一种基于CPLD的交通灯控制系统设计

0 引言
    随着我国经济的快速发展，车辆拥有量也随之急剧增加，再加上人口数量的膨胀，城市的交通拥挤问题变得日益突出。如何使交通灯的控制更加合理，使现有的交通资源发挥更大的效益，已经成为城市管理者和科技工作者共同关心的问题。为此，我们设计开发了一个交通灯控制系统，由于该系统采用VHDL语言自顶向下的设计方法，利用可编程逻辑器件CPLD来实现，通过外部输入可方便地设定交通灯的延迟时间，使交通灯控制数字电路设计得到了优化，提高了系统的灵活性、可靠性和可扩展性。该系统可以较好地缓解交通压力，并可实现对突发事件进行紧急处理。
    在数字系统设计领域，电子设计自动化(EDA)工具已经成为主要的设计手段，随着硬件描述语言VHDL和可编程逻辑器件CPLD的广泛应用，使数字电路的设计得到了优化，并且具有很强的设计和仿真功能。

1 系统原理及方案
    交通信号灯是由交通灯控制器控制其红绿灯周期变化的，现在的大部分十字路口交通灯采用的都是固定周期，由于实际路况较为复杂，不能有效地实时对时间资源的合理调配，达到缓解交通的目的。本文设计的交通灯控制系统的周期可以改变，黄灯和东西方向以及南北方向红灯时间由外部输入设定，绿灯由系统依据设定值自动计算。
    交通灯控制器控制两个方向交叉路口的交通，以秒为单位，采用倒计时的方式显示通行或者禁止通行的剩余时间。系统设置外部输入复位信号，复位信号有效时，控制信号处于东西方向绿灯状态，并读取设定输入值，再将复位信号返回无效状态后，系统按新读入的设定值运行，绿灯变至红灯时，黄灯亮，以便于车辆能停在停车线内。如果能够与传感器相结合就具有智能功能，能够根据当时的路况的随时做出相应的调整。交通灯工作时序见图1。

    交通灯在东西南北方向安装信号灯和数码管，两个方向共6个信号灯，4个数码管。下表1是交通灯控制系统红灯与黄灯可供改变的值。

2 系统硬件设计
    复杂可编程器件(CPLD)采用CMOS EPROM、E2PROM和快闪存储器等编程技术，构成了高密度、高速度和低功耗的可编程逻辑器件。本文设计的交通灯控制器采用的是Lattice公司提供的CPLD产品－ISPLSI 1032，一片ISPLSI1032中共有192个寄存器，64个I／O管脚，8个特定输入输出管脚，4个特定输入时钟管脚和一个全局布线池。该器件所需的时钟脉冲信号由外部电路提供，设为16MHz。
    本文设计的交通灯用两组红黄绿三色的发光数码管LED作为两方向的红黄绿灯，用两组数码管作为东西和南北方向的倒计时显示，用一个七位的拨动开关作为外部按键输入，还需要741s47译码器驱动数码管来实现数字的倒计时显示。
    拨动开关高电平位表示"1"，低电平表示"0"，复位信号占拨动开关的一位，有"1"、"0"两种状态；东西方向和南北方向的红灯以及黄灯各占两位，各有"00"、"01"、"10"、"11"四种状态，相对应表1中的四种时间。设计框图如下：

3 系统软件设计及实现
3．1 顶层设计
    根据交通灯控制系统的要求，我们将主控电路分为分频器、信号控制器两个模块，在isplever开发平台上，分别编译这两个模块的VHDL程序，然后用原理图输入法做出项层设计模块(见图3)，其中输入的信号有16MHz的基准时钟脉冲、设定值输入及复位信号；输出信号包括两个方向的绿灯、黄灯、红灯控制信号，倒计时计数器的十位、个位的8421BCD码信号。

3．2 分频器模块
    分频器模块是对输入16MHz的脉冲进行分频，把这个固定频率的时钟脉冲通过分频转化为低频率的脉冲，得到的1Hz信号用作控制器的时钟信号。图4为分频器模块的框图。下面为分频主要程序：

3．3 控制器模块
    控制器模块的功能是控制信号灯的亮灭和数码管的显示。对于控制器模块，其输入信号为1Hz的方波信号、复位信号、黄灯和东西方向红灯和南北方向红灯时间设定值。输出信号包括东西方向和南北方向绿灯、黄灯、红灯控制信号。图5为控制器模块的框图。控制器模块程序

图中：cp、reset分别为时钟脉冲和复位输入信号。yellow_1，yellow_0，ew_red_l，ew_red_0，sn_red_1，sn_red_0分别为黄灯和东西方向红灯和南北方向红灯可调输入变量。
    r_ew，y_ew，g_ew，r_8n，y_sn，g_sn分别为东西方向和南北方向的红绿灯控制信号。
    qhew，qlew，qhsn，qlsn则是东西方向和南北方向的红绿灯倒数计时显示信号。
    控制器模块工作流程：
    先由外部开关控制可调的南北方向红灯、东西方向红灯和黄灯时间的高位和低位。 (设南北方向红灯通行时间为X、东西方向红灯通行时间为Y、黄灯时间通行时间为Z，一个总周期的时间为X+Y)
    首先东西方向通行，东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮，且两个方向上的倒数计时显示器由X向下作减法计时。当倒计时显示器减法计时到Z时，东西方向黄灯亮，南北方向继续红灯。当两个方向的的倒计时显示器减法计时到1，然后由1变为Y后，转为南北方向通行。
    南北方向通行：东西方向红灯亮，南北方向绿灯亮，且两个方向上的倒计时显示器由Y向下作减法计时。当倒计时显示器减法计时到z时，南北方向黄灯亮，东西方向继续红灯。当两个方向的的倒计时显示器减法计时到1，然后由1变为X后，转为东西方向通行。如此交替运行。
3．4 仿真结果
    对控制器模块的VHDL程序利用ispLEVER输入如下的一测试向量：

    在isp[EVER平台上进行仿真，在波形观察器的窗口观察仿真结果。对应上面仿真向量的仿真波形如图6所示，改变仿真向量可以做出其他仿真波形，结果都显示基于VHDL语言的交通灯控制器的硬件实现方法是可行的。

3．5 软件到硬件的过度
    Lattice器件的在系统编程是借助ispVM system软件来实现的。ispVM SystemTM是一个综合的将设计下载到器件的软件包。运用这一完整的器件编程工具快速简便地通过i spSTREAMTM将编写好的程序烧写到可编程逻辑器件CPLD上，实现软件到硬件的过渡。

4 结束语
    本设计由于采用自顶向下法设计交通灯控制器，合理地处理灯时分配，分频，控制显示与编码的相互关系，采用VHDL语言层次化和模块化的设计方法，减少了设计芯片的数量、减少系统开发周期，降低了功耗，可以通过改变程序或着外部输入来控制交通灯，经过调试，运行正常。此设计是基于硬件描述语言VHDL，借助CPLD器件完成的数字系统的设计，显示了可编程器件广阔前景，加之工艺的改进，可编程逻辑器件的集成度和速度将进一步提高，性能将进一步完善。