我国的智能交通系统发展的现状

1、第1章绪论1.1课题研究的背景随着世界范围内城市化和机动化进程的加快，城市交通越来越成为一个全 球化的问题。城市交通基础设施供给滞后于高速机动化增长需求，道路堵塞日趋 加重，交通事故频繁，环境污染加剧等问题普遍存在。特别是在一些发展中国家， 不仅没有在城市规划布局、城市交通发展模式选择与运营机制等方面吸取发达国 家城市交通发展的经验与教训，而且重复着它们在高速机动化发展中所犯过的许 多错误，无论是大中城市还是新兴的中小城市，几乎都没有前瞻性地解决好城市 交通问题。自改革开放以来，我国的城市规模和经济建设都有了飞速的发展，城 市化进程在逐步加快，城市人口在急剧增加，大量流动人口涌进城市，人员出行

2、 和物资交流频繁，使城市交通面临着严峻的局势。当前，全国大中城市普遍存在 着道路拥挤、车辆堵塞、交通秩序混乱的现象。如何解决城市交通问题已成为全 社会关注的焦点和大众的迫切呼声。探究城市交通发展中存在问题的原因，无论 是从宏观上还是从微观上分析，其根本原因在于城市交通系统的管理机制不适 应。不同的城市有不同城市的问题，但共性就是混合交通流问题。在交叉口如何解决 混合交通流中的相互影响或彼此的相互影响，就是解决问题的关键！随着我国城 市化建设的发展，越来越多的新兴城市的出现，使得城市的交通成为了一个主要 的问题。同时随着我国经济的稳步发展，人民的生活水平日渐提高，越来越多的 汽车进入寻常老百姓的

3、家庭，再加上政府大力发展的公交、出租车，车辆越来越 多了。这不仅要求道路要越来越宽阔，而且要求有新的交通管理模式的出台。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。对交通的管控能力，也就从一个侧面体现了这个国家对整个社会 的管理控制能力，因此各国都很重视用各种高科技手段来强化对交通的管控能 力。从技术条件分析，我国的城市交通技术应用水平较低，这在交通规划、交通 基础设施建设、运输工具水平、交通组织和管理等方面

4、都有反映。例如道路布局 和交通方式分道不合理，现代化轨道交通缺少，路面公共交通效率低，车况较差， 相关技术标准较低、自行车交通比例高，日常交通以人工管理为主等，对城市交 通的管理还局限于传统的车流人流控制方面，缺乏对城市交通需求进行研究和管 理。特别是在应用现代通信和网络技术管理交通方面，除少数几个大城市已经起 步外，大多数城市还是空白。另外，我国在城市交通规划和管理方面对基础性研 究缺乏重视，研究力量和研发投入不足，也是技术水平低和造成城市交通发展缓 慢的原因。1.2我国智能交通系统（ITS）现状与发展趋势我国智能交通系统（ITS）现状我国开展ITS的开发研究始于八十年代后期，早期主要是由公

5、安部、交通部、 建设部等所属研究所、院校在引进、消化国外一些智能交通技术产品的基础上， 进行开发研究适合我国国情的智能交通技术及音响器。例如，我国的城市交通控 制系统、高速公路监控系统、电子收费系统等，通过了国家“七五”、“八五”和“九 五”重点科技攻关和示范工程应用，已经较为成熟，目前在国内一些大中城市和 高速公路上得到了一定程度的应用，胆在先进性、系统性方面与国外同类技术和 产品相比，还有一些差距。1995年以后，我国关于ITS的研究、试验、国际交 流活动日益频繁，许多院校、企业相继进入这个领域，除交通部公路科学研究所 和公安部交通管理科学研究所长期在从事ITS相关技术研究开发外，清华大学

