基于硬件描述语言的交通信号控制器设计(附件)【字数：9026】
摘 要目前,交通灯被广泛应用在各个路口,它是城市交通系统的重要部分。用来控制车辆的流通性,使交通路口的车辆在通行时井然有序。主要目的是保证十字路口的车辆的流通性，形成良好的车辆交通秩序，减少交通事故的发生。Verilog HDL(Hardware Description Language)是一种规范性比较强的语言,经常被在电路的设计中使用。用这种语言去设计交通灯控制器时，可以用不同的工具去支持这种语言的描述,也可以通过不同的器件去实现。本文在设计交通灯信号控制器系统时，主要采用Verilog HDL语言中自顶向下的设计方法,使交通道路口的红绿灯可以正常运转,有效的控制车辆的流通。并通过Quartus II完成综合、仿真、绘出仿真波形。
目 录
第一章 绪论 1
1.1背景 1
1.2 目的及意义 1
1.3研究的问题 2
第二章 开发环境介绍 3
2.1 EDA技术 3
2.2 Verilog HDL语言 3
2.3 Quartus II介绍 4
第三章 控制系统的设计 6
3.1设计思路 6
3.2模块设计 7
第四章 系统仿真 9
4.1 模块仿真 9
4.2 整体仿真 11
结束语 14
致 谢 15
参考文献 16
第一章 绪论
1.1背景
随着车辆数量的快速增加，交通拥堵的问题变得越来越严重，虽然可以通过扩展现有的车道及其道路来缓解交通堵塞的情况，但是这种方法所带来的成本和开发时间却增加很多。最好的方法是在道路的交叉路口提供高效、智能的车辆流通控制的管理。车辆交通通常由交通信号灯或安装在繁忙路口的交通灯来维持。通常它是由三种颜色的灯控制的，而且每一种灯的颜色的含义各不一样，如:红色=Stop，绿色=Go等等[1]。
在国内，智能的交通信号控制系统的研究领域比较高。通过改进并且完善模糊理论,出现了大批量的学者专心于研究城市交通信号的模糊控制的现象,并且取得了一定的成效[2]。不过对于这种模糊控制的设计，在设计的过程中依然出现了很多问题,如简 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
单的模糊处理将会降低系统的控制精度，使他的动态品质变差，并且很难去总结它的规则。量化因子、比例因子及隶属度函数大多使用试凑法,这种方法最大的缺点就是人所产生的影响较大，如果单单依靠设计者过去的经验，对它反复的进行调试,这样不仅仅降低了整个设计的系统性,也没有办法保证模糊控制达到最优的控制性能状态[3]。针对这一系列的问题，在研究交通信号控制系统时，开始采用遗传算法或改进的遗传算法,但使用的方法依旧存在很多情况,例如：可能导致缓慢的进化、收敛过早的现象等[4]。因此,设计一套有效的自动控制车辆流通的智能交通信号控制系统是很有必要的。
在国外,英国、澳大利亚、日本和美国等国家都在自己的某些都市的主要交通路口使用了道路交通自动控制系统。在这些系统中,大多数都是把磁性环路检测器安装在各路口,并在各路口安设控制装置,用小型计算机进行集中统一的控制[5]。然而,交通系统是一个具有很强的非线性、随机性的开放式的复杂系统,具有太高的系统维数,再加上这个系统的设计还会有人的参与,因此，对它进行有效地控制变成一个非常复杂的问题[6]。面对这种问题,我们决定采用先进的智能的调控，来解决复杂的交通信号的控制系统问题,这也说明智能化的交通控制器慢慢的开始使用在日常生活中。
1.2 目的及意义
智能交通系统(Intelligent Traffic System，简称ITS)作为21世纪交通运输体系的发展方向，研究方面及其成长空间很大，因此，受到了全世界的重视[7]。现代都市智能交通系统的重要构成之一就是都市交通信号控制系统，它主要是用来调控和管理城市线路交通的流动性，使其达到一定的规范性，确保道路的畅通。交通灯控制器（Traffic Light Controller,简称TLC）用于减少或消除多个交通流之间的区域冲突，称为交叉口[8]。在车辆流通量达到高峰的时候，如上下班期间，车辆多，此时就需要有一个有效的交通灯控制器来避免交通堵塞。这将导致减少燃料消耗、车辆排放和事故[9]。城市十字路口使用一个有效的交通信号控制器，可以大幅度的提高车辆流通，减少拥堵的风险，因此，这种方法可以更好的提高交通管理。使用这种方法所设计的交通信号控制方案，都要通过交通信号控制器去促成。
