基于quartusll-交通灯控制系统.doc

一、设计任务要求交通灯控制器：用于十字路口的交通灯控制器.实验要求：1 东西方向各有一组红,黄,绿灯用于指挥交通,红，黄,绿的持续时间分别为25s，5s,20s。2 当有紧急情况（如消防车)时，两个方向均为红灯亮，计时停止，当特殊情况结束后，控制器恢复原来状态,正常工作。3 组数码管，以倒计时方式显示两个方向允许通行或禁止通行的时间.二、设计思路及总体结构框图设计思路：1硬件:由设计任务要求可知，总体输入电路有：（1）在开始计时之前的等待状态，复位键reset接低电位,接通电源后,首先要将它接高电位，表示计时开始。(2)当按一下（on_off)键，表示紧急情况发生，两个方向均为红灯亮，计时停止，当再次按下（on_off)键时，控制器恢复原来状态，正常工作。输出电路:(1）由于东西和南北方向都要显示时间,因此需要4个数码管,这样在设计中就需要四条输出线choose4，用来选通指定一个LED七段显示数码管。（2)显示器的每一位都采用LED七段显示数码管进行显示,每一个LED七段显示数码管都要有七条输出线控制,一共使用4个七段数码管,故输出电路使用四个七位输出信号:showtime1，showtime2,showtime3,showtime4。（3）东西和南北方向都有交通灯亮的情况，故输出电路中要有两个状态控制信号state1,state2分别控制东西和南北的灯，每个方向上有4个灯（增加了左、右转弯显示控制功能），所以state1,state2的类型应该是4位数组型的。东西方向交通灯外部电路图如下：State1State2Showtime1Showtime2Showtime3Showtime4Choose4 clk 4/ stas reset南北方向交通灯 on_off 4/7/7/7/7/ 4/2软件:(1)在VHDL设计描述中，采用自顶向下的设计思路，该思路,首先要描述顶层的接口,上面的描述已经规定了交通灯控制的输入输出信号:输入信号：复位开关信号reset；紧急情况控制信号on_off;外部时钟信号clk。输出信号:LED七段显示数码管的选通信号choose4(3 downto 0）;LED七段显示数码管的输出信号showtime1(6 downto 0）,showntime2(6 downto 0)，showtime3（6 downto 0)，showtome4（6 downto 0)；交通灯状态控制信号state1（3 downto 0),state2(3 downto 0)。（2）在自顶向下的VHDL设计描述中,通常把整个设计的系统划分为几个模块，然后采用结构描述方式对整个系统进行描述。根据实验设计的结构功能，来确定使用哪些模块以及这些模块之间的关系。由于紧急情况控制信号是采用按键的输入方式,其产生时刻和持续时间的长短是随机不定的,且存在因开关簧片反弹引起的电平抖动现象,因此必须在每个开关后面安排一个消抖和同步化电路模块，以保证系统能捕捉到输入脉冲，故需要有防抖动的模块.由于外部时钟信号clk的频率为1MHz,而实际需要的内部计时时钟频率为1Hz，提供给消抖同步电路的频率为50Hz（满足按键)和提供给产生选通信号电路的时钟频率为200Hz（满足视觉暂留效应).当正常计时开始后,需要进行定时计数操作,由于东西和南北两个方向上的时间显示器是由两个LED七段显示数码管组成的，因此需要产生两个2位的计时信息：2个十位信号,2个个位信号，这个定时计数操作可以由一个定时计数器来完成，又因为交通灯的状态变化是在计时为0的情况下才能进行的,因此需要一个计时电路来产生使能信号，因此定时计数的功能就是用来产生2个2位计时信息和使能信号。另外还需要将时间显示出来，为了节省资源，我采用了循环点亮LED七段显示数码管的方法来显示计时输出。通过信号choose4（3 downto 0）来对4个LED七段显示数码管进行选择.由于不能使用7448自动译码集成电路，故在LED七段显示数码管显示时间时，要把计时结果转换为七段码输出到相应的LED七段显示数码管上,因此还需要一个转换电路.交通灯状态控制也需要一个电路,当有使能信号及无紧急情况下，交通灯状态不发生变化,有紧急情况时，两个方向上均为红灯亮，紧急情况消除后，回到原来状态，无使能信号时，交通灯状态不变。通过上面的分析,不难得知可以把交通灯控制系统划分为6个模块:键输入模块，时钟分频模块,计时模块，选通模块，显示模块，控制模块.各个模块之间的连接关系如下：计时模块转换模块键输入模块reset showtimeon_off reset0 on_off0 clk1选通模块时钟分频模块选通模块 timel,times clk2 clk0 choose4三、总体结构框图通电复位 No yes东西为红，南北为绿，计时开始是否有紧急情况 Yes No计时到20s No 两方向均为红，计时停止 Yes东西为黄，南北为绿是否有紧急情况是否消除？ No Yes Yes No计时到5s No Yes东西为红，南北为绿是否有紧急情况 Yes No计时到20s No Yes东西为红，南北为黄是否有紧急情况 Yes计时到5s No Yes四、分块电路设计。（1）键输入模块(keyin）输入信号：紧急情况on_off;用来消除抖动的时钟信号clk1，由时钟分频模块提供。输出信号:去抖后的提示信号on_off0。（2）时钟分频模块（clk_div）输入信号：外部时钟信号clk;输出信号：消除抖动的时钟信号clk1；计时内部时钟信号clk2；产生选通信号的时钟信号clk0.（3）计时模块(time）：输入信号：定时计时时钟clk2,由时钟分频模块提供；去抖动后的提示信号on_off0；复位信号reset;状态提示信号state(1 downto 0)；输出信号:东西方向的十位信号eq1(3 downto 0）；东西方向的个位信号eq0（3 downto 0）；南北方向的十位信号sq1（3 downto 0)；南北方向的个位信号sq0（3 downto 0);使能信号timel,times.（4）选通模块（choose）：输入信号:选通时钟信号clk0，由时钟分频模块提供。输出信号:选通信号choose4（3 downto 0）。（5）显示模块（display）:输入信号：计时的十位或个位信号；输出信号:控制LED七段显示数码管的七位数组型信号.