基于CPLD的智能交通信號燈控制系統(tǒng)的設計

杜 偉 聶章龍

(常州信息職業(yè)技術(shù)學院計算機科學與技術(shù)學院/軟件學院 江蘇常州 213164)

0 引言

為適應職業(yè)院校教育教學改革的目標，在課程教學內(nèi)容、教學方法和手段、教學組織和課程實訓等方面的改革中，以“項目為載體、任務為驅(qū)動”、“教、學、做”一體化的教學方式，實現(xiàn)教學內(nèi)容項目化、教材組織項目化、教學過程任務化［1-2］。教學內(nèi)容項目化是指課程的教學內(nèi)容以一個或多個項目為載體，把理論學習、技能訓練、素質(zhì)教育溶入實施過程中;教材組織項目化是指教材內(nèi)容的組織以項目為主線，按項目實施過程組織教材內(nèi)容;教學過程任務化是指教學過程是以項目分解成的多個任務(子項目)為核心，在完成任務的過程中學習理論、獲得技能、形成素質(zhì)。

1 系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

通過項目的設計，突出課程改革的思路和教學實施的方法。本文設計的基于CPLD的智能交通信號燈控制模擬系統(tǒng)，開發(fā)環(huán)境為QuartusⅡ軟件，在該開發(fā)環(huán)境中利用Verilog HDL語言進行編輯、編譯，并在線下載到自主研發(fā)的CPLD實驗開發(fā)板中進行運行和調(diào)試。［3］

1.1 設計基本要求

1)設計概述。利用Verilog HDL，設計一十字路口交通燈控制器，其控制規(guī)則如圖1所示。

圖1 交通燈控制示意圖

交通路口設置A、B兩個方向，每個方向均設置紅(R)、綠(G)、黃(Y)、左拐(L)四盞燈，每個方向的四種燈按規(guī)定順序亮滅，每個方向上燈剩余時間以倒計時的方式顯示在數(shù)碼管上。每個方向上各種燈亮時間的初始值可以靈活設置，以便適用于不同路口和上下班人流高峰情況。在設計兩個方向燈的時間時，要注意每個路口可能要分主干路和支干路，主、支干路車輛通行時間長短不一樣，以適應不同方向的人流量不同。

2)交通規(guī)則狀態(tài)轉(zhuǎn)換表。A、B兩個方向上交通信號燈亮滅順序狀態(tài)如表1所示。表中“0”表示燈亮，“1”表示燈滅。A、B方向的紅、綠、黃和左拐燈分別用R1、G1、Y1、L1 和R2、G2、Y2、L2 標記。在狀態(tài)表中，A方向四種燈依次按綠燈→黃燈→左拐燈→黃燈→紅燈點亮，B方向四種燈依次按紅燈→綠燈→黃燈→左拐燈→黃燈點亮，如此循環(huán)。在設置A、B方向紅燈亮的時間時，一定要滿足TR1=TG2+2TY2+TL2，TR2=TG1+2TY1+TL1。黃燈是控制綠燈和左拐燈轉(zhuǎn)換時的緩沖，提醒行人或駕駛員該方向即將禁行。

1.2 設計思路

根據(jù)以上系統(tǒng)設計的要求，A、B兩個方向的計時處理需要并行操作，這就決定了該項目主控芯片的選型，由于一般單片機的指令執(zhí)行是串行處理，因此至少要使用兩個定時中斷來控制時間。從時間精度和編程便捷性等方面考慮，該項目沒有選用單片機來控制，而是選用具有并行處理功能的CPLD芯片為主控芯片，選用硬件描述語言Verilog HDL進行編程，這就可以利用Verilog HDL語言中的兩個always模塊分別處理控制A(主干路)和B(支干路)兩個方向四盞燈亮滅順序和剩余時間，為了時間一致，兩個always模塊的信號敏感表達式均用同一時鐘信號。

表1 交通規(guī)則狀態(tài)轉(zhuǎn)換表

每盞燈剩余時間計數(shù)利用減法計數(shù)器實現(xiàn)，A、B方向各需1個減法計數(shù)器進行計時。時間顯示處理是將計數(shù)器的輸出值均采用BCD碼方式輸出，使用一個4位數(shù)碼管，將A、B方向時間值分別顯示在其中兩個數(shù)碼上。

1.3 交通信號燈模塊設計

可編程邏輯器件的硬件編程，一般有從上到下或從下到上的設計方式。在此采用自頂向下的方式來設計，頂層模塊主要是進行功能劃分和結(jié)構(gòu)設計，每個子模塊均為完成一個相對獨立的子功能，子模塊可供上一層模塊調(diào)用。

1)信號初始化模塊信號定義。

2)主干道控制模塊信號定義。

3)支干道控制模塊信號定義。

4)時間顯示模塊信號定義。

1.4 模塊關(guān)系圖

調(diào)用前面形成的4個模塊后形成頂層文本文件，模塊之前的關(guān)系如圖2所示。主要模塊的端口定義如下:

圖2 交通信號燈模塊功能關(guān)系圖

編輯、編譯成功后可查看RTL視圖了解系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，如圖2所示。若沒有明顯問題，芯片和引腳，使用ByteBlaste下載電纜在線下載到CPLD實驗板中觀察運行結(jié)果，實訓板上8個二級管小燈的顏色是專門為該項目的運行而選用的，前后四個分別為:綠(行)、紅(停)、黃(過渡)、藍(左拐)。按下信號初始化鍵EN_KEY后，主、支干道上的各個信號獲得初始值，隨后主程序就可以按照設定的初始值進行主、支干道上各種亮燈順序的控制和剩余時間的顯控，從而模擬交通信號燈的運行。在使用過程中，如果出現(xiàn)系統(tǒng)異常，可以通過按reset鍵恢復正常。通過下載運行，系統(tǒng)功能基本實現(xiàn)，達到預期設計的要求。

2 結(jié)束語

該案例分析了課程改革的基本要求，在教學方法和組織方式上進行了針對性的設計，使得以“項目為載體、任務為驅(qū)動”的教學方法在該項目設計中得以實現(xiàn)。以自主研制的CPLD實訓板為教學平臺，項目運行結(jié)果展示更形象、更具體，即可激發(fā)學生學習興趣、又能為他們提供自我創(chuàng)新能力展示的平臺，有利于學生掌握書本知識，也可加強學生實踐動手能力的培養(yǎng)。

［1］鮑麗星.用可編程邏輯器件改革數(shù)字電路實驗［J］.高校實驗室工作研究，2006(4):19-21，37.

［2］王慧芬.高職院?！禤LC應用技術(shù)》課程教學改革淺析［J］.常州信息職業(yè)技術(shù)學院學報，2007(6):66-70.

［3］喬莉，劉寅生.基于CDIO的單片機課程教學改革方法探索［J］.黑龍江科技信息，2011(33):196.