層次化設計方法在交通信號燈設計中的應用分析

王苑東

摘要：隨著電子信息技術的發(fā)展，EDA技術以其自身硬件描述語言對FPGC進行了編程，改變了傳統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)的設計方法。EDA技術下的FPGC能夠有效克服交通信號燈控制系統(tǒng)傳統(tǒng)設計的弊端，改善現(xiàn)有交通信號燈設計問題。因此，文章針對交通信號燈控制器設計存在的問題，利用VHDL語言，采用層次化設計方法，對交通信號燈設計中的控制器編制VHDL程序，具體展現(xiàn)EDA設計中層次化分析法的重要性。

關鍵詞：層次化設計；交通信號燈；設計；EDA技術；VHDL程序

層次化設計是一種自上而下的設計，主要是設計者從程序系統(tǒng)的要求出發(fā)，自上而下的對程序系統(tǒng)設計的內容進行細化，最終實現(xiàn)對系統(tǒng)程序硬件的整體設計。EDA技術的輸入方式包括原理圖輸入方式和描述性語言輸入方式，對于交通信號燈復雜的設計系統(tǒng)，如果完善按照原理圖的輸入方式進行設計，存在工作量大、容易出差錯的問題。而運用層次化設計方法能夠實現(xiàn)設計的進一步細化，并在分模塊設計分析的同時，實現(xiàn)條理清晰的設計模式，為每一模塊編寫的測試向量進行仿真分析，驗證設計的準確性。因此，文章在闡述層次分析設計法，分析EDA技術中層析分析作用的基礎上，分別講述上層設計的原理圖、VHDL語言的對交通信號燈控制器硬件的實現(xiàn)方法。

一、層次分析法概述

（一）內涵

層次分析法是指以分層次、分模塊的形式對程序的設計進行顯示。在系統(tǒng)的總體描述中，頂層設計體現(xiàn)了設計的總功能，底層設計是設計中的最底層部分。層次分析法的整個設計過程主要是各個分層從硬件的頂層變?yōu)榈讓拥囊环N結構性描述過程。透過層次化設計能夠對硬件的單元內容進行描述。在采用層次分析法進行設計時，需要使用合理的設計程序，首先要對頂層模塊的設計進行確定，其次對詳細設計的子模塊進行確定。在任何模塊的設計中都可以通過硬件描述語、原理圖輸入法來實現(xiàn)對設計的精確描述。

（二）重要性

層次化設計能夠將整個設計任務按照功能具體劃分出多個子模塊，并通過這些子模塊充分實現(xiàn)和驗證系統(tǒng)設計的合理性。層次化設計能夠在很大程度上降低設計和仿真驗證的難度，同時，層次化設計還能將一些具有基本功能的零件設計為基本元件，并建立其自己的元件庫，縮短對系統(tǒng)程序的開發(fā)進程，提升程序開發(fā)的效率。

二、EDA層次化設計方法

（一）層次化設計的思想

傳統(tǒng)的硬件設計主要是在選擇合適的元件之后，在印制電路板上將各種元件進行連接，從而實現(xiàn)各個元件組合的功能。層次化設計方法能夠將具體的設計程序和任務按照功能分成多個獨立的子模塊，來分別實現(xiàn)設計目的，并在設計后利用時序仿真來對層次化設計的正誤進行驗證，最后驗證無誤下，將這些子模塊作為基本的元件，完成總體程序的設計任務。層次化設計的思想經過研究表明適合EDA技術的應用。

（二）EDA層次化設計的輸入方法

EDA層次化設計的輸入方法主要包括原理圖的設計方式和硬件描述語言的設計方式。原理圖的設計方式輸入是指，在畫布上放置一種元件，之后利用導線將元件的引腳進行連接，并在引腳上添加輸入和輸出，最終完成層次化的設計。原理圖的設計方法比較簡單、直接，但元件庫中元件的類型較為基礎，類型不全。硬件描述語言是指將設計者從具體的硬件設計中脫離出來，這種輸入方法要求應用指令來描述元件的邏輯功能，從而實現(xiàn)功能的設計。硬件描述語言的輸入方法在很大程度上減少了硬件設計的難度，是EDA技術中的核心技術。針對不同的硬件描述語言，彼此之間不存在本質的區(qū)別，基本都是通過代碼的編寫和相關硬件的適配來實現(xiàn)對硬件電路的設計。硬件描述語言的設計方式主要應用的語言是VHDL和HDL，交通信號燈的設計語言主要使用的是VHDL語言。

