1、FPGA 课程设计交通灯控制器通信工程学院电科 0701 班罗超（17）第一部分 技术规范 1.1 功能描述：实现一个由一条主干道和一条支干道的汇合点形成的十字路口的交通灯控制器，具体功能：(1) 主、支干道各设有一个绿、黄、红指示灯，两个显示数码管。(2) 主干道处于长允许通行状态，而支干道有车来时才允许通行。当主干道允许通行亮绿灯时，支干道亮红灯。而支干道允许通行亮绿灯时，主干道亮红灯。(3) 当主干道、支干道均有车时，两者交替允许通行，主干道每次通行45 秒，支干道每次通行25 秒，在每次由绿灯向红灯转换的过程中，要亮5 秒的黄灯作为过渡，并进行减计时显示。每个周期结束时都要进行支干道是
2、否有车的检测，若有车则进行下一个周期，若没有，则主干道亮绿灯，支干道亮红灯，直到检测到支干道有车。1.2 系统总体框图：根据设计要求和系统所具有的功能，并参考相关的文献资料，经行方案设计，可以画出如下图所示的交通信号灯控制器的系统框图。时钟分频模块交通灯控制模块扫描显示译码模块clkrstcarsignal计时模块 数码管段码sel数码管位码segLED 灯I/O 管脚的描述名称 方向 电平 位宽 功能clk Input 3.3V 1 系统时钟信号（10KHZ）carsignal Input 3.3V 1 检测支路是否有车rst Input 3.3V 1 复位信号led Output 3.3V
3、 6 LED 灯sel Output 3.3V 7 数码管段码seg Output 3.3V 4 数码管位码表一：系统总体 I/O 管脚的描述注：其中系统时钟的频率选为 10KHZ，复位采取同步复位方式，且低有效。支干道检测到有车时， carsignal=1；否则，carsignal=0。方案核心：在交通灯控制器的设计中，交通灯控制及计时模块是本设计的关键模块。第二部分 总体设计方案交通灯2.1 系统详细框图：在系统总体框图的基础上进一步详细设计，得到如下系统详细框图。图三：系统详细框图注：系统总体 I/O 管脚描述请查看技术规范。2.2 具体模块设计1.时钟分频模块系统的动态扫描需要 10K
4、HZ 的脉冲，而系统时钟计时模块需要1HZ 的脉冲。分频模块主要为系统提供所需的时钟计时脉冲。该模块将 10KHZ 的脉冲信号进行分频，产生 1S 的方波（占空比为 50%） ，时钟分频模块交通灯控制模块 显示单元定时模块显示控制单元clkcarsignalLED 灯rst译码单元数码管显示作为系统时钟计时信号。clk时钟分频模块rstclk_out图四：时钟分频模块框图I/O 管脚描述如下：名称 方向 电平 位宽 功能clk input 3.3V 1 系统时钟（10KHZ）rst input 3.3V 1 复位信号clk_out output 3.3V 1 分频后时钟信号（1HZ）表二：时钟
5、分频模块 I/O 端口描述注：系统时钟的频率为 10KHZ，分频后的时钟信号为 1HZ（占空比为50%） 。复位信号为同步复位，且低有效。2.交通灯控制及计时模块控制模块 JTDKZH：根据主干道、支干道输入信号以及时钟信号CLK，发出主、支干道指示灯的控制信号，同时向各个定时单元、显示控制单元发出使能控制信号产生系统的状态机，控制其他部分协调工作。计时模块分别实现 45s,25s,5s 的定时，根据主、支干道输入信号和时钟信号以及交通灯控制器发出的使能信号按要求进行定时用来设定主干道和支干道计时器的初值，并为扫描显示译码模块提供倒计时时间。控制模块采用状态机进行设计，可以定义出 5 种状态，
6、分别为S0:主干道绿灯，支干道红灯且没有车辆行驶；S1:主干道绿灯，支干道红灯且支干道有车辆驶入；S2:主干道黄灯，支干道红灯；S3:主干道红灯，支干道绿灯；S4:主干道红灯，支干道黄灯。利用CASE 语句定义状态的转换方式及时间的变换方式，达到主干道绿灯亮 45 秒，支干道绿灯亮 25 秒，黄灯亮 5 秒的设计要求。clk_outcarsignalrstled交通灯控制模块count_H_1 count_L_1 count_H_2 count_H_2图五：交通灯控制及计数模块I/O 管脚描述如下：名称 方向 电平 位宽 功能clk_out Input 3.3V 1 分频后时钟信号（1HZ）r
7、st Input 3.3V 1 复位信号（同步复位）carsignal Input 3.3V 1 检测信号（低有效）count_H_1 Output 3.3V 4 主干道时间高位译码count_L_1 Output 3.3V 4 主干道时间低位译码count_H_2 Output 3.3V 4 支干道时间高位译码count_L_2 Output 3.3V 4 支干道时间低位译码led Output 3.3V 6 LED 灯表三：交通灯控制模块 I/O 端口描述 系统的状态图如下所示carsignal =1carsignal =0S0S1 S3S2S0:主干道绿灯，支干道红灯S1:主干道黄灯，支
8、干道红灯S2:主干道红灯，支干道绿灯S3:主干道红灯，支干道黄灯3.扫描显示译码模块扫描显示译码模块可以根据控制信号，驱动交通信号灯以及倒计时数码管的显示，其中数码管的显示采用动态扫描显示。rstclksegsel扫描显示译码模块count_H_1 count_L_1 count_H_2 count_H_2图六：扫描显示译码模块框图该模块的 I/O 管脚描述如下：名称 方向 电平 位宽 功能clk Input 3.3V 1 系统时钟信号（10KHZ）rst Input 3.3V 1 复位信号（低有效）count_H_1 Input 3.3V 4 主干道时间高位译码count_L_1 Input
9、 3.3V 4 主干道时间低位译码count_H_2 Input 3.3V 4 支干道时间高位译码count_L_2 Input 3.3V 4 支干道时间低位译码sel Output 3.3V 7 数码管段码seg Output 3.3V 3 数码管位码表四：扫描显示译码模块 I/O 端口描述第三部分 仿真结果Modelsim 前仿真Quartus2 后仿真第四部分 源代码分频模块：module fenpinqi(clk,rst,clk_odd);input clk,rst;output clk_odd;reg clk_odd;reg13:0 count;parameter N = 10;al
