基于VHDL状态机设计的智能交通控制灯

1 设计方案

    十字路口设计两组交通灯分别控制东西和南北两个方向的交通。如图1所示，当东西方向的红灯亮时，南北方向对应绿灯亮，过渡阶段黄灯亮，即东西方向红灯亮的时间等于南北方向绿灯和黄灯亮的时间之和。交通灯维持变亮的时间取决于键盘输入的控制键值。同理，当南北方向的红灯变亮时，东西方向的交通灯也遵循此逻辑。总体上由状态机实现控制，本设计中使用两个状态机分别控制东西和南北两个方向的交通。每个状态机中都设有4个状态，分别对应红灯亮、绿灯亮、黄灯亮和出现紧急状况时两个方向上的红灯同时变亮，停止倒计时的同时数码管上出现闪烁。路口的繁忙程度是不一样的，白天时的交通比较繁忙，因此，红绿灯要变化快一些以便提高通过效率，减少拥堵时间；相反，夜晚交通稀疏，就需要红绿灯变化慢一些。因此，加入键盘控制程序来控制交通维持变亮状态的持续时间。

2 总体设计结构框图

    总体设计结构框图如图2所示，共有11个功能模块，包括控制东西方向交通灯的状态机和控制南北方向交通灯的状态机、计数器模块、键盘扫描模块、数字合成模块、三个分位模块、数码管显示模块、动态显示扫描模块。

    用VHDL语言对各个模块进行编程，最后形成顶层文件，在MAX+PLUSⅡ环境下进行编译与仿真，检查所编程序是否运行正确。如果出现错误，需要进行修改，直到完全通过为止。需要说明的是，在进行程序编译时，要先从底层程序开始，所有底层程序都正确后，才能开始顶层程序的编译。这是因为顶层程序是对底层程序的概括，它是把底层程序各个模块连接起来，相当于把每个模块的功能汇聚到一起，实现整个系统的控制功能，所以底层程序的正确与否关系到顶层程序的运行结果。VHDL语言编程生成的结构框图如图3所示。

3 VHDL程序设计

3．1 状态机1(东西方向)程序关键代码

    用两个状态机分别控制东西方向和南北方向上的交通。从键盘获得红、绿、黄灯的总时间，红灯时间占1/2，绿灯时间占3／8，黄灯时间占1/8。红灯状态为S0，绿灯状态为S1，黄灯状态为S2，紧急状态为S3。当计数器时间为0时，由红灯状态跳转到绿灯状态，当计数器时间到达3／8时，由绿灯状态跳转到黄灯状态。当到达一半时间时，由黄灯状态跳转到红灯状态。当hold为1时，由任意状态跳转到紧急状态。

3．2 计数器源程序代码

3．3 分位程序源代码

4 仿真结果

    东西方向和南北方向状态机仿真结果如图4、5所示，从图4可以看出，getin是从键盘获得的键值，这里输入的是40 s，初始状态为S0状态．红灯亮。从S0状态跳转到S1状态即由红灯状态跳转到绿灯状态时，数码管显示的倒计时从15 s开始；当由S1状态跳转到S2状态即由绿灯状态跳转到黄灯状态时，GREENA由高电平变为低电平，YELLOWA由低电平变为高电平。倒计时时间从5s开始。南北方向仿真图与东西方向类似，这里不再赘述。

    计数器从键盘上得到的键值为40 s，从仿真图(图6所示)上可以看出，计数器能正常计数。

    从仿真结果可以看出，计数器能够正常计数，状态机状态能够正确状态变换。东西方向初始状态为绿灯，从15开始倒计时，南北方向初始状态为红灯，从20开始倒计时。

    该系统硬件电路包含了1个CPLD，6个7段LED数码显示器，分别表示各个方向上的红、黄、绿灯，以及相应的限流电阻。与其他控制方法相比，所用器件可以说是比较简单经济的。经过实验，实现了预定的交通灯系统的控制功能。数码显示器采用动态扫描方式，大大节约了资源。

5 结束语

    该交通灯控制逻辑可以实现3种颜色灯的交替点亮以及时间的倒计时，指挥车辆和行人安全通行。本文介绍的是一种最基本和简单的交通灯设计情况，并且提供了一些模块的源程序代码。在此基础上能够举一反三，从而用VHDL语言实现其它交通灯的控制设计。

    随着EDA技术的发展，在今后的电子产品研究开发中，EDA技术具有更好的开发手段和性价比，拥有广泛的市场应用前景。