EDA基于VHDL语言的交通灯设计报告.doc

基于VHDL的交通灯设计

摘要
随着社会上特别是城市中机动车辆保有量的不断增加,在现代城市的日常运行控制中，车辆的交通控制越来越重要，在十字交叉路口，越来越多的使用红绿灯进行交通指挥和管理。本文以VHDL硬件描述语言为设计手段，完成了交通信号灯控制电路的设计，其中交通信号灯控制电路的开发目的是设计一个适用于主、支干道十字交叉路口的红黄绿交通灯的控制系统，通过合理设计系统功能，使红黄绿灯的转换有一个准确的时间间隔和转换顺序。所设计的交通信号灯控制电路经过在QuartusⅡ 6.0软件下进行模拟仿真，观察其波形，证明所设计的交通信号灯控制电路完全可以实现预定的功能，并有一定的实用性。

关键词：FPGA; VHDL; QuartusⅡ; 交通灯

一、 设计思路

本设计主要是利用状态机控制，交通灯的工作分成5个状态，如下：

St0：支干道亮红灯，主干道亮绿灯，数码管不显示。
St1：主干道亮绿灯45秒，数码管显示45秒倒计时；支干道亮红灯，数码管显示从49秒倒计时到05秒。
St2：：主干道亮黄灯5秒，数码管显示5秒倒计时；支干道亮红灯，数码管显示从04秒倒计时到00秒。
St3：支干道亮绿灯25秒，数码管显示25秒倒计时；主干道亮红灯，数码管显示从29秒倒计时到05秒。
St4：支干道亮黄灯5秒，数码管显示5秒倒计时；主干道亮红灯，数码管显示从04秒倒计时到00秒。
把交通灯的工作分成五个状态，则写程序的时候思路就比较清晰，只要在相应的状态里完成相应的工作，控制好黄绿红灯和数码管的倒计时显示，而且把握好五个状态转换的条件即可。实现起来也方便。
二、设计分析
根据设计思路可以把整体设计分为三个模块：
1、 分频模块：把实验板上的50MHz的频率分成1Hz信号（用于倒计时计数的时钟信号）、1kHz信号（用于数码管扫描显示的片选时钟信号）和2hz（用于黄灯的闪烁）；
2、 交通灯控制以及倒计时（五个状态的控制）模块；
3、 数码管译码扫描显示模块。
整体的系统框图如下：

段码输出
位码输出
1khz信号
50Mhz信号 分频 2hz信号 数码显
1hz信号 示模块
七段译码
数码管位选

交通灯控制以
及倒计时模块 六个led灯输出

分频模块，就是把输入的50MHz时钟频率50000分频得到1KHz的频率用于数码管的位选信号，其原理就是设计一个0到50000循环计数的的计数器，当计数溢出，即计数到50000时使输出量取反，就得到了1KHz的方波，作为数码管位选信号。同理，1Khz再经分频即可得到2hz（黄灯闪烁信号）和1hz（倒计时计数信号）。

交通灯控制及倒计时模块，就是五个状态的转换模块，是整个系统的最主要模块，其五个状态分别st0、st1、st2、st3、st4。其中st0是当支干道没有车通行的状态，st1是主干道绿灯亮45秒的状态，st2是主干道黄灯闪烁5秒的状态，st3是支干道亮绿灯25秒的状态，st4是支干道黄灯闪烁5秒的状态。当主干道亮绿灯和黄灯闪烁时，支干道都是亮红灯，当支干道亮绿灯和黄灯闪烁时，主干道都是亮红灯，并且主、支干道都会显示亮灯的倒计时时间，主、支干道的红黄绿灯用实验板上的的最左边三个和最右边三个LED发光二极管代替。

数码管倒计时显示，是用实验板上的其中四个数码管，分别表示主干道和支干道的秒倒计时，动态扫描的频率用的是1KHz的频率。

三、 各模块电路符号如下：

1、顶层电路图如下：

图2-3顶层文件原理图
三、单元模块设计与仿真
3.1时钟分频模块
时钟分频模块就是把输入的2kHz时钟频率2000分频得到1Hz的频率用于数码管倒计时的时钟信号，其原理就是设计一个0到999循环计数的的计数器，当计数溢出，即计数到999时使输出量取反，则输出为0.5秒的高电平和0.5秒的低电平交替出现，就得到了1Hz的方波，作为秒倒计时的时钟信号。
时钟分频模块生成的元件符号如下：

