基于VHDL的交通信號燈設計

劉穎杰，呂紫薇，申文豪

（河北農業大學 機電工程學院 河北 保定 071000）

1 引言

隨著電子科學技術的發展，數字系統的設計正朝高速度、大容量、小體積的方向發展，傳統的自底而上的設計方法已難以適應形勢。

本文采用VHDL語言和EDA技術來進行交通信號燈的設計。VHDL語言描述能力強，覆蓋了邏輯設計的諸多領域和層次，大大簡化了硬件設計任務，提高了設計的可靠性，EDA技術則通常采用的是硬件描述語言進行電子電路設計，它的特點是采用自頂向下的方法對電路進行設計，本設計就是采用EDA技術的這一特點，它的優點是：頂層功能描述完全獨立于目標器件的結構，在設計的最初階段，設計人員可不受芯片結構的約束，集中精力對產品進行最適應市場需求的設計，從而避免了傳統設計方法中的再設計風險，縮短了產品的上市周期；設計成果的再利用得到保證；由于采用的是結構化的設計方法，因此確認主系統基本結構后，可以實現多人多任務的并行工作方式，提高系統的設計規模和效率；在選擇目標器件的類型、規模、硬件結構等方面具有更大的自由度。

對于利用VHDL語言設計程序，需要考慮的不僅僅是程序的設計，還要考慮芯片運行的速度、功耗、成本及電路類型等，對于一個好的程序來說，實現功能所消耗芯片的單元越少越好，這就是我們在設計程序時所遵循的基本原則。

2 設計要求

本文設計的是一個交通信號控制器，控制一個十字路口，十字路口由一條主干道和一條支干道匯合而成，每個路口處設置紅、綠、黃三色信號燈。

主、支干道均有車時，兩者交替允許通行，主干道每次放行45秒，支干道每次放行25秒，在每次由綠燈轉向紅燈的過程中，有5秒的黃燈作為過渡。

在設計過程中，系統的設計難點則是主、支干道的秒數跳轉、數碼管顯示電路的動態掃描和秒數跳轉時交通燈顏色的轉變。

3 系統設計

本設計使用EPM240T100C5芯片作為核心，控制數碼管顯示模塊來顯示秒數的跳轉，通過計數器的計數狀態來控制交通信號燈的轉變。如圖1所示。

圖1 系統設計

4 模塊設計

4.1 數碼管顯示模塊的設計

本文采用的是共陰極的七段數碼管來顯示，采用兩個數碼管來顯示主干道秒數的跳轉，將兩個數碼管的1～7引腳接在一起，通過對陰極的選通來實現數碼管的亮滅，用高頻來對數碼管進行選通，從而使人眼能夠看到恒定的數碼管顯示。數碼管的接線圖如圖2所示。

圖2 數碼管連接

4.2 交通信號燈轉變模塊的設計

本文采用發光二極管作為交通信號燈，將主、支干道的所有燈的負極接在一起，利用EPM240T100C5芯片的輸出信號來控制信號燈的亮滅。如圖3所示。

圖3 交通燈轉變

4.3 秒數跳轉設計

主干道交通信號燈的秒數跳轉則是需要從45進制跳轉到5進制再跳轉到25進制，支干道交通信號燈則是需要從45進制跳轉到25進制再到5進制的跳轉，這里主要介紹的是主干道秒數的跳轉，對于支干道秒數的跳轉與主干道類似。

對于秒數的跳轉，需要設計3個減法計數器，在這里，設計了一個75進制的加法計數器，75進制的加法計數器在0～44計數的時候，數碼管顯示的是45進制的減法計數，在45～49計數的時候，數碼管顯示的是5進制的減法計數器，在50～74計數的時候，數碼管顯示的是25進制的減法計數器，利用此方法則可以實現秒數的跳轉。