(数电课程设计)交通信号灯设计报告

交通信号灯控制器设计报告摘要：数字电子技术是一门实践性很强的课程，而数电课程设计是实践环节的重要组成部分，它给我们提供了一个理论联系实际、检验知识、加深认识、开拓思维、汲取新知识的机会。数电课程的内容虽然只是一个简单的数字系统，但在思考问题、提出问题、解决疑难、排除障碍的过程中，却能达到升华所学知识、训练综合、创新能力及团队合作能力之目的。在完成本次作业的过程中，可以学到PROTEL99及QUARTUSII软件的使用方法，并且掌握状态机的设计方法及利用数字电路实现自动控制的思路和方法。通过查阅文献，我们基本上了解了EPF10K20TC144-4芯片的基本功能，会使用软件进行仿真和生成电路，并用VerilogHDL语言很好的对硬件进行了设计和描述。同时也对倒计时显示电路、可预置数的计数器，译码电路及状态机进行了逻辑设计，并做好了PCB模板。通过数电课程论文的写作使我们熟悉了论文的书写要求，训练了我们如何条理、全面、流畅的表达自己的设计成果的能力，收获颇丰，受益匪浅。关键词：控制器，计数器，译码器第1章：概述随着各种交通工具的发展和交通指挥的需要，信号灯在人们的生活中起着越来越重要的作用。当前，大量的信号灯控制电路正向着数字化、小功率、多样化，方便人、车、路三者关系的协调，多值化方向发展。随着社会经济的发展发展，交通问题越来越引起人们的关注。随着社会的发展和城市规模的不断扩张，城市交通成为制约城市发展的一大因。因此，许多设计工作者为改善城市交通环境设计了许多种方案，而大多数都为交通指挥灯，本电路也是基于前人设计的基础上进行改进的，全部采用数字电路组成，较以往的方案更为精确。1.1市场上现有的交通信号灯的设计方案：1.1.1基于PLC的设计：图1.基于PLC的交通信号控制器PLC具有以下几个特点：1：编程方法简单易学。2：硬件配套齐全，用户使用方便。3：通用性好，适用性强。4：可靠性高，抗干扰能力强。5：系统的设计、安装、调试工作量少。1.1.2基于ARM的设计：图2.基于ARM的交通信号控制器ARM有以下几个特点：1：耗电少，功能强。2：16位/32位双指令集合。3：有众多合作伙伴。1.1.3基于单片机的设计：单片机具有以下几个特点：1：芯片虽小，五脏俱全，是单片机主要特点之一。其内部设有程序存储器、数据存储器、各种接口电路。而大型的处理器运算速度较高，运算器位数较多，处理能力较强，但需要在外部配置接口电路。2：单片机主频一般在100MHZ以下，适合用于独立工作的小型产品之中，引脚数量从几个到百余个。3：应用简单、灵活，可用汇编语言及C语言开发单片机产品。图3.基于单片机的交通信号控制器1.1.4市场上已有的一种交通灯控制器的实物照片及参数：我们设计的交通信号灯控制器全部由数字电路组成。对比以上几种设计方案，采用数字电路组成的控制器设计思路简单，但所需元器件种类较多，组装起来有一定难度且成本较高。设计过程是：首先完成对状态机、译码电路、计数器等的逻辑设计，其次利用VerilogHDL语言编写程序，并利用QUARTUSII仿真软件验证所编程序的正确性，最后整理思路进行论文写作。1.2论文的主要研究内容与结构安排如下：第2章是总体方案介绍部分，包括交通信号灯的功能简介及实现其功能所用的原理，所用的FPGA的特性和VerilogHDL语言的介绍，并给出状态机的状态图及功能框图。第3章是硬件电路设计部分，包括硬件电路要实现的功能、各模块的描述、电路板设计说明，并给出电路框图、电路板图、详细完整电路图、电路板丝网漏印图及元件列表。第4章是逻辑设计部分，包括分小节介绍各个模块的实现（利用VerilogHDL语言进行描述），给出顶层模块图和仿真结果的波形图。第5章是总结与展望部分，介绍了本电路的应用前景，总结此次作业的收获与心得。本章小结：本章主要介绍了市场上已有的交通信号灯的设计思路及所用原理，并将其特点罗列出来，与本设计方案进行比较，还给出了一种产品的图片及其详细参数。另外，简要介绍了本论文的主要研究内容与结构安排，给出了论文各章的内容提要。第2章：总体方案介绍2.1功能介绍：我们设计的交通信号灯控制器可实现对东西南北四个方向直行和左拐车辆及行人的控制，并配有等待时间倒计时的显示功能，可以很好的使等候车辆及行人掌控时间。2.2功能实现原理：2.2.1状态机：根据电路设计的要求可以得到如下状态机。当时钟沿到来后，状态机一方面分别控制东西南北四个方向直行与左拐两个方向的指示灯ER1、EY1、EG1、ER2、EY2、EG2、NR1、NY1、NG1、NR2、NY2、NG2的亮灭（E表示东西方向，N表示南北方向，R、Y、G分别表示红黄绿三种颜色的灯，1表示直行方向，2表示南北方向），另一方面输出t信号控制可预置数计数器或将两位预置数db2、db1置入计数器中或开始计数。