十字路口交通灯控制器的设计

西安工业大学北方信息工程学院
课程设计报告
课程数字系统设计
题目十字路口交通灯控制器的设计
专业通信工程
班级
学号
姓名
2012年 6 月 23 日
目录
一、设计目的 (2)
二、设计要求和任务 (2)
设计任务： (2)
三、方案论证 (2)
四、VHDL语言程序描述 (3)
五、对VHDL语言进行处理 (7)
六、硬件仿真 (7)
七、心得体会 (10)
一、设计目的
利用MaxplussII平台的VHDL语言设计一个十字交叉路口的交通灯控制器，要求主干道和支道持续的时间各不相同，并能够用倒计时的形式显示。

二、设计要求和任务
设计任务：
有一条主干道和一条支干道的汇合点形成十字交叉路口，主干道为东西向，支干道为南北向。

为确保车辆安全，迅速地通行，在交叉道口的每个入口处设置了红、黄、绿3种信号灯（可利用实验板上的LED显示灯表示交通状态，其中O1、O2、O3分别表示主干道红、黄、绿灯，O6、O7、O8分别表示支干道红、黄、绿灯）。

要求：
（1）主干道绿灯亮时，支干道红灯亮，反之亦然，两者交替允许通行，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，时间为5s。

（2）利用七段数码显示器，实现正常的倒计时显示功能（用数码管1和数码管2显示主干道倒计时时间，用数码管4和数码管5显示支干道倒计时时间）。

（3）能实现总体清零功能：计数器由初始状态开始计数，对应状态的指示灯亮。

三、方案论证
图1交通灯控制器原理图
交通灯控制器原理框图如图1所示，包括置数模块、计数模块、主控制器模块和译码器模块。

置数模块将交通灯的点亮时间预置到置数电路中，计数模块以秒为单位倒计时，当计数值减为零时，主控电路改变输出状态，电路进入下一个状态的倒计时。

其中，核心部分是主控制模块，他负责整个交通灯的运行状态。

表1 交通灯控制器的状态转换表
（2）译码模块由于系统要进行35s，5s，25s三种定时，可以采用一个置数模块由主控模块输出的信号控制定时时间的选择。

（3）定时计数器采用倒序计时的方式，由主控模块输出的信号控制定时的开始，定时时间结束时输出定时时间结束信号到主控模块，通过主控模块控制交通灯的亮、灭。

（4）译码模块把计数器输出的信号分别进行译码，由数码管显示当前计数。

四、VHDL语言程序描述
----主干道放行35秒,支干道放行25秒,黄灯过渡时间为5秒的程序示例
library ieee; -----库说明
use ieee.std_logic_1164.all;
useieee.std_logic_unsigned.all;
entity jiaotongdeng is -----实体名称
port( clk_in:instd_logic; -----端口定义：时钟信号rst:instd_logic; 复位信号
light:outstd_logic_vector(7 downto 0); 指示灯显示
LED7S0:out STD_LOGIC_VECTOR(6 downto 0); -----支干道十位数
LED7S1:out STD_LOGIC_VECTOR(6 downto 0); -----支干道个位数 LED7S2:out STD_LOGIC_VECTOR(6 downto 0); -----主干道十位数
LED7S3:out STD_LOGIC_VECTOR(6 downto 0) ----主干道个位数
);
endjiaotongdeng;
architecture arc of jiaotongdeng is -----结构体
type states is(green_red,yellow_red,red_green,red_yellow); -----定义了一个新的类型
signalstate:states;
signal nextstate:states:=green_red; -----定义下一状态
signal data0:integer range 0 to 3; ----支干道十位初始值范围 signal data1:integer range 0 to 9; ----支干道个位初始值范围 signal data2:integer range 0 to 3; ----主干道十位初始值范围 signal data3:integer range 0 to 9; ----主干道个位初始值范围signalclock_buffer:std_logic;
signal count_time:integer range 0 to 1999999; ----时钟技术范围signalclk:std_logic;
signal sec0:integer range 0 to 3; ----支干道十位显示值范围 signal sec1:integer range 0 to 9; ----支干道十位显示值范围 signal sec2:integer range 0 to 3; ----主干道十位显示值范围 signal sec3:integer range 0 to 9; ----主干道十位显示值范围begin
frequent:process(clk_in) ----分频程序begin
ifclk_in'event and clk_in='1' then
if count_time=1999999 then ----2M翻转一次
count_time<=0;
clock_buffer<=not clock_buffer;
else
count_time<=count_time+1;
end if;
end if;
clk<=clock_buffer; -----输出为1HZ的频率
end process;
light_statment:process(rst,state) ----交通信号灯的显示状态，及状态转换、初始值的设置begin
if rst='0' then light<="11011011"; --代表主干道绿灯亮，支干道红灯亮，O4和O5灯不用所以全置1让其始终不亮
else
case state is
