通过Verilog实现交通灯设计实验报告

电子科技大学实验报告一、实验室名称：虚拟仪器实验室二、实验项目名称：交通灯设计实验三、实验学时：4学时四、实验原理假设交通灯处于南北和东西两条大街的“十”字路口，如图1所示。

用FPGA开发板的LED灯来模拟红、黄、绿3种颜色信号，并按一定顺序、时延来点亮LED，如图2所示。

图3给出了交通灯的状态转移图。

设计使用频率为1Hz的时钟来驱动电路（注1：仿真时采用1MHz的时钟来驱动电路），则停留1个时钟可得到1S的延时，类似停留3个时钟可得到3S的延时，停留15个时钟可得到15S的延时（注2：开发板工作时钟为50MHz）。

北西东南图1. 六个彩色LED可以表示一组交通信号灯图2. 交通灯状态南北东西红黄绿红黄绿S0 1 0 0 0 0 1S1 1 0 0 0 1 0S2 1 0 0 1 0 0S3 0 0 1 1 0 0S4 0 1 0 1 0 0S5 1 0 0 1 0 0图3. 交通灯的状态转移图顶层模块时钟分频模块状态机跳转模块图4. 交通灯的原理框图五、实验目的本实验是有限状态机的典型综合实验，掌握如何使用状态转移图来定义Mealy状态机和Moore状态机，熟悉利用HDL代码输入方式进行电路的设计和仿真的流程，掌握Verilog语言的基本语法。

并通过一个交通灯的设计掌握利用EDA软件（Xilinx ISE 13.2）进行HDL代码输入方式的电子线路设计与仿真的详细流程。

六、实验内容在Xilinx ISE 13.2上完成交通灯设计，输入设计文件，生成二进制码流文件下载到FPGA开发板上进行验证。

七、实验器材（设备、元器件）1、计算机（安装Xilinx ISE 13.2软件平台）；2、BASYS2 FPGA开发板一套（带USB-MIniUSB下载线）八、实验步骤（1）新建工程，设置器件属性：在Xilinx ISE 13.2平台中，新建一个工程（注意命名规范），输入工程名称以及工程所在的目录，设置芯片的具体型号（Spartan 3E XC3S100E）、封装类型（CP132）以及编码使用的语言（Verilog）。

（详见实验指导书）（2）Verilog源码文件创建与编辑：选中器件名字，点击鼠标右键，选中New Source…，选择Verilog Module以及输入文件名称（详见实验指导书）（3）语法检查，对设计文件进行综合：代码编写完成后，在ISE的主界面的处理子窗口的synthesis的工具检查代码语法（Check Syntax），同时在此窗口可以查看RTL原理图（View RTL schematic）、查看技术原理图（View Technology Schematic）以及产生综合后仿真模型（GeneratePost-Synthesis Simulation Model）。

（4）对设计进行行为仿真：1）产生测试文件模板；2）完成测试脚本创建与编辑；3）调出仿真窗口对设计进行仿真；4）通过波形查看仿真结果。

（详见实验指导书）（5）添加实现约束文件。

（详见实验指导书）（6）UCF文件导入。

（详见实验指导书）（7）FPGA在线下载配置：1）连接开发板并给开发板供电；2）边界扫描，初始化链；3）下载比特流文件；4）对FPGA进行编程；5）生成PROM文件；6）将生成的PROM文件烧到PROM芯片中。

（详见实验指导书）（8）关闭配置界面，不保存任何信息。

（一定不要保存任何信息）（9）关闭电源重新上电，程序从PROM自动引导到FPGA芯片中。

（10）给开发板断电，清理器件，实验结束。

九、实验数据及结果分析9.1状态机转移代码module traffic(input clk,input rst,output reg[5:0] lights);reg[2:0] state;reg[3:0] count;parameter S0=3'b000,S1=3'b001,S2=3'b010,S3=3'b011,S4=3'b100,S5=3'b101;always@(posedge clk or posedge rst)beginif(rst)beginstate<=S0;count<=0;endelse begincase(state)S0:if(count<15)beginstate<=S0;count<=count+1;endelse beginstate<=S1;count<=0;endS1:if(count<3)beginstate<=S1;count<=count+1;endelse beginstate<=S2;count<=0;endS2:if(count<3)beginstate<=S2;count<=count+1;endelse beginstate<=S3;count<=0;endS3:if(count<15)beginstate<=S3;count<=count+1;endelse beginstate<=S4;count<=0;endS4:if(count<3)beginstate<=S4;count<=count+1;endelse beginstate<=S5;count<=0;endS5:if(count<3)beginstate<=S5;count<=count+1;endelse beginstate<=S0;count<=0;enddefault state<=S0;endcaseendendalways@(*)begincase(state)S0:lights=6'b100_001;S1:lights=6'b100_010;S2:lights=6'b100_100;S3:lights=6'b001_100;S4:lights=6'b010_100;S5:lights=6'b100_100;default lights=6'b100_001;endcaseendEndmodule9.2 时钟分频代码module clk_div(input clk,input rst,output reg clk_1hz );parameter CNT_WIDTH=5;reg[CNT_WIDTH-1:0] cnt;always@(posedge clk or posedge rst) beginif(rst)begincnt<=0;endelse begincnt<=cnt+1;endendalways@(posedge clk or posedge rst)if(rst)clk_1hz<=0;else if(cnt==25)beginclk_1hz<=~clk_1hz;cnt<=0;endEndmodule9.3 顶层代码module top(input mclk,input wire[3:3] btn,output wire[7:2] Led );wire clk_1hz;wire rst;assign rst=btn[3];clk_div clk_div_inst(.clk(mclk),.rst(rst),.clk_1hz(clk_1hz));traffic traffic_inst(.clk(clk_1hz),.rst(rst),.lights(Led));endmodule9.4 测试代码module text;// Inputsreg mclk;reg [3:3] btn;// Outputswire [7:2] Led;// Instantiate the Unit Under Test (UUT)top uut (.mclk(mclk),.btn(btn),.Led(Led));initial begin// Initialize Inputsmclk = 0;btn = 1;// Wait 100 ns for global reset to finish#100;btn = 0;// Add stimulus hereendparameter PERIOD =20;always begin#(PERIOD/2) mclk =0;#(PERIOD/2) mclk =1;endEndmodule9.5 仿真波形代码（对波形进行相关的文字说明，所截取的波形要覆盖所有状态转移）由图中可以看出，lights显示100001（S0），经过15us后变为100010（S1），接着3us变为100100（S2）,再3us变为001100（S3），然后15us变为010100（S4），之后3us变为100100（S5），状态正确。

由图可以看出，clk_1hz周期为1000ns，满足1M hz的要求十、实验结论通过实验，实现了用Xilinx ISE 13.2实现了一个交通灯的电子线路设计与仿真，更加熟练掌握Verilog语言的基本语法。

十一、实验中遇到的问题及相应的解决办法（1）lights状态不发生变化答：在test文件中，令btn初值为1报告评分：指导教师签字：11。