關(guān)吉

摘要：該文介紹了一種基于VHDL語言的交通控制器設(shè)計(jì)，以QuartusII為軟件開發(fā)平臺(tái)，文中重點(diǎn)介紹該交通控制器的設(shè)計(jì)原理、設(shè)計(jì)步驟。在此基礎(chǔ)上給出了基于VHDL硬件描述語言的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)源代碼以及仿真結(jié)果，通過仿真結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了該交通控制器方案的正確性，從而展示VHDL語言的強(qiáng)大結(jié)構(gòu)和優(yōu)秀特性。

關(guān)鍵詞：EDA技術(shù)；VHDL語言；交通控制器；波形仿真

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）10-2404-03

Abstract： This paper presents a traffic controller design based on VHDL language， using QuartusII as software development platform， the paper focuses on the design principle and design procedure of the traffic controller. On this basis， given the realization of system source code and simulation results based on VHDL hardware description language， the simulation results further validate the correctness of the traffic controller program， thus demonstrating strong structural and excellent features of VHDL language.

Key words： EDA technology；VHDL language；traffic controller；waveform simulation

EDA電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)已成為電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域一種重要的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)手段，通過EDA技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)利用軟件的方式來設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)。電子工程技術(shù)人員能夠在EDA軟件平臺(tái)上，根據(jù)硬件描述語言所編寫的文件完成程序的編輯、仿真、綜合、優(yōu)化、布局布線和下載，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件功能的描述。與傳統(tǒng)的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程不同，其需要經(jīng)過設(shè)計(jì)輸入、仿真調(diào)試、制作樣機(jī)、樣機(jī)調(diào)試、完成，這5個(gè)步驟，將傳統(tǒng)的硬件調(diào)試過程移交給計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)給出調(diào)試結(jié)果和錯(cuò)誤類型，使得調(diào)試工作變得輕松。

VHDL語言為現(xiàn)今電子設(shè)計(jì)的主流硬件描述語言，誕生于1982年，并于1987年底被IEEE和美國國防部確認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)的硬件描述語言。VHDL硬件描述語言，其語言結(jié)構(gòu)強(qiáng)大，能夠利用簡明的代碼描述復(fù)雜的控制邏輯設(shè)計(jì)，具有多層次的電路設(shè)計(jì)描述功能，既能夠描述系統(tǒng)級(jí)電路，也可以描述門級(jí)電路，此外能夠?qū)⑼粋€(gè)硬件電路的VHDL語言描述進(jìn)行移植。

應(yīng)用VHDL語言設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)，能夠減小硬件電路設(shè)計(jì)的工作量，縮短系統(tǒng)開發(fā)周期，提高工作效率，該文將介紹基于VHDL語言的交通控制器設(shè)計(jì)，在給出源代碼和仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)一步驗(yàn)證EDA技術(shù)以及VHDL語言的優(yōu)勢(shì)。

1 系統(tǒng)功能與要求

高速公路與小路交叉口處車輛較多，極易出現(xiàn)交通事故，對(duì)于交叉路口的紅綠燈設(shè)計(jì)極為重要，此處要求，只有在小路發(fā)現(xiàn)汽車時(shí)，高速公路上的交通燈才能變?yōu)榧t燈，當(dāng)小路上有汽車行進(jìn)時(shí)，小路的交通燈保持為綠燈，但不能超過給定的延遲時(shí)間，當(dāng)高速上的紅綠燈轉(zhuǎn)為綠燈后，即使小路上再有汽車出現(xiàn)，而此時(shí)公路上沒有汽車，也要保證高速上的綠燈持續(xù)一定的間隔。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)要求，需要在此公路和小路上各設(shè)了一個(gè)紅綠燈分別為：grgy，xrgy，來控制各自道路上通行車輛，同時(shí)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中作為輸出，在系統(tǒng)設(shè)置中設(shè)置了三個(gè)輸入端分別為：clk，che，rest且都為標(biāo)準(zhǔn)邏輯類型，其中clk作為兩燈需進(jìn)行變化時(shí)的時(shí)鐘，在時(shí)鐘上升沿時(shí)控制相應(yīng)的計(jì)數(shù)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，che作為使能信號(hào)當(dāng)其為‘1表明小路有車，rest作為復(fù)位輸入，當(dāng)有特殊情況時(shí)或紅綠燈出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)rest置‘1可使紅綠燈自動(dòng)回到公路上綠燈，小路上紅燈的情況。

同時(shí)，根據(jù)需要可以用一狀態(tài)機(jī)來表示公路，小路上各紅綠燈的情況，其大體由四種狀態(tài)，我們?cè)诮Y(jié)構(gòu)體中定義一狀態(tài)機(jī)stx用其四種狀態(tài)st0，st1，st2，st3來分別表示：公路綠燈小路紅燈、公路黃燈小路紅燈、公路紅燈小路綠燈、公路紅燈小路黃燈四種狀態(tài)。并且在結(jié)構(gòu)體中定義狀態(tài)信號(hào)current_state作為表示表示當(dāng)前狀態(tài)的信號(hào)，之后定義四個(gè)整數(shù)類型計(jì)數(shù)信號(hào)：clkg，clkx，clky1，clky2來分別為公路上綠燈持續(xù)時(shí)間，小路上綠燈持續(xù)時(shí)間，公路上黃燈持續(xù)時(shí)間，小路上黃燈持續(xù)時(shí)間計(jì)數(shù)。

