基于FPGA的交通控制灯设计
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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erilog HDL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：
0s主干道方向25s绿灯亮30s红灯亮黄灯亮65s支干道方向0s红灯亮35s绿灯亮黄灯亮60s65s
图1.交通灯点亮时间控制说明
1.3实现方法
1
本次采用文本编辑法，即利用Verilog HDL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。
2
Verilog HDL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范，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：
状状00状状00状状10状状11状状01状状01状状11状状10状状状状状状状状状状状状状状状状状状状状状状状状状001010100010状状状状状状状状状状状状状状状状状状状状状状状状状100010001010
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：
3
holdrst状状状状1Hz状状状状状状状状状状状状状状状状状状状clk1KHz状状状状状状状1Hz状状状状状状状状状状状状状状状状状状状状状 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Verilog HDL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；
4
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：
module traffic(en,clk,qclk,rst,rst1,hold,num1,num2,light1,light2,counter,st1,st2);
input en,clk,qclk,rst,hold,rst1;
output st1,st2;
output[7:0] num1,num2;
output[6:0]counter;
5
output[2:0] light1,light2;
reg tim1,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;
1. 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 @(posedge clk )
6
begin
if(rst) //复位与特殊情况控制
begin
light1<=3'b001;
num1<=green1;
end
else if(hold)
begin
light1<=3'b100;
num1<=green1;
end
else if(en)
begin //使能有效开始控制计数 if(!tim1) //
7
begin //主干道交通灯点亮控制
tim1<=1;
case(state1)
2'b00:begin num1<=green1;light1<=3'b001;state1<=2'b01;end
2'b01:begin num1<=yellow1;light1<=3'b010;state1<=2'b11;end
2'b11:begin num1<=red1;light1<=3'b100;state1<=2'b10;end
2'b10:begin num1<=yellow1;light1<=3'b010;state1<=2'b00;end
default:light1<=3'b100;
endcase
end
2）支干道方向
always @(posedge clk )
begin
if(rst) //复位与特殊情况控制
8
begin
light2<=3'b100;
num2<=red2;
end
else if(hold)
begin
light2<=3'b100;
num2<=red2;
end
else if(en)
begin
if(!tim2)
begin
tim2<=1;
9
case(state1)
2'b00:begin num2<=red2;light2<=3'b100;state2<=2'b01;end
2'b01:begin num2<=yellow1;light2<=3'b010;state2<=2'b11;end
2'b11:begin num2<=green2;light2<=3'b001;state2<=2'b10;end
2'b10:begin num2<=yellow2;light2<=3'b010;state2<=2'b00;end
default:light2<=3'b100;
endcase
end
2. 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 @(posedge clk )
begin
10
else
begin //倒数计时
if(num1>0)
if(num1[3:0]==0)
begin
num1[3:0]<=4'b1001;
num1[7:4]<=num1[7:4]-1;
end
else num1[3:0]<=num1[3:0]-1;
if(num1==1) tim1<=0;
end
end
else
begin
11
light1<=3'b010;
num1=2'b00;
tim1<=0;
end
end
3. 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 @(posedge qclk)
begin //数码管扫描
if(rst1)
begin
st1=0;
st2=0;
12
end
else
begin
case({st2,st1})
2'b00:begin num<=num1[3:0];{st2,st1}<=2'b01; end
2'b01:begin num<=num1[7:4];{st2,st1}<=2'b10; end
2'b10:begin num<=num2[3:0];{st2,st1}<=2'b11; end
2'b11:begin num<=num2[7:4];{st2,st1}<=2'b00; end
endcase
end
end
always @(posedge qclk)
begin //数码管译码显示
case(num)
13
4'b0000: counter<=7'b0111111; //0
4'b0001: counter<=7'b0000110; //1
4'b0010: counter<=7'b1011011; //2
4'b0011: counter<=7'b1001111; //3
4'b0100: counter<=7'b1100110; //4
4'b0101: counter<=7'b1101101; //5
4'b0110: counter<=7'b1111101; //6
4'b0111: counter<=7'b0000111; //7
4'b1000: counter<=7'b1111111; //8
4'b1001: counter<=7'b1101111; //9
default: counter<=7'b0111111; //0
endcase
end
endmodule
14
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：clk 1us，qclk 0.1us
1. 正常工作时波形仿真图
15
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
16
图形说明
当hold输入高电平时，在时钟上升沿的控制下，light 1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。
17
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。
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程序清单
module traffic(en,clk,qclk,rst,rst1,hold,num1,num2,light1,light2,counter,st1,st2);
input en,clk,qclk,rst,hold,rst1;
output st1,st2;
