北邮数字电路综合实验报告——交通灯控制器的VHDL实现

数字电路综合实验报告

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目录

一、实验摘要 (3)

二、实验任务 (3)

1.任务要求 (3)

2.任务解析 (3)

三、实验设计思路 (4)

1.状态转移图 (4)

2.流程图 (5)

3.模块确定 (5)

4.系统框图 (7)

四、程序代码 (7)

⒈主程序 (7)

⒉分频模块 (9)

⒊防抖模块 (10)

⒋交通灯控制模块 (11)

⒌数字译码模块 (14)

五、实验结果 (15)

1.仿真结果 (15)

2.实物结果 (17)

六、所遇问题分析 (17)

七、实验总结 (18)

交通灯控制器的VHDL实现

一、实验摘要

随着交通情况的日益复杂，交通灯在生活中所处的位置也越来越高。本实验就是基于VHDL语言编程实现了十字路口的交通灯控制器。对于交通等控制器的设计是分模块自顶向下的设计思想，软硬件结合来实现本设计。

关键字：交通灯、VHDL、控制器

二、实验任务

1.任务要求

1)南北和东西方向各有一组绿、黄、红灯用于指挥交通，绿灯、黄灯和红灯的持续时间分别为20秒、5

秒和25秒；

2)当有特殊情况（如消防车、救护车等）时，两个方向均为红灯亮，计时停止，当特殊情况结束后，控制

器恢复原来状态，继续正常运行；

3)用两组数码管，以倒计时方式显示两个方向允许通行或禁止通行的时间；

2.任务解析

东西（A车道）和南北（B车道）方向各有一组绿、黄、红灯用于指挥交通（如图1），绿灯、黄灯和红灯的持续时间分别为20 秒、5 秒和25 秒。

图1 十字路口交通灯模型

因此，可以设计如下四个状态，其关系为：

状态

亮灯情况

车辆行驶状况

持续时

间（秒）下一状态A车道B车道

S0 红亮红亮紧急状况，A/B车道均禁止通行~ S1

S1 绿亮红亮A车道通行，B车道禁止通行20 S2

S2 黄亮红亮A车道缓行，B车道禁止通行 5 S3

S3 红亮绿亮A车道禁止通行，B车道通行20 S4

S4 红亮黄亮A车道禁止通行，B车道缓行 5 S1

三、实验设计思路

1.状态转移图

图2 状态转移图

2.流程图

图3 流程图

3.模块确定

⑴分频模块

设计原因：由于实验板只能提供50MHz的时钟信号，而电路中只能使用较低频率的时钟：1Hz时钟信号：计数器count变化时使用；

20Hz时钟信号：在防抖电路中使用的时钟信号；

1kHz时钟信号哦：用于数码管位选信号的改变的时钟信号。

功能：用于将实验板上的50MHz的时钟信号经分频后输出：1kHz、20Hz、1Hz。

图4 分频模块的输入和输出

⑵防抖动模块

设计原因：只要有按键或是拨码开关，防抖电路就是不可缺少的一个模块。否则，按键信号中的一些毛刺和抖动往往会引起电路不可预知的错误。

功能：将带有抖动的信号进行识别和判断，输出持续时间超过0.1s的高电平信号。

图5 防抖动模块的输入和输出

⑶交通灯控制模块

设计原因：这个模块是本程序设计的灵魂，是重中之重！这个模块用于控制电路的状态改变和按键响应，也就是系统中控制器的作用。

功能：根据按键信号和输入时钟，输出符合交通灯状态变化规律的LED驱动信号、数码管显示的数据、数码管位选信号。

图6 交通灯控制模块的输入和输出

⑷数字译码模块

设计原因：由于交通灯控制模块输出的为数码管显示的数据，为10进制数，因此必须要一个译码电路，将此十进制数转化为LED灯的驱动信号，而这个功能正是由此模块完成。

功能：将输入的十进制数转变为相应的8位2二进制数作为数码管的驱动信号。

图7 数字译码模块的输入和输出

⑸整体模块连接图

图8 模块整体连接图

4.系统框图

图9 系统框图

四、程序代码

⒈主程序

--------------------------------主程序--------------------------------

library ieee;

use ieee.std_logic_1164.all;

entity traffic_lights is

port(clk:in std_logic; ----------时钟信号

emerg,reset:in std_logic; ----------复位和紧急情况信号

seg:out std_logic_vector(7 downto 0); ---------7段数码管显示

select_led:out std_logic_vector(5 downto 0); ---------选通输出

lights:out std_logic_vector(7 downto 0));-------led发光管输出

end traffic_lights;

architecture a of traffic_lights is -------分别调用各个模块

signal cp1k,cp20,cp1,resetout,emergout:std_logic;

signal number:integer range 0 to 9;

component freq_divide -------分频模块 1k 100hz 1hz

port(clk_in:in std_logic;

clk_1,clk_20,clk_1k:out std_logic);

end component;

component noshake -------分频模块 1k 100hz 1hz

port(clk_20,keyin:in std_logic;

keyout:out std_logic);

end component;

component traffic -------交通灯控制模块

port(clk1,clk1k:in std_logic;

emerg,reset:in std_logic;

num:out integer range 0 to 9;

lights:out std_logic_vector(7 downto 0);

select_led:out std_logic_vector(5 downto 0));

end component;

component display --------数字译码模块

port(num:in integer range 0 to 9;

seg:out std_logic_vector(7 downto 0));

end component;

begin

u1:freq_divide port map(clk,cp1,cp20,cp1k); ----分频器产生时钟信号

u2:noshake port map(cp20,reset,resetout); ----对复位信号防抖处理

u3:noshake port map(cp20,emerg,emergout); ----对紧急信号防抖处理

u4:traffic port map(cp1,cp1k,emergout,resetout,number,lights,select_led);

----状态机运转

u5:display port map(number,seg); ----数码管显示

end;