2、分频模块

实验板上的50Mhz频率经分频后得到1Khz、2hz、1hz三路信号。

3、交通灯控制及计时模块

此模块是整个系统的核心部分，主要功能是完成五个状态的转换，并且在每个状态里完成相应的控制作用，即控制主干道和支干道的红黄绿灯的点亮和各自数码管倒计时显示。
编程时主要是用一个进程语句，其敏感信号是时钟分频模块产生的1Hz时钟信号，进程里主要用case语句完成五个状态的控制，在每个状态里要控制主干道和支干道的红黄绿灯的点亮，而且要控制各自数码管倒计时的显示，并为扫描显示译码模块提供倒计时时间，同时要使每个状态结束时能顺利进入下一个状态。

4、数码管显示译码和扫描模块

此模块中含有七段

数码管译码和扫描显示两个部分。
其中clk1khz是输入的扫描时钟信号

四、 硬件验证结果

1、引脚配置如下：

2、硬件验证效果如下：

说明：主干道和支干道分别继续亮绿灯和红灯，同时主干道的数码管从44开始一秒一秒地倒计时显示直至倒计时到00，而支干道的数码管从49开始一秒一秒地倒计时显示，并且主、支干道的数码管显示值始终相差5。当主干道的倒计时到00（支干道倒计时到05）后的下一秒，主干道的绿灯灭，黄灯闪烁，而且主干道的数码管从04开始秒倒计时直至00，支干道的红灯在这一过程中始终是亮的，而且数码管正常倒计时，和主干道的数码管显示。当主、支干道数码管倒计时到00后的下一秒，主干道的黄灯灭，红灯亮，数码管从29开始一秒一秒地倒计时，而支干道的红灯灭，绿灯亮，数码管开始从24一秒一秒地倒计时，始终和主干道的数码管少5,直至倒计时到00。当支干道数码管倒计时到00（主干道为05）的下一秒后，支干道的绿灯灭，黄灯闪烁，数码管开始从04一秒一秒地倒计时直至00，而主干道在这一过程中继续亮红灯，数码管继续正常地倒计时，而和支干道数码管显示相同。当主、支干道倒计时到00的下一秒，则进入到主干道亮绿灯，支干道亮红灯的状态。

五、心得体会
这次设计给我最大的收获就是做什么事都不要急，要一步一步的做好前提工作，我开始看到这个课题的时候就动手去写程序，只是凭着自己脑子里想一点就写一点，但是经过几次反复的修改还是没有成功，看不到效果，所以后来干脆就放下来先把每一步每一个模块都弄清楚再动手去写，可以再本子上把各个模块的端口以及连接都画好，再去写，这样能做到事半工倍的效果，而且在设计的时候不懂得地方可以参考别人写的程序，毕竟，不管做什么课程设计都是为了让自己弄懂、学好，只要将别人的程序设计转为自己的知识就ok了，在次基础上加上自己的一些想法，学会变通， 或许还有些知识没学到，比如状态机这部分，但是通过别人的程序能让自己学到更多的知识，而且能巩固知识，所以我觉得要想把程序写好平常一定要多写多练多参考，这就是我这次设计的收获。
附：各模块程序代码

1、 分频模块

library ieee; --对开发板上的50MHZ信号进行分频得到1khz位选信号、--2hz黄灯闪烁信号和1hz计时信号
use ieee.std_logic_1164.all;

entity div_freq is
port(freq_in:in std_logic;
flag_1khz,flag_2hz,flag_1hz: buffer std_logic);
end entity;

architecture one of div_freq is
signal complete_1khz: integer range 0 to 50000;
signal complete_2hz:integer range 0 to 499;
signal complete_1hz: integer range 0 to 1000;

begin
process(freq_in) --此进程得到的是1khz的位选信号
begin
if(freq_in 'event and freq_in='1') then
complete_1khz<=complete_1khz+1;
if(complete_1khz=50000) then
complete_1khz<=0;
elsif(complete_1khz<25000) then
flag_1khz<='0';
else
flag_1khz<='1';
end if;
end if;
end process;

process(flag_1khz) --此进程是得到2hz信号
begin
if(flag_1khz 'event and flag_1khz='1') then
complete_2hz<=complete_2hz+1;
if(complete_2hz=500)then
complete_2hz<=0;
flag_2hz<='0';
else
flag_2hz<='1';
end if;
end if;
end process;

process(flag_1khz) --此进程是得到1hz信号
begin
if(flag_1khz 'event and flag_1khz='1') then
complete_1hz<=complete_1hz+1;
if(complete_1hz=1000)then
complete_1hz<=0;
flag_1hz<='0';
else
flag_1hz<='1';
end if;
end if;
end process;
end architecture one;

