基于VHDL的交通灯控制器的设计与实现

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摘  要：与传统的数字系统的设计相比，采用VHDL设计的交通灯控制器具有体积小、功耗低等的优点，特别是能够方便的根据具体道路情况重新编码、下载，使得交通灯控制器能较快的适应新的道路情况而不必增加硬件/软件开销。本设计主要采用VHDL来设计十字路口交通灯控制器，系统主要包括交通灯控制器模块和显示控制模块。我们在QuartusⅡ软件平台上采用VHDL完成各模块的设计。采用电路原理图方式完成顶层电路图的设计。通过对系统各模块的仿真，验证各模块设计的正确性，最后通过在实验箱上搭建硬件平台，进行硬件测试来验证系统设计的正确性。
关键词：交通灯控制器；超高速集成电路硬件描述语言；QuartusⅡ

Abstract: Compares with the traditional digital systems, the traffic light controller designed with VHDL has the benefits of smaller size and lower power consumption. Especially it is easy to code and download according to the new road situation. These make the traffic light controller can fit the new situation without addtion the hardware/software cost. The design mainly uses VHDL to design the intersection traffic light controller,which mainly including the traffic light controller module and the display control module. We use VHDL in the Quartus II software platform to design every module, use the schematic diagram method to design the top-layer circuit diagram. The simulation of every module, confirms the accuracy of every module. Finally, we build a hardware platform on the EDA laboratory box and download the system. The results of the hardware test confirm the correctness of the system.
Key words: Traffic lights controller;  VHDL;  QuartusⅡ
1  前言
1.1  研究意义
随着集成电路技术和EDA(Electronic Design Automatic，现代电子设计自动化)技术的不断发展，集设计、模拟、综合和测试功能为一体的VHDL(Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language，非常高速集成电路硬件描述语言)语言，已作为IEEE标准化的硬件描述语言。由于其在语法和风格上类似于现代高级汇编语言，具有良好的可读性，描述能力强，设计方法灵活，易于修改，又具有可移植性，可重复利用他人的IP模块(具有知识产权的功能模块)等诸多优势而成为EDA设计方法的首选[1]。VHDL设计是行为级设计，所带来的问题是设计者的设计思考与电路结构相脱节。设计者主要是根据VHDL的语法规则，对系统目标的逻辑行为进行描述，然后通过综合工具进行电路结构的综合、编译和优化，并通过仿真工具进行逻辑功能仿真和系统时延的仿真[2]。
一般的数字系统，是通过传感器将捕捉的现场信号转换为电信号，经模/数转换器ADC(Analogue to Digital Converter)采样、量化、编码后，转换为数字信号，存入数据存储器，或送给微处理器。传统的数字系统的设计体积比较大、设计周期较长，设计电路复杂，设计完之后不容易修改。而现在一般的应用型嵌入式系统采用CPLD/FPGA为主体在QuartusII环境下用VHDL语言进行设计。跟传统的数字系统比较起来节省电路设计等等设计时间，也相应的节省人员、金钱等等资源。当出现错误或没达到用户需求等只要修改VHDL的设计，重新下载到CPLD，FPGA即可。
采用VHDL设计交通灯控制器具有体积小、功耗低等的优点，特别是能够方便的根据具体道路情况重新编码、下载，使得交通灯控制器能较快的适应新的道路情况而不必增加硬件/软件开销，而这是传统的交通灯控制器所不具备的，因此具有一定的实际意义。另外通过选择设计与实现基于VHDL的交通灯控制器的设计与实现，能培养独立完成基本电子系统的设计与实现的能力[3]。
1.2  研究现状
电子产品随着技术的进步，更新换代速度可谓日新月异。EDA技术的应用很好地适应了这一特点。通过设计和编程，由可编程逻辑器件CPLD/FPGA (Complex Programmable Logic Devices/Filed Programmable Gate Array，复杂可编程逻辑器件/提交可编程门阵列)构成的数字电路．取代了常规的组合和时序逻辑电路。实现了单片化，使体积、重量、功耗减小。提高了可靠性。目前EDA技术在一般的数字系统、数字信号处理系统等领域获得广泛应用。它将成为今后电子设计的主流。
1.2.1  EDA技术
EDA技术基于计算机辅助设计，它融合了应用电子技术、计算机技术、信息处理技术、智能化技术的最新成果，以实现电子产品的自动设计。EDA是现代电子设计技术的核心，在现代集成电路设计中占据重要地位。EDA代表了当今电子设计技术的最新发展方向，其基本特征是设计人员以计算机为工具，按照自顶向下的设计方法，对整个系统进行方案设计和功能划分，由硬件描述语言完成系统行为级设计，利用先进的开发工具自动完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局布线（PAR，Place And Route）、仿真及特定目标芯片的适配编译和编程下载，这被称为数字逻辑电路的高层次设计方法[5]。
EDA是电子设计领域的一场革命，它经历了计算机辅助设计（CAD，Computer Aided Design）、计算机辅助工程（CAE，Computer Aided Engineering）和电子设计自动化（EDA, Electronic Design Automation）三个发展阶段。
20世纪90年代的电子系统设计自动化EDA阶段，设计者的主要工作是进行编程，而大部分底层的与器件有关的工作由EDA工具完成，大大简化了设计工作，使电子系统工程师在不熟悉各种半导体工艺的情况下，完成电子系统的设计。同时使用语言编程使设计者只需描述硬件的逻辑，从而可以设计大规模的电子系统。而IP核（别人设计好的，能够实现某种功能的模块）的大量使用更使大规模和超大规模的电子系统设计成为可能。在下载到目标器件之前，可以进行各种软件仿真，在此基础上进行修改。下载到目标器件之后，可以进行硬件测试，如果达不到要求，可以修改VHDL源代码、重新设计、下载到目标器件，直到达到要求为止。硬件描述语言、EDA工具的发展和可编程逻辑器件使系统可现场编程，降低了设计难度、缩短了产品开发周期。超大规模可编程逻辑器件和集成电路的发展，使整个系统可集成在一个芯片上，体积小、功耗低、可靠性高[6]。转贴于 酷文网-论文下载中心 http://www.coolwen.net