隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，車輛擁有量也隨之急劇增加，再加上人口數(shù)量的膨脹，城市的交通擁擠問題變得日益突出。如何使交通燈" title="交通燈">交通燈的控制更加合理，使現(xiàn)有的交通資源發(fā)揮更大的效益，已經(jīng)成為城市管理者和科技工作者共同關(guān)心的問題。為此，我們設(shè)計開發(fā)了一個交通燈控制系統(tǒng)，由于該系統(tǒng)采用VHDL語言自頂向下的設(shè)計方法，利用可編程邏輯器件CPLD" title="CPLD">CPLD來實現(xiàn)，通過外部輸入可方便地設(shè)定交通燈的延遲時間，使交通燈控制數(shù)字電路設(shè)計得到了優(yōu)化，提高了系統(tǒng)的靈活性、可靠性和可擴展性。該系統(tǒng)可以較好地緩解交通壓力，并可實現(xiàn)對突發(fā)事件進行緊急處理。
在數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域，電子設(shè)計自動化(EDA)工具已經(jīng)成為主要的設(shè)計手段，隨著硬件描述語言VHDL和可編程邏輯器件CPLD的廣泛應用，使數(shù)字電路的設(shè)計得到了優(yōu)化，并且具有很強的設(shè)計和仿真功能。
1 系統(tǒng)原理及方案
交通信號燈是由交通燈控制器控制其紅綠燈周期變化的，現(xiàn)在的大部分十字路口交通燈采用的都是固定周期，由于實際路況較為復雜，不能有效地實時對時間資源的合理調(diào)配，達到緩解交通的目的。本文設(shè)計的交通燈控制系統(tǒng)的周期可以改變，黃燈和東西方向以及南北方向紅燈時間由外部輸入設(shè)定，綠燈由系統(tǒng)依據(jù)設(shè)定值自動計算。
交通燈控制器控制兩個方向交叉路口的交通，以秒為單位，采用倒計時的方式顯示通行或者禁止通行的剩余時間。系統(tǒng)設(shè)置外部輸入復位信號，復位信號有效時，控制信號處于東西方向綠燈狀態(tài)，并讀取設(shè)定輸入值，再將復位信號返回無效狀態(tài)后，系統(tǒng)按新讀入的設(shè)定值運行，綠燈變至紅燈時，黃燈亮，以便于車輛能停在停車線內(nèi)。如果能夠與傳感器相結(jié)合就具有智能功能，能夠根據(jù)當時的路況的隨時做出相應的調(diào)整。交通燈工作時序見圖1。
交通燈在東西南北方向安裝信號燈和數(shù)碼管，兩個方向共6個信號燈，4個數(shù)碼管。下表1是交通燈控制系統(tǒng)紅燈與黃燈可供改變的值。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
復雜可編程器件(CPLD)采用CMOS EPROM、E2PROM和快閃存儲器等編程技術(shù)，構(gòu)成了高密度、高速度和低功耗的可編程邏輯器件。本文設(shè)計的交通燈控制器采用的是Lattice公司提供的CPLD產(chǎn)品－ISPLSI 1032，一片ISPLSI1032中共有192個寄存器，64個I／O管腳，8個特定輸入輸出管腳，4個特定輸入時鐘管腳和一個全局布線池。該器件所需的時鐘脈沖信號由外部電路提供，設(shè)為16MHz。
本文設(shè)計的交通燈用兩組紅黃綠三色的發(fā)光數(shù)碼管LED作為兩方向的紅黃綠燈，用兩組數(shù)碼管作為東西和南北方向的倒計時顯示，用一個七位的撥動開關(guān)作為外部按鍵輸入，還需要741s47譯碼器驅(qū)動數(shù)碼管來實現(xiàn)數(shù)字的倒計時顯示。
撥動開關(guān)高電平位表示"1"，低電平表示"0"，復位信號占撥動開關(guān)的一位，有"1"、"0"兩種狀態(tài)；東西方向和南北方向的紅燈以及黃燈各占兩位，各有"00"、"01"、"10"、"11"四種狀態(tài)，相對應表1中的四種時間。設(shè)計框圖如下：
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計及實現(xiàn)