6、、 东南大学、同济大学、中兴通讯、中国普天、东软集团等相继建立了口$研发机 构，国家有关部门也将ITS列入“九五”、“十五”科技发展计划和2010年长期规 划中。我国ITS的研究应用主要体现在：1、城市交通信号控制系统（UTCS: Urban Traffic Control System）交通信号控制系统的目标主要是实现区域内交通信号自适应控制。它依靠事先建 立的交通算法及模型，对实时检测到的交通数据进行分析，从而对信号周期、信 号相位等配时参数进行优化，及是时调整配时方案以使整个控制区域内行车延误 时间、停车次数等最少。在全国实施城市交通畅通工程”两年多来，有近百个城 市建立了以交通信号控制

7、系统为主要系统的交通指挥系统，但交通信号控制系统 相当一部分是引进国外的系统，如SCOOT （北京、大连等城市使用），SCATS （上海、广州等无城市使用）、京三系统（深圳等无城市使用），西班牙系统（南 宁、武汉、长春等城市使用）、意大利系统（太原等城市使用）、美国系统（济南 等城市使用）还有韩国系统等，真可谓八国”系统共存。这些系统皆是建立在机 动车为主的道路交通条件基础上的控制系统，既不适应于中国的混合道路交通情 况，无法适应于连续流与间断流的协调控制、公共汽车交通优先控制，也无法适 应于中国城市发展ITS的需要。“七五”“八五”期间，国家组织部交通管理科学研 究所、同济大学等单位共同开发

8、研究的“城市交通关时自适应控制系统”，是中国 第一个大规模开发完成的交通控制系统，一定程度上考虑了混合交通的特点，在 全国近二十个城市得到了推广应用，但总体上仍不能适应于当代乃至未来面向 ITS发展的需要。在此前后，也有一些研究部门不断地进行相关的研究，如：中 国科学院沈阳自动化也开发研究了相应的控制系统理论。2、高速公路监控系统（Freeway Surveillance and Control System）即通过高速公路信息采集系统获取高速公路的运行信息并进行分析、判断、决断、 决策，对高速公路采取恰当的控制措施，减少偶发事件的影响，使得交通流平稳、 安全、通畅地运行，以获取高速公路最佳的

9、运行效益。目前，我国大部分高速公 路皆建有监控系统，主要设备大多是引进的，其功能单一，往往只监不控，无法 有效地调节或改善交通。3、电子收费系统（ETC： Electronic Toll Collection）我国高速公路是收费道路，一般使用开放式并自动收费系统，由人工或仪器判断 车型、人工收费、数据统计、汇总及管理均由计算机完成，高速公路间是非联网 收费，此外，我国有些城市的桥遂开始实施不停车收费，如重庆市等。4、路径导行系统（ERGS： Electronic Route Guidance System）路径导行系统是试图实时采集和处理交通流信息及其相关数据，通过CDPD、 专用通讯线、光缆

10、等有（无）线通信手段进行远程传输，实现诱导功能，对出行 者发布路网结构图、实时交通拥挤、速度限定、预测时间、交通管制及宣传等综 合信息，实现交通流的有序流动。目前，我国有一些厂家正在研究开发车载式系 统，但由于后台缺乏交通信息系统和交通地理信息系统GIS-T的魂，这类系统 还仅处在实验阶段。5、公共交通运营与管理公共交通仅是指公共汽车交通，在国内许多城市公交线路发展很快，投入运营车 辆多，但仍普遍面临不准时，换乘不便、亏损严重等问题。北京、上海、广州等 特大城市在改革公共交通运营体制的同时，都试图引入公交电子调度系统（车辆 定位调度、电子站牌系统等），但目前还没有信服的使用效果来证明该系统的有