通过本次设计，将所学到的书本上的理论知识和实际交通情况有机地结合起来，有助于提升自己分析和解决问题的能力，提高面对实际生活中出现问题时的适应能力，也为我此后的深造和工作打下了杰出的根底。
1.3研究的问题
本文主要是对交通信号控制器的一个设计，通过使用Verilog HDL语言进行编码，来实现交通路口信号灯的有效控制，缓解交通压力，舒缓交通拥堵等问题。并通过Quartus II完成综合、仿真。进而达到一个交通信号灯红黄绿及左转灯依次点亮的效果，并且在数码管上显示出当前状态下倒计时的数据。要想达到这个效果,就需要解决以下几个问题:
（1）实现时钟分频模块；
（2）实现数码管模块；
（3）实现LED灯模块；
（4）实现主控制模块。主要是控制各个灯的颜色转换，以及倒计时时间输出。
第二章 开发环境介绍
2.1 EDA技术
EDA是电子设计自动化（Electronic Design Automation）的缩写，它所使用的工具就是计算机。设计者在EDA软件平台上，用verilog HDL编写程序，再通过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，达到对指定芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作[10]。
电子设计技术的发展最新方向就是EDA技术，利用EDA工具电子设计师可以运用计算机设计大量的电子系统设计，从概念、算法、协议等方面对它进行设计。设计者采用的设计方法首先从系统设计入手，在顶层进行功能方框图的划分和结构设计。设计的主要方针和调试过程是在高层次上完成的，这样可以随时发现你是否有结构设计上的错误，不至于在完成全部工作准备运行时才发现问题，那时查找错误会花费大量的时间，有效的减少了设计时间，这样也减少了逻辑功能仿真的工作量，提高了设计的一次性成功率[11]。
其特征是：设计人员使用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多片专用集成电路实现，然后使用Verilog hdl语言来编写系统行为级的设计，最后再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最高层次的电子设计方法。
目 录
第一章 绪论 1
1.1背景 1
1.2 目的及意义 1
1.3研究的问题 2
第二章 开发环境介绍 3
2.1 EDA技术 3
2.2 Verilog HDL语言 3
2.3 Quartus II介绍 4
第三章 控制系统的设计 6
3.1设计思路 6
3.2模块设计 7
第四章 系统仿真 9
4.1 模块仿真 9
4.2 整体仿真 11
结束语 14
致 谢 15
参考文献 16
第一章 绪论
1.1背景
随着车辆数量的快速增加，交通拥堵的问题变得越来越严重，虽然可以通过扩展现有的车道及其道路来缓解交通堵塞的情况，但是这种方法所带来的成本和开发时间却增加很多。最好的方法是在道路的交叉路口提供高效、智能的车辆流通控制的管理。车辆交通通常由交通信号灯或安装在繁忙路口的交通灯来维持。通常它是由三种颜色的灯控制的，而且每一种灯的颜色的含义各不一样，如:红色=Stop，绿色=Go等等[1]。
在国内，智能的交通信号控制系统的研究领域比较高。通过改进并且完善模糊理论,出现了大批量的学者专心于研究城市交通信号的模糊控制的现象,并且取得了一定的成效[2]。不过对于这种模糊控制的设计，在设计的过程中依然出现了很多问题,如简 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
单的模糊处理将会降低系统的控制精度，使他的动态品质变差，并且很难去总结它的规则。量化因子、比例因子及隶属度函数大多使用试凑法,这种方法最大的缺点就是人所产生的影响较大，如果单单依靠设计者过去的经验，对它反复的进行调试,这样不仅仅降低了整个设计的系统性,也没有办法保证模糊控制达到最优的控制性能状态[3]。针对这一系列的问题，在研究交通信号控制系统时，开始采用遗传算法或改进的遗传算法,但使用的方法依旧存在很多情况,例如：可能导致缓慢的进化、收敛过早的现象等[4]。因此,设计一套有效的自动控制车辆流通的智能交通信号控制系统是很有必要的。