(6）控制模块（keep）：输入信号：复位信号reset；去抖后的紧急情况提示信号on_off0；定时计时时钟信号clk2；使能信号timel，times;输出信号:东西方向交通灯状态控制信号state1（3 downto 0）；南北方向交通灯状态控制信号state2（3 downto 0）；交通灯状态提示信号state(1 downto 0）。五、总体电路图（图形法).六、仿真波形状态变化仿真图:以下显示选通信号的仿真波形七、源程序主模块：-traffic module-library ieee；use ieee。std_logic_1164。all；use ieee。std_logic_arith。all；use ieee。std_logic_unsigned.all；entity tracfic is port（reset : in std_logic；-复位信号 clk : in std_logic；-外部时钟信号 showtime1，showtime2,showtime3，showtime4： out std_logic_vector（6 downto 0）；- 控制LED七段显示数码管的七位数组型信号 choose4 : out std_logic_vector(3 downto 0）；-选通信号 on_off : in std_logic；-紧急情况控制信号 state1，state2 ： out std_logic_vector(3 downto 0）);-交通灯状态控制信号 end tracfic；architecture system of tracfic is-元件例化调用 component keyin-去抖动模块 port（a,b:in std_logic; c ：out std_logic)； end component； component time-计时模块 port（a,b,k:in std_logic; c:in std_logic_vector（1 downto 0）； d，e，f，g：out std_logic_vector(3 downto 0); j，h:out std_logic)； end component; component choose -选通模块 port(a：in std_logic; b:out std_logic_vector（3 downto 0)； end component; component display -显示模块 port(a:in std_logic_vector（3 downto 0）； b：out std_logic_vector（6 downto 0）; end component； component clk_div-时钟分频模块 port(a：in std_logic; b，c,d：out std_logic）； end component； component keep-状态控制模块 port（a,b,c，g,j：in std_logic; d,e：out std_logic_vector(3 downto 0)； f:out std_logic_vector(1 downto 0）； end component； signal on_off0：std_logic； 紧急情况经去抖后的输出信号； signal state：std_logic_vector(1 downto 0）； 控制计数器的状态提示信号； signal clk0,clk1，clk2：std_logic; 时钟分频后的输出信号； signal eq0，sq0:std_logic_vector（3 downto 0)； 南北和东西计数器的个位输出; signal eq1,sq1：std_logic_vector（3 downto 0）； 南北和东西计数器的十位输出； signal timel,times：std_logic； 计数器对控制器的反馈信号；begin 用信号把各个模块连起来； u1:keyin port map（clk1，on_off，on_off0）； u3：time port map（clk2,on_off0,reset，state,eq0，eq1，sq0,sq1，timel，times); u4：choose port map（clk0，choose4）； u5：display port map（eq0，showtime1)； u6:display port map（eq1,showtime2）； u7：display port map（sq0，showtime3）； u8：display port map(sq1，showtime4); u9:keep port map(on_off0，timel，times,clk2,reset，state1,state2,state)； u10：clk_div port map（clk，clk0，clk1,clk2)； end system;去抖模块：-keyin module-library ieee；use ieee.std_logic_1164。all；entity keyin is port(A,B ：in std_logic； C ：out std_logic）;end keyin；architecture keyin_arc of keyin is component kand2 port（A，B ：in std_logic； C :out std_logic）；end component; component kdf port(A，B ：in std_logic； C，D :out std_logic）；end component; component knand2 port（A,B :in std_logic； C ：out std_logic)；end component;signal TMP1，TMP2,TMP3，TMP4,TMP5，TMP6：std_logic；begin u0： knand2 port map（A，TMP1，TMP2）； u1: knand2 port map（TMP2，TMP3,TMP1）； U2： kdf port map(TMP2，B,TMP4，TMP3）； U3： kdf port map（TMP4，B，TMP6,TMP5）; u4： kand2 port map（TMP4,TMP5，C）；end keyin_arc；library ieee;-two inputs and gate descriptionuse ieee。