1、本科毕业设计（论文）（20 届）基于 Verilog HDL 交通灯控制系统设计所在学院专业班级 通信工程学生姓名指导教师完成日期目录摘要 .IIIAbstract .IV第一章 绪论 .11.1 交通灯简介 .11.2 基于 Verilog HDL 交通灯控制的优点 .2第二章 CPLD 及 Verilog HDL 介绍 .42.1 CPLD 介绍 .42.2 Verilog HDL 介绍 .62.3 仿真软件 .92.4 仿真流程 .10第三章 交通信号控制电路的功能及实现原理 .123.1 交通信号控制电路的功能分析 .123.2 交通信号控制电路实现原理 .12第四章 交通控制电路的
2、Verilog HDL 的设计实现 .154.1 分频模块 .154.2 控制模块 .154.3 定时模块 .164.4 计数模块 .174.5 计数器控制模块 .174.6 译码模块 .184.7 紧急模块 .19第五章 总结与展望 .205.1 开发难点与解决技巧 .205.2 系统说明与总结 .205.3 展望 .21参考文献 .22附录 .23致谢 .37基于 Verilog HDL交通灯控制系统设计摘要城市道路交叉口是城市道路网络的基本节点,也是网络交通流的瓶颈。交通灯是城市交通监管系统的重要组成部分，对于保证机动车辆的安全行驶，维持城市道路的顺畅起到了重要作用。而交通信号控制的目的
3、是为城市道路交叉口(或交通网络)提供安全可靠和有效的交通流,通常最为常用的原则是车辆在交叉口的通过量最大或车辆在交叉口的延误最小。本论文主要介绍以目前应用较为广泛的 Verilog HDL 硬件描述语言，实现对路口交通灯系统的控制器的硬件电路描述。这种硬件电路描述在 Altera 公司的 EDA 软件平台 MAX+PLUS环境下通过了编译、仿真、并下载到 CPLD 器件上进行编程制作，实现了交通灯系统的控制过程。利用 CPLD 的可重复编程和在动态系统重构的特性，大大地提高了数字系统设计的灵活性和通用性。关键词：Verilog HDL；CPLD ；交通灯控制器；仿真Traffic contro
4、l system based on Verilog HDLAbstractUrban road intersections city road network is the basic nodes, also is the bottleneck of the network traffic flow. The traffic light is urban traffic supervision system important constituent, to guarantee the safety of motor vehicle driving, maintain the urban ro
5、ad smooth played an important role. And traffic signal control is designed for urban road intersections (or traffic network) provide safe and reliable and effective traffic flow, usually the principle is most commonly used vehicles in crossing through the largest amount or vehicles at intersection d
6、elay the smallest.This paper mainly introduces the application at present are more widely Verilog HDL hardware description language, realize the intersection traffic light system controller hardware circuit is described. The hardware circuit described in the EDA software platform Altera company envi
7、ronment MAX + PLUS passed compiled, simulation, and download to CPLD device on production, realizing the programming the control process of traffic light system. Use CPLD repeated programming and the characteristics of the dynamic system reconstruction, is greatly raised digital system design flexib
8、ility and versatility. This design to the traditional traffic lights were improved, instead of the pure with arrow indicator lights red olivine, increased the green countdown and left turn to turn indicator and other new function, make provide rationalization. Keywords: Verilog HDL，CPLD，Traffic Ligh
