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摘要：用VHDL语言设计交通灯控制系统，并在MAX+PLUS II系统对FPGA/CPLD芯片进行下载，由于生成的是集成化的数字电路，没有传统设计中的接线问题，所以故障率低、可靠性高，而且体积小。体现了EDA技术在数字电路设计中的优越性。
关键词：VHDL硬件描述语言；可编程逻辑器件；FPGA/CPLD；交通灯控制系统
中图分类号：TP27文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)06-11605-01
1 引言
交通灯控制系统是数字电路的经典问题，传统的设计方法基于中、小规模集成电路进行，电路元件多、接线复杂、故障率高、可靠性低。电子设计自动化EDA(Electronic Design Automation)技术的发展，在线可编程逻辑器件(In system Program-Programmable Logic Device简称ISP-PLD)的出现，使实验室中制作专用集成电路成为可能。我们使用现场可编程门阵列/复杂可编程逻辑器件FPGA/CPLD(Field Programmable Gate Array/Complex Programmable Logic Device)，用VHDL(超高速集成电路硬件描述语言) 进行以交通灯控制器的设计，用对应的工具软件(本文用MAX+plus II)对FPGA/CPLD芯片“下载”形成专用集成电路，由于不存在人工接线的问题，所以故障率低、可靠性好。
2 交通灯控制系统的系统分析和算法设计
2.1系统分析
十字路口的交通灯指挥着行人和各种车辆的安全运行。实现红绿灯的自动指挥是城市交通管理自动化的重要课题。在一个具有主、支干道的十字路口，设计一个交通灯自动控制装置，实现如下功能：
①由主干道和支干道汇合成十字路口，在入口处设置
红、绿、黄三色信号灯，红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行，黄灯亮则给行驶中的车辆有时间停在禁行线外。
②当主干道与支干道均无车辆要求通行时，主干道应保持畅通，亮绿灯；支干道亮红灯。
③如果主干道无车，支干道有车，则允许支干道通行，主干道亮红灯，支干道亮绿灯。
④如果主干道和支干道均有车要求通行，则两者应交替通行，并要求主干道每次通行30秒钟，支干道每次通行20秒钟。
⑤每次绿灯变红，黄灯应先亮5秒。
通过分析，可以得到信号灯切换顺序，如图1所示（A表示主干道、B表示支干道）。
图1 信号灯切换顺序
2.2算法设计
交通灯系统工作主要有三个时间间隔 Tt、Ts、Ty: Tt表示主干道绿灯亮的时间间隔30s；Ts表示支干道绿灯亮的时间间隔20s；Ty表示主干道或支干道黄灯亮的时间间隔5s。用定时模块分别产生三个时间间隔后，向控制器发出“时间已到”信号，控制器根据定时模块信号，决定是否进行状态转换。如果肯定，则控制器发出状态转换信号，计数器清零，准备重新计时。
交通灯控制器的控制过程分为四个阶段。，对应的输出有四种状态，分别为S0、S1、S2和S3表示，按照格雷码进行编码分别为00、01、11和10，在此给出交通灯控制系统的工作流程图如图2所示，也可看作系统控制器的ASM图。设系统的初始状态为主干道绿灯亮、支干道红灯亮，用S0状态框表示。
图2 交通控制器工作流程图（ASM图）
3 交通灯控制系统的设计实现
由上述分析，可以得到系统框图如图3所示，系统由传感器、时钟电路控制器、定时器和6个交通管理灯组成。
3.1传感器和时钟电路
在主干道和支干道设传感器，可检测到主、支干道上是否由车辆要求通过十字路口。主干道上的传感器发出的信号分别用Sa和Sb表示，Sa和Sb若为‘1’，表示有车辆要求通行，否则表示无车辆要求通行。
时钟电路用来产生一个稳定的clk秒脉冲信号，以供计时和系统的同步控制。秒脉冲信号可以由晶体振荡器输出信号经过分频后产生；当精度和稳定性要求不高时，可以采用RC环形振荡器、555定时器或其它振荡电路产生。
图3 交通控制系统框图
3.2定时器
定时器在控制器提供的计时信号cnt和清零信号cr的作用下完成定时功能，并向控制器提供5s、20s、30s的计时信号。
3.3控制器
控制器设计是本系统的核心，它的作用是根据传感器和定时器提供的信号，判断、调整和控制整个系统的状态，并控制定时电路工作，提供适当的灯光控制信号。其中控制主、支干道上的红、黄、绿灯的信号分别用R、Y、G和r、y、g表示：其值为‘1’表示灯亮，为‘0’表示灯灭。
