基于FPGA的交通灯控制器设计

-.z...-.可修编-数字系统课程设计基于FPGA的交通控制灯设计：**：班级：摘要随着社会的发展,城市规模的不断扩大,城市交通成为制约城市发展的一大因素。人口和汽车日益增长，市区交通也日益拥挤，人们的安全问题当然也日益重要。因此，红绿交通信号灯成为交管部门管理交通的重要工具之一。有了交通灯，人们的安全出行也有了很大的保障。自从交通灯诞生以来，其内部的电路控制系统就不断的被改进，设计方法也开始多种多样，从而使交通灯显得更加智能化。尤其是近几年来，随着电子与计算机技术的飞速发展，电子电路分析和设计方法有了很大的改进，电子设计自动化也已经成为现代电子系统中不可或缺的工具和手段，这些都为交通灯控制系统的设计提供了一定的技术基础。本课程设计运用erilogHDL语言描述交通控制器，通过状态机计数法，实现设计所要求的交通灯控制及时间显示，并最后进行了软件实现，达到了系统要求的功能。设计原理1.1设计要求设计一个交通控制器，用LED显示灯表示交通状态，并以7段数码显示器显示当前状态剩余秒数主干道绿灯亮时，支干道红灯亮；反之亦然，二者交替允许通行，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，黄灯的时间为5s。能进行特殊状态显示，特殊状态时东西、南北路口均显示红灯状态。用LED灯显示倒计时，并且能实现总体清零功能，计数器由初始状态开始计数，对应状态的显示灯亮。能实现特殊状态的功能显示，1.2设计思路和原理本次设计是针对十字路口，进行南北和东西直行情况下交通灯控制。设定东西方向为主干道方向，根据交通灯的亮的规则，在初始状态下四个方向的都为红灯亮启，进入正常工作状态后，当主干道上绿灯亮时，支干道上红灯亮，持续35S后，主干道和支干道上的黄灯都亮启，持续5S后，主干道上红灯亮启，支干道上绿灯亮启持续25S，之后主干道和支干道上的黄灯都亮启5s，一个循环完成。循环往复的直行这个过程。其过程如下图所示：图1.交通灯点亮时间控制说明1.3实现方法本次采用文本编辑法，即利用VerilogHDL语言描述交通控制器，通过状态机计数法，实现设计所要求的交通灯控制及时间显示。设计中用两组红黄绿LED模拟两个方向上的交通灯，用4个7段数码管分别显示两个方向上的交通灯剩余时间，控制时钟由试验箱上频率信号提供。VerilogHDL程序设计2.1整体设计根据上章设计原理，交通灯控制的关键是各个状态之间的转换和进行适当的时间延时，根据状态机的设计规*，本次设计了三个状态之间的循环转化，其真值表及状态转化图如下所示：图2.交通灯控制状态转化说明：该状态图为交通灯在正常情况下的状态转化图，进入控制后，状态00时主干道绿灯及支干道红灯亮起，进入状态01后两路黄灯亮起，状态11时主干道红灯及支干道绿灯亮起。进入10状态两路黄灯亮起。结束一个循环，从00状态重新开始循环。为实现控制与显示的功能，需要设计交通灯点亮顺序控制程序，倒数计时程序，七段数码管显示程序，数码管显示扫描程序，其系统结构图如下所示：图3.交通灯控制系统结构图其中rst为复位信号，clk为时钟信号，hold为特殊情况控制信号,输入hold时两个方向红灯无条件亮起。2.2具体设计根据整体设计要求，编写各个功能部分VerilogHDL程序，设置各输入输出变量说明如下clk：为计数时钟；qclk：为扫描显示时钟；en：使能信号，为1的话，则控制器开始工作；rst：复位信号，为1的话，控制及技术回到初始状态；hoid：特殊情况控制信号，为1的话，则两个方向无条件显示为红灯；light1：控制主干道方向四盏灯的亮灭；其中，light1[0]~light[2]，分别控制主干道方向的绿灯、黄灯和红灯；light2：控制支干道方向四盏灯的亮灭；其中，light2[0]~light2[2]，分别控制支干道方向的绿灯、黄灯和红灯；num1：用于主干道方向灯的时间显示，8位，可驱动两个数码管；num2：用于支干道方向灯的时间显示，8位，可驱动两个数码管；counter：用于数码管的译码输出；st1，st2：数码管扫描信号。输入输出及中间变量设置如下：moduletraffic(en,clk,qclk,rst,rst1,hold,num1,num2,light1,light2,counter,st1,st2);inputen,clk,qclk,rst,hold,rst1;outputst1,st2;output[7:0]num1,num2;output[6:0]counter;output[2:0]light1,light2;regtim1,tim2,st1,st2;reg[1:0]state1,state2,ste;reg[2:0]light1,light2;reg[3:0]num;reg[6:0]counter;reg[7:0]num1,num2;reg[7:0]red1,red2,green1,green2,yellow1,yellow2;二极管点亮控制该部分程序的作用是根据计数器的计数值控制发光二极管的亮、灭，以及输出倒计时数值给七段数码管的译码电路。