北邮课程设计—十字路口交通灯控制系统实验报告

十字路口交通灯控制系统
实验报告
综合设计：
程序编写：
硬件测试：
实验报告撰写：北京邮电大学计算机学院某人
一．实验目的
1.学习采用状态机的方法设计时许逻辑电路。

2.掌握ispLEVER软件的使用方法。

3.掌握用VHDL语言实现有限状态自动机。

4.掌握ISP器件的使用。

二．实验所用器件和设备
1.在系统可编程逻辑器件ISP1032E
2.示波器
3.逻辑测试笔
4.TEC-5实验系统
三．问题描述
十字路口4个方向各有一个交通灯，分别控制着各个方向的交通通行状况。

东西方向按照“绿灯-黄灯-红灯”的顺序变化，而南北方向则按照“红灯-绿灯-黄灯”的顺序变化。

当出现紧急状况，4个方向均禁止通行，直到紧急状况结束。

设计一个交通灯控制系统，实现以上功能。

四．实验要求
1.起始状态，4个方向红灯亮起，延时2秒。

2.东西方向绿灯，表示可以通行，延时5秒；5秒后，东西方向黄灯亮起，延时2秒，期间，南北方向一直保持红灯，延时7秒。

3.南北方向随后按以上规律执行，南北方向和东西方向的交通灯循环执行以上步骤。

4.突遇紧急状况，4个方向均红灯亮起，直到紧急状况结束，并能恢复出现紧急
状况前的状态。

五．综合设计方案
1.设计思想
❶输入端，clk=5kHz，作为时钟信号。

同时设置一个紧急状态的逻辑位输入alarm，当alarm为1，手动启动紧急状态，alarm为0，回复到正常状态。

❷输出端，用th1，tl1作为倒计时信号，输入到数码显示管用来显示剩余时间；同样，用th2，tl2作为南北方向的倒计时信号。

❸用R1，R2，R3，R4表示东南西北4个方向的红灯信号，同理用Y1，Y2，Y3，Y4表示4个方向的和黄灯信号，G1，G2，G3，G4表示4个方向的绿灯信号❹当可以通行的时间仅剩下2秒时，发出警报声；如果在紧急状况下，也发出警报声，这个警报声由Make_Sound来控制，输入到喇叭中。