11、 效性。6、交通安全与紧急管理突发事故的及时检测、诊断与分析，并采取快速的救援管理措施，对于减少事故 损失、缓解交通阻塞是极其重要的。目前，我国大部分城市的公安交通管理部门 已建成了基于紧急电话（110，122）的突发事故接处警系统，对于快速调度警力、 快速处警是十分有效的，但还无法获取第一时间的交通事故实时信息，且未能提 供系统性救援支持，因此，目前我国城市的交通安全与紧急救援管理还处于初级 阶段，拥有的紧急救援设备主要是事故辅助照明、事故勘察、事故清障抢险设备 等，它们大都缺乏系统性、先进性。另一方面，高速公路交通的紧急救援管理也 仅是在一些道路上初步形成，如泸宁高速公路上海段和首都机场高

12、速公路的紧急 救援管理系统等。7、交通信息化建设交通信息化的基本含义是指，运用各种现代化的高新技术，将各类交通信息从采 集、处理到提供服务加以每夜经，共享其资源，为最佳营运与管理交通、发展智 能交通系统和新产业，发经济，推动城市进步奠定基础。近年来，我国政府一直 调度重视并积极推动信息化工程建设，尤其是交通管理部门，在交通管理信息化 工作上投入在量人力财力，信息化水平取得了重大进展，实现了进口车核查信息 系统的全国联网，建立了统一格式标准的机动信息管理系统、道路交通违章信息 管理等系统，正在实现全国联网、信息共享，这些都为智能交通系统建设奠定了 坚实的信息基础。然而，中国交通信息化的整体现状不

13、容乐观，以广州市的情况 为例，虽然，建设有不同类别和规模的交通信息系统设施，但这些信息系统资源 都无法共享，甚至是一个主管部门内部的系统资源都无法做到这一点，信息化水 平较低，交通参与者与交通管理者之间、系统与系统之间仍无法做到信息的互相 传递与共享。这一切都从不同程度上制约了智能交通系统的发展进程。我国智能交通系统体系框架ITS体系框架，是指系统所包含各个子系统主实现用户服务功能、满足用户需求 所应具备的功能、满足用户需求所应具备的功能，以及各个子系统之间的相互关 系和集成方式。ITS体系框架决定了系统如何构成，确定了功能模块以及模块之 间的通信协议和接口，它的设计必须包含实现用户服务功能的

14、全部子系统的设 计。通过集成若干个ITS子系统的功能可以实现一个或多个用户服务功能。 我国在“九五”期间，通过公安部、交通部、建设部、教育部等部委下辖研究所、 院校、企业的联合攻关，研究制定了我国的ITS体系框架。我国ITS体系框架主要由以下几个方面组成：用户主体、服务主体、用户服务、 系统功能、逻辑框架、物理框架、ITS标准和经济技术评价。表1明确了 ITS体 系框架各组成部分与服务的关系。表1我国ITS体系框架各组成部分与服务的关系组成部分名称作用用户主体谁将是被服务的对象，明确了服务中的一方。服务主体谁将是提供服务，明确服务中的另一方，这与用户主体和特定的用户 服务组成了系统基本的运行方

15、式。用户服务明确系统能提供什么样的服务。系统功能将服务转化成系统特定的目标。逻辑框架 服务的组织化。物理框架服务怎样具体提供。ITS标准和经济技术评价其它经济技术。我国智能交通系统共用信息平台结构我国智能交通系统可初步划分为共用信息平台、交通管理系统、物理管理系统、 公交管理系统和公路交通管理系统五大部分，以共用信息平台为核心。只有建立 了 ITS共用信息平台，ITS各子系统才可以在此基础上进行系统集成，实现交通 等信息的交换与共享，为各相关部门制定运行控制方案和科学决策提供依据。同 时，ITS共用信息平台还可以利用数据集成的优势，以共用信息平台为基础，面 向社会公众提供全方位、多方式的交通信