std_logic_1164.all;entity kand2 is port（A,B :in std_logic; C ：out std_logic)；end kand2；architecture kand2_arc of kand2 isbegin C=A and B;end kand2_arc;-end of two inputs and gate descriptionlibrary ieee；-two inputs and_not gate descriptionuse ieee.std_logic_1164。all；entity knand2 is port（A,B :in std_logic; C :out std_logic）；end knand2；architecture knand2_arc of knand2 isbegin C=not(A and B)；end knand2_arc；-end of two inputs and_not gate descriptionlibrary ieee；D trigger descriptionuse ieee。std_logic_1164.all；entity kdf is port(A，B ：in std_logic； C，D :out std_logic)；end kdf；architecture kdf_arc of kdf isbeginprocess（B)begin if(Bevent and B=1)then C=A;D=not A; end if； end process;end kdf_arc；选通模块：该模块是为节省资源而设的,实验中有四个LED七段数码管显示计数，点亮一个LED需电流550mA，同时点亮4个LED,CPLD可能无法负荷这样的电流驱动，而且功率太大,散热也是问题。同时这么做也容易造成电路被烧毁，因此需要逐个循环点亮。又为使显示结果持续不致闪烁抖动,只需每个扫描频率超过人眼视觉暂留频率24Hz以上，就能达到。选择200Hz作为时钟,分到4个数码管，每个数码管50Hz（大于24Hz)，故不会有闪烁.library ieee；-choose module-use ieee。std_logic_1164。all；use ieee。std_logic_unsigned。all；entity choose is port（a：in std_logic; b：out std_logic_vector（3 downto 0)）；end choose；architecture choose_arc of choose issignal m ：integer range 0 to 3；begin process（a) begin if（aevent and a=1)then if(m=3）then m=0； else mb=0111”； when 1 =bb=”1101； when 3 =b=”1110”； end case;end process；end choose_arc;分频模块：实验中需要三个不同频率的时钟：消抖电路需要10Hz的时钟，选通电路需要200Hz的时钟，计时需要1Hz的时钟。外部提供的时钟的频率为1MHz，故需要经过分频得到，但由于外部时钟的频率和我们所需要的时钟的频率相差太远，一次分频到底又占用太多的资源,所以我采用的是先对外部时钟进行一定的分频,再依次向下分，得到我们需要的时钟,这样可以节省很多资源。library ieee;-clk_div module-use ieee.std_logic_1164。all；entity clk_div is port（a:in std_logic;-外部时钟信号 b：out std_logic；-频率为200Hz的时钟信号 c：out std_logic；-频率为10Hz的时钟信号 d:out std_logic)；-频率为1Hz的时钟信号end clk_div；architecture clk_div_arc of clk_div issignal clk_10k：std_logic;signal clk_200:std_logic;signal clk_10：std_logic;signal clk_1:std_logic；signal m：integer range 0 to 100；signal n：integer range 0 to 50;signal l：integer range 0 to 20;signal g：integer range 0 to 10;beginp1: process(a）-先对外部时钟进行100分频，得到频率为10KHz的时钟信号 begin if（aevent and a=1)then if m=99 then m=0； else m=m+1； end if； if (m=49) then clk_10k=0; else clk_10k=1； end if； end if；end process；p2:process（clk_10k)-对10KHz的时钟信号再进行50分频，得到200Hz的时钟信号 begin if (clk_10kevent and clk_10k=1)then if n=49 then n=0； else n=n+1; end if; if n=24 then clk_200=0； else clk_200=1； end if； end if；end process;b=clk_200;p3：process（clk_200)-对200Hz的时钟信号进行20分频,得到10Hz的时钟信号 begin if（clk_200event and clk_200=1）then if l=19 then l=0； else l=l+1； end if; if l=9 then clk_10=0； else clk_10=1; end if; end if；end process；c=clk_10;p4：process（clk_10）-对10Hz的时钟信号进行10分频,得到需要的1 Hz的时钟信号 begin if （clk_10event and clk_10=1）then if g=9 then g=0； else g=g+1； end if； if gb=”0000110”； when ”0010” =b=1011011”； when 0011” =b=1001111”; when ”0100 =b=1100110”； when 0101” =b=”1101101; when 0110 =b=”1111101”； when 0111 =b=0000111”； when ”1000 =b=1111111”； when 1001” =b=”1101111; when others=b=”ZZZZZZZ； end case；end process;end display_arc；控制模块：-keep module-library ieee;use ieee。