9、t Controller, Simulation第一章 绪论1.1 交通灯简介交通灯的雏形诞生于 19 世纪的英国，它最初只有红绿两种灯，由交警手动切换红绿颜色。而黄色信号灯的发明者是我国的胡汝鼎，他怀着“科学救国”的抱负到美国深造，在大发明家爱迪生为董事长的美国通用电器公司任职员。一天，他站在繁华的十字路口等待绿灯信号，当他看到红灯而正要过去时，一辆转弯的汽车呼地一声擦身而过，吓了他一身冷汗。回到宿舍，他反复琢磨，终于想到在红、绿灯中间再加上一个黄色信号灯，提醒人们注意危险。他的建议立即得到有关方面的肯定。于是红、黄、绿三色信号灯即以一个完整的指挥信号家族，遍及全世界陆、海、空交通领域了。随
10、着各种交通工具的发展和交通指挥的需要，第一盏名副其实的三色灯(红、黄、绿三种标志)于 1918 年诞生。它是三色圆形四面投影器，被安装在纽约市五号街的一座高塔上，由于它的诞生，使城市交通大为改善。并且规定：绿灯亮时，准许车辆通行，黄灯亮时，已越过停止线的车辆可以继续通行；红灯亮时，禁止车辆通行。从最早的手牵皮带到 20 世纪 50 年代的电气控制，从采用计算机控制到现代化的电子定时监控，交通信号灯在科学化、自动化上不断地更新、发展和完善。现在大多数的交通灯都由单片机控制，由红黄绿三色灯组成，通过设置好南北向和东西向各色灯的亮灭顺序和维持的时间来指挥交通。交通对国民经济的发展具有重要的作用，然而
11、，大多数城市交通常常出现交通堵塞现象，车辆行驶中不仅车速受到限制，并且非机动车辆和行人的干扰，有时甚至频繁遇到多个红灯信号，难以实现高效、快捷地运行。因此，协调性控制交通枢纽的信号，对提高城市道路的通行能力十分有效 1。城市交通灯控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯与交通疏导的计算机综合系统，它是现代城市监控指挥系统中最重要的组成部分 2。交通灯的出现极大的改善了城市交通，保障了人民的交通安全。但是，随着现在科技取得不断的进步，人民生活质量不断提高，大量的车流量注入城市的交通，仅仅靠传统的单片机交通控制灯已经不太适应了。并且传统的交通灯也存在一些缺点和不足。比如，单片机控制的交通灯不够稳
12、定，经过长期运行容易出现故障，其次它升级扩展时必须全部更换，这样一来很大的造成了运用上的不便和资源上的浪费。传统的交通灯一般只能实现定时的控制，而现在市区用的相对比较智能化的交通灯也只能根据前一天的车流量，来调节第二天红绿灯的定时时间，无法做到实时变化。而智能交通灯系统是通过一条通信总线把控制各车道继电器控制器和车辆探测器输入多功能模块连接起来，通过监控中心的管理计算机实现集中管理。管理计算机可对现场控制设备任意配置，任意开启某一车道。现在的智能交通灯系统一般采用 EDA 技术实现。EDA 技术自动化、智能化程度高,功能比较完善,界面非常友好,并且技术相当实用,在信号灯的研发过程中,需要用到E
13、DA 技术中的关键技术 Verilog HDL 硬件描述语言来编写信号灯的控制仿真程序。而Verilog HDL 是其中目前应用最广泛的一种 3。是全方位的硬件描述语言,几乎覆盖了以往各种硬件描述语言的功能,整个自顶向下或自底向上的电路设计过程都可以用 Verilog HDL 硬件描述语言来完成。因此将 EDA 技术运用到信号控制交叉口的设计中。随着EDA 技术的发展，在今后的电子产品研究开发中， EDA 具有更好的开发手段和性价比，拥有广泛的市场前景 4。交通灯控制器设计是数字电路中的经典问题,传统的设计方法是基于中.小规模集成电路进行的,采用的电路元件多,接线复杂,故障率高,可靠性低,修改
14、电路的功能需要硬件电路的支持。可编程逻辑器件 PLD 的出现,使得我们在实验室就可以制作专用集成电路。超高速硬件描述语言 Verilong HDL 可以对数字系统进行抽象的行为与功能描述 ,在电子设计的各个阶段、各个层次可以用计算机进行仿真验证,编程简单,程序修改容易,不需要硬件电路的支持,给设计者带来了很大的方便。因此，随着城市交通的快速发展，传统上的交通灯已经很少使用了，大多数的交通灯都开始使用新的技术来代替传统的交通灯了。1.2 基于 Verilog HDL交通灯控制的优点Verilog HDL 是工业和学术界的硬件设计者所使用的两种主要的 HDL 之一，另一种是 VHDL。现在他们都已
15、成为 IEEE 标准。两者各有特点，但 Verilog HDL 拥有更悠久的历史、更广泛的设计群体,资源也远比 VHDL 丰富,且非常容易学习掌握。Verilog HDL 语言具有结构清晰、文法简明、功能强大、高速模拟和多库支持等优点，被近 90%的半导体公司使用，成为一种强大的设计工具 5。基于 Verilog HDL 交通灯改善了传统交通灯不够稳定和不利于升级的缺点。本文提出了以 Verilog HDL 语言为手段，设计了交通灯控制系统。其代码具有良好的可读性和易理解性。交通灯控制系统主要是实现城市十字交叉路口红绿灯的控制。在现代化的大城市中，十字交叉路口越来越多，在每个交叉路口都需要使用
16、红绿灯进行交通指挥和管理，红、黄、绿灯的转换要有一个准确的时间间隔和转换顺序，这就需要有一个安全、自动的系统对红、黄、绿灯的转换进行管理，本系统就是基于此目的而开发的。Verilog HDL 是一种全方位的硬件描述语言，实现对路口交通灯系统的控制器的硬件电路描述。这种硬件电路描述在 Altera 公司的 EDA 软件平台 MAX+PLUS环境下通过了编译、仿真、并下载到 CPLD 器件上进行编程制作，实现了交通灯系统的控制过程 6。利用 CPLD 的可重复编程和在动态系统重构的特性，大大地提高了数字系统设计的灵活性和通用性。第二章 CPLD 及 Verilog HDL介绍2.1 CPLD介绍可