when green_red=>light<="11011011"; --主干道绿灯亮，支干道红灯亮（状态一）
nextstate<=yellow_red; --下一状态为主干道黄灯亮，支干道红灯亮（状态二）
data2<=0;--下一状态的初始值设置
data3<=4;
data0<=0;
data1<=4;
when yellow_red=>light<="10111011"; --主干道黄灯亮，支干道红灯亮（状态二）
nextstate<=red_green;
data2<=2;
data3<=9;
data0<=2;
data1<=4;
when red_green=>light<="01111110"; --主干道红灯亮，支干道绿灯亮（状态三）
nextstate<=red_yellow;
data2<=0;
data3<=4;
data0<=0;
data1<=4;
when red_yellow=>light<="01111101"; --主干道红灯亮，支干道黄灯亮（状态四）
nextstate<=green_red;
data2<=3;
data3<=4;
data0<=3;
data1<=9;
end case;
end if;
end process;
time:process(rst,clk) -----记时状态
begin
ifrst='0' then
sec0<=3;sec1<=9;sec2<=3;sec3<=4; state<=green_red; ----数码管的初始值，初始状态
elsif (rising_edge(clk))then
if(((sec0=0 )and(sec1=0) )or ((sec2=0 )and(sec3=0)))then ----若支干道十位为0，个位为0或者主干道十位为0，个位为0就跳转到下一个状态
state<=nextstate;
sec2<=data2;sec3<=data3; ----数码管置下一状态的初始值
sec0<=data0;sec1<=data1;
else
sec1<=sec1-1; ----支干道个位减一
sec3<=sec3-1; ----主干道个位减一
if((sec2/=0)and(sec3=0))then ----主干道十位不为0，个位为0则
十位减一，个位附为9
sec2<=sec2-1;
sec3<=9;
end if;
if ((sec0/=0)and(sec1=0))then ----支干道十位不为0，个位为0则
十位减一，个位附为9
sec0<=sec0-1;
sec1<=9;
end if;
end if;
end if;
end process;
process(sec0) ----支干道十位计数值七段数码管译码
begin
case sec0 is
WHEN 0 => LED7S0 <= "1000000" ;---0
WHEN 1 => LED7S0 <= "1111001" ; ---1
WHEN 2 => LED7S0 <= "0100100" ;---2
WHEN 3 => LED7S0 <= "0110000" ;---3
WHEN others=>LED7S0<="1111111"; ---其余状态为不显示
END case;
END process;
process(sec1)
begin
case sec1 is
WHEN 0 => LED7S1 <= "1000000" ; ---0
WHEN 1 => LED7S1 <= "1111001" ; ---1
WHEN 2 => LED7S1 <= "0100100" ;---2
WHEN 3 => LED7S1 <= "0110000" ;---3
WHEN 4 => LED7S1 <= "0011001" ;---4
WHEN 5 => LED7S1 <= "0010010" ;---5
WHEN 6 => LED7S1 <= "0000010" ;---6
WHEN 7 => LED7S1 <= "1111000" ;---7
WHEN 8 => LED7S1 <= "0000000" ;---8
WHEN 9 => LED7S1 <= "0010000" ;---9
END case;
END process;
process(sec2) ----主干道十位计数值七段数码管译码begin
case sec2 is
WHEN 0 => LED7S2 <= "1000000" ;---0
WHEN 1 => LED7S2 <= "1111001" ; ---1
WHEN 2 => LED7S2 <= "0100100" ;---2
WHEN 3 => LED7S2 <= "0110000" ; ---3
WHEN others=>LED7S2<="1111111"; ---其余状态不显示
END case;
END process;
process(sec3) ----主干道个位计数值七段数码管译码begin
case sec3 is
WHEN 0 => LED7S3 <= "1000000" ;---0
WHEN 1 => LED7S3 <= "1111001" ; ---1
WHEN 2 => LED7S3 <= "0100100" ;---2
WHEN 3 => LED7S3 <= "0110000" ;---3
WHEN 4 => LED7S3 <= "0011001" ;---4
WHEN 5 => LED7S3 <= "0010010" ;---5
WHEN 6 => LED7S3 <= "0000010" ;---6
WHEN 7 => LED7S3 <= "1111000" ; ---7
WHEN 8 => LED7S3 <= "0000000" ;---8
WHEN 9 => LED7S3 <= "0010000" ; ---9
END case;
END process;
end arc;
五、对VHDL语言进行处理
(1)保存并查错
选取窗口菜单File-Project-Save&Check，即可针对电路文件进行检查。