16、息服务，为其出行提供极大的便利。 ITS共用信息平台由以下几个支撑子平台、系统及模块组成，并完成相关功能。1、通信网络子平台交通信息（数据）的采集、传输、发布及子系统间连接，交通信息（数据）的传 送与交换均赖于通信网络来完成。交通数字地图信息等，数据量大，实时性强， 为此应建立高效率的专用的交通通信网络子平台，它是实现智能交通系统共用信 息平台的物理基础。2、交通信息发布子平台交通信息发布子平台是交通共用信息平台的信息服务承载子平台。承载共用信息 平台（交通信息服务系统）与外界的物理（逻辑）连接，数据传输、信息发布等 通信服务功能，它作为共用信息数据库的基础数据信息的应用服务体现，为最终 用户

17、的使用和增值业务服务商提供基本的平台信息。3、交通地理信息子平台交通地理信息系统（GIS-T）是GIS技术在交通领域的延伸，主要实现GIS的 数据获取、数据管理、数据应用功能，将广义的GIS处理、加工成交通专用的 交通地理信息，送入ITS共用信息平台数据库，以支持ITS共用信息平台，并通 过共用信息平台支撑整个ITS。4、共用信息数据管理子平台这是ITS共用信息平台的核心子平台，它负责对ITS共用信息的管理、存储、维 护。主要完成对平台网络管理、应用请示服务管理、决策支持管理、权限管理、 信息发布管理、数据库维护管理等，实现对平关子系统信息在平台内集成与共 享的数据流向的设定与管理，因共用信息

18、平台数据涵盖交通的各个领域，存在地 理和归属上的不一致，故数据管理子平台具有分布式数据库或数据仓库的特征。5、数据采集/融合子平台通过数据采集/融合子平台，对ITS共用信息平台对来自于ITS各个系统的异构 数据和信息进行标准化处理及转换，使ITS共用信息平台与ITS子系统之间的数 据交换依据参照系及接口规范对数据进行分类及标准化处理，使平台按标准的数 据接口进行互连。采用各种信息融合技术手段对采集到的数据和信息进行深层次 分精度的加工，提炼出各种层面的综合信息，以备各个相关系统提取利用（如决 策、发布等）。6、定位/导航服务子平台利用GPS/GIS实时路况信息，使共用信息平台能够为车载装置等提

19、供实时准确 的定位/导航信息。7、ITS网管系统作为一个独立的物理实体来建立ITS网管中心。网管中心的功能包括配置管理、 故障管理、性能管理、安全管理等四部分，实现对ITS共用信息平台以及ITS系 统中各种设备的监控和操作维护管理功能。8、交通决策支持模块ITS共用信息平台拥有大量的有用信息，建立交通决策支 持模块十分有利于发挥信息的增值服务作用，为交通规划及指挥调度提供科学合 理的建议和辅助决策。交通决策支持应建立在分布式交通管理专家知识库体系基 础上，采用人工智能推理模型依据存储的交通专家知识，对交通运行参数、交通 突发事件等进行实时处理，进行在线的状态分析，导出最优的分析结论。“十五”期

20、间我国智能交通系统的重点研究领域及关键技术智能交通系统的研究与发展已经列入“十五”重点科技攻关基础上，以交通管理、 运营智能化、系统集成和人一车一路协调整合为切入点，依托部门及地方的资源 点攻克交通智能控制、集成信息服务、专用短程通信、标准规范和智能车路等关 键技术难点，探索适合我国国情和智能交通系统发展模式和技术体系，为我国智 能交通系统的开发，应用及产业化奠定基础，促进我国通过高新技术改造传统产 业，信息化带动工业化的进程。1.3本课题研究的目的和意义随着我国交通事业的迅速发展，各种公交、运输汽车和汽车进入家庭的步伐加快 使得城市的汽车数量逐年增加，城市道路交通堵塞、拥挤问题显得越来越突出

