基于VHDL的交通信号灯设计

刘颖杰，吕紫薇，申文豪

（河北农业大学 机电工程学院 河北 保定 071000）

1 引言

随着电子科学技术的发展，数字系统的设计正朝高速度、大容量、小体积的方向发展，传统的自底而上的设计方法已难以适应形势。

本文采用VHDL语言和EDA技术来进行交通信号灯的设计。VHDL语言描述能力强，覆盖了逻辑设计的诸多领域和层次，大大简化了硬件设计任务，提高了设计的可靠性，EDA技术则通常采用的是硬件描述语言进行电子电路设计，它的特点是采用自顶向下的方法对电路进行设计，本设计就是采用EDA技术的这一特点，它的优点是：顶层功能描述完全独立于目标器件的结构，在设计的最初阶段，设计人员可不受芯片结构的约束，集中精力对产品进行最适应市场需求的设计，从而避免了传统设计方法中的再设计风险，缩短了产品的上市周期；设计成果的再利用得到保证；由于采用的是结构化的设计方法，因此确认主系统基本结构后，可以实现多人多任务的并行工作方式，提高系统的设计规模和效率；在选择目标器件的类型、规模、硬件结构等方面具有更大的自由度。

对于利用VHDL语言设计程序，需要考虑的不仅仅是程序的设计，还要考虑芯片运行的速度、功耗、成本及电路类型等，对于一个好的程序来说，实现功能所消耗芯片的单元越少越好，这就是我们在设计程序时所遵循的基本原则。

2 设计要求

本文设计的是一个交通信号控制器，控制一个十字路口，十字路口由一条主干道和一条支干道汇合而成，每个路口处设置红、绿、黄三色信号灯。

主、支干道均有车时，两者交替允许通行，主干道每次放行45秒，支干道每次放行25秒，在每次由绿灯转向红灯的过程中，有5秒的黄灯作为过渡。

在设计过程中，系统的设计难点则是主、支干道的秒数跳转、数码管显示电路的动态扫描和秒数跳转时交通灯颜色的转变。

3 系统设计

本设计使用EPM240T100C5芯片作为核心，控制数码管显示模块来显示秒数的跳转，通过计数器的计数状态来控制交通信号灯的转变。如图1所示。

图1 系统设计

4 模块设计

4.1 数码管显示模块的设计

本文采用的是共阴极的七段数码管来显示，采用两个数码管来显示主干道秒数的跳转，将两个数码管的1～7引脚接在一起，通过对阴极的选通来实现数码管的亮灭，用高频来对数码管进行选通，从而使人眼能够看到恒定的数码管显示。数码管的接线图如图2所示。

图2 数码管连接

4.2 交通信号灯转变模块的设计

本文采用发光二极管作为交通信号灯，将主、支干道的所有灯的负极接在一起，利用EPM240T100C5芯片的输出信号来控制信号灯的亮灭。如图3所示。

图3 交通灯转变

4.3 秒数跳转设计

主干道交通信号灯的秒数跳转则是需要从45进制跳转到5进制再跳转到25进制，支干道交通信号灯则是需要从45进制跳转到25进制再到5进制的跳转，这里主要介绍的是主干道秒数的跳转，对于支干道秒数的跳转与主干道类似。

对于秒数的跳转，需要设计3个减法计数器，在这里，设计了一个75进制的加法计数器，75进制的加法计数器在0～44计数的时候，数码管显示的是45进制的减法计数，在45～49计数的时候，数码管显示的是5进制的减法计数器，在50～74计数的时候，数码管显示的是25进制的减法计数器，利用此方法则可以实现秒数的跳转。