层次化设计方法在交通信号灯设计中的应用分析

王苑东

摘要：随着电子信息技术的发展，EDA技术以其自身硬件描述语言对FPGC进行了编程，改变了传统数字系统的设计方法。EDA技术下的FPGC能够有效克服交通信号灯控制系统传统设计的弊端，改善现有交通信号灯设计问题。因此，文章针对交通信号灯控制器设计存在的问题，利用VHDL语言，采用层次化设计方法，对交通信号灯设计中的控制器编制VHDL程序，具体展现EDA设计中层次化分析法的重要性。

关键词：层次化设计；交通信号灯；设计；EDA技术；VHDL程序

层次化设计是一种自上而下的设计，主要是设计者从程序系统的要求出发，自上而下的对程序系统设计的内容进行细化，最终实现对系统程序硬件的整体设计。EDA技术的输入方式包括原理图输入方式和描述性语言输入方式，对于交通信号灯复杂的设计系统，如果完善按照原理图的输入方式进行设计，存在工作量大、容易出差错的问题。而运用层次化设计方法能够实现设计的进一步细化，并在分模块设计分析的同时，实现条理清晰的设计模式，为每一模块编写的测试向量进行仿真分析，验证设计的准确性。因此，文章在阐述层次分析设计法，分析EDA技术中层析分析作用的基础上，分别讲述上层设计的原理图、VHDL语言的对交通信号灯控制器硬件的实现方法。

一、层次分析法概述

（一）内涵

层次分析法是指以分层次、分模块的形式对程序的设计进行显示。在系统的总体描述中，顶层设计体现了设计的总功能，底层设计是设计中的最底层部分。层次分析法的整个设计过程主要是各个分层从硬件的顶层变为底层的一种结构性描述过程。透过层次化设计能够对硬件的单元内容进行描述。在采用层次分析法进行设计时，需要使用合理的设计程序，首先要对顶层模块的设计进行确定，其次对详细设计的子模块进行确定。在任何模块的设计中都可以通过硬件描述语、原理图输入法来实现对设计的精确描述。

（二）重要性

层次化设计能够将整个设计任务按照功能具体划分出多个子模块，并通过这些子模块充分实现和验证系统设计的合理性。层次化设计能够在很大程度上降低设计和仿真验证的难度，同时，层次化设计还能将一些具有基本功能的零件设计为基本元件，并建立其自己的元件库，缩短对系统程序的开发进程，提升程序开发的效率。

二、EDA层次化设计方法

（一）层次化设计的思想

传统的硬件设计主要是在选择合适的元件之后，在印制电路板上将各种元件进行连接，从而实现各个元件组合的功能。层次化设计方法能够将具体的设计程序和任务按照功能分成多个独立的子模块，来分别实现设计目的，并在设计后利用时序仿真来对层次化设计的正误进行验证，最后验证无误下，将这些子模块作为基本的元件，完成总体程序的设计任务。层次化设计的思想经过研究表明适合EDA技术的应用。

（二）EDA层次化设计的输入方法

EDA层次化设计的输入方法主要包括原理图的设计方式和硬件描述语言的设计方式。原理图的设计方式输入是指，在画布上放置一种元件，之后利用导线将元件的引脚进行连接，并在引脚上添加输入和输出，最终完成层次化的设计。原理图的设计方法比较简单、直接，但元件库中元件的类型较为基础，类型不全。硬件描述语言是指将设计者从具体的硬件设计中脱离出来，这种输入方法要求应用指令来描述元件的逻辑功能，从而实现功能的设计。硬件描述语言的输入方法在很大程度上减少了硬件设计的难度，是EDA技术中的核心技术。针对不同的硬件描述语言，彼此之间不存在本质的区别，基本都是通过代码的编写和相关硬件的适配来实现对硬件电路的设计。硬件描述语言的设计方式主要应用的语言是VHDL和HDL，交通信号灯的设计语言主要使用的是VHDL语言。

（三）交通信号灯设计中层次化设计的实现方法

交通信号灯设计中层次化设计的实现方法是自下而上的逐层实现，主要是以下层设计为基础元件，在此基础上不断完成对上层的设计。其中，每一层的设计都需要使用原理图输入和硬件描述性语言的输入。

1、原理图输入方式

原理图的输入方式首先要将下层的设计包装成元件，以元件的形式方便程序在原理图中的调用。具体表现为：首先，打开下层的设计文件，即原理图或者VHDL语言，选择File菜单以及子菜单，将下层设计跌文件生成对应的元件；其次，在新建的原理图设计文件中完成交通信号灯的上层设计；最后，对元件文件夹中多出的生成元件进行应用。

2、VHDL的硬件描述性原因输入方式

VHDL的硬件描述性原因输入方式能够根据使用的基本元件来对多个元件的实例进行定义，并用制定的语句实现对端口映射的连接。

三、层次化设计方法在交通信号灯设计中的应用

（一）交通信号灯设计的要求

交通信号灯的控制器在A和B方向各有红黄绿三盏灯。具体的控制顺序如表一的循环顺序进行。其中1代表灯亮、0代表灯灭，交通信号灯的控制器按照每十秒的节拍进行循环工作，红黄绿三盏灯亮的时间均等。

（二）交通信号灯的灯时分配

1、交通信号灯的灯时分配

交通信号灯是在交通信号控制器控制下对红绿灯周期变化的循环显示。现阶段的交通信号灯主要实现了由定时控制向协调控制得发展，在城市的主要交叉路口安置了多时段、多方案的交通信号控制器，取代了原有的单方案控制器。但在实际应用中，道路的平面交叉口交通控制仍以定周期控制为主。因此，文章以定周期交通信号灯控制器为设计依据，采用2相信号控制，绘制的具体相位图如图一所示。

2、交通信号灯系统结构框图

文章主要考虑交通信号灯CPLD功能，其实现的功能主要包括分频电路、控制路、红绿灯各个时段倒计时计数器。在交通交叉路口各方向显示绿灯或者红灯时，以秒为单位，采用倒计时的方式来显示禁止或者允许通行的剩余时间。当系统设置外部输入复位信号有效时，控制信号处于主干道的绿灯状态，并对设置好的输入值进行读取。当复位的信号处于无效状态时，系统会按照新的读取信息设定值进行运行。具体的结构框架图如图二所示。由图可见，交通信号灯的控制器是整个交通 信号系统的核心，交通信号灯的主干道、支干道以及信号灯的控制信号都有控制器产生，这些控制信号的时序要满足图一的具体相位要求。

（三）交通信号灯控制器的VHDL实现

层次化的设计方法对交通信号灯的顶层设计模块，主要输入具有1MHz的基准时钟脉冲、设定值输入以及复位信号。其中输出的信号包含两个方向的红黄绿灯，具体的底层设计模块如图三所示。

对于低层次的设计模块，按照其功能具体可以分为分频单元、控制器单元、主干道等时倒计时单元和支干道灯时倒计时单元四个单元进行设计，具体的结构设计框图如图四所示。

总结：综上所述，文章在对层次化设计方法分析的基础上，利用EDA开发平台对交通信号灯的控制系统应用进行充分验证。实验表明采用层次化设计方法，可以使交通信号灯复杂的系统设计变得简化，使其设计的灵活性、准确性和可靠性大大提高，有效缩短了其层次化设计的周期。

参考文献

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