交通灯设计实验

FPGA 实现交通灯控制系统的设计

一、实验目的与要求

掌握用FPGA 可编程逻辑器件实现交通灯控制系统的基本功能的设计方法。 熟悉交通灯控制系统的ASM 图和状态转换图的设计方法。

二、实验原理

1、设计要求

设计一个十字路口主干道和支干道的交通灯控制系统，其示意图如图1－1所示。

主干道

支干道

主干道

支干道

(a) 交通灯干道示意图 (b) 交通灯控制框图

图1－1 交通灯控制示意图

其功能要求如下:(1)支干道两边安装传感器S ，要求优先保证主干道的畅通。主干道绿灯亮、支干道红灯亮，并且主干道绿灯亮的时间不得少于60秒。(2)主干道无车，支干道有车时，则主干道红灯亮、支干道绿灯亮。但支干道绿灯亮的时间不得超过30秒。(3)主干道或支干道绿灯变红灯时，黄灯先亮5秒钟。

2、系统组成框图

根据上述功能要求，设计的交通灯控制系统组成框图如图1－2所示。其中定时器向控制器发出定时信号T L (主干道绿灯亮60秒)、Ts(支干道绿灯亮30秒)和T Y (黄灯亮5秒)，如果定时时间到，则控制器向定时器发出状态转换信号S T ，定时器清零，准备重新计数。译码电路在控制器的控制下，改变红、绿、黄交通灯的显示。

时钟

1－2 交通灯控制系统组成框图

3、画ASM图

设HG、HY、HR分别表示主干道绿灯、黄灯、红灯；FG、FY、FR分别表示支干道绿灯、黄灯、红灯。T L为主干道绿灯亮的最短时间，不少于60秒；T S为支干道绿灯亮的最长时间，不多于30秒。T Y为主干道或支干道黄灯亮的时间为5秒。定时器分别产生60秒、30秒、5秒三个定时时间，向控制器发出定时时间已到信号，控制器根据定时器及传感器的信号，决定是否进行状态转换。如果肯定，则控制器发出状态转换信号S T，定时器开始清零，准备重新计时。

设交通灯控制器的控制过程分为四个阶段，对应的输出有四种状态，分别用S0、S1、S2和S3表示：

S0状态：主干道绿灯亮支干道红灯亮，此时若支干道有车等待通过，而且主干道绿灯已亮足规定的时间间隔T L，控制器发出状态转换信号S T，输出从状态S0转换到S1。

S1状态：主干道黄灯亮，支干道红灯亮，进入此状态，黄灯亮足规定的时间间隔T Y时，控制器发出状态转换信号S T，输出从状态S1转换到S2。

S2状态：支干道绿灯亮，主干道红灯亮，若此时支干道继续有车，则继续保持此状态，但支干道绿灯亮的时间不得超过T S时间间隔，否则控制器发出状态转换信号S T，使输出转换到S3状态。

S3状态：支干道黄灯亮，主干道红灯亮，此时状态与S1状态持续的时间间隔相同，均为T Y，时间到时，控制器发出S T信号，输出从状态S3回到S0状态。

对上述S0、S1、S2和S3四种状态按照格雷码进行编码分别为00、01、11和10，由此得到交通灯控制系统的ASM图如图1－3所示。设系统的初始状态为主干道绿灯亮、支干道红灯亮，用S0状态框表示。当S0状态持续时间T L大于等于60秒，并且支干道有车等待通过，传感器S=1时，此时满足判断框中的T L·S=1条件，系统控制器发出状态转换信号S T，由条件输出框表示，同时系统从状态S0转到主干道黄灯亮、支干道红灯亮的S1状态。依此类推得出1－3所示的ASM的图。

1－3 交通灯控制器ASM 图

4、设计交通灯控制器的各功能模块电路

（1）设计控制器

T Y

T S

L ⋅

图1－4 交通灯控制器状态转换图

根据图1－3所示交通灯控制系统的ASM 图，得出系统状态图如图1－4所示。ASM 图中的状态框与状态图中的状态相对应，判断框中的条件是状态转换的输入条件，条件输出框与控制器状态转换的输出相对应。状态图是描述状态之间的转换，例如在S 0状态，如果条件T L .S=1时，系统状态转移到S 1，同时输出状态转换信号S T 。如果T L ·S = 0，则系统保持在S 0状态。

（2）设计定时器

定时器由与系统秒脉冲同步的计数器构成，时钟脉冲上升沿到来时，在控制信号S T 作

用下，计数器从零开始计数，并向控制器提供模M5、M30和M60信号，即T Y、T S和T L 定时时间信号。

当系统处于S0状态，为满足主干道绿灯亮、支干道红灯亮的定时时间T L≥60秒，当二进制计数器从0计数到59时，要将M60的输出端反馈到计数器的使能端EN，使它计到59时停止计数，并保持在M=60的状态直到支干道有车要通过时，才转换到S1状态。

要求计数器在状态转换信号S T作用下，首先清零，然后开始计数。定时器框图如图1－5

S

M5

图1－5 定时器框图

计数器具有高电平有效使能端EN，低电平有效同步清零端CLR和进位输出端C O。控制器发出的S T信号是高电平有效，所以经反相后接至计数器清零端，当计数到Q5 Q4Q3Q2Q1Q0=111011，即M=60时，C o=1，将其反相后接入使能端EN，就可以保持在M=60状态。

定时器也可以采用可预置计数初始值的递减计数器实现，当计数器从初始值59减到0时停止计数，具体实现方法请读者自己思考。

(3) 设计译码器

系统的输出是在Q1Q0驱动下的六个信号灯，各状态与信号灯的关系如表1－1示

表1－1 信号灯与控制器状态编码表

三、实验内容与步骤

全部程序由学生设计，实验步骤如下：

1、设计交通灯控制系统模块程序（参考程序见附录1）。

2、仿真实验：在quartusII9.0开发环境下，对交通灯信号控制系统的程序进行仿真实

验（设计输入－编译设计项目－仿真验证）。

3、分配可编程逻辑器件芯片的引脚，如表1－2示（参考程序）。

表1－2 交通灯控制系统引脚分配（参考程序）

注：（1）引脚49～59：译码器输入，与实验八定义相同。

（2）拨码开关S1-4向上为“0”，表示支干道无车；拨码开关S1-4向下为“1”表示支干道有车。

4、下载程序：将计算机并口与FPGA下载部分的DB25接口连接，开启数字部分的电源开关S4，运行quartusII9.0的下载程序，下载完成后主干道绿灯亮，从“00”开始计数。

5、功能测试：按照表1－2进行操作。

表1－2 交通灯控制系统功能测试

四、设计性实验报告要求

1、简述交通灯信号控制系统的工作原理。

2、描述你设计的交通灯信号控制系统的程序设计思路与ASM流程图工作原理。

3、描述各个程序模块的功能，编写各个电路模块的程序，将编写的源程序作为文件

附录。

4、将仿真的波形作为文件附录。

5、参考表1－2 所示的交通灯控制系统，列出功能测试表。

6、分析电路装调中出现的故障及解决的措施。

7、实验心得体会（实验中出现的问题及解决的措施，对动手能力的培养，教学建议等。）