(2 )修改错误
针对Message-Compiler窗口所提供的信息修改电路设计，直到没有错误为止。

(3 )保存并编译
选取窗口菜单File-Project-Save&Compile，即可进行编译，产生nand2.pof烧写文件。

六、硬件仿真
下载实验验证
(1)选择器件:
打开MAX+plus II，选取窗口菜单Assign-Device，出现对话框，选择MAX7000S系列的 EPM7128SLC84-6。

(2)锁定引脚：
选取窗口菜单Assign-Pin/Location/Chip，出现对话框，在Node Name中分别键入引脚名称，在Pin中键入引脚编号。

锁定引脚的界面如图所示。

图5 锁定引脚
Clk_in-->83,rst-->1,LED7S00~06-->69、70、73、74、75、76、77
LED7S10~16-->60、61、63、64、65、67、68
LED7S20~26-->18、20、21、22、24、25、27
LED7S30~36-->9、10、11、12、15、16、17
Light0~7-->58、57、56、55、54、52、51、50
(3)编译：选取窗口菜单File-Project-Save&Compile，即可进行编译，编译完成后的提示信息如图6所示。

图6 编译完成后的提示信息
(4)烧写：
（a）启动pof2jed.exe程序，将编译后生成的pof文件转换成jed文件，如图7所示进行设置。

设置完毕，点击“Run”按钮。

图7 pof文件转换成jed文件
（b）硬件连接：插上电源，下载线一端连接计算机并口端，一端接硬件板上的JTAG端口。

为了进行绝缘，在板子下面垫上一张白纸。

电源插好以后，POWER灯（红灯）亮。

（c）启动Atmel ISP.exe程序，将转换好的jiaotongdeng.jed文件下载到实际硬件中去。

点击File-New，弹出的对话框“Enter Number of :1”，点击OK按钮。

在弹出的对话框中按如图8所示进行设置，在JTAG中选择“Program/Verify”,Device 选择“ATF1508AS”，Jedec选择刚刚转换好的jiaotongdeng.Jed,点击OK按钮。

在PORT 中选择所连接的计算机并口号，在Cable types选择下载线的种类为ByteBlaster。

一切设置完毕后，点击Run按钮开始烧写，在烧写过程中，硬件板上的PROG灯（绿灯）会一直闪烁，烧写完毕后绿灯熄灭。

七、心得体会
通过利用MaxplussII平台的VHDL语言设计一个十字交叉路口的交通灯控制器，加深了我对于VHDL语言的理解和熟练，将原来的VHDL模块综合在一起。

在设计过程中，对于VHDL的语言模式，定义方式等的熟练，我更加意识到了其优越的性能，设计红绿灯的时间显示，各个状态跳变的方式和时刻考察了较为严密的思路，加强了团队合作能力和动手能力。

由于选择的器件所含有的宏单元有限，对程序的优化显得至关重要，避免了不必要的浪费，使得程序更加严谨和通畅。