1、摘要本 科 毕 业 设 计 论 文题 目 基于 CPLD 的交通灯控制器设计 西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）摘 要当今时代是一个自动化时代，交通灯控制等很多行业的设备都与计算机密切相关。因此，一个好的交通灯控制系统，将给道路拥挤、违章控制等方面给予技术革新。随着大规模集成电路及计算机技术的迅速发展，以及人工智能在控制技术方面的广泛运用，智能设备有了很大的发展，是现代科技发展的主流方向。本文介绍了一个交通灯系统的设计。本文介绍的是基于 EDA 技术设计交通灯系统的一种方案。EDA 技术的一个重要特征就是使用硬件描述语言(HDL) 来完成系统的设计文件，应用 VHDL的数字电路实验降低
2、了数字系统的设计难度,这在电子设计领域已得到设计者的广泛采用。本设计就是针对交通信号灯控制器的设计问题，提出了基于 VHDL语言的交通信号灯系统的硬件实现方法。本设计利用 VHDL 语言来实现交通灯控制器。通过对系统进行结构分析，采用自顶向下的层次化设计方法，分别给出了用于控制交通灯明灭和倒计时功能的控制模块，用于紧急情况的分频模块，以及控制各个方向数码管的译码显示模块，最终形成用于自动控制十字路口的交通灯和计时器的交通灯控制器。从本文最后给出的仿真结果可知，该交通灯控制器实现了预期目标。关键词：交通信号灯，VHDL 语言，仿真摘要ABSTRACTThe modern age is an er
3、a of automation, traffic light control equipment for many industries are closely related with the computer. Therefore, a good traffic light control system, will bring technical innovations for road congestion, illegal control, etc. With the rapid development of large scale integrated circuits and co
4、mputer technology and the extensive use of intelligent devices in the control of artificial intelligence technology, intelligent devices have gotten great progress and become the mainstream of the development of modern science . This paper describes the system design of traffic lights .Traditional t
5、raffic light control system is mostly achieved by a single chip or PLC, this paper introduces a scheme of the design of traffic signal systems based on EDA technology . An important feature of EDA technology is the use of hardware description language (HDL) to complete the system design documents, t
6、he experiment applied VHDL digital circuit reduces the difficulty of digital system design, which has been widely adopted by the designers of electronic area. This design puts forward a method of hardware implementation for traffic lights system based on VHDL language to resolve the design problem o
7、f traffic signal controller .Each module is given VHDL program by analyzing the structure of the system and using a hierarchical design method, and it applies Max Plus on the simulation of applications , and the corresponding simulation results are gained. When design the circuit with VHDL, we shoul
