基于FPGA的交通灯控制器设计21674

数字系统课程设计基于FPGA的交通控制灯设计
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摘要
随着社会的发展,城市规模的不断扩大,城市交通成为制约城市发展的一大因素。

人口和汽车日益增长，市区交通也日益拥挤，人们的安全问题当然也日益重要。

因此，红绿交通信号灯成为交管部门管理交通的重要工具之一。

有了交通灯，人们的安全出行也有了很大的保障。

自从交通灯诞生以来，其内部的电路控制系统就不断的被改进，设计方法也开始多种多样，从而使交通灯显得更加智能化。

尤其是近几年来，随着电子与计算机技术的飞速发展，电子电路分析和设计方法有了很大的改进，电子设计自动化也已经成为现代电子系统中不可或缺的工具和手段，这些都为交通灯控制系统的设计提供了一定的技术基础。

本课程设计运用erilog HDL语言描述交通控制器，通过状态机计数法，实现设计所要求的交通灯控制及时间显示，并最后进行了软件实现，达到了系统要求的功能。

设计原理
设计要求
设计一个交通控制器，用LED 显示灯表示交通状态，并以7段数码显示器显示当前状态剩余秒数 主干道绿灯亮时，支干道红灯亮；反之亦然，二者交替允许通行，主干道每次放行35s ，支干道每次放行25s 。

每次由绿灯变为红灯的过程中，亮光的黄灯作为过渡，黄灯的时间为5s 。

能进行特殊状态显示，特殊状态时东西、南北路口均显示红灯状态。

用LED 灯显示倒计时，并且能实现总体清零功能，计数器由初始状态开始计数，对应状态的显示灯亮。

能实现特殊状态的功能显示， 设计思路和原理
本次设计是针对十字路口，进行南北和东西直行情况下交通灯控制。

设定东西方向为主干道方向，根据交通灯的亮的规则，在初始状态下四个方向的都为红灯亮启，进入正常工作状态后，当主干道上绿灯亮时，支干道上红灯亮，持续35S 后，主干道和支干道上的黄灯都亮启，持续5S 后，主干道上红灯亮启，支干道上绿灯亮启持续25S ，之后主干道和支干道上的黄灯都亮启5s ，一个循环完成。

循环往复的直行这个过程。

其过程如下图所示：
绿灯亮
黄灯亮
红灯亮
0s
35s
30s
65s
0s
绿灯亮红灯亮
黄灯亮60s
25s
65s
主干道方向
支干道方向
图1.交通灯点亮时间控制说明
实现方法
本次采用文本编辑法，即利用Verilog HDL 语言描述交通控制器，通过状态机计数法，实现设计所要求的交通灯控制及时间显示。

设计中用两组红黄绿LED 模拟两个方向上的交通灯，用4个7段数码管分别显示两个方向上的交通灯剩余时间，控制时钟由试验箱上频率信号提供。

Verilog HDL 程序设计
整体设计
根据上章设计原理，交通灯控制的关键是各个状态之间的转换和进行适当的时间延时，根据状态机的设计规范，本次设计了三个状态之间的循环转化，其真值表及状态转化图如下所示：
状状00
状状11
状状10
状状01
状状状状状状状状状状状状00
状状10
状状11状状01状状状状状状状状状状状状状状状
状状状状状状状状状状
状状状状状状状状状状状状状状状001100010
010001010
100010
图2.交通灯控制状态转化
说明：该状态图为交通灯在正常情况下的状态转化图，进入控制后，状态00时主干道绿灯及支干道红灯亮起，进入状态01后两路黄灯亮起，状态11时主干道红灯及支干道绿灯亮起。

进入10状态两路黄灯亮起。

结束一个循环，从00状态重新开始循环。

为实现控制与显示的功能，需要设计交通灯点亮顺序控制程序，倒数计时程序，七段数码管显示程序，数码管显示扫描程序，其系统结构图如下所示：
状状状状
状状状状
状状状状状状状
状状状
状状状状状状状状状状状状状状
状状状状状状状
状状状状状状状状状状状状
rst
clk hold
1KHz 1Hz
1Hz
图3.交通灯控制系统结构图
其中rst 为复位信号，clk 为时钟信号，hold 为特殊情况控制信号,输入hold 时两个方向红灯无条件亮起。