此外，当检测到特殊情况（hold=‘1’）发生时，无条件点亮红灯的二极管，当检测到复位信号，两个方向计数与控制回复到00状态。因为主、支干道两个方向二极管点亮的顺序与延迟时间不同，顾编写两个独立的部分来控制，具体程序如下：1）主干道方向always(posedgeclk)beginif(rst)//复位与特殊情况控制beginlight1<=3'b001;num1<=green1;endelseif(hold)beginlight1<=3'b100;num1<=green1;endelseif(en)begin//使能有效开始控制计数if(!tim1)//begin//主干道交通灯点亮控制tim1<=1;case(state1)2'b00:beginnum1<=green1;light1<=3'b001;state1<=2'b01;end2'b01:beginnum1<=yellow1;light1<=3'b010;state1<=2'b11;end2'b11:beginnum1<=red1;light1<=3'b100;state1<=2'b10;end2'b10:beginnum1<=yellow1;light1<=3'b010;state1<=2'b00;enddefault:light1<=3'b100;endcaseend2）支干道方向always(posedgeclk)beginif(rst)//复位与特殊情况控制beginlight2<=3'b100;num2<=red2;endelseif(hold)beginlight2<=3'b100;num2<=red2;endelseif(en)beginif(!tim2)begintim2<=1;case(state1)2'b00:beginnum2<=red2;light2<=3'b100;state2<=2'b01;end2'b01:beginnum2<=yellow1;light2<=3'b010;state2<=2'b11;end2'b11:beginnum2<=green2;light2<=3'b001;state2<=2'b10;end2'b10:beginnum2<=yellow2;light2<=3'b010;state2<=2'b00;enddefault:light2<=3'b100;endcaseend倒数计时该部分程序完成二极管发光时延的计数，并将计数结果送到数码管显示电路，每切换到一个状态，计数器的初值都被重置，以实现不同颜色二极管不同的时延要求。本次设计直接用逻辑运算完成2位十进制数的计数，未采用分位器的设计。因为主、支干道上计数器的结构完全相同，顾只列出一路的程序，其具体程序如下所示：always(posedgeclk)beginelsebegin//倒数计时if(num1>0)if(num1[3:0]==0)beginnum1[3:0]<=4'b1001;num1[7:4]<=num1[7:4]-1;endelsenum1[3:0]<=num1[3:0]-1;if(num1==1)tim1<=0;endendelsebeginlight1<=3'b010;num1=2'b00;tim1<=0;endend数码管的译码及扫描显示该段程序主要完成4个7段数码管的译码显示及扫描，使系统能正常显示主、支干道两个方向上的剩余时间。译码的时钟频率要低，为Hz级。扫描的时钟频率要高，最低不得小于人眼分辨频率50Hz，具体程序如下所示：always(posedgeqclk)begin//数码管扫描if(rst1)beginst1=0;st2=0;endelsebegincase({st2,st1})2'b00:beginnum<=num1[3:0];{st2,st1}<=2'b01;end2'b01:beginnum<=num1[7:4];{st2,st1}<=2'b10;end2'b10:beginnum<=num2[3:0];{st2,st1}<=2'b11;end2'b11:beginnum<=num2[7:4];{st2,st1}<=2'b00;endendcaseendendalways(posedgeqclk)begin//数码管译码显示case(num)4'b0000:counter<=7'b0111111;//04'b0001:counter<=7'b0000110;//14'b0010:counter<=7'b1011011;//24'b0011:counter<=7'b1001111;//34'b0100:counter<=7'b1100110;//44'b0101:counter<=7'b1101101;//54'b0110:counter<=7'b1111101;//64'b0111:counter<=7'b0000111;//74'b1000:counter<=7'b1111111;//84'b1001:counter<=7'b1101111;//9default:counter<=7'b0111111;//0endcaseendendmodule总体程序见程序清单所示仿真与硬件调试3.1波形仿真在QuartursⅡ软件下创建工程，新建编辑设计文件，将程序输入，整体编译后，新建波形仿真文件。