8、d be fully aware of the characteristics of VHDL language and optimize the circuit design from the design, the use of statements and methods of description,etc.Through optimizing circuit design, we can use smaller programmable logic chip, thereby reducing system cost.Design and implementation of traf
9、fic light controller with VHDL language.Through the system for structural analysis, using top-down hierarchical design method, gives a VHDL program modules, and applications using Quartus II simulation, have come to the corresponding simulation results.Circuit design with VHDL language, should be 西安
10、交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）fully aware of the features of VHDL language, from the design, use statement, and description of the superior aspects of optimized circuit design.Through optimization design of circuits, programmable logic chip can use smaller, thus reducing system costs.Keywords: Traffic light ，V
11、HDL language ，Simulation摘要西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）目录摘 要 .3ABSTRACT.4第一章 前言 .91.1 选题意义 .91.2 交通灯发展史及国内外研究现状 .101.3 主要研究内容.111.4 章节安排.12第二章 本文研究平台简介 .132.1 CPLD 复杂可编程逻辑器件 .132.1.1 CPLD 结构及其发展 .132.1.2 CPLD 的特 点及其使用 .132.1.3 EPM7128SLC84-15 芯 片 介 绍 .142.2 VHDL 硬 件编辑语言 .142.2.1 VHDL 语言及其发展.152.2.2 VHDL 语言设
12、计流程 .152.2.3 VHDL 的描述 风格 .162.2.4 选择 VHDL 硬件描述语言设计的优势.172.3 Quartus 简介 .19第三章 交通灯系统的设计 .213.1 红绿灯交通信号系统功能描述 .213.1.1 任务和要求 .213.1.2 设计思想 .213.2 红绿灯交通信号系统的 VHDL 模块 .223.2.1 控制模块 .253.2.2 分频模块 .253.2.3 译码显示模块 .32第四章 仿真后的时序图 .344.1 控制模块 .374.2 分频模块 .374.3 译码显示模块 .384.3 整体仿真 .38第五章 总结 .395.1 结论.415.2 展望
13、.42参考文献 .43致 谢 .44附 录 .45目录前言第一章 前言1.1 选题意义随着经济的增长和人口的增加，人们生活方式不断变化，人们对交通的需求不断增加。城市中交通拥挤、堵塞现象日趋严重，由此造成巨大的经济与时间损失。 资料显示，对日本东京 268 个主要交叉路口的调查估计表明：每年在交叉路口的时间延误，折成经济报失为 20 亿美元；而在我国北京市，当早晚交通高峰时，交叉路口处的排队长度竟达 1000 多米，有的阻车车队从一个交叉路口延伸到另一个交叉路口，这时一辆车为通过一交叉路口，往往需要半个小时以上，时间损失相当可观。我国是一个历史悠久、人口众多的国家，城市数量随着社会的发展不断增
14、多。 随着城市化进程的大大加快，诱发的交通需求急剧增长，供需矛盾不断激化，严重的交通问题也随之而来。人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。十字路口车辆穿梭，行人熙攘，车行车道，人行人道，有条不紊，这一切要归功于城市交通控制系统中的交通灯控制系统。交通灯控制系统对于疏导交通流量、 提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果，使城市交通得以有效管理。在交叉路口如何解决混合交通流中的相互影响，就是解决城市交通问题的关键所在！随着我国经济的稳
15、步发展，人民生活水平的日渐提高，越来越多的汽车进入寻常百姓的家庭，再加上政府大力地发展公交、出租车行业，城市交通问题日益严重。要解决这些问题不仅要求道路越来越宽阔，而且更需要有新的交通管理模式出台。旧有的交通控制系统的弊病和人们越来越高的要求激化了矛盾，使原来不太突出的交通问题被提上了日程。现在有关部门愈来愈多的注重在交通管理中引进自动化、智能化技术，比如“ 电子警察” 、自适应交通信号灯，以及耗资巨大的交通指挥控制系统等。经济的发展和社会的进步，使道路交通成为社会活动的重要组成部分。对交通的管控能力，也就从侧面体现了这个国家对整个社会的管理控制能力，因此我们国家越来越重视运用各种高科技手段来