由于本系统的规模较小，因此可选用一片CPLD或FPGA器件来实现，现在利用MAX+PLUS II开发系统，采用分层次描述方式来完成设计，且用图形输入和文本输入混合方式建立描述文件，其中顶层设计采用图形输入法，它用图形表明系统的组成，在顶层图中，clk、Sa、和Sb为输入信号；R、Y、G、r、y和g为输出信号；cr和cnt为节点信号（节点信号属于内部信号，对外无引脚）。底层采用VHDL文本输入方式。由图2所示的ASM图，可以导出系统控制电路的MDS图，如图4所示。1个完整的VHDL语言程序通常包含实体(Entity)、构造体(Architecture)、配置、包集合(Package)和库(Library)5个部分。根据MDS图就可以设计出相应的VHDL源文件。
图4 交通控制系统的MDS图
4 编译、仿真与器件编程
在MAX+PLUS II的文本编辑器中完成源程序的设计，接着就是对其进行编译，编译的目的是为了生成可以进行仿真、定时分析以及下载到可编程器件的相关文件。选MAX+PLUS II菜单下的Compiler Netlist Extractor、Logic Synthesizer、Partitioner、Fitter、Timing SNF Extractor、Assembler共七个模块，包括了综合、布线到生成下载文件的整个过程。本设计的源程序顺利地通过了编译，但这只能说明源文件没有语法错误，要检验是否能完成预定的功能，可对其进行仿真。在时序仿真阶段，还可以做一个延时分析。例如：在选用FLEK系列的EPF10K10LC84-3的情况下，进行建立/保持时间分析，也可以给出片内所用寄存器的性能，近似表示此器件正常工作的最高频率。当时序仿真得到正确的结果后，最后把编译的“.pof”文件或“.sof”文件下载到具体的CPLD/FPGA器件中。本设计已下载到CPLD器件（EPF10K10LC84-3）中，通过实验系统得到验证。
5 结束语
本系统借助CPLD/FPGA器件及其支撑软件，快速、明确地完成了对交通灯的控制功能，而且可以看到VHDL对设计的描述具有相对独立性,毋需通过门级原理图描述电路,而是针对目标进行功能描述.这种设计方法使设计人员摆脱了电路细节的束缚,效率高、可靠性好、成本低。这些都体现了EDA技术的优越性和广阔的应用前景。
参考文献：
[1]陈意军.基于VHDL的FPGA开发[J].电子与封装,2006.3 :9-11.
[2]平均芬.硬件描述语言VHDL在数字系统设计中的应用[J].浙江工业大学学报,2006.2:20-21.
[3]高书莉.罗朝霞.可编程逻辑设计技术及应用[M].北京:人民邮电出版社,2005.9.
[4]蒋璇,臧春华. 数字系统设计与PLD应用技术[M].北京:电子工业出版社,2006.1.
[5]徐志军. CPLD/FPGA的开发与应用[M].北京:电子工业出版社, 2005.1.
本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。
关键词：VHDL硬件描述语言；可编程逻辑器件；FPGA/CPLD；交通灯控制系统
中图分类号：TP27文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)06-11605-01
1 引言
交通灯控制系统是数字电路的经典问题，传统的设计方法基于中、小规模集成电路进行，电路元件多、接线复杂、故障率高、可靠性低。电子设计自动化EDA(Electronic Design Automation)技术的发展，在线可编程逻辑器件(In system Program-Programmable Logic Device简称ISP-PLD)的出现，使实验室中制作专用集成电路成为可能。我们使用现场可编程门阵列/复杂可编程逻辑器件FPGA/CPLD(Field Programmable Gate Array/Complex Programmable Logic Device)，用VHDL(超高速集成电路硬件描述语言) 进行以交通灯控制器的设计，用对应的工具软件(本文用MAX+plus II)对FPGA/CPLD芯片“下载”形成专用集成电路，由于不存在人工接线的问题，所以故障率低、可靠性好。
2 交通灯控制系统的系统分析和算法设计
2.1系统分析
十字路口的交通灯指挥着行人和各种车辆的安全运行。实现红绿灯的自动指挥是城市交通管理自动化的重要课题。在一个具有主、支干道的十字路口，设计一个交通灯自动控制装置，实现如下功能：
①由主干道和支干道汇合成十字路口，在入口处设置
红、绿、黄三色信号灯，红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行，黄灯亮则给行驶中的车辆有时间停在禁行线外。
②当主干道与支干道均无车辆要求通行时，主干道应保持畅通，亮绿灯；支干道亮红灯。
③如果主干道无车，支干道有车，则允许支干道通行，主干道亮红灯，支干道亮绿灯。
④如果主干道和支干道均有车要求通行，则两者应交替通行，并要求主干道每次通行30秒钟，支干道每次通行20秒钟。
⑤每次绿灯变红，黄灯应先亮5秒。
通过分析，可以得到信号灯切换顺序，如图1所示（A表示主干道、B表示支干道）。
图1 信号灯切换顺序
2.2算法设计