在国外,英国、澳大利亚、日本和美国等国家都在自己的某些都市的主要交通路口使用了道路交通自动控制系统。在这些系统中,大多数都是把磁性环路检测器安装在各路口,并在各路口安设控制装置,用小型计算机进行集中统一的控制[5]。然而,交通系统是一个具有很强的非线性、随机性的开放式的复杂系统,具有太高的系统维数,再加上这个系统的设计还会有人的参与,因此，对它进行有效地控制变成一个非常复杂的问题[6]。面对这种问题,我们决定采用先进的智能的调控，来解决复杂的交通信号的控制系统问题,这也说明智能化的交通控制器慢慢的开始使用在日常生活中。
1.2 目的及意义
智能交通系统(Intelligent Traffic System，简称ITS)作为21世纪交通运输体系的发展方向，研究方面及其成长空间很大，因此，受到了全世界的重视[7]。现代都市智能交通系统的重要构成之一就是都市交通信号控制系统，它主要是用来调控和管理城市线路交通的流动性，使其达到一定的规范性，确保道路的畅通。交通灯控制器（Traffic Light Controller,简称TLC）用于减少或消除多个交通流之间的区域冲突，称为交叉口[8]。在车辆流通量达到高峰的时候，如上下班期间，车辆多，此时就需要有一个有效的交通灯控制器来避免交通堵塞。这将导致减少燃料消耗、车辆排放和事故[9]。城市十字路口使用一个有效的交通信号控制器，可以大幅度的提高车辆流通，减少拥堵的风险，因此，这种方法可以更好的提高交通管理。使用这种方法所设计的交通信号控制方案，都要通过交通信号控制器去促成。
通过本次设计，将所学到的书本上的理论知识和实际交通情况有机地结合起来，有助于提升自己分析和解决问题的能力，提高面对实际生活中出现问题时的适应能力，也为我此后的深造和工作打下了杰出的根底。
1.3研究的问题
本文主要是对交通信号控制器的一个设计，通过使用Verilog HDL语言进行编码，来实现交通路口信号灯的有效控制，缓解交通压力，舒缓交通拥堵等问题。并通过Quartus II完成综合、仿真。进而达到一个交通信号灯红黄绿及左转灯依次点亮的效果，并且在数码管上显示出当前状态下倒计时的数据。要想达到这个效果,就需要解决以下几个问题:
（1）实现时钟分频模块；
（2）实现数码管模块；
（3）实现LED灯模块；
（4）实现主控制模块。主要是控制各个灯的颜色转换，以及倒计时时间输出。
第二章 开发环境介绍
2.1 EDA技术
EDA是电子设计自动化（Electronic Design Automation）的缩写，它所使用的工具就是计算机。设计者在EDA软件平台上，用verilog HDL编写程序，再通过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，达到对指定芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作[10]。
电子设计技术的发展最新方向就是EDA技术，利用EDA工具电子设计师可以运用计算机设计大量的电子系统设计，从概念、算法、协议等方面对它进行设计。设计者采用的设计方法首先从系统设计入手，在顶层进行功能方框图的划分和结构设计。设计的主要方针和调试过程是在高层次上完成的，这样可以随时发现你是否有结构设计上的错误，不至于在完成全部工作准备运行时才发现问题，那时查找错误会花费大量的时间，有效的减少了设计时间，这样也减少了逻辑功能仿真的工作量，提高了设计的一次性成功率[11]。
其特征是：设计人员使用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多片专用集成电路实现，然后使用Verilog hdl语言来编写系统行为级的设计，最后再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最高层次的电子设计方法。
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