2.2.2可预置数计数器：由于各个方向的直行与左拐所需的时间各不相同，导致定时时间不同。为简化设计、降低成本，本电路采用了可预置数的计数器。当状态机的输出t=0时置数，t=1时开始计数。倒计时显示电路同步显示时间。td信号反馈回状态机，实现对状态机的控制。2.2.3译码显示电路：本电路采用7446译码器与共阳数码管组成译码显示电路。当7446译码器的BI/RBO、RBI、LT端均接高电平时，译码器正常工作，共阳数码管显示数字。2.3EPF10K20TC144-4芯片介绍：2.3.1技术参数工作温度范围：0°C到+85°C针脚数：144SVHC(高度关注物质)：NoSVHC(15-Dec-2010)器件标号：10封装类型：TQFP工作温度敏：0°C工作温度最高：85°C电源电压：5V芯片标号：10K20表面安装器件：表面安装输入数：189逻辑功能号：10K20逻辑芯片功能：可编程2.3.2下载方式Altera公司的FPGA器件有两类配置下载方式：主动配置下载方式和被动配置下载方式。主动配置下载方式由FPGA器件引导配置操作过程，它控制着外部存储器和初始化过程；而被动配置方式则由外部计算机或控制器控制配置过程。FPGA在正常工作时，它的配置数据（下载进去的逻辑信息）存储在SRAM中。由于SRAM的易丢失性，每次加电时，配置数据都必须重新下载。在实验系统中，通常用计算机或控制器进行调试，因此可以使用被动配置方式。而在实用系统中，多数情况下必须由FPGA主动引导配置操作过程，这时FPGA将主动从外围专用芯片中获得配置数据。而此芯片中的FPGA配置信息是用普通编程器将设计得到的PDF格式的文件抄录进去的。Altera公司提供了一系列FPGA专用配置器件，即EPC型号的存储器。专用配置芯片通常是串行的PROM器件。大容量PROM器件也可提供并行接口，按可编程次数分为两类：一类是OTP（一次可编程）器件；另一类是多次可编程的。在此设计中采用的配置器件EPC144-4是OTP型串行PROM。Altera公司为不同系列的器件提供了不同的程序下载方式。MAX器件可以通过JTAG断口下载编程或者专用编程器进行编程下载：FLEX器件可以通过JTAG端口下载、ByteBlaster编程电缆并行口PS（被动串行）配置或者使用串行PROM配置实现。除了使用ByteBlaster进行并行下载，还可以使用BitBlaster进行串行下载和用ByteBlasterMV进行并行下载等。2.4总体框图及各部分设计介绍：2.4.1功能框图：30s2s15s2s东西向东西直红东西直绿东西直黄东西直红东西直红东西拐红东西拐红东西拐红东西拐绿东西拐黄南北向南北直绿南北直黄南北直红南北直红南北直红南北拐红南北拐红南北拐绿南北拐黄南北拐红20s2s10s2s2.4.2各部分输入输出介绍：▪状态机部分的输入为td，输出是t、db1、db2、ER1、EY1、EG1、ER2、EY2、EG2、NR1、NY1、NG1、NR2、NY2、NG2；▪计数器部分的输入为t、db1、db2，输出为td及BCD码；▪译码显示电路部分的输入是BCD码，输出端显示输入的BCD码代表的数字。2.5总体框图设计及各模块的功能介绍：2.5.1状态机：当时钟沿到来后，状态机一方面分别给出高低电平，控制东西南北四个方向直行与左拐两个方向的指示灯ER1、EY1、EG1、ER2、EY2、EG2、NR1、NY1、NG1、NR2、NY2、NG2的亮灭（E表示东西方向，N表示南北方向，R、Y、G分别表示红黄绿三种颜色的灯，1表示直行方向，2表示南北方向），另一方面输出t信号控制可预置数计数器或将两位预置数db2、db1（db2表示高位，db1表示低位）置入计数器中或开始计数。2.5.2可预置数计数器：由于各个方向车流量大小不同，导致各方向直行与左拐所需的时间也各不尽相同，从而使得定时的时间不同。为简化设计、降低成本，本电路采用了可预置数的计数器。当状态机的输出t=0时置数，t=1时开始计数。倒计时显示电路同步显示时间。td信号反馈回状态机，实现对状态机的控制。2.5.3译码显示电路：本电路采用7446译码器与共阳数码管组成译码显示电路。当7446译码器的BI/RBO、RBI、LT端均接高电平时，译码器正常工作，共阳数码管显示数字。状态机状态机tdb1db2CLK可预置数计数器td译码显示电路ER1EY1EG1ER2EY2EG2NR1NY1NG2NY2NR2NG1CLK图5.