10、ways (posedge clk)if(! rst)begincount = 1b0;clk_odd = 1b0;endelse if ( count N/2-1)begin count = count + 1b1; endelsebegin count = 1b0;clk_odd = clk_odd; endendmodule控制及计时模块：modulecontrol(led,car,rst,clk,count_H_1,count_L_1,count_H_2,count_L_2);output3:0count_H_1,count_L_1,count_H_2,count_L_2;output
11、 5:0led;input clk,rst,car;reg 5:0 led;reg3:0count_H_1,count_L_1,count_H_2,count_L_2;reg 1:0state;parameter S0=2b00, S1=2b01, S2=2b10, S3=2b11; always(posedge clk or negedge rst)if(!rst)beginled=6b010100;state=S0;count_H_1=4b0000;count_L_1=4b0000; count_H_2=4b0000;count_L_2=4b0000; end else begincase
12、(state)S0:beginBeginif(!car)begin led=6b010100; /count_H_1=4b0100;count_L_1=4b0101;/? count_H_1=4b0111;count_L_1=4b0111; end else begin if(count_H_1 = 4b0111)begin count_H_1=4b0100;count_L_1=4b0101; count_H_2=4b0101;count_L_2=4b0000; end else if(count_L_1=0) if(count_H_1=0) begin led=6b001100; count
13、_H_1=4b0000;count_L_1=4b0100; state=S1; if(count_L_2=0) begin count_H_2=count_H_2-1b1; count_L_2=4b1001; end elsebegin count_L_2=count_L_2-1b1;end end else begin count_H_1=count_H_1-1b1; count_L_1=4b1001; if(count_L_2=0) begin count_H_2=count_H_2-1b1; count_L_2=4b1001; end elsebegin count_L_2=count_
14、L_2-1b1; end end elsebegin count_L_1=count_L_1-1b1; if(count_L_2=0) begin count_H_2=count_H_2-1b1; count_L_2=4b1001; end elsebegin count_L_2=count_L_2-1b1; end end end end/* begin if(!car) begin count_H_2=4b0101;count_L_2=4b0000; end elseif(count_L_2=0) begin count_H_2=count_H_2-1b1; count_L_2=4b100
15、1;endelsebegin count_L_2=count_L_2-1b1; end end */end /* if(count_L_1=0) begin if(count_H_1=0) begin led=6b001100; count_H_1=4b0000;count_L_1=4b0100; state=S1; endelse begin count_H_1=count_H_1-1b1;count_L_1=4b1001; endend elsebegin count_L_1=count_L_1-1b1;end if(!car) begin count_H_2=4b0101;count_L
16、_2=4b0000; endelse if(count_L_2=0) begin count_H_2=count_H_2-1b1; count_L_2=4b1001; endelse begin count_L_2=count_L_2-1b1; endS1:beginif(count_L_1=0)begin if(count_H_1=0) begin led=6b100010; count_H_1=4b0010;count_L_1=4b1001; count_H_2=4b0010;count_L_2=4b0100; state=S2; endelsebegin count_H_1=count_
17、H_1-1b1; count_H_2=count_H_2-1b1; endendelsebegin count_L_1=count_L_1-1b1; count_L_2=count_L_2-1b1;endendS2:begin if(count_L_2=0)beginif(count_H_2=0)begin led=6b100001; count_H_2=4b0000;count_L_2=4b0100; state=S3; elsebegin count_H_2=count_H_2-1b1; count_L_2=4b1001;endendelse begincount_L_2=count_L_
