而灯用前三个跟后三个 LED 发光二极管显示。 （ 3）两条干道根据车

14、流量的多少，分别设置绿灯放行时间，以提高道路通行的效率。 （ 4）在夜间人流量和车流量相对较少的情况下，采用黄灯闪烁预警的方式，提醒驾驶人员注意，让其减速慢行 即可。 第二章 设计基础 南京大学金陵学院 毕业论文 (设计 ) 2.1 Verilog 语言 Verilog语言最开始是于 1983年由 Gateway Design Automation 公司开发的模拟器产品的硬件建模语言，当时只是作为专用语言来使用。后来因为他们的产品的逐步推广， Verilog 语言便以他们的模拟仿真器为媒介开始传播开来，直到后来作为一种方便而实用的语言逐渐为众多设计者所接纳 2。 1990 年，再一次增加语言普

15、及性活动中被推向公众领域 3。同时它也是从 C 语言发展过来的，语法结构上继承和 借鉴了 C 语言的语言结构。后来经过 OVI 的推广，使其形成了 IEEE的标准 4。这一努力最终成功， 称为 IEEE Std 1364 1995。 Verilog 语言具有下述描述能力：设计的行为特性、设计的数据流特性、设计的结构组成以及包含响应监控和设计验证方面的时延和波形产生机制 ， 所有这些都使用同一种建模语言 5。此外， Verilog HDL 语言提供了编程语言接口，通过该接口可以在模拟、验证期间从设计外部访问设计，包括模拟的具体控制和运行6。除此之外 Verilog 语言还明确的定义了语法结构中的

16、模拟和 仿真语义。 2.2 QuartusII 软件 Quartus II 是 Altera 公司 推出的的综合性质的开发 软件 ，其中支持 VHDL、原理图、 AHDL（ Altera Hardware Description Language）以及 VerilogHDL 等多种设计的输入形式，而其内部又嵌有自带的综合器以及 仿真器 ，能够完成从设计之初的到完整的硬件配置 CPLD 设计流程，可以说完全能够胜任我们本次的设计要求 7。 Quartus II 设计流程一般如图 2.0所示，其中主要包括：设计输入，逻辑综合，布线布局，时许分析，仿真以及编程和配置几个环节。 南京大学金陵学院 毕业

17、论文 (设计 ) 图 2.0：设计流程图 2.3 CPLD 介绍 由 PAL 和 GAL 发展过来的复杂的可编程逻辑器件，它的规模大而结构复杂，属于大规模的集成电路。用户可以根据自身的需要构造其逻辑功能，借助开发软件平台，用原理图和硬件描述语言，可生成目标文件，再下载到目标芯片中，从而实现设计 8。 20 世纪 70 年代， PLD 问世，这是最早的可编程的逻辑器件，但是由于过于简单的结构，所以他们只能在较小的数字电路中发挥作用 9。 20 世纪 80 年代中，为了适应发展的需求， CPLD-复杂的可编程逻辑器件问世，如今它以深入计算机，电视，医疗，通讯设备，航空航天等领域中，给人 们的生产生

18、活带来了极大的便利 10。 2.4 EPM240/570 开发板 EPM240/570学 习板是 一块 FPGA/CPLD 新手级 学习板，该学习板简单易用 ，很适合入门不久的学生，在实验过程中我们可以充分利用主板上的硬件资源。 EPM240/570的主芯片使用的是 Altera 公司的 MAX II 系列中的， 其中宏单元南京大学金陵学院 毕业论文 (设计 ) 就有 192个 ， 逻辑单元共 240个， 资源 相对 比较多， FLASH 储存空间有八千比特 。这代芯片和上一代 MAX 产品相比，其成本缩减至原来的一半，而功耗却只有原来的十分之一，在保持上一代 MAX 系列固有的单芯片、瞬态启动、易用性和非易失性优势的同时 MAX II 系列器件容量翻了两番，而性能却是上一代MAXCPLD 的两倍多，使通信、消费类、计算机产品和工业的设计者们可以采用 MAX II 系列器件代替不够灵活而又价格昂贵的小型 ASIC 和 ASSP。 图 2.1和 2.2分别表示了学习板接口资源的分布情况；图 2.3是 8个 LED 灯的原理图。 图 2.1：学习板顶层接口资源分布 南京大学金陵学院 毕业论文 (设计 ) 图 2.2：学习板底层借口资源分布