3．1 頂層設(shè)計
根據(jù)交通燈控制系統(tǒng)的要求，我們將主控電路分為分頻器、信號控制器兩個模塊，在isplever開發(fā)平臺上，分別編譯這兩個模塊的VHDL程序，然后用原理圖輸入法做出項層設(shè)計模塊(見圖3)，其中輸入的信號有16MHz的基準時鐘脈沖、設(shè)定值輸入及復位信號；輸出信號包括兩個方向的綠燈、黃燈、紅燈控制信號，倒計時計數(shù)器的十位、個位的8421BCD碼信號。
3．2 分頻器模塊
分頻器模塊是對輸入16MHz的脈沖進行分頻，把這個固定頻率的時鐘脈沖通過分頻轉(zhuǎn)化為低頻率的脈沖，得到的1Hz信號用作控制器的時鐘信號。圖4為分頻器模塊的框圖。下面為分頻主要程序：
3．3 控制器模塊
控制器模塊的功能是控制信號燈的亮滅和數(shù)碼管的顯示。對于控制器模塊，其輸入信號為1Hz的方波信號、復位信號、黃燈和東西方向紅燈和南北方向紅燈時間設(shè)定值。輸出信號包括東西方向和南北方向綠燈、黃燈、紅燈控制信號。圖5為控制器模塊的框圖。控制器模塊程序
圖中：cp、reset分別為時鐘脈沖和復位輸入信號。yellow_1，yellow_0，ew_red_l，ew_red_0，sn_red_1，sn_red_0分別為黃燈和東西方向紅燈和南北方向紅燈可調(diào)輸入變量。
r_ew，y_ew，g_ew，r_8n，y_sn，g_sn分別為東西方向和南北方向的紅綠燈控制信號。
qhew，qlew，qhsn，qlsn則是東西方向和南北方向的紅綠燈倒數(shù)計時顯示信號。
控制器模塊工作流程：
先由外部開關(guān)控制可調(diào)的南北方向紅燈、東西方向紅燈和黃燈時間的高位和低位。 (設(shè)南北方向紅燈通行時間為X、東西方向紅燈通行時間為Y、黃燈時間通行時間為Z，一個總周期的時間為X+Y)
首先東西方向通行，東西方向綠燈亮，南北方向紅燈亮，且兩個方向上的倒數(shù)計時顯示器由X向下作減法計時。當?shù)褂嫊r顯示器減法計時到Z時，東西方向黃燈亮，南北方向繼續(xù)紅燈。當兩個方向的的倒計時顯示器減法計時到1，然后由1變?yōu)閅后，轉(zhuǎn)為南北方向通行。
南北方向通行：東西方向紅燈亮，南北方向綠燈亮，且兩個方向上的倒計時顯示器由Y向下作減法計時。當?shù)褂嫊r顯示器減法計時到z時，南北方向黃燈亮，東西方向繼續(xù)紅燈。當兩個方向的的倒計時顯示器減法計時到1，然后由1變?yōu)閄后，轉(zhuǎn)為東西方向通行。如此交替運行。
3．4 仿真結(jié)果
對控制器模塊的VHDL程序利用ispLEVER輸入如下的一測試向量：
在isp[EVER平臺上進行仿真，在波形觀察器的窗口觀察仿真結(jié)果。對應上面仿真向量的仿真波形如圖6所示，改變仿真向量可以做出其他仿真波形，結(jié)果都顯示基于VHDL語言的交通燈控制器的硬件實現(xiàn)方法是可行的。
3．5 軟件到硬件的過度
Lattice器件的在系統(tǒng)編程是借助ispVM system軟件來實現(xiàn)的。ispVM SystemTM是一個綜合的將設(shè)計下載到器件的軟件包。運用這一完整的器件編程工具快速簡便地通過i spSTREAMTM將編寫好的程序燒寫到可編程邏輯器件CPLD上，實現(xiàn)軟件到硬件的過渡。
4 結(jié)束語
本設(shè)計由于采用自頂向下法設(shè)計交通燈控制器，合理地處理燈時分配，分頻，控制顯示與編碼的相互關(guān)系，采用VHDL語言層次化和模塊化的設(shè)計方法，減少了設(shè)計芯片的數(shù)量、減少系統(tǒng)開發(fā)周期，降低了功耗，可以通過改變程序或著外部輸入來控制交通燈，經(jīng)過調(diào)試，運行正常。此設(shè)計是基于硬件描述語言VHDL，借助CPLD器件完成的數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計，顯示了可編程器件廣闊前景，加之工藝的改進，可編程邏輯器件的集成度和速度將進一步提高，性能將進一步完善。