output[7:0] num1,num2;
output[6:0]counter;
output[2:0] light1,light2;
reg tim1,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;
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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;
end
always @(posedge clk )
begin
if(rst) //复位与特殊情况控制20
begin
light1<=3'b001;
num1<=green1;
end
else if(hold)
begin
light1<=3'b100;
num1<=green1;
end
else if(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;
21
case(state1)
2'b00:begin num1<=green1;light1<=3'b001;state1<=2'b01;end
2'b01:begin num1<=yellow1;light1<=3'b010;state1<=2'b11;end
2'b11:begin num1<=red1;light1<=3'b100;state1<=2'b10;end
2'b10:begin num1<=yellow1;light1<=3'b010;state1<=2'b00;end
default:light1<=3'b100;
endcase
end
else
begin //倒数计时
if(num1>0)
if(num1[3:0]==0)
begin
num1[3:0]<=4'b1001;
22
num1[7:4]<=num1[7:4]-1;
end
else num1[3:0]<=num1[3:0]-1;
if(num1==1) tim1<=0;
end
end
else
begin
light1<=3'b010;
num1=2'b00;
tim1<=0;
end
end
always @(posedge clk )
23
begin
if(rst) //复位与特殊情况控制
begin
light2<=3'b100;
num2<=red2;
end
else if(hold)
begin
light2<=3'b100;
num2<=red2;
end
else if(en)
begin
if(!tim2)
24
begin
tim2<=1;
case(state1)
2'b00:begin num2<=red2;light2<=3'b100;state2<=2'b01;end
2'b01:begin num2<=yellow1;light2<=3'b010;state2<=2'b11;end
2'b11:begin num2<=green2;light2<=3'b001;state2<=2'b10;end
2'b10:begin num2<=yellow2;light2<=3'b010;state2<=2'b00;end
default:light2<=3'b100;
endcase
end
else
begin //倒数计时
if(num2>0)
if(num2[3:0]==0)
25
begin
num2[3:0]<=4'b1001;
num2[7:4]<=num2[7:4]-1;
end
else num2[3:0]<=num2[3:0]-1;
if(num2==1) tim2<=0;
end
end
else
begin
tim2<=0;
state2<=2'b00;
light2<=3'b010;
end
26
end
always @(posedge qclk)
begin //数码管扫描
if(rst1)
begin
st1=0;
st2=0;
end
else
begin
case({st2,st1})
2'b00:begin num<=num1[3:0];{st2,st1}<=2'b01; end
2'b01:begin num<=num1[7:4];{st2,st1}<=2'b10; end
2'b10:begin num<=num2[3:0];{st2,st1}<=2'b11; end
27
2'b11:begin num<=num2[7:4];{st2,st1}<=2'b00; end
endcase
end
end
always @(posedge qclk)
begin //数码管译码显示
case(num)
4'b0000: counter<=7'b0111111; //0
4'b0001: counter<=7'b0000110; //1
4'b0010: counter<=7'b1011011; //2
4'b0011: counter<=7'b1001111; //3
4'b0100: counter<=7'b1100110; //4
4'b0101: counter<=7'b1101101; //5
4'b0110: counter<=7'b1111101; //6
28
4'b0111: counter<=7'b0000111; //7
4'b1000: counter<=7'b1111111; //8
4'b1001: counter<=7'b1101111; //9
default: counter<=7'b0111111; //0
endcase
end
endmodule
29
总结
在设计中采用V erilog HDL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V erilog HDL 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图，弄清楚各个功能及实现它们的逻辑算法，做到心中有数后在开始下笔写编写程序。在编写的时候要尤其要注意语言的规范，如本次设计中编写的V erilog在Quartus8.1中可以正常生成时序图，而在低版本的软件中却无法生成，原因就是语言使用不规范，在解决这个问题时我总结了一些经验，首先程序要逻辑清晰，简洁明了，避免不必要的嵌套与条用，其次要适当地给程序加上注解文字，提高可读性，以方便之后的程序出错时进行查找，最后充分利用仿真软件提供的各项编译工具与报错消息，按图索骥，有方向的完成程序调试。
完成仿真后进行，进行试验箱上的硬件调试，该步骤主要是要求细心，按照引脚清单，逐一完成连线，本次设计用到两个时钟输入，注意一定要选择合适频率的时钟，以便达到期望的效果。注意观察实物的现象，看是否满足设计要求，不满足时检查是硬件问题还是程序问题，如果是程序问题，在修改完之后必须要重新编译，重新烧入。不断排查错误，直至达到满意的效果。
通过这次课程设计，熟悉了简单EDA设计的整个流程，加深了对Verilog HDL硬件描述语言的理解，提高了动手能力，并且锻炼了自己的耐心，收获颇丰，我会把在本次课程设计中学到的东西应用到今后的工作学习中。
参考资料
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[1] 夏宇闻. 复杂数字电路与系统的V erilog HDL设计技术 [M ].北京: 北京航空航天大学出版社, 1998
[2] 郭梯云. 移动通信[M ]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 1995
[3] [法]M ichelMouly, M arie Bernadet te Pautet1GSM 数字移动通信系统[M ]. 骆健霞, 顾龙信, 徐云霄译. 北京: 电子工业出版社, 1996
[4] 张毅刚, 乔立岩. 虚拟仪器软件开发环境L abW indow söCV I 610 编程指南[M ]. 北京: 机械工业出版社, 2002
[5] 刘国权.GSM 手机的测试[J ].中国无线电管理, 2003
[6] 俞定玖, 刘湘慧. GSM 数字蜂窝移动交换系统测试[J ]. 电信科学, 2000
[7] 张明. V erilog HDL 实用教程[M ]. 成都: 电子科技大学出版社, 1999
[8] Hyde D C. Bucknell Handbook on V erilog HDL 1Computer Science Department, Bucknell U niversity L ew is burg, 1995
[9] 康华光. 电子技术基础(数字部分) [M ]. 北京: 高等教育出版社, 1988
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