设置仿真时间，时钟周期，输入输出端口，进行波形仿真。具体仿真波形图及说明如下所示：仿真截止时间：100us；时钟：clk1us，qclk0.1us1.正常工作时波形仿真图图4.正常工作时波形仿真图图形说明波形仿真主要完成了控制与计数以及数码管显示的波形图。en为低电品时，计数器置初值，高电平时开始正常控制与计数。控制发光二极管首次输出为"light1=001，light2=100”，表示主干道路绿灯亮，支杆道路红灯亮，计数器num1和num2从"00110101”开始递减计数，计数至"00000000”时，进入下一个状态，控制输出量为light=010，light2=010，表示主、支干道黄灯均亮起，计数器num1和num2从"00000101”开始计数递减，计数至”00000000”时进入下一个状态，light=100，light2=001，表示主干道路红灯亮，支杆道路绿灯亮。Counter根据num1，num2变化随时钟上升沿输出译码后的数据。由于屏幕显示大小有限，未仿真出一个完整周期。2.特殊情况仿真波形图5.特殊情况仿真波形图形说明当hold输入高电平时，在时钟上升沿的控制下，light1与light2被强制置位为”100”，表示两路红灯均亮起3.复位情况仿真波形图6.复位情况仿真波形图形说明当rst输入高电平时，在时钟上升沿控制下，计数与控制都回到00状态，即light1=001，light2=100，计数器num1和num2从"00110101”开始递减计数。3.2硬件调试完成时序仿真确认无误后，进行实验箱管脚设置，注意设置完成后一定要再进行一次全局仿真，使程序真正对应于硬件输出输出。具体连接说明如下所示输入变量：rst、clk、qclk、hold、en其中en，hold，rst接”0-1”拨码开关，以稳定的输出可变化的电平。计数时钟clk接实验箱上1Hz时钟，扫描显示时钟qclk接125Khz时钟。输出变量：light1[2:0]、light2[2:0]、counter[6:0]、st1、st2其中light1[0]、light2[0]分别接绿色的发光二极管；light1[1]、light2[1]分别接黄色的发光二极管；light1[2]、light2[2]分别接红色的发光二极管。counter[0]~counter[6]，分别接七段数码管的a~f，st1、st2分别接试验箱上”4-16”译码器的低两位。完成接线后将程序烧写到芯片上，开始功能调试。分辨改变使能信号，复位信号以及特殊情况信号，观察数码管以及发光二级管情况。程序清单moduletraffic(en,clk,qclk,rst,rst1,hold,num1,num2,light1,light2,counter,st1,st2);inputen,clk,qclk,rst,hold,rst1;outputst1,st2;output[7:0]num1,num2;output[6:0]counter;output[2:0]light1,light2;regtim1,tim2,st1,st2;reg[1:0]state1,state2,ste;reg[2:0]light1,light2;reg[3:0]num;reg[6:0]counter;reg[7:0]num1,num2;reg[7:0]red1,red2,green1,green2,yellow1,yellow2;always(en)if(!en)begin//设置计数初值green1<=8'b00110101;red1<=8'b00100101;yellow1<=8'b00000101;green2<=8'b00100101;red2<=8'b00110101;yellow2<=8'b00000101;endalways(posedgeclk)beginif(rst)//复位与特殊情况控制beginlight1<=3'b001;num1<=green1;endelseif(hold)beginlight1<=3'b100;num1<=green1;endelseif(en)begin//使能有效开始控制计数if(!tim