朱志平

(渭南師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院，陜西渭南714000)

基于VHDL的交通管理器設(shè)計

朱志平

(渭南師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院，陜西渭南714000)

通過設(shè)計實例，詳細說明如何在實際設(shè)計中，應(yīng)用VHDL語言和原理圖設(shè)計方法來設(shè)計復(fù)雜的邏輯電路.根據(jù)VHDL的語法規(guī)則，對系統(tǒng)的邏輯行為進行描述，然后通過綜合工具進行電路結(jié)構(gòu)的綜合、編譯、優(yōu)化，利用波形仿真工具，可在短時間內(nèi)設(shè)計出高效、穩(wěn)定、符合設(shè)計要求的電路，具有傳統(tǒng)邏輯設(shè)計方法所無法比擬的優(yōu)越性.

交通管理器;VHDL;控制器;定時器

交通管理器是整個交通運輸監(jiān)管系統(tǒng)極為重要的組成部分，對于保證交通運輸?shù)陌踩\行，維持交通運輸?shù)捻槙称鸬搅酥匾饔?目前基于VHDL語言的各種系統(tǒng)設(shè)計很多，但它們大多都是框架性設(shè)計，不涉及具體的過程和程序［1－3］.本文通過十字路口交通管理器的設(shè)計實例，詳細說明如何在實際應(yīng)用中，在Alter Quartus II環(huán)境下，應(yīng)用VHDL語言和原理圖設(shè)計方法來設(shè)計復(fù)雜的邏輯電路［4－5］.

1 交通管理器的功能

交通管理器控制十字路口甲、乙兩道的紅、黃、綠三色燈，指揮車輛和行人安全通行.交通管理器示意圖如圖 1 所示.圖 1 中，R1、Y1、G1是甲道紅、黃、綠燈;R2、Y2、G2是乙道紅、黃、綠燈.

圖1 十字口交通管理器示意圖

該交通管理器由控制器和受其控制的3個定時器以及6個交通管理燈組成.圖中3個定時器分別確定甲道和乙道通行時間t3、t1以及公共的停車(黃燈亮)時間t2.這3個定時器采用以秒信號為時鐘的計數(shù)器來實現(xiàn)，C1、C2和C3分別是這些定時器的工作使能信號，即當(dāng)C1、C2或C3為1時，相應(yīng)的定時器開始計數(shù)，W1、W2和W3為定時計數(shù)器的指示信號，計數(shù)器在計數(shù)過程中，相應(yīng)的指示信號為0，計數(shù)結(jié)束時為1.

2 交通管理器的狀態(tài)及設(shè)計流程

根據(jù)交通管理器要實現(xiàn)的功能，考慮用狀態(tài)機來控制甲道和乙道2個方向的6盞燈.首先設(shè)甲道禁止乙道通行，這時 R1=1，C1=1，G2=1，稱它為 s00態(tài)，簡寫 S0.隨后是甲道禁止乙道停車，R1=1，C2=1，Y2=1，稱它為s01態(tài)，簡寫S1.接著是甲道通行乙道禁止，G1=1，C3=1，R2=1，稱它為s11態(tài)，簡寫S2.最后便是甲道停車乙道禁止，Y1=1，C2=1，R2=1，稱它為s10態(tài)，簡寫S3.當(dāng)s10態(tài)運行完畢以后便返回到s00態(tài)，這樣周而復(fù)始地運行，輪流控制6盞交通燈.其狀態(tài)圖如圖2所示.

根據(jù)狀態(tài)圖就可得出交通管理器的設(shè)計流程圖，如圖3所示.

圖2 狀態(tài)圖

3 交通管理器的設(shè)計

本設(shè)計采用層次描述方式，也采用原理圖輸入和文本輸入混合方式建立描述文件，這和現(xiàn)在大多數(shù)只用文本描述方式不同［1－5］，整個設(shè)計過程較為清晰.圖4是交通管理器頂層圖形輸入文件，它用原理圖形式表明系統(tǒng)的組成，即系統(tǒng)由控制器和3個定時計數(shù)器組成，3個定時計數(shù)器的模分別為26、5和30.

在頂層圖形文件中的各模塊，其功能用第二層次VHDL源文件描述.