具体设计
根据整体设计要求，编写各个功能部分Verilog HDL程序，设置各输入输出变量说明如下
clk：为计数时钟；
qclk：为扫描显示时钟；
en：使能信号，为1 的话，则控制器开始工作；
rst：复位信号，为1的话，控制及技术回到初始状态；
hoid：特殊情况控制信号，为1的话，则两个方向无条件显示为红灯；
light1：控制主干道方向四盏灯的亮灭；其中，light1[0]~light[2]，分别控制主干道方向的
绿灯、黄灯和红灯；
light2：控制支干道方向四盏灯的亮灭；其中，light2[0] ~ light2[2]，分别控制支干道方向的
绿灯、黄灯和红灯；
num1：用于主干道方向灯的时间显示，8 位，可驱动两个数码管；
num2：用于支干道方向灯的时间显示，8 位，可驱动两个数码管；
counter：用于数码管的译码输出；
st1，st2：数码管扫描信号。

输入输出及中间变量设置如下：
module traffic(en,clk,qclk,rst,rst1,hold,num1,num2,light1,light2,counter,st1,st2);
input en,clk,qclk,rst,hold,rst1;
output st1,st2;
output[7:0] num1,num2;
output[6:0]counter;
output[2:0] light1,light2;
reg tim1,tim2,st1,st2;
reg[1:0]state1,state2,ste;
reg[2:0]light1,light2;
reg[3:0]num;
reg[6:0]counter;
reg[7:0] num1,num2;
reg[7:0] red1,red2,green1,green2,yellow1,yellow2;
1.二极管点亮控制
该部分程序的作用是根据计数器的计数值控制发光二极管的亮、灭，以及输出倒计时数值给七段数码管的译码电路。

此外，当检测到特殊情况（hold=‘1’）发生时，无条件点亮红灯的二极管，当检测到复位信号，两个方向计数与控制回复到00状态。

因为主、支干道两个方向二极管点亮的顺序与延迟时间不同，顾编写两个独立的部分来控制，具体程序如下：
1）主干道方向
always @(posedge clk )
begin
if(rst) 正常工作时波形仿真图
图4. 正常工作时波形仿真图
图形说明
波形仿真主要完成了控制与计数以及数码管显示的波形图。

en为低电品时，计数器置初值，高电平时开始正常控制与计数。

控制发光二极管首次输出为“light1=001，light2=100”，表示主干道路绿灯亮，支杆道路红灯亮，计数器num1和num2从“00110101”开始递减计数，计数至“00000000”时，进入下一个状态，控制输出量为light=010，light2=010，表示主、支干道黄灯均亮起，计数器num1和num2从“00000101”开始计数递减，计数至”00000000”时进入下一个状态，light=100，light2=001，表示主干道路红灯亮，支杆道路绿灯亮。

Counter根据num1，num2变化随时钟上升沿输出译码后的数据。

由于屏幕显示大小有限，未仿真出一个完整周期。

2. 特殊情况仿真波形
图5. 特殊情况仿真波形
图形说明
当hold输入高电平时，在时钟上升沿的控制下，light 1与light2被强制置位为”100”，表示两路红灯均亮起
3. 复位情况仿真波形
图6. 复位情况仿真波形
图形说明
当rst输入高电平时，在时钟上升沿控制下，计数与控制都回到00状态，即light1=001，light2=100，计数器num1和num2从“00110101”开始递减计数。

硬件调试
完成时序仿真确认无误后，进行实验箱管脚设置，注意设置完成后一定要再进行一次全局仿真，使程序真正对应于硬件输出输出。

具体连接说明如下所示
输入变量：rst、clk、qclk、hold、en
其中en，hold，rst接”0-1”拨码开关，以稳定的输出可变化的电平。

计数时钟clk接实验箱上1Hz时钟，扫描显示时钟qclk接125Khz时钟。

输出变量：light1[2:0]、light2[2:0]、counter[6:0]、st1、st2
其中light1[0] 、light2[0]分别接绿色的发光二极管；light1[1]、light2[1] 分别接黄色的发光二极管；light1[2]、light2[2]分别接红色的发光二极管。

counter[0]~counter[6]，分别接七段数码管的a~f，st1、st2分别接试验箱上”4-16”译码器的低两位。

完成接线后将程序烧写到芯片上，开始功能调试。

分辨改变使能信号，复位信号以及特殊情况信号，观察数码管以及发光二级管情况。

程序清单
module traffic(en,clk,qclk,rst,rst1,hold,num1,num2,light1,light2,counter,st1,st2);
input en,clk,qclk,rst,hold,rst1;
output st1,st2;
output[7:0] num1,num2;
output[6:0]counter;
output[2:0] light1,light2;
reg tim1,tim2,st1,st2;
reg[1:0]state1,state2,ste;
reg[2:0]light1,light2;
reg[3:0]num;
reg[6:0]counter;
reg[7:0] num1,num2;
reg[7:0] red1,red2,green1,green2,yellow1,yellow2;
always @(en )
if(!en)
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