（三）交通信號燈設計中層次化設計的實現(xiàn)方法

交通信號燈設計中層次化設計的實現(xiàn)方法是自下而上的逐層實現(xiàn)，主要是以下層設計為基礎元件，在此基礎上不斷完成對上層的設計。其中，每一層的設計都需要使用原理圖輸入和硬件描述性語言的輸入。

1、原理圖輸入方式

原理圖的輸入方式首先要將下層的設計包裝成元件，以元件的形式方便程序在原理圖中的調用。具體表現(xiàn)為：首先，打開下層的設計文件，即原理圖或者VHDL語言，選擇File菜單以及子菜單，將下層設計跌文件生成對應的元件；其次，在新建的原理圖設計文件中完成交通信號燈的上層設計；最后，對元件文件夾中多出的生成元件進行應用。

2、VHDL的硬件描述性原因輸入方式

VHDL的硬件描述性原因輸入方式能夠根據(jù)使用的基本元件來對多個元件的實例進行定義，并用制定的語句實現(xiàn)對端口映射的連接。

三、層次化設計方法在交通信號燈設計中的應用

（一）交通信號燈設計的要求

交通信號燈的控制器在A和B方向各有紅黃綠三盞燈。具體的控制順序如表一的循環(huán)順序進行。其中1代表燈亮、0代表燈滅，交通信號燈的控制器按照每十秒的節(jié)拍進行循環(huán)工作，紅黃綠三盞燈亮的時間均等。

（二）交通信號燈的燈時分配

1、交通信號燈的燈時分配

交通信號燈是在交通信號控制器控制下對紅綠燈周期變化的循環(huán)顯示。現(xiàn)階段的交通信號燈主要實現(xiàn)了由定時控制向協(xié)調控制得發(fā)展，在城市的主要交叉路口安置了多時段、多方案的交通信號控制器，取代了原有的單方案控制器。但在實際應用中，道路的平面交叉口交通控制仍以定周期控制為主。因此，文章以定周期交通信號燈控制器為設計依據(jù)，采用2相信號控制，繪制的具體相位圖如圖一所示。

2、交通信號燈系統(tǒng)結構框圖

文章主要考慮交通信號燈CPLD功能，其實現(xiàn)的功能主要包括分頻電路、控制路、紅綠燈各個時段倒計時計數(shù)器。在交通交叉路口各方向顯示綠燈或者紅燈時，以秒為單位，采用倒計時的方式來顯示禁止或者允許通行的剩余時間。當系統(tǒng)設置外部輸入復位信號有效時，控制信號處于主干道的綠燈狀態(tài)，并對設置好的輸入值進行讀取。當復位的信號處于無效狀態(tài)時，系統(tǒng)會按照新的讀取信息設定值進行運行。具體的結構框架圖如圖二所示。由圖可見，交通信號燈的控制器是整個交通 信號系統(tǒng)的核心，交通信號燈的主干道、支干道以及信號燈的控制信號都有控制器產生，這些控制信號的時序要滿足圖一的具體相位要求。

（三）交通信號燈控制器的VHDL實現(xiàn)

層次化的設計方法對交通信號燈的頂層設計模塊，主要輸入具有1MHz的基準時鐘脈沖、設定值輸入以及復位信號。其中輸出的信號包含兩個方向的紅黃綠燈，具體的底層設計模塊如圖三所示。

對于低層次的設計模塊，按照其功能具體可以分為分頻單元、控制器單元、主干道等時倒計時單元和支干道燈時倒計時單元四個單元進行設計，具體的結構設計框圖如圖四所示。

總結：綜上所述，文章在對層次化設計方法分析的基礎上，利用EDA開發(fā)平臺對交通信號燈的控制系統(tǒng)應用進行充分驗證。實驗表明采用層次化設計方法，可以使交通信號燈復雜的系統(tǒng)設計變得簡化，使其設計的靈活性、準確性和可靠性大大提高，有效縮短了其層次化設計的周期。

參考文獻

[1]熊振國，蔡明山. 層次化設計方法在交通信號燈設計中的應用[J]. 現(xiàn)代電子技術，2003，24：54-55.

[2]林濤. 基于VHDL語言的交通信號控制器的設計與實現(xiàn)[J]. 交通與計算機，2006，04：72-75.

[3]謝海鴻，李萍，林德斌. 基于DEA技術的交通信號燈定時控制系統(tǒng)[J]. 佛山科學技術學院學報（自然科學版），2005，03：8-10+46.