❺这是一个典型的时序状态机，一共6个大的状态。

由于各个状态停留时间不同，但都是秒的倍数。

可以考虑设计当前状态与下一状态两个枚举型数据，每秒刷新旧状态值，紧急事件发生时，要注意保存必要的信息，已被紧急事件结束后，恢复到原状态继续运行使用。

❻选择实验台上的5kHz频率时钟，作为设计中分频的初始时钟。

2.状态转移图
状态说明：
❶All_Red:起始状态，延时2秒后自动转入EW_Green，4个方向都是红灯。

❷EW_Green:此状态下，东西方向绿灯，南北方向红灯，延时5秒。

如果没有紧急状况，转入EW_Yellow。

❸EW_Yellow:此状态下，东西方向黄灯，南北方向红灯，延时2秒。

如果没有紧急状态，转入SN_Green。

❹SN_Green:此状态下，南北方向绿灯，东西方向红灯，延时5秒。

如果没有紧急状态，转入SN_Yellow。

❺SN_Yellow:此状态下，南北方向黄灯，东西方向红灯，延时2秒。

如果没有紧急状态，转入EW_Green。

❻Emergency:紧急状态，手动控制。

可以随时启动紧急状态，由其他4个正常状态进入Emergency；也可以随时结束紧急状态，由Emergency恢
复到原先状态。

3.模块设计
❶输入信号处理模块：
将外部时钟信号clk和紧急情况信号alarm经过模块1的处理之后送到系统中执行。

❷分频模块：
将5kHz的时钟信号进行分频，得到新的脉冲，每秒输出一个脉冲，方便计时。

❸正常情况下状态转移模块：
如果紧急情况信号无效，根据分频得到的始终信号计时，严格在各个状态之间跳转，并给出相应的控制信号，指挥是否报警和各个灯的亮与灭。

❹紧急状态处理模块：
当紧急信号有效，模块3终止执行，完全转到紧急状态处理模块。

当紧急状态结束，回到模块3继续执行原先状态。

❺输出信号处理模块：
各个模块的输出信号汇集到这里，经过处理，决定各个灯的亮与灭，警报声以及黄灯的闪烁等。

六．程序设计
1.输入输出信号的定义
❶clk（5kHz）：输入信号，时钟脉冲
❷alarm：输入信号，决定是否是紧急状态
❸R1，R2，R3，R4：输出信号，4个方向的红灯信号
❹Y1，Y2，Y3，Y4：输出信号，4个方向的黄灯信号
❺G1，G2，G3，G4：输出信号，4个方向的绿灯信号
❻Make_Sound：输出信号，警报声信号
❼H1，L1：输出信号，东西方向的倒计时
❽H2，L2：输出信号，南北方向的倒计时
2.内部模块之间接口信号的定义
❶clk1：将clk分频后得到的新时钟信号，每秒输出一个脉冲
❷step：用于分频时，计算clk脉冲的个数
❸flag：标志位，用于判断是否是刚进入某一个状态，是则为0，反之为1 ❹th1，th2，tl1，tl2：计时信号，每加1表示1秒
❺state：状态表示信号，有6个状态，分别是All_Red，EW_Green，EW_Yellow，SN_Green，SN_Yellow和Emergency
❻count：计算脉冲个数
3.各主要模块实际程序设计
❶分频模块（将5kHz的时钟分频每秒输出一个脉冲的信号）
process(clk)--对时钟进行分频，每5000个脉冲即1秒
variable step:integer range 0 to 4999;
begin
if clk'event and clk='1' then
if step=4999 then
step:=0;
clk1<='1';--5000个脉冲，step重新赋值为0，同时产生新脉冲
else
step:=step+1;
clk1<='0';--不足5000个脉冲，不断加1，同时不产生新脉冲
end if;
end if;
end process;
❷正常状况下状态转移模块
******************************定义变量****************************** process(alarm,clk1,clk)--非紧急情况下5个状态的转换
variable flag:std_logic;--标志位，表示刚进入还是已经进入该状态
variable th1,tl1,th2,tl2:std_logic_vector(2 downto 0);--剩余时间高位和低位 variable s:std_logic;--警报信号
variable state:Light;--状态
variable count:integer range 0 to 999;--1000个信号表示0.2秒
begin
if (clk1'event and clk1='1')and(alarm='0') then--时钟信号有效
Make_Sound<='0';--发声信号初始为0
case state is
************************4个方向全部红灯的************************ when All_Red=>--全红状态
if flag='0' then--标志位为0，表示刚进入这个状态
th1:="000";
tl1:="010";--对剩余时间高低位赋值
th2:="000";
tl2:="010";--对剩余时间高低位赋值
flag:='1';--修改标志位
R1<='1';
R2<='1';
R3<='1';
R4<='1';--4个方向的红灯信号全为1，表示红灯亮
else--已经进入该状态
if not(tl1="001" and tl2="001") then--低位不为0
tl1:=tl1-1;--不断减1
tl2:=tl2-1;
else--低位为0
flag:='0';
tl1:="000";
tl2:="000";
state:=EW_Green;--标志位变为0，进入下一个状态
end if;
end if;
********************东西方向绿灯，南北方向红灯*********************** when EW_Green=>--东西方向可以通行的状态
if flag='0' then--标志位为0，表示刚进入这个状态
th1:="000";
th2:="000";
tl1:="101";
tl2:="111";--对剩余时间高低位赋值
flag:='1';--修改标志位
G1<='1';Y1<='0';R1<='0';
G2<='0';Y2<='0';R2<='1';
G3<='1';Y3<='0';R3<='0';
G4<='0';Y4<='0';R4<='1';--东西方向绿灯亮起，南北方向红
灯亮起
else
G1<='1';Y1<='0';R1<='0';
G2<='0';Y2<='0';R2<='1';
G3<='1';Y3<='0';R3<='0';
G4<='0';Y4<='0';R4<='1';--东西方向绿灯亮起，南北方向红
灯亮起