16、加强对交通的管控能力，这不仅是衡量城市交通管理水平的标志，更是城市交通发展的重要目标。前言1.2 交通灯发展史及国内外研究现状交通灯通常指由红、黄、绿三种颜色灯组成用来指挥交通的信号灯。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。19 世纪初，在英国中部的约克城，红、绿装分别代表女性的不同身份。其中，着红装的女人表示我已结婚，而着绿装的女人则是未婚者。后来，英国伦敦议会大厦前经常发生马车轧人的事故，于是人们受到红绿装启发，1868 年 12月 10 日，信号灯家族的第一个成员就在伦敦议会大厦的广场上诞生了，由当时英国机械师德 哈特设计、制造的灯柱高
17、 7 米，身上挂着一盏红、绿两色的提灯-煤气交通信号灯，这是城市街道的第一盏信号灯。在灯的脚下，一名手持长杆的警察随心所欲地牵动皮带转换提灯的颜色。后来在信号灯的中心装上煤气灯罩，它的前面有两块红、绿玻璃交替遮挡。不幸的是只面世 23 天的煤气灯突然爆炸自灭，使一位正在值勤的警察也因此断送了性命。从此，城市的交通信号灯被取缔了。直到 1914 年，在美国的克利夫兰市才率先恢复了红绿灯，不过，这时已是“电气信号灯 ”。稍后又在纽约和芝加哥等城市，相继重新出现了交通信号灯。1918 年第一盏电气交通灯出现在纽约市五号街的一座高塔上，只有红绿两色，它是圆形四面投影器，它的诞生，使城市交通大为改善。1
18、925 年，我国的胡汝鼎发明了黄色信号灯，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 1。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。如今的交通灯系统的控制方法有很多，国内外常见的多为标准逻辑器件、可编程序控制器 PLC、单片机、CPLD 等方案。基于 CPLD 所设计的系统具有速度更
19、快、体积更小、功耗更小等特点，改变了传统交通灯不稳定和不利于扩展的缺点，得到了广泛应用。交通系统未来的发展趋势就是要提高通行能力，加强环境保护，开展智能化运输和环保专项技术的研究，并且要做到以人为本，重点开展交通安全技术的研究，在这个过程中要确定经济合理的目标，促进新材料的广泛应用和开发。智能交通系统是将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子传感技术及计算机处理技术等有效的集成运用于整个地面交通管理系统而建立的一种在大范围西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合交通运输管理系统。 随着交通状况的日益恶化，西方发达国家普遍开展了关于智能交通系统共用信
20、息平台的研究、建设。一方面，西方发达国家开展了许多关于部门间信息共享、以及公有私有关系的专项研究，从法规、政策、机制等方面对部门间信息共享给予了一定的保障；另一方面，西方发达国家的 ITS 建设已经发展到一定程度，普遍开展了较高层次的交通信息服务。然而，在提供良好的交通信息服务的背后，必定要有功能强大、信息资源丰富的 ITS 共用信息平台作为支撑。 在我国，城市智能交通已逐步得到社会各界的广泛关注，并已成为交通领域的研究热点，社会各界对通过智能交通系统建设、缓解日益严重的交通问题寄予了厚望。 鉴于城市智能交通系统建设涉及到城市管理多个部门职能，因此，只有各相关部门协调配合、共同行动起来，在必要
21、的机制和技术手段下充分实现部门间的信息共享，城市智能交通才可能顺利建设和发展。 为此，国家科技部提出了建设城市交通 ITS 共用信息平台的构想，在此基础上广泛开展关于交通综合信息的研究和应用。智能交通各界通过多年的研究和工程实践，普遍认为信息平台的建设应实现信息共享枢纽、综合交通信息服务、交通辅助决策、重大事件管理等功能目标。目前，已有的交通信息采集系统还处于各自分立的状态。要实现上述功能，还需面对诸多必须解决的问题。多学科综合集成 ITS 共用信息平台。 ITS 共用信息平台的建设决不是一般的 IT 系统集成，为完整解决信息平台数据采集、数据处理整合以及信息发布的问题，必须同时考虑多方面技术
22、的综合集成。同时，上述关键技术在平台中也不仅仅是堆砌或者简单组合，而是有机融合、互相渗透。1.3 主要研究内容课题采用文献研究和实验方法进行研究。通过文献研究，提出基于 CPLD的交通灯控制器的设计要求；通过实践研究，验证本课题所实现的功能是否与理论要求相一致。所获得的资料来源于省图书馆、网上数据库和社会、企业以及校园调研。本课题设计了一个基于 CPLD 可编程逻辑器件的交通灯控制器。该控制器能够自动控制十字路口交通灯状态的改变和同一状态保持的时间，从而保证车辆及行人的安全通过，并且对特殊状况进行适当处理。控制器主要采用 EDA 技术，通过 VHDL 硬件电路描述语言实现设计功能，并使用 Quartus II 对设计程