std_logic_1164.all；entity keep is port（ a,b,c，g，j ： in std_logic； d,e : out std_logic_vector(3 downto 0）; f : out std_logic_vector(1 downto 0）；end keep;architecture keep_arc of keep istype state_type is （s0，s1，s2,s3,s4）；signal current_state：state_type;signal new_state：state_type；beginnewstate_logic：process（current_state，b，a，g）variable m:integer range 0 to 3;begin if（g=0)then new_state=s1；-通电后给交通灯状态赋初值 else case current_state is when s1 =m：=0；if（b=1and j=0and a=0)then当计数到20s且无紧急情况时，交通灯跳至下一状态new_state=s2;elsif（a=1）thennew_state=s0;-有紧急情况时,交通灯变为紧急状态elsenew_state=s1；-计时未到的时候保持原状态不变 end if； when s2 =m:=1； if（b=1and j=1and a=0)thennew_state=s3；-当记数到5s且无紧急情况时，交通灯变为下一状态 elsif（a=1）thennew_state=s0；-有紧急情况时，交通灯变为紧急状态 else new_state=s2； -计时未到的时候保持原状态不变 end if; when s3 =m:=2； if（j=1and b=0and a=0）thennew_state=s4；-当记数到20s且无紧急情况时，交通灯变为下一状态 elsif(a=1)thennew_state=s0；有紧急情况时，交通灯变为紧急状态 else new_state=s3； -计时未到的时候保持原状态不变 end if; when s4 =m：=3； if(j=1and b=1and a=0）thennew_state=s1；-当记数到5s且无紧急情况时，交通灯变为下一状态 elsif（a=1）thennew_state=s0;有紧急情况时，交通灯变为紧急状态 else new_state=s4； -计时未到的时候保持原状态不变 end if； when s0=if（a=0）then-紧急情况消除后，回到原来状态 case m iswhen 0 =new_state=s1；when 1 =new_state=s2；when 2 =new_state=s3；when 3 =new_state=s4;end case； else new_state=s0;end if； end case；end if;end process；state_register:process(c） begin if（cevent and c=1）thencurrent_state=new_state；-当时钟上升沿触发时,交通灯状态发生改变 end if；end process;output_logic：process（current_state)-产生与交通灯状态相对应的提示信号,以控制计时模块的不同状态下的不同赋植 begin case current_state iswhen s0 = d=”0100”；e=0100”; when s1 = d=”0100;e=”1001”；f=”00”； when s2 = d=”0100”；e=0010；f=”01”; when s3 = d=1001”;e=”0100”;f=”10”； when s4 = d=0010”;e=”0100”；f=11”； end case;end process；end keep_arc；计时模块:-time module-library ieee；use ieee。std_logic_1164。all；use ieee.std_logic_unsigned。all;entity time is port（a，b,k:in std_logic； c ：in std_logic_vector（1 downto 0)； d，e，f,g ：out std_logic_vector(3 downto 0）; j，h :out std_logic); end time;architecture time_arc of time is signal l，m，n,p：std_logic_vector(3 downto 0）； begin process（a，b,k） begin if(k=0）thenl=”0101；m=0010”；n=0000”;p=”0010；通电后赋初值 else if（aevent and a=1)then if(b=1）thenl=l；m=m；n=n；p=p；-有紧急情况时，计时停止 else if(n=”0001 and p=”0000”）thencase c is -当东西方向倒计时到0时，重新赋值,并产生使能信号控制交通灯的状态 when ”00” =n=0101”;p=”0000”；j=1; when 01”=n=0101”;p=0010”；j=1; when 11”=n=0000”;p=0010;j=1; when 10”=n=0000”；pnull