17、编程逻辑器件 PLD（programmable logic device）是 20 世纪 70 年代发展起来的一种划时代的新型逻辑器件，经历了 PLA(programmable logic array)、PAL(programmable array logic)、GAL(generic array logic)、CPLD(complex programmable logic device)/FPGA(field programmable gate array)几个发展阶段，其中 Altera 推出的类似于 PAL 结构的扩展型 CPLD(Complex Programmable Logic D
18、vice) 是一种较 PLD 更为复杂的逻辑元件。用户可以根据各自的需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆（“在系统” 编程）将代码传送到目标芯片中，实现设计的数字系统。CPLD 的生产厂家主要有 Altera、Xilinx 和 Lattice 这三个公司，它们也是 CPLD 发展的典型代表。Xilinx 公司主要产品有 XC9500/4000、Coolrunner(XPLA3)、Spartan 和 Vertex 等系列，其最大的 Vertex Pro 器件已经达到 800 万门。开发软件也由
19、Foundation 系列发展到了现在 ISE6.x。ISE(integrated system configuration)是 Xilinx 提供的一套工具集，它集成的工具可以完成整个 CPLD/FPGA 的开发过程，支持几乎所有的 Xilinx 公司的CPLD/FPGA 的主流器件 7。Lattice 公司是 ISP(insystem programmability)技术的发明者，ISP 技术极大地促进了 PLD 产品的发展，它的主要产品有 ispLSI2000/5000/8000,MACH4/5 等。开发软件为ISP Synario、 ispLever3.x。近年来，可编程逻辑器件的发展
20、主要趋于如下几个方面：1.力求功耗更低，可编程逻辑器件的将向着低于 5V 的方向前进；2.ASCI 和 PLD 将把各自的优点相互融合，共同发展；3.集成度提高，价格降低是可编程逻辑器件发展的必然趋势；4.把 DSP、存储器、应用接口等集成在 PLD 上以拓展其功能是可编程逻辑器件的现状，可见在可编程逻辑器件上的可编程片上系统集成 SOPC（System on a programmable chip）是它的另一个发展趋势；5.为满足更高的硬件需求，可编程逻辑器件将向高频方向发展；6.高扩展性的发展方向是 CPLD 改进电路的必然需求。随着 PLD 的发展，CPLD 必定能在 EDA 之路上发挥
21、越来越大的作用。CPLD 主要是由可编程逻辑宏单元(MC，Macro Cell)围绕中心的可编程互连矩阵单元组成。其中 MC 结构较复杂，并具有复杂的 I/O 单元互连结构，可由用户根据需要生成特定的电路结构，完成一定的功能。由于 CPLD 内部采用固定长度的金属线进行各逻辑块的互连，所以设计的逻辑电路具有时间可预测性，避免了分段式互连结构时序不完全预测的缺点。CPLD 具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点。它既继承了 PLD 和通用门阵列可实现较大规模的电路和编程灵活的特点 ，与其相比又有过之而无不及的优点，比如它设计制造成本低、设计开发周期短、开发工具先进、具有电可擦除
22、、边缘扫描及在线编程的功能。因此被广泛应用于门阵列，PLD 和中小规模通用数字集成电路的场合。随着超大规模集成电路工艺的不断提高CPLD 芯片的规模也由最初的几十门扩大到现在的上百万门。而利用可编程逻辑器件设计交通信号控制电路时有如下优点：(1)抗干扰能力强。随着工业的发展，电磁干扰日趋严重，而交通灯应用的特殊场合需要较高的稳定，故本文选用高抗干扰能力的 CPLD 来设计；(2)稳定性高。CPLD 通常的平均无故障时间都在 30 万小时以上；(3)可重复编程。设计更新时随意更改和补充，不必再更换新器件，弥补了 ASIC芯片设计的交通灯的灵活度不高，难以更新和扩展的特点，既减轻了工作负担，又节约
23、了资源；(4)近年来 CPLD 价格逐步下降，性能却大幅度的提高，实际应用性高。尽管 FPGA 和 CPLD 都是可编程 ASIC 器件,有很多共同特点,但由于 CPLD 和 FPGA 结构上的差异,具有各自的特点：1.CPLD 更适合完成各种算法和组合逻辑 ,FPGA 更适合于完成时序逻辑。换句话说,FPGA 更适合于触发器丰富的结构,而 CPLD 更适合于触发器有限而乘积项丰富的结构；2.CPLD 的连续式布线结构决定了它的时序延迟是均匀的和可预测的,而 FPGA 的分段式布线结构决定了其延迟的不可预测性； 3.在编程上 FPGA 比 CPLD 具有更大的灵活性。CPLD 通过修改具有固定内连电路的逻辑功能来编程,FPGA 主要通过改变内部连线的布线来编程;FP GA 可在逻辑门下编程,而 CPLD 是在逻辑块下编程； 4.FPGA 的集成度比 CPLD 高,具有更复杂的布线结构和逻辑实现；5.CPLD 比 FPGA 使用起来更方便。CPLD 的编程采用 E2PROM 或 FASTFLASH技术,无需外部存储器芯片,使用简单。而 FPGA 的编程信息需存放在外部存储器上,使