2.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)要求，按照上述設(shè)計(jì)方案，將系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行分析，具體是：

當(dāng)時(shí)鐘在上升沿時(shí)如果che為‘1且rest為‘0（說明小路上有車且交通燈正常工作）時(shí)：如果current_state為st0即當(dāng)前公路上為綠燈小路上為紅燈時(shí)，公路上的綠燈計(jì)數(shù)器clkg計(jì)數(shù)（此處設(shè)計(jì)綠燈持續(xù)時(shí)間應(yīng)為23秒，又因?yàn)橛?jì)數(shù)是從0開始則此處要求計(jì)數(shù)終止點(diǎn)在22）當(dāng)計(jì)數(shù)小于22時(shí)公路上綠燈計(jì)數(shù)信號(hào)一直計(jì)數(shù)，直到計(jì)數(shù)等于22時(shí)，狀態(tài)可以轉(zhuǎn)換到下一狀態(tài)及st1狀態(tài)。

如果current_state為st1即當(dāng)前公路上為黃燈小路上為紅燈時(shí)，公路上黃燈計(jì)數(shù)信號(hào)clky1計(jì)數(shù)（此處設(shè)黃燈持續(xù)時(shí)間為5秒，即設(shè)終止點(diǎn)位4）當(dāng)計(jì)數(shù)小于4時(shí)公路上黃燈計(jì)數(shù)信號(hào)一直計(jì)數(shù)，直到計(jì)數(shù)等于4時(shí)，狀態(tài)轉(zhuǎn)換到下一狀態(tài)st2。

如果current_state為st2時(shí)即當(dāng)前公路上為紅燈小路上為綠燈時(shí)，小路上綠燈計(jì)數(shù)信號(hào)clkx計(jì)數(shù)（此處設(shè)計(jì)小路上綠燈持續(xù)時(shí)間為17秒，且計(jì)數(shù)終止時(shí)間為16）當(dāng)計(jì)數(shù)小于16時(shí)小路上路燈計(jì)數(shù)信號(hào)計(jì)數(shù)，直到計(jì)數(shù)等于16時(shí)，狀態(tài)可以轉(zhuǎn)換到下一狀態(tài)st3。

如果current_state為st3時(shí)即當(dāng)前公路上為紅燈小路上為黃燈時(shí)，小路黃燈計(jì)數(shù)信號(hào)clky2計(jì)數(shù)（同樣設(shè)黃燈持續(xù)時(shí)間為5秒，即設(shè)終止點(diǎn)位4）當(dāng)計(jì)數(shù)小于4時(shí)小路上黃燈計(jì)數(shù)信號(hào)一直計(jì)數(shù)，直到計(jì)數(shù)等于4時(shí)，狀態(tài)返回到st0。

而對(duì)于任何其他情況例如小路上無車che為‘0還有其他錯(cuò)誤地方則設(shè)current_state都為st0狀態(tài)。

具體的交通控制器VHDL源代碼如下：

通過對(duì)仿真波形的結(jié)果，可以知道，圖 1顯示的為當(dāng)小路上有車時(shí)公路綠燈小路紅燈狀態(tài)到公路黃燈小路紅燈狀態(tài)再到公路紅燈小路綠燈狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過程。由圖可以看出在狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中，時(shí)間控制方面滿足要求，稍有一些延遲現(xiàn)象。且在接觸點(diǎn)時(shí)偶爾會(huì)有一絲毛刺。其原因一是在整個(gè)結(jié)構(gòu)體中存在兩個(gè)進(jìn)程，在狀態(tài)機(jī)體應(yīng)用中，若使用多進(jìn)程方式由于其自身特點(diǎn)容易發(fā)生延遲和多毛刺現(xiàn)象，而在此已將最初設(shè)計(jì)的三進(jìn)程改為兩進(jìn)程基本解決毛刺現(xiàn)象。圖 2則為將各燈每一時(shí)刻的具體數(shù)字電平加以顯示，可以具體觀察毛刺現(xiàn)象。由圖2可以看出在公路紅燈小路綠燈到公路紅燈小路黃燈等狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)的具體波形。圖 3為在最初階段che為‘0即小路無車時(shí)公路小路交通燈的具體情況，此時(shí)公路綠燈小路紅燈，與設(shè)計(jì)符合。

4 結(jié)論

通過該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步領(lǐng)會(huì)VHDL 語言強(qiáng)大的行為描述能力和豐富的仿真語句及庫函數(shù)，VHDL語言的優(yōu)勢(shì)決定了它具有支持大規(guī)模設(shè)計(jì)的分析和已有設(shè)計(jì)的再利用功能。使用QuartusII軟件平臺(tái)進(jìn)行編譯和仿真驗(yàn)證，表明該交通控制器能夠符合預(yù)定設(shè)計(jì)目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 潘松，黃繼業(yè).EDA技術(shù)與VHDL[M]. 3版.北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[2] 詹仙寧.VHDL開發(fā)精解與實(shí)例剖析[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[3] 譚會(huì)生，瞿遂春.EDA 技術(shù)綜合應(yīng)用實(shí)例與分析[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2004.

[4] 于潤偉.EDA基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[5] 劉昌華，張希.數(shù)字邏輯EDA設(shè)計(jì)與實(shí)踐-MAX+PLUS II與QUARTUS II雙劍合璧[M].北京：國防工業(yè)出版社，2009.