21、， 交通在许多城市已经成为“瓶颈”问题。在马路上经常会看到这种现象:如果一辆汽车发生故障，则该条线路将陷入瘫痪; 一但某个路口的信号灯出现故障，就有可能在此路口塞车。交通发展的状况是衡量一个国家现代化程度的重要标志之一，从经济的发展形式 看，我国的经济增长速度比主要工业发达国家年平均增长速度都要高，随着我国 现代化发展的进程，经济必将持续增长，其增长的速度继续在世界处于领先地位， 高速度的持续经济发展，必然带来严重的运输和交通问题。车如水、人如潮，这是我国城市交通的真实写照。人员和物资的流通量猛烈的增 长，使得交通车辆的拥挤问题明显得暴露了出来。要解决交通拥挤的状况，道路 的建设、拓宽和增加车

22、行道固然重要，而现代化交通控制系统的建设，却可大幅 度的提高现有道路的利用率，其重大的经济效益和社会效益是不可言语的。目前绝大部分的交通的时间都是单一的、固定的，不管是车流高峰还是低谷，红 绿灯的时间都是固定不变的；还有一些交通灯只是能够按照固定的时间来划分高 峰和低谷，简单地进行时间段的调整，这比起以前的交通灯是有所进步。但是控 制起来不够灵活，还不能解决相对拥挤、混乱的交通次序。本文的设计正是针对 这个弊端进行了改进，根据实时的车流量对个路口的红绿灯进行调整，大大加强 了其灵活性和实时性，真正实现了智能的交通灯控制。第2章EDA设计环境介绍2.1EDA的发展及VHDL简介EDA在通信行业（

23、电信）里的另一个解释是企业数据架构，EDA给出了一个企业级的数据架构的总体视图，并按照电信企业的特征，进行了框架和 层级的划分。EDA是电子设计自动化（Electronic Design Automation）的缩写，在2 0世纪60年代中期从计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、 计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）的概念发展而来的。20世纪90年代，国际上电子和计算机技术较先进的国家，一直在积 极探索新的电子电路设计方法，并在设计方法、工具等方面进行了彻底的 变革，取得了巨大成功。在电子技术设计领域，可编程逻辑器件（如CPLD、FPGA）的应用，已得到广泛的普及

24、，这些器件为数字系统的设计带来 了极大的灵活性。这些器件可以通过软件编程而对其硬件结构和工作方式 进行重构，从而使得硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷。这一切 极大地改变了传统的数字系统设计方法、设计过程和设计观念，促进了EDA技术的迅速发展。EDA技术就是以计算机为工具，设计者在EDA软件平台上，用硬件描 述语言HDL完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分 割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、 逻辑映射和编程下载等工作。EDA技术的出现，极大地提高了电路设计的 效率和可操作性，减轻了设计者的劳动强度。利用EDA工具，电子设计师可以从概念、算法

25、、协议等开始设计电子 系统，大量工作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、性 能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程的计算机上自动处理完成。现在对EDA的概念或范畴用得很宽。包括在机械、电子、通信、航空 航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域，都有EDA的应用。目前EDA技术已在各大公司、企事业单位和科研教学部门广泛使用。例如在飞机制造过程中，从设计、性能测试及特性分析直到飞行模拟，都可能涉 及到EDA技术。2.1.1EDA技术的发展与应用电子设计技术的核心就是EDA技术，EDA是指以计算机为工作平台，融合 应用电子技术、计算机技术、智能化技术最新成果而研制成的电子CAD

26、通用软 件包，主要能辅助进行三方面的设计工作，即IC设计、电子电路设计和PCB设 计。EDA技术已有30年的发展历程，大致可分为三个阶段。70年代为计算机 辅助设计（CAD）阶段，人们开始用计算机辅助进行IC版图编辑、PCB布局布 线，取代了手工操作。80年代为计算机辅助工程（CAE）阶段。与CAD相比， CAE除了有纯粹的图形绘制功能外，又增加了电路功能设计和结构设计，并且 通过电气连接网络表将两者结合在一起，实现了工程设计。CAE的主要功能是： 原理图输人，逻辑仿真，电路分析，自动布局布线，PCB后分析。90年代为电 子系统设计自动化（EDA）阶段。EDA技术的基本特征EDA代表了当今电子