18、2-1b1;end if(count_L_1=0)begin begin count_H_1=count_H_1-1b1; count_L_1=4b1001;endendelse begin count_L_1=count_L_1-1b1; endendS3:begin if(count_L_2=0)beginif(count_H_2=0)begin led=6b010100; count_H_1=4b0100;count_L_1=4b1001; count_H_2=4b0100;count_L_2=4b0100; state=S0; end elsebegin count_H_1=count
19、_H_1-1b1; count_H_2=count_H_2-1b1; endendelse begin count_L_1=count_L_1-1b1; count_L_2=count_L_2-1b1;end endcaseend endmodule扫描译码显示模块：modulesaomiao(rst,clk,count_H_1,count_L_1,count_H_2,count_L_2,sel,seg);input rst,clk;input3:0count_H_1,count_L_1,count_H_2,count_L_2;output 6:0sel;output 3:0seg;reg 6
20、:0sel;reg 3:0seg;reg 15:0 count;reg 1:0 cnt; reg 3:0 data;reg clk_odd;always(posedge clk or negedge rst) begin if(!rst)begincount=0;clk_odd=0;end else if(count=16d2) beginclk_odd=clk_odd; count=0; end else count=count+1b1; end always (negedge rst or posedge clk_odd)/?1msif (!rst)begincnt=2b00;endels
21、e cnt=cnt+1b1; always(negedge rst or posedge clk) if(!rst) begin/ sel = 7b0000000 ;seg = 4b1111 ;endelse begincase (cnt)2b00: beginseg =4b1110 ; data=count_H_1;end 2b01: begiseg = 4b1101 ;/ ?data =count_L_1;end 2b10:begin / ?seg= 4b1011 ; data=count_H_2;end 2b11: begin/ ?seg= 4b0111 ; data=count_L_2
22、;end default : begin/ sel = 8b0000000 ;seg = 4b0000 ;endendcaseendalways (data or seg)begincase(data)4b0000:sel=7b1111110;4b0001:sel=7b0110000;4b0010:sel=7b1101101;4b0011:sel=7b1111001;4b0100:sel=7b0110011;4b0101:sel=7b1011011;4b0110:sel=7b1011111;4b0111:sel=7b1110000;4b1000:sel=7b1111111;4b1001:sel
23、=7b1111011;default:sel=7b1111110; endcaseend endmodule顶层模块： module jiaotongdeng(clk,rst,car,led,sel,seg,count_H_1,count_L_1,count_H_2,count_L_2,clk_odd);input clk,rst,car;output 3:0 seg;output 6:0 sel;output 5:0 led;output 3:0count_H_1,count_L_1,count_H_2,count_L_2;output clk_odd;wire 3:0count_H_1,c
24、ount_L_1,count_H_2,count_L_2;wire clk_odd;saomiao ee(rst,clk_odd,count_H_1,count_L_1,count_H_2,count_L_2,sel,seg);control rr(led,car,rst,clk_odd,count_H_1,count_L_1,count_H_2,count_L_2);fenpinqi tt(clk,rst,clk_odd);endmodule激励模块：define TRUE 1b1define FALSE 1b0module stimulus;wire 3:0 SEG;wire 6:0 SE
25、L;wire 5:0 LED;wire3:0count_H_1,count_L_1,count_H_2,count_L_2;wire clk_odd;reg CAR_ON_CNTRY_RD;reg CLOCK,RST;jiaotongdeng jiaotongdeng1(CLOCK, RST, CAR_ON_CNTRY_RD, LED, SEL, SEG, count_H_1,count_L_1,count_H_2,count_L_2,clk_odd);initial$monitor($time, “led = %b, sel = %b, seg = %b“, LED, SEL, SEG);i
26、nitialbeginCLOCK = FALSE;forever #5 CLOCK = CLOCK;endinitialbeginRST = FALSE;repeat (2) (negedge CLOCK);RST = TRUE;endinitialbegin CAR_ON_CNTRY_RD = 1b0;repeat(20)(negedge CLOCK);CAR_ON_CNTRY_RD = 1b1;repeat(500)(negedge CLOCK);CAR_ON_CNTRY_RD = 1b0;repeat(500)(negedge CLOCK);CAR_ON_CNTRY_RD = 1b1;repeat(2400)(negedge CLOCK);$stop;endendmodule
