基于multisim的交通管理系统的设计及仿真

基于multisim的交通管理系统的设计及仿真内容摘要：

便、最直观的仿真软件，增加了大量的 VHDL 元件模型，可以仿真更复杂的数字元件，在保留了 EWB 形象直观等优点的基础上，大大增强了软件的仿真测试和分析功能，大大扩充了元件库中的元件的数目，特别是增加了大量与实际元件对应的元件模型，使得仿真设计的结果更精确、更可靠、更具有实用性。 黄河科技学院毕业设计说明书 第 3 页 2 电路系统综合设计的原理 电路综合设计的一般方法 要设计一个电子电路系统，首先要明确设计任务，深入了解系统功能、技术指标和使用条件等，从而确定设计思想 和设计方法。 下面介绍电子电路系统设计的一般方法。 （ 1）方案论证和方案设计：设计者针对设计任务、要求和条件，通过调查研究和查阅资料拟定出几种设计方案，画出每种方案的原理框图，然后逐个分析每个方案的优缺点，并加以比较，择优选用。 （ 2）设计系统的硬件电路和软件程序：按总体方案设计硬件电路，首先画出电路的功能组成框图，明确各功能单元电路要求；然后设计各单元电路（包括电路的拓扑结构、元器件参数及型号等），设计好单元电路后，画出总体电路图，总体电路图是调试和维修的依据；最后，根据总体电路图，设计电路的 PCB，在设计 PCB 时，要注意元器件的布局和走线要求，系统输入和输出接口的安排和强电与弱电的隔离等 [3]。 （ 3）安装调试：安装和调试包括硬件调试、软件调试和软硬件联调。 在进行硬件调试时，不要急于触电，要反复检查，在确定电路元器件、连线、直流供电等无误后再通电；软件调试要先进行单元程序调试，后进行总体程序调试，一般要经过调试、修改、和再调试的过程；软硬件联调将调试好的软件在通过仿真器看系统是否满足功能要求，若存在偏差，先确定是软件的问题还是硬件的问题，再分别进行调试直至满足功能要求。 系统综合设计步骤 确定电子线路的总体方案 认真分析和研究课题的任务、要求和条件，查阅相关资料，利用有关的理论知识进行方案的构思，提出实现课题的原理和方法。 对构思的多个方案进行分析比较和可行性论证，最后选取合理的方案。 控制类电子电路系统： 自动控制系统应能使被控对象的某些参数自动按给定的控制规律变化。 其系统结构通常分为开环和闭环两类。 开环控制系统的控制器具有接收输入信号的作用，输出控制信号通过执行部件作用 黄河科技学院毕业设计说明书 第 4 页 于被控对象，使输出信号和输人信号之间建立起确定的函数关系。 由于没有反馈，器件参数的变化、突发干扰、被控对象特性 的变化等引起的输出变化不能反馈到控制器，控制器不能自动纠正这种偏差，这是开环控制系统的主要缺点。 但开环控制系统结构简单，调试方便，因此在对控制精度要求不高，系统内外干扰校对、的情况下经常采用。 闭环控制系统是一种反馈控制系统，系统的输出通过反馈网络反馈到系统的输入端，并和输入信号进行比较，其结果为净输入量用于控制器，当出现偏差时，控制器根据一定的调节规律，发出控制信号，自动减小偏差。 闭环控制系统克服了开环系统的缺点，通过引入反馈形成闭环，在系统有干扰的情况下，仍能获得较高的控制精度。 但闭环系统比开环系统复杂 ，成本高，调试也比较困难。 在实际操作中，要视情况选用。 控制器是系统的关键部件。 对于简单的系统，采用硬件实现可获得很高的响应速度，其成本也较低。 对于复杂的控制系统．控制参数和控制规律需要经常改变，这时可考虑采用计算机作为控制器。 这是一种硬件和软件结合的控制器，它使许多由电路设计的问题转化为程序设计问题，系统的控制规律以程序形式出现，通过执行程序，输出相应的控制信号，完成对被控对象的控制。 电子电路系统的硬件电路设计 （ 1）单元电路设计 首先，结合现有的条件将系统的原理方案框图具体化。 系统原理框图 只考虑从原理上如何实现任务要求，其中每一部分只是原理功能的描述，其实现方法是多种多样的。 因此，要结合设计者的知识储备和现有的器件条件，将原理框图具体化。 也就是说，确定用什么器件（通用集成电路、专用集成电路、 PLD 和单片机等）和电路（各种运算电路、比较电路、波形发生电路、 VCO、编码器、译码器、数据选择器、计数器、寄存器、存储器 、 A／ D、 D／ A 电路等）实现原理框图中的各部分功能，为设计单元电路做准备。 接着进行单元电路设计。 根据方案要求，将任务要求和技术指标等进行分解和分配明确对各单元电路的要求，详细拟订各单 元电路的性能指标，并注意各单元电路的输入信号、输出信号和控制信号之间的关系与相互配合。 电路设计的工作主要是选择或设计单元电路的结构形式，确定元器件的参数及型号等。 