if not(tl1="001") then--还有通过时间
tl1:=tl1-1;
tl2:=tl2-1;--时间不断减少
if tl1<3 then
Make_Sound<='1';--剩余时间少于3秒，警报声 end if;
else
tl1:="010";
tl2:="010";
flag:='0';
Make_Sound<='0';
state:=EW_Yellow;--通过的倒计时为0，东西方向不能通
过，进入黄灯状态，标志位重新为0 end if;
end if;
**********************东西方向黄灯，南北方向红灯******************** when EW_Yellow=>--东西方向进入黄灯状态
if flag='0' then--标志位为0，表示刚进入这个状态
th1:="000";
tl1:="001";
th2:="000";
tl2:="001";--对剩余时间高低位赋值
flag:='1';--修改标志位
Y1<='1'; G1<='0';R1<='0';
Y2<='0'; G2<='0';R2<='1';
Y3<='1'; G3<='0';R3<='0';
Y4<='0'; G4<='0';R4<='1';--东西方向黄灯亮起，南北方向依
旧红灯
else
Y1<='1'; G1<='0';R1<='0';
Y2<='0'; G2<='0';R2<='1';
Y3<='1'; G3<='0';R3<='0';
Y4<='0'; G4<='0';R4<='1';--东西方向黄灯亮起，南北方向依
旧红灯
if not(tl1="001" and tl2="001") then
tl1:=tl1-1;
tl2:=tl2-1;--时间不断减少
else
tl1:="000";
tl2:="000";
flag:='0';
state:=SN_Green;--黄灯计时结束，修改标志位，进入南
北方向绿灯状态
end if;
end if;
**********************南北方向绿灯，东西方向红灯********************* when SN_Green=>--南北方向进入绿灯通行状态
if flag='0' then--标志位为0，表示刚进入这个状态
th1:="000";
tl1:="111";
th2:="000";
tl2:="101";--对剩余时间高低位赋值
flag:='1';--修改标志位
G2<='1';R2<='0';Y2<='0';
G4<='1';R4<='0';Y4<='0';
Y1<='0';R1<='1';G1<='0';
Y3<='0';R3<='1';G3<='0';--南北方向绿灯亮起，东西方向红
灯
else
G2<='1';R2<='0';Y2<='0';
G4<='1';R4<='0';Y4<='0';
Y1<='0';R1<='1';G1<='0';
Y3<='0';R3<='1';G3<='0';--南北方向绿灯亮起，东西方向红
灯
if not(tl2="001") then--还有通过时间
tl2:=tl2-1;
tl1:=tl1-1;--时间不断减少
if tl2<3 then
Make_Sound<='1';--如果剩余通过时间少于3秒，
警报声响起，提醒
end if;
else
tl2:="010";
tl1:="010";
flag:='0';
Make_Sound<='0';
state:=SN_Yellow;--通过的倒计时为0，南北方向不能通
过，进入黄灯状态，标志位重新为0 end if;
end if;
*********************南北方向黄灯，东西方向红灯********************* when SN_Yellow=>--南北方向进入黄灯状态
if flag='0' then--标志位为0，表示刚进入这个状态
th1:="000";
tl1:="001";
th2:="000";
tl2:="001";--对剩余时间高低位赋值
flag:='1';--修改标志位
Y1<='0';R1<='1';G1<='0';
Y2<='1';R2<='0';G2<='0';
Y3<='0';R3<='1';G3<='0';
Y4<='1';R4<='0';G4<='0';--南北方向黄灯，东西方向依旧红
灯
else
Y1<='0';R1<='1';G1<='0';
Y2<='1';R2<='0';G2<='0';
Y3<='0';R3<='1';G3<='0';
Y4<='1';R4<='0';G4<='0';--南北方向黄灯，东西方向依旧红
灯
if not(tl1="001" and tl2="001") then
tl1:=tl1-1;
tl2:=tl2-1;--时间不断减少
else
tl1:="000";
tl2:="000";
flag:='0';
state:=EW_Green;--黄灯计时结束，修改标志位，进入东
西绿灯状态
end if;
end if;
end case;
end if;
H1<=th1;
L1<=tl1;
H2<=th2;
L2<=tl2;--对信号赋值
end process；
❸紧急状况处理模块
if alarm='1' then--紧急状态信号有效
Make_Sound<='1';
Y1<='0';
Y2<='0';
Y3<='0';
Y4<='0';
G1<='0';
G2<='0';
G3<='0';
G4<='0';
R1<='1';
R2<='1';
R3<='1';
R4<='1';--紧急状态下，各个方向的黄灯和绿灯不亮，红灯亮起，发出警报 end if;
❹输出信号处理模块
注：这里仅列出使东西方向黄灯闪烁的进程，南北方向黄灯闪烁的进程好这类似，将Y1，Y11，Y33分别修改为Y2，Y22，Y44即可
process(clk,Y1,alarm)--使黄灯闪烁的进程
variable count1:integer range 0 to 999;
begin
if (clk'event and clk='1') and (Y1='1') and (alarm='0') then
if count1=999 then
count1:=0;
Y11<=not Y11;
Y33<=not Y33;--每0.2秒闪烁一下
else
count1:=count1+1;
end if;
end if;
if Y1='0' then—如果没有黄灯信号，那么黄灯一直保持灭的状态
Y11<='0';
Y33<='0';
end if;
end process;
七．程序调试过程中遇到的问题以及解决方法
❶第一版本的代码中，过多的使用了if-else的嵌套，但由于TEC-5实验台逻辑块数量的限制，使得程序并没有能够在试验台上正确得到运行起来。