27、设计技术的最新发展方向，它的基本特征是：设计人 员按照“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，系统的关 键电路用一片或几片专用集成电路（ASIC）实现，然后采用硬件描述语言（HDL） 完成系统行为级设计，最后通过综合器和适配器生成最终的目标器件，这样的设 计方法被称为高层次的电子设计方法。下面介绍与EDA基本特征有关的几个概 念。“自顶向下”的设计方法。10年前，电子设计的基本思路还是选用标准集 成电路“自底向上”地构造出一个新的系统，这样的设计方法就如同一砖一瓦建造 金字塔，不仅效率低、成本高而且容易出错。高层次设计是一种“自顶向下”的全新设计方法，这种设计方法首先从系统设

28、 计人手，在顶层进行功能方框图的划分和结构设计。在方框图一级进行仿真、纠 错，并用硬件描述语言对高层次的系统行为进行描述，在系统一级进行验证。然 后，用综合优化工具生成具体门电路的网络表，其对应的物理实现级可以是印刷 电路板或专用集成电路。由于设计的主要仿真和调试过程是在高层次上完成的， 这既有利于早期发现结构设计上的错误，避燃计工作的浪费，又减少了逻辑功能 仿真的工作量，提高了设计的一次成功率。ASIC设计。现代电子产品的复杂度日益提高，一个电子系统可能由数 万个中小规模集成电路构成，这就带来了体积大、功耗大、可靠性差的问题。解 决这一问题的有效方法就是采用ASIC芯片进行设计。ASIC按照

29、设计方法的不 同可分为全定制ASIC、半定制ASC和可纪程ASIC（也称为可编程逻辑器件）。设计全定制ASIC芯片时，设计师要定义芯片上所有品体管的几何图形和工 艺规则，最后将设计结果交由m厂家去进行格模制造，做出产品。这种设计方 法的优点是芯片可以获得最优的性能，即面积利用率高、速度快、功耗低，而缺 点是开发周期长，费用高，只适合大批量产品开发。半定制ASIC芯片的版图设计方法分为门阵列设计法和标准单元设计法，这 两种方法都是约束性的设计方法，其主要目的就是简化设计，以牺牲芯片性能为 代价来缩短开发时间。可编程逻辑芯片与上述掩模ASIC的不同之处在于：设计人员完成版图设计后，在实验室内就可以

30、烧制出自己的芯片，无须IC厂家的参与，大大缩短了开发周期。可编程逻辑器件自70年代以来，经历了 PAL、GALGPLD、FPGA几个发 展阶段，其中CPLD / FPGA高密度可编程逻辑器件，目前集成度已高达200 万门/片，它将格模ASC集成度高的优点和可编程逻辑器件设计生产方便的特 点结合在一起，特别适合于样品研制或小批量产品开发，使产品能以最快的速度 上市，而当市场扩大时，它可以很容易地转由掩模ASIC实现，因此开发风险也 大为降低。上述ASIC芯片，尤其是CPLD / FPGA器件，已成为现代高层次电子设计 方法的实现载体。硬件描述语言。硬件描述语言（HDL）是一种用于设计硬件电子系统

31、的 计算机语言，它用软件编程的方式来描述电子系统的逻辑功能、电路结构和连接 形式，与传统的门级描述方式相比，它更适合大规模系统的设计。例如一个32 位的加法器，利用图形输入软件需要输人500至1000个门，而利用VHDL语言 只需要书写一行“A=B+C”即可。而且VHDL语言可读性强，易于修改和发现 错误。早期的硬件描述语言，如ABEL、HDL、AHDL，由不同的EDA厂商开发， 互不兼容，而且不支持多层次设计，层次间翻译工作要由人工完成。为了克服以 上不足，1985年美国国防部正式推出了高速集成电路硬件描述语言VHDL，1987 年IEEE采纳VHDL为硬件描述语言标准（IEEE STD 1