1)//开始控制begin//主干道交通灯点亮控制tim1<=1;case(state1)2'b00:beginnum1<=green1;light1<=3'b001;state1<=2'b01;end2'b01:beginnum1<=yellow1;light1<=3'b010;state1<=2'b11;end2'b11:beginnum1<=red1;light1<=3'b100;state1<=2'b10;end2'b10:beginnum1<=yellow1;light1<=3'b010;state1<=2'b00;enddefault:light1<=3'b100;endcaseendelsebegin//倒数计时if(num1>0)if(num1[3:0]==0)beginnum1[3:0]<=4'b1001;num1[7:4]<=num1[7:4]-1;endelsenum1[3:0]<=num1[3:0]-1;if(num1==1)tim1<=0;endendelsebeginlight1<=3'b010;num1=2'b00;tim1<=0;endendalways(posedgeclk)beginif(rst)//复位与特殊情况控制beginlight2<=3'b100;num2<=red2;endelseif(hold)beginlight2<=3'b100;num2<=red2;endelseif(en)beginif(!tim2)begintim2<=1;case(state1)2'b00:beginnum2<=red2;light2<=3'b100;state2<=2'b01;end2'b01:beginnum2<=yellow1;light2<=3'b010;state2<=2'b11;end2'b11:beginnum2<=green2;light2<=3'b001;state2<=2'b10;end2'b10:beginnum2<=yellow2;light2<=3'b010;state2<=2'b00;enddefault:light2<=3'b100;endcaseendelsebegin//倒数计时if(num2>0)if(num2[3:0]==0)beginnum2[3:0]<=4'b1001;num2[7:4]<=num2[7:4]-1;endelsenum2[3:0]<=num2[3:0]-1;if(num2==1)tim2<=0;endendelsebegintim2<=0;state2<=2'b00;light2<=3'b010;endendalways(posedgeqclk)begin//数码管扫描if(rst1)beginst1=0;st2=0;endelsebegincase({st2,st1})2'b00:beginnum<=num1[3:0];{st2,st1}<=2'b01;end2'b01:beginnum<=num1[7:4];{st2,st1}<=2'b10;end2'b10:beginnum<=num2[3:0];{st2,st1}<=2'b11;end2'b11:beginnum<=num2[7:4];{st2,st1}<=2'b00;endendcaseendendalways(posedgeqclk)begin//数码管译码显示case(num)4'b0000:counter<=7'b0111111;//04'b0001:counter<=7'b0000110;//14'b0010:counter<=7'b1011011;//24'b0011:counter<=7'b1001111;//34'b0100:counter<=7'b1100110;//44'b0101:counter<=7'b1101101;//54'b0110:counter<=7'b1111101;//64'b0111:counter<=7'b0000111;//74'b1000:counter<=7'b1111111;//84'b1001:counter<=7'b1101111;//9default:counter<=7'b0111111;//0endcaseendendmodule总结在设计中采用VerilogHDL语言设计交通灯控制系统,借助其功能强大的语言结构,简明的代码描述复杂控制逻辑设计,与工艺无关特性,在提高工作效率的同时达到求解目的,并可以通过VerilogHDL语言的综合工具进行相应硬件电路生成,具有传统逻辑设计方法所无法比拟的优越性。在设计过程中，觉得最难的部分是波形仿真部分，虽然程序编译通过但仿真出不了正确的波形，不是计数器无法正常计数，就是控制输出无法进入到下一个状态，每次出现问题就必须返回重新修改程序。实践证明，在编写一个较复杂的程序时，一开始一定要画流程