在选择单元电路的结构形式时，首选的方法是从已学过的或从文献资料中寻找合适 黄河科技学院毕业设计说明书 第 5 页 的电路形式，修改部分元器件参数，这一般能满足要求。 需要自己设计的电路一般是各功能单元之间的接口电路、保证集成电路正常工作的外围电路和不适合集成电路完成的功能电路（如高电压、大电流、大功率电路等）。 有了电路的拓扑结构，就可以根据电路理论计算各元器件的参数，设计时，一般要选用 EDA（如 Multisim 仿真软件）工具对电路性能进行仿真分析。 确定元器件参数后，经优化选择分析，选择元器件的型号。 经过比较分析，综合考虑择优选择。 （ 2）总体电路原理图设计。 总体电路原理图是准备元器件，是进行 PCB（印刷电路板）设计、电路安装和调试的依据，是最重要的设计文件之一．必须正确、规范。 画总体电路原理图有助于找出设计中存在的问题，尤其是各单元之间的连接问题。 画原理图时要注意合理布局，排列均匀，横平竖直，连线清晰。 原理图设计完成之后要进行一次认真、全面的审核。 因为在设计过程中 有些问题难免考虑不周，甚至出错，且在设计时对各单元电路实现的功能考虑较多，前后电路的配合可能放在次要的位置。 审核的主要内容如下： ①级间电气性能是否匹配，如阻抗、线性范围、负载能力和电平等。 ②时序是否能配合。 尤其对时序电路，各信号之间有确定的时序关系，当时序配合不当时，系统将无法正常工作。 ③信号耦合方式是否合理，如阻容耦合、直接耦合、光电耦会和变压器耦合等 [4]。 系统综合设计应注意的问题 一般而言，所设计的电路系统最终要应用于电子产品，要经受市场和实际应用的考验，电子产品的性能和可靠性在很大程 度上取决于内部电路的性能和可靠性。 因此，在设计电路时，除了满足性能指标的要求外，还必须采取措施提高电路的稳定性和可靠性，考虑实际应用中的一些问题。 （ 1）工作稳定可靠。 首先，所用的电路在原理上要正确，不能有大的欠缺。 有条件的话需通过仿真来验证。 其次，要采取切实可行的办法提高电路的稳定性。 例如，采取适当的方法，对所设计的电路进行优化，减少器件的种类、数量和型号等；必要时设计一些辅助电路，如 黄河科技学院毕业设计说明书 第 6 页 温度补偿电路和过压过流保护电路，以使产品稳定可靠。 最后，根据元器件在电路中的作用和对电路性能的 影响程度，合理选择元器件。 既要深入了解电路的工作原理，又要熟悉元器件的特性和参数（如容差、稳定性、使用条件和体积大小等 ） [5]。 (2)电路简单、合理。 ， 在设计电路时，在满足性能指标的前提下，力求电路简单，合理实用，技术先进，切忌导电路复杂，过分追求使用高档次、贵重器件。 一般来说，在用分立元件和集成电路都能实现所要求的功能时，优先使用集成电路路。 （ 3）采用标准接口 采用国际标准接口易于实现各种仪器设备的控制、数据传输和通信，便于功能扩展。 （ 4）安装、调试、维修方便 为达到这个要求，设计时应采用模块化结构、总线结构和标准接口，同时电路的元器件的品种和数量尽可能地少 [6]。 黄河科技学院毕业设计说明书 第 7 页 3 交通管理系统的原理 交通管理系统是一个城市交通管理系统的重要组成部分，其性能的好坏直接关系到城市的现代化水平，我们设计的电子电路系统模拟十字路口的交通灯管理，管理车辆通过十字路口。 在十字路口正中，面对各个方向悬挂红、绿、黄三色信号灯和时间的数码显示牌。 通过对红、绿、黄三色信号灯和时间的数码显示牌的管理实现管理交通的目的。 交通管理系统的工作原理 分析交通管理系 统的设计要求，要实现的功能有两个，一个是红绿灯管理，红绿灯管理主要是控制其 “亮 ”和 “灭 ”；另一个是时间牌管理，时间牌管理是按照设计要求控制其显示时间。 因此，交通管理系统属于数字系统。 其关键部分是控制器的选择，数字系统中的控制器用于控制系统各部分协调工作，其控制器通常有移位型控制器、计数型控制器、微程序控制器以及 PLC 型控制器。 交通管理系统方案设计 通过对系统的设计要求和功能分析，系统要控制红绿灯的交替、控制时间牌显示、控制黄灯闪动、有手动和自动控制。 因此，该系统属于控制类电子电路系统。 根据 系统应实现的功能，可设计系统的控制方案组成框图，如图 所示。 图 交通管理系统控制方案组成框图 如图 所示，系统控制器是整个系统的关键部件，担负着接收输入信号，经过运算， D 产生控制输出的功能，是交通管理系统的核心模块；输入模块包括时间初值输入、脉 冲的输入和手动／自动选择输入模块；输出模块包括时间显示和信号灯显示模块 [7]。 黄河科技学院毕业设计说明书 第 8 页 交通管理系统原理设计 考虑到本系统运行在 “自动 ”时，有多个环节的运作与东西南北方向通行的倒计时（对时钟脉冲作减计数）有关。 例如，减计数至小干等于 5s，黄灯闪动 ；减计数至 Os，红绿灯交替并读入设。