32、076）。VHDL是一种全方位的硬件描述语言，包括系统行为级。寄存器传输级和逻 辑门级多个设计层次，支持结构、数据流和行为三种描述形式的混合描述，因此 VHDL几乎覆盖了以往各种硬件俄语言的功能，整个自顶向下或由底向上的电路 设计过程都可以用VHDL来完成。VHDL还具有以下优点：（1） VHDL的宽范 围描述能力使它成为高层进设计的核心，将设计人员的工作重心提高到了系统功 能的实现与调试，而花较少的精力于物理实现。（2） VHDL可以用简洁明确的 代码描述来进行复杂控制逻辑艄设计，灵活且方便，而且也便于设计结果的交流、 保存和重用。（3）VHDL的设计不依赖于特定的器件，方便了工艺的转换。（

33、4） VHDL是一个标准语言，为众多的EDA厂商支持，因此移植性好。4. EDA系统枢架结构EDA系统框架结构（FRAMEWORK）是一套配置和使用EDA软件包的规范。目前主要的EDA系统都建立了框架结构，如 CADENCE 公司的 Design Framework， Mentor 公司的 Falcon Framework，而 且这些框架结构都遵守国际CFI组织制定的统一技术标准。框架结构能将来自 不同EDA厂商的工具软件进行优化组合，集成在一个易于管理的统一的环境之 下，而且还支持任务之间、设计师之间以及整个产品开发过程中的信息传输与共 享，是并行工程和自顶向下设计施的实现基础。EDA技术的

34、每一次进步，都引起了设计层次上的一次飞跃，从设计层次上 分，70年代为物理级设计（CAD），80年代为电路级设计（CAE），90年代 进入到系统级设计（EDA）。物理级设计主要指IC版图设计，一般由半导体厂 家完成，对电子工程师没有太大的意义，因此本文重点介绍电路级设计和系统级 设计。电路级设计 电路级设计工作流程如图2所示。电子工程师接受系统设 计任务后，首先确定设计方案，并选择能实现该方案的合适元器件，然后根据具 体的元器件设计电路原理图。接着进行第一次仿真，其中包括数字电路的逻辑模 拟、故障分析，模拟电路的交直流分析、瞬态分析。在进行系统仿真时，必须要 有元件模型库的支持，计算机上模拟的

35、检人输出波形代替了实际电路调试中的信 号源和示波器。这一次仿真主要是检验设计方案在功能方面的正确性。仿真通过后，根据原理图产生的电气连接网络表进行PCB板的自动布局布 线。在制作PCB板之前还可以进行PCB后分析，其中包括热分析、噪声及窜 扰分析、电磁兼容分析、可靠性分析等，并可将分析后的结果参数反标回电路图， 进行第二次仿真，也称为后仿真。后仿真主要是检验PCB板在实际工作环境中 的可行性。由此可见，电路级的EDA技术使电子工程师在实际的电子系统产生前，就 可以全面地了解系统的功能特性和物理特性，从而将开发风险消灭在设计阶段， 缩短了开发时间，降低了开发成本。系统级设计进人90年代以来，电子

36、信息类产品的开发明显呈现两个特 点：一是产品复杂程度提高；二是产品上市时限紧迫。然而，电路级设计本质上 是基于门级描述的单层次设计，设计的所有工作（包括设计忙人、仿真和分析、 设计修改等）都是在基本逻辑门这一层次上进行的，显然这种设计方法不能适应 新的形势，一种高层次的电子设计方法，也即系统级设计方法，应运而生。高层次设计是一种“概念驱动式”设计，设计人员无须通过门级原理图描述电 路，而是针对设计目标进行功能描述。由于摆脱了电路细节的束缚，设计人员可 以把精力集中于创造性的方案与概念的构思上，一且这些概念构思以高层次描述 的形式输人计算机，EDA系统就能以规则驱动的方式自动完成整个设计。这样，