交通灯系统工作主要有三个时间间隔 Tt、Ts、Ty: Tt表示主干道绿灯亮的时间间隔30s；Ts表示支干道绿灯亮的时间间隔20s；Ty表示主干道或支干道黄灯亮的时间间隔5s。用定时模块分别产生三个时间间隔后，向控制器发出“时间已到”信号，控制器根据定时模块信号，决定是否进行状态转换。如果肯定，则控制器发出状态转换信号，计数器清零，准备重新计时。
交通灯控制器的控制过程分为四个阶段。，对应的输出有四种状态，分别为S0、S1、S2和S3表示，按照格雷码进行编码分别为00、01、11和10，在此给出交通灯控制系统的工作流程图如图2所示，也可看作系统控制器的ASM图。设系统的初始状态为主干道绿灯亮、支干道红灯亮，用S0状态框表示。
图2 交通控制器工作流程图（ASM图）
3 交通灯控制系统的设计实现
由上述分析，可以得到系统框图如图3所示，系统由传感器、时钟电路控制器、定时器和6个交通管理灯组成。
3.1传感器和时钟电路
在主干道和支干道设传感器，可检测到主、支干道上是否由车辆要求通过十字路口。主干道上的传感器发出的信号分别用Sa和Sb表示，Sa和Sb若为‘1’，表示有车辆要求通行，否则表示无车辆要求通行。
时钟电路用来产生一个稳定的clk秒脉冲信号，以供计时和系统的同步控制。秒脉冲信号可以由晶体振荡器输出信号经过分频后产生；当精度和稳定性要求不高时，可以采用RC环形振荡器、555定时器或其它振荡电路产生。
图3 交通控制系统框图
3.2定时器
定时器在控制器提供的计时信号cnt和清零信号cr的作用下完成定时功能，并向控制器提供5s、20s、30s的计时信号。
3.3控制器
控制器设计是本系统的核心，它的作用是根据传感器和定时器提供的信号，判断、调整和控制整个系统的状态，并控制定时电路工作，提供适当的灯光控制信号。其中控制主、支干道上的红、黄、绿灯的信号分别用R、Y、G和r、y、g表示：其值为‘1’表示灯亮，为‘0’表示灯灭。
由于本系统的规模较小，因此可选用一片CPLD或FPGA器件来实现，现在利用MAX+PLUS II开发系统，采用分层次描述方式来完成设计，且用图形输入和文本输入混合方式建立描述文件，其中顶层设计采用图形输入法，它用图形表明系统的组成，在顶层图中，clk、Sa、和Sb为输入信号；R、Y、G、r、y和g为输出信号；cr和cnt为节点信号（节点信号属于内部信号，对外无引脚）。底层采用VHDL文本输入方式。由图2所示的ASM图，可以导出系统控制电路的MDS图，如图4所示。1个完整的VHDL语言程序通常包含实体(Entity)、构造体(Architecture)、配置、包集合(Package)和库(Library)5个部分。根据MDS图就可以设计出相应的VHDL源文件。
图4 交通控制系统的MDS图
4 编译、仿真与器件编程
在MAX+PLUS II的文本编辑器中完成源程序的设计，接着就是对其进行编译，编译的目的是为了生成可以进行仿真、定时分析以及下载到可编程器件的相关文件。选MAX+PLUS II菜单下的Compiler Netlist Extractor、Logic Synthesizer、Partitioner、Fitter、Timing SNF Extractor、Assembler共七个模块，包括了综合、布线到生成下载文件的整个过程。本设计的源程序顺利地通过了编译，但这只能说明源文件没有语法错误，要检验是否能完成预定的功能，可对其进行仿真。在时序仿真阶段，还可以做一个延时分析。例如：在选用FLEK系列的EPF10K10LC84-3的情况下，进行建立/保持时间分析，也可以给出片内所用寄存器的性能，近似表示此器件正常工作的最高频率。当时序仿真得到正确的结果后，最后把编译的“.pof”文件或“.sof”文件下载到具体的CPLD/FPGA器件中。本设计已下载到CPLD器件（EPF10K10LC84-3）中，通过实验系统得到验证。
5 结束语
本系统借助CPLD/FPGA器件及其支撑软件，快速、明确地完成了对交通灯的控制功能，而且可以看到VHDL对设计的描述具有相对独立性,毋需通过门级原理图描述电路,而是针对目标进行功能描述.这种设计方法使设计人员摆脱了电路细节的束缚,效率高、可靠性好、成本低。这些都体现了EDA技术的优越性和广阔的应用前景。
参考文献：
[1]陈意军.基于VHDL的FPGA开发[J].电子与封装,2006.3 :9-11.
[2]平均芬.硬件描述语言VHDL在数字系统设计中的应用[J].浙江工业大学学报,2006.2:20-21.
[3]高书莉.罗朝霞.可编程逻辑设计技术及应用[M].北京:人民邮电出版社,2005.9.
[4]蒋璇,臧春华. 数字系统设计与PLD应用技术[M].北京:电子工业出版社,2006.1.
[5]徐志军. CPLD/FPGA的开发与应用[M].北京:电子工业出版社, 2005.1.
本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。