后来，查询资料才知道，减少使用if-else的嵌套可以大大减少逻辑块的使用。

因此，我将程序作了改进，增加了case模块，最后使程序初步在实验台上运行起来。

❷在程序运行过程中，有时候程序运行得并不稳定，有时候有效信号或者脉冲已经输入到系统，但是程序并没有做出正确的反应。

经过反复比对和确认，造成程序运行不稳定也不够灵敏的原因是使用了过多的进程，系统并不是一
定捕捉到每个有效的脉冲信号。

找出原因以后，我着手将某些进程合并，最后由原来的8个进程缩减到了3个进程，减少了激励信号和时钟脉冲的使用，从实验台只有时钟信号和紧急状态信号两个外界输入，大大增加了程序的稳定性，运行也更加平稳灵敏。

❸在硬件调试过程中，发现当某个方向进入黄灯时，如果来了个紧急状态会导致程序的执行出现错误，也就是说，当紧急状态结束以后，黄灯不但没有灭，反而一直保持亮的状态。

开始以为是程序的问题，但是不断检查程序，也在QuartusII上做了软件仿真，没有发现程序有太大的问题。

后来，详细检查了一遍硬件连线，才发现有两根连线反接了，才解决了问题。

❹黄灯闪烁问题是最后一个解决的问题。

之前要么黄灯不闪烁，要么黄灯闪烁之后到了灭灯的时候却还保持闪烁状态，要么就是黄灯根本不闪烁。

这个必然是程序的设计问题，因此将修改的重心放在程序上。

经过多次修改，增加了一个黄灯闪烁的进程，和其他进程独立开来，终于使黄灯正确的闪烁起来。

八．程序基于QuartusII 9.0的模拟效果
1.仿真波形图
❶紧急状态下的仿真波形
❷非紧急状态下的仿真波形
2.模拟实验电路图



















。