37、 新的概念就能迅速有效地成为产品，大大缩短了，产品的研制周期。不仅如此， 高层次设计只是定义系统的行为特性，可以不涉及实现工艺，因此还可以在厂家 综合库的支持下，利用综合优化工具将高层次描述转换成针对某种工艺优化 的网络表，使工艺转化变得轻而易举。系统级设计的工作流程见图3。首先，工程师按照“自顶向下”的设计方法进 行系统划分。其次，输人VHDL代码，这是高层次设计中最为普遍的输人方式。 此外，还可以采用图形输人方式（框图，状态图等）这种输人方式具有直观、容 易理解的优点。第三步是，将以上的设计输人编译成标准的VHDL文件。第四 步是进行代码级的功能仿真，主要是检验系统功能设计的正确性。这一步

38、骤适用 大型设计，因为对于大型设计来说，在综合前对派代码仿真，就可以大大减少设 计重复的次数和时间。一般情况下，这一仿真步骤可略去。第五步是，利用综合 器对VHDL源代码进行综合优化处理，生成门级描述的网络表文件，这是将高 层次描述转化为硬件电路的关键步骤。综合优化是针对ASIC芯片供应商的某一 产品系列进行的，所以综合的过程要在相应的厂家综合库支持下才能完成。第六 步是，利用产生的网络表文件进行适配前的时序仿真，仿真过程不涉及具体器件 的硬件特性，是较为粗略的。一般的设计，也可略去这一仿真步骤。第七步是利 用适配器将综合后的网络表文件针对某一具体的目标器件进行逻辑映射操作，包 括底层器件配置

39、、逻辑分割、逻辑优化、布局布线。第八步是在适配完成后，产 生多项设计结果：（1）适配报告，包括芯片内部资源利用情况，设计的布尔方 程描述情况等；（2）适配后的仿真模型；（3）器件编程文件。根据适配后的 仿真模型，可以进行适配后的时序仿真，因为已经得到器件的实际硬件特性（如 时延特性所以仿真结果能比较精确地预期未来芯片的实际性能。如果仿真结果 达不到设计要求，就需要修改VHDL源代码或选择不同速度和品质的器件，直 至满足设计要求；最后一步是将适配器产生的器件编程文件通过编程器或下载电 缆载人到目标芯片FPGA或CPLD中。如果是大批量产品开发，则通过更换相 应的厂瓣合库，轻易地转由ASIC形式实

40、现。综上所述，EDA技术是电子设计领域的一场革命，目前正处于高速发展 阶段，每年都有新的EDA工具问世。广大电子工程人员掌握这一先进技术，这不 仅是提高设计效率的需要，更是我国电子工业在世界市场上生存、竞争与发展的 需要2.1.2 VHDL 简介 一、硬件描述语言VHDLVHDL 的英文全名是 Very-High-Speed Integrated Circuit HardwareDesc ription Language,诞生于1982年。1987年底，VHDL被IEEE和美国国防 部确认为标准硬件描述语言 。自IEEE公布了 VHDL的标准版本，IEEE-1 076 （简称87版）之后，各EDA公司相继推出了自己的VHDL设计环境， 或宣布自己的设计工具可以和 VHDL接口。此后VHDL在电子设计领域得 到了广泛的接受，并逐步取代了原有的非标准的硬件描述语言。1993年，IEEE对VHDL进行了修订，从更高的抽象层次和系统描述能力上扩展VHDL的内容，公布了新版本的VHDL，即IEEE标准的1076-1993版本，（简 称93版）。现在，VHDL和Verilog作为IEEE的工业标准硬件描述语言， 又得到众多EDA公司的支持，在电子工程领域，已成为事实上的通用硬件 描述语言。有专家认为，在新的世纪中，VHDL于Verilog语言将承担起大部分的数字系统设计任务。VH