圖3 交通管理器工作流程圖

圖4 交通管理器頂層圖形文件

3.1 控制器的邏輯描述

控制器是整個交通管理器的核心部件，控制三個定時器相互配合工作，保證交通安全暢通無阻運行的關(guān)鍵所在.它的邏輯描述如下:

3.2 定時器邏輯描述

在交通管理器中有三個定時器，每個定時器定時各不相同，但就其邏輯描述而言，是完全相同的［6－8］.下面以30秒定時計數(shù)器的邏輯描述為例作以說明.

編譯器將頂層圖形輸入文件和第二層次功能塊VHDL輸入文件相結(jié)合并編譯，即可產(chǎn)生交通管理器的目標(biāo)文件.

4 波形仿真

圖5 交通管理器仿真波形

交通管理器的仿真波形如圖5所示.從圖中可以看出，首先是甲道禁止(R1為高電平)，乙道通行(G2為高電平);經(jīng)過30秒后，轉(zhuǎn)換成甲道禁止(R1為高電平)，乙道停車(Y2為高電平);經(jīng)過5秒后，轉(zhuǎn)換成甲道通行(G1為高電平)，乙道禁止(R2為高電平);經(jīng)過26秒后，轉(zhuǎn)換成甲道停車(Y1為高電平)，乙道禁止(R2為高電平);再經(jīng)過5秒，再次轉(zhuǎn)換成甲道禁止(R1為高電平)，乙道通行(G2為高電平)狀態(tài)，完成了一個工作循環(huán).從圖中可以看出，設(shè)計達到了預(yù)定的要求.

5 結(jié)束語

通過設(shè)計實例，在Alter Quartus II環(huán)境下，用VHDL語言和原理圖實現(xiàn)交通管理器的復(fù)雜電路.根據(jù)VHDL的語法規(guī)則，對系統(tǒng)的邏輯行為進行描述，然后通過綜合工具進行電路結(jié)構(gòu)的綜合、編譯、優(yōu)化，利用波形仿真工具，可在短時間內(nèi)設(shè)計出高效、穩(wěn)定、符合設(shè)計要求的電路.這種設(shè)計方法使設(shè)計人員擺脫了電路細節(jié)的束縛，效率高、可靠性好、成本低，具有傳統(tǒng)邏輯設(shè)計方法所無法比擬的優(yōu)越性.

［1］林建華.基于VHDL語言的交通燈管理系統(tǒng)的設(shè)計［J］.儀器儀表用戶，2011，(3):11.

［2］萬軍華，劉瑞通.基于VHDL的多功能數(shù)字鬧鐘設(shè)計［J］.湖南理工學(xué)院學(xué)報，2011，(1):67－71.

［3］江翠云.基于CPLD和VHDL的數(shù)字鐘的設(shè)計［J］.硅谷，2010，(2):17.

［4］潘松，黃繼業(yè).EDA 技術(shù)實用教程［M］.北京:科學(xué)出版社，2006.

［5］李洋.EDA 技術(shù)實用教程［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2009.201－210.

［6］李春雨，高原.基于VHDL狀態(tài)機的交通燈控制器設(shè)計［J］.山西電子(技術(shù))，2010，(1):54－56.

［7］李曉敏，田熙燕.基于VHDL語言的數(shù)字時鐘設(shè)計［J］.電子設(shè)計工程，2011，(13):30－32.

［8］劉小，李鵬程，余子威.基于VHDL的99小時定時器設(shè)計及實現(xiàn)［J］.電子元器件應(yīng)用，2010，(3):42－44.

Design of Traffic Light Control System Based on VHDL

ZHU Zhi-ping
(School of Physics and Electrical Engineering，Weinan Normal University，Weinan 714000，China)

With the design example，how to apply VHDL language and principle diagram to design complex logic circuit in the actual design is detailedly explained.According to VHDL grammar rules，the system logic behavior is described，and then the integrated circuit structure is synthesized，compiled and optimized by comprehensive tools.Through using waveform simulation tools，the efficient，stable，comply with the requirements of the circuit can be designed in a short time and this is traditional logical design method incomparable advantages.

traffic light control system;VHDL;controller;timer

TP312

A

1009—5128(2012)06—0024—05

2012—03—12

陜西省軍民融合研究基金項目(11JMR07);渭南師范學(xué)院科研計劃項目(10YKF012)

朱志平(1959—)，男，陜西武功人，渭南師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院副教授.研究方向:電子電氣工程.

【責(zé)任編輯 牛懷崗】