总体框图2.6状态图：ER1=1EY1=0EG1=0ER2=1EY2=0ER1=1EY1=0EG1=0ER2=1EY2=0EG2=0NR1=0NY1=1NG1=0NR2=1NY2=0NG2=0t20=0t2=1t10=0t30=0t15=0ER1=1EY1=0EG1=0ER2=1EY2=0EG2=0NR1=0NY1=0NG1=1NR2=1NY2=0NG2=0t20=1t2=0t10=0t30=0t15=0ER1=1EY1=0EG1=0ER2=1EY2=0EG2=0NR1=0NY1=1NG1=0NR2=1NY2=0NG2=0t20=0t2=1t10=0t30=0t15=0ER1=1EY1=0EG1=0ER2=1EY2=0EG2=0NR1=0NY1=0NG1=1NR2=1NY2=0NG2=0t20=1t2=0t10=0t30=0t15=0td=Xtd=1td=Xtd=Xtd=1td=XS0S1S2S3td=td=1ER1=1EY1=0EG1=0ER2=1ER1=1EY1=0EG1=0ER2=1EY2=0EG2=0NR1=1NY1=0NG1=0NR2=0NY2=0NG2=1t20=0t2=0t10=1t30=0t15=0ER1=1EY1=0EG1=0ER2=1EY2=0EG2=0NR1=1NY1=0NG1=0NR2=0NY2=0NG2=1t20=0t2=0t10=1t30=0t15=0ER1=1EY1=0EG1=0ER2=1EY2=0EG2=0NR1=1NY1=0NG1=0NR2=0NY2=1NG2=0t20=0t2=1t10=0t30=0t15=0ER1=1EY1=0EG1=0ER2=1EY2=0EG2=0NR1=1NY1=0NG1=0NR2=0NY2=1NG2=0t20=0t2=1t10=0t30=0t15=0td=Xtd=1td=Xtd=Xtd=Xtd=1td=Xtd=XS7S6S5S4td=1td=1( 接S8)ER1=0EY1=1EG1=0ER2=1EY2=0ER1=0EY1=1EG1=0ER2=1EY2=0EG2=0NR1=1NY1=0NG1=0NR2=1NY2=0NG2=0t20=0t2=1t10=0t30=0t15=0ER1=0EY1=1EG1=0ER2=1EY2=0EG2=0NR1=1NY1=0NG1=0NR2=1NY2=0NG2=0t20=0t2=1t10=0t30=0t15=0ER1=0EY1=0EG1=1ER2=1EY2=0EG2=0NR1=1NY1=0NG1=0NR2=1NY2=0NG2=0t20=0t2=0t10=0t30=1t15=0ER1=0EY1=0EG1=1ER2=1EY2=0EG2=0NR1=1NY1=0NG1=0NR2=1NY2=0NG2=0t20=0t2=0t10=0t30=1t15=0td=Xtd=1td=Xtd=Xtd=1td=XS8S9S10S11td=1td=1td=1td=1ER1=1EY1=0EG1=0ER2=0ER1=1EY1=0EG1=0ER2=0EY2=0EG2=1NR1=1NY1=0NG1=0NR2=1NY2=0NG2=0t20=0t2=0t10=0t30=0t15=1ER1=1EY1=0EG1=0ER2=0EY2=0EG2=1NR1=1NY1=0NG1=0NR2=1NY2=0NG2=0t20=0t2=0t10=0t30=0t15=1ER1=1EY1=0EG1=0ER2=0EY2=1EG2=0NR1=1NY1=0NG1=0NR2=1NY2=0NG2=0t20=0t2=1t10=0t30=0t15=0ER1=1EY1=0EG1=0ER2=0EY2=1EG2=0NR1=1NY1=0NG1=0NR2=1NY2=0NG2=0t20=0t2=1t10=0t30=0t15=0td=Xtd=1td=Xtd=Xtd=1td=X(接S0)S15S14S13S12解释：由于东西南北四个方向均需考虑直行与左拐的情况，再加上都有置数和计数两种情况，故共有16个状态。当td=X时计数器置数，当td=1时，计数器开始计数。状态图中的ER1、EY1、EG1、ER2、EY2、EG2、NR1、NY1、NG1、NR2、NY2、NG2分别表示东西和南北方向的直行与左拐的红黄绿三色灯，其中，E表示东西方向，N表示南北方向，R、Y、G分别表示红黄绿三种颜色，1表示直行方向，2表示南北方向；t20、t2、t10、t30、t15表示五种置数与计数要求，每种状态下仅有一个要求满足。ER1、EY1、EG1、ER2、EY2、EG2、NR1、NY1、NG1、NR2、NY2、NG2中为1是表示此灯亮，为0是表示此灯灭；t20、t2、t10、t30、t15中为1是表示在该状态下要求启动对应时间的置数或计数功能，为0是在该状态下不能启动对应时间的置数或计数功能。