数字电路-交通灯控制器-实验报告

课题1.4.2：交通灯控制器

一．设计课题的任务要求：

(一)、实验目的

1. 熟练掌握VHDL 语言和QuartusII 软件的使用；

2. 理解状态机的工作原理和设计方法；

(二)、相关知识

本实验要利用CPLD 设计实现一个十字路口的交通灯控制系统，与其他控制系统一样，本系统划分为控制器和受控电路两部分。控制器使整个系统按设定的工作方式交替指挥车辆及行人的通行，并接收受控部分的反馈信号，决定其状态转换方向及输出信号，控制整个系统的工作过程。

路口交通灯控制系统的有东西路和南北路交通灯R(红)、Y(黄)、G(绿)三色，所有灯均为高电平点亮。设置20s 的通行时间和5s 转换时间的变模定时电路，用数码管显示剩余时间。提供系统正常工作/复位和紧急情况两种工作模式。

(三)、实验任务

1.基本任务：

设计制作一个用于十字路口的交通灯控制器。

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；

二．系统设计（包括设计思路、总体框图、分块设计）

（一）设计思路

1.总体设计----输入部分：

1)CLK时钟频率输入，可由实验板上直接提供，为准确确定时间长度，选择1024Hz信号。

2)紧急状态按键拨码开关EMERGENCY，当将其置为高电平，表示紧急情况发生，两个方向均为红灯

亮，计时停止；当置其为低电平，信号灯和计时器恢复原来状态，正常工作。

3)复位拨码开关RESET，当将其置为高电平，表示复位，工作停止，全部回到初始状态；当置其为低

电平，重新开始工作。

2.总体设计----输出部分：

1)东西方向和南北方向各使用3个LED显示，LIGHT1，LIGHT2，红黄绿各代表红黄绿灯。

2)东西方向和南北方向计时均为2位数，共需要4个LED七段数码管显示。

（二）总体框图

1.输入输出示意图

2.模块示意图

3.流程图

4.RTL图

5.状态显示

红绿灯显示状态状态

S0 南北绿灯亮，东西红灯亮

S1 南北黄灯亮，东西红灯亮

S2 南北红灯亮，东西绿灯亮

S3 南北红灯亮，东西黄灯亮

S4 南北东西红灯都亮

（三）分块设计-------在VHDL设计中，采用自顶向下的设计思路。

1.顶层模块中，根据硬件设计，设置如下端口：

◆外部时钟信号：CLK

◆紧急状态按键:EMERGENCY

◆南北方向状态灯：LIGHT1

◆东西方向状态灯：LIGHT2

◆数码管显示信号：NUM

◆控制数码管：B_OUT

2.在底层中，把不同功能分模块设计。

◆FREQUENCY模块，由于外部时钟信号CLK的频率为1024Hz，而实际需要的内部计时时钟频率为

1Hz，需要一个分频电路。

输入端口：CLK外部时钟信号

输出端口：CLK_OUT分频后信号

◆COUNTER模块，由于整个过程的显示周期为50秒，即50个状态，所以该模块为计数器模块，计

数周期为50，输入为1Hz的外部时钟，并加入紧急信号和复位信号，当输入紧急信号，计数停止，

当输入复位信号，计数置1.通过该计数器的计数输出信号来控制LIGHT模块和COUNTDOWN模块

的状态。

输入端口：CLK时钟信号，EMERGENCY紧急信号，RESET复位信号

输出端口：COUNTER计数状态信号

◆COUNTDOWN模块，倒计时显示模块，通过输入的COUNTER和CLK来控制数码管共阴极和7

段数码管数字显示控制。

输入接口：CLK时钟信号，COUNT计数器信号

输出接口：CAT_TEMP共阴极控制，NUMIN数字输出

◆bian_ma_6模块：将输入接口的CAT_TEMP共阴极控制转换为三八译码器的输入端。

输入端口：CAT_TEMP共阴极控制

输出端口：b_out；

◆SHOW模块，接收数字信号，进行7位数码管显示译码输出。

输入接口：NUMIN输入信号

输出接口：NUM译码输出

◆LIGHT信号灯控制模块，使用状态机，双进程控制5个状态

输入接口：COUNT计数器信号，EMERGENCY紧急状态控制

输出接口：LIGHT1,LIGHT2信号灯输出

三．仿真波形及波形分析

仿真波形

1．状态周期为1~50，在每个状态内，数码管共阴极进行扫描，且扫描同时数码管显示进行循环变化

2．周期状态，在1~20，21~25，26~45，46~50进行红绿灯显示变化

3.一整个周期状态1~50，在1~20，21~25，26~45，46~50进行红绿灯显示变化

4.多个周期循环

5.紧急状态和复位状态

四．源程序（注释）

●FREQUENCY--分频模块：

LIBRARY IEEE;

USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

ENTITY FREQUENCY IS

PORT(

CLK:IN STD_LOGIC;

CLK_OUT:OUT STD_LOGIC

);

END FREQUENCY;

ARCHITECTURE FREQ OF FREQUENCY IS

SIGNAL TEMP:INTEGER RANGE 0 TO 1023;----设置分频1023，则为1Hz

BEGIN