2.7VerilogHDL语言介绍：VerilogHDL语言就是在用途最广泛的C语言的基础上发展起来的一种硬件描述语言，是一种以文本形式来描述数字系统构和行为的语言，用它可以表示逻辑电路图、逻辑表达式，还可以表示数字逻辑系统所完成的逻辑功能。它是由GDA(GatewayDesignAutomation)公司的PhilMoorby在1983年末首创的，最初只设计了一个仿真与验证工具，之后又陆续开发了相关的故障模拟与时序分析工具。1985年Moorby推出它的第三个商用仿真器Verilog-XL,获得了巨大的成功，从而使得VerilogHDL迅速得到推广应用。1989年CADENCE公司收购了GDA公司，使得VerilogHDL成为了该公司的独家专利。1990年CADENCE公司公开发表了VerilogHDL,并成立LVI组织以促进VerilogHDL成为IEEE标准，即IEEEStandard1364-1995.。VerilogHDL的最大特点就是易学易用，如果有C语言的编程经验，可以在一个较短的时间内很快的学习和掌握，因而可以把VerilogHDL内容安排在与ASIC设计部进行讲授，由于HDL语言本身是专门面向硬件与系统设计的，这样的安排可以使学习者同时获得设计实际电路的经验。与之相比，VHDL的学习要困难一些。但VerilogHDL较自由的语法，也容易造成初学者犯一些错误。本章小结：本章介绍了交通信号灯的设计功能及实现此功能的原理，介绍了产品中用到的FPGA芯片——EPF10K20TC144-4芯片的技术指标和下载方式以及所用的硬件描述语言——VerilogHDL语言。另外，给出了详细功能框图和每个模块的功能、输入和输出信号，以及状态机的状态图，并作出详细的解释。第5章总结与展望：5.1总结：通过基于数字电路的交通信号灯控制器的设计，加深了我们对数字电子技术课程的理解，学以致用，不但回顾了书中所学的基础理论知识，还弥补了一些知识漏洞。同时熟悉了PROTEL99及QUARTUSII软件的使用方法，练习了用VerilogHDL语言编写程序，训练了我们分工合作的团队精神，收获颇丰，令人难忘。在今后的学习中，我们更应该把将理论知识运用到实际中去，多实践，多总结，提高我们对基础知识的感性认识。在这次设计过程中也暴露出我们对软件操作不熟悉、思考欠完整的缺点（译码显示电路的设计欠妥），这是要在今后学习中努力克服的。5.2心得体会：通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力，培养了我们团结协作的精神，训练了我们科学性的思维方式。在整个设计过程中，我们通过这个方案的设计进一步掌握了时序电路的设计思路，练习了PROTEL99及QUARTUSII软件的使用方法，并用VerilogHDL语言描述了我们设计的电路。

在整个设计过程中，经常会遇到这样那样的情况，但大家齐心协力想办法，努力解决遇到的问题。在与队友的讨论中不断丰富了我对知识的理解，弥补了知识上的欠缺，而且很大程度上提高了我对某些知识的再认识。另外，做课程设计的同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次完成课程设计的过程中，我了解到了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。过程曲折可谓一言难尽。在此期间我们也失落过，也曾一度热情高涨。从开始时满富激情到最后汗水背后的复杂心情，点点滴滴无不令我回味无长。

对我们而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次实践必将成为我人生中一个非常美好的回忆！这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多专业知识问题，最后都在夏老师的辛勤指导下全部解决。同时，在老师的身上我学也到很多实用的知识，在此对老师表示感谢！另外，对给过我帮助的所有同学和各位学长也表示忠心的感谢！

自动化0901班（签名）

数电课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现、提出、分析和解决实际问题锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。回顾此次课程设计的完成过程，我感慨颇多。的确，从选题到定稿，从理论到实践，在这短短的时间里，可以说是苦多于甜，但是可以学到很多很多东西。不仅可以巩固以前所学的知识，还可以学到书本上没有学过的知识。通过这次实践，使我懂得了理论与实践相联系的重要性。只有理论知识是远远不够的，只有把理论与实践充分的结合起来