2、交通灯控制及倒计时模块

--交通灯控制及计时模块
library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
entity state5 is
port(clk1hz,clk2hz:in std_logic;--1hz倒计时时钟信号
one1,ten1,one2,ten2:out integer range 0 to 10;--倒计时数
ra,ga,ya,rb,gb,yb:out std_logic);--主支干道红黄绿灯
end;
architecture two of state5 is

type states is (st0,st1,st2,st3,st4);--定义五个状态

signal r1,g1,y1,r2,g2,y2:std_logic;
signal a,y11,y22:std_logic;-------------------------------------------------
begin
--------------------

---------------------
process(clk1hz)-------5 states

variable st:states;

variable eoc:std_logic;--倒计时结束标志位
variable h1,l1,h2,l2:integer range 0 to 10;
begin--------------------------------------------------------------

if clk1hz'event and clk1hz='1' then
case st is
when st0=>
st:=st1;
h1:=4;l1:=4;
h2:=4;l2:=9;

when st1=>-----主干道绿灯亮45秒

if eoc='0' then
h1:=4;l1:=4;
h2:=4;l2:=9;
eoc:='1';
g1<='1';r1<='0';y1<='0';g2<='0';r2<='1';y2<='0';
else
if h1=0 and l1=1 then
st:=st2;eoc:='0';h1:=0;l1:=0;h2:=0;l2:=5;
elsif l1=0 then
l1:=9;h1:=h1-1;l2:=l2-1;
elsif l2=0 then
l2:=9;h2:=h2-1;l1:=l1-1;
else l1:=l1-1;l2:=l2-1;
end if;

end if;
when st2=>-----主干道黄灯亮5秒

if eoc='0' then
h1:=0;l1:=4;
h2:=0;l2:=4;
eoc:='1';----------------------------------------------
g1<='0';r1<='0';y1<='1';g2<='0';r2<='1';y2<='0';-------------------------------
else
if l1=1 then
st:=st3;eoc:='0';h1:=0;l1:=0;h2:=0;l2:=0;
else l1:=l1-1;l2:=l2-1;
end if;

end if;
when st3=>-----支干道绿灯亮25秒

if eoc='0' then
h1:=2;l1:=9;
h2:=2;l2:=4;
eoc:='1';
g1<='0';r1<='1';y1<='0';g2<='1';r2<='0';y2<='0';
else
if h2=0 and l2=1 then
st:=st4;eoc:='0';h2:=0;l2:=0;h1:=0;l1:=5;
elsif l2=0 then
l2:=9;h2:=h2-1;l1:=l1-1;
elsif l1=0 then
l1:=9;h1:=h1-1;l2:=l2-1;
else l2:=l2-1;l1:=l1-1;

end if;
end if;
when st4=>------支干道黄灯亮5秒

if eoc='0' then
h1:=0;l1:=4;
h2:=0;l2:=4;
eoc:='1';
g1<='0';r1<='1';y1<='0';g2<='0';r2<='0';y2<='1';
else
if l2=1 then
st:=st1;eoc:='0';h1:=0;l1:=0;h2:=0;l2:=0;
else l1:=l1-1;l2:=l2-1;
end if;

end if;
end case;
end if;
ra<=r1;ga<=g1;ya<=y11;rb<=r2;gb<=g2;yb<=y22;--------------------
one1<=l1;ten1<=h1;one2<=l2;ten2<=h2;
end process;

process(clk2hz)
begin
if clk2hz'event and clk2hz='1' then
a<= not a;
if(y1='1')then y11<=a;else y11<='0';end if;
if(y2='1')then y22<=a;else y22<='0';end if;
end if;
end process;
end;

3、数码管译码显示及位选模块

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
entity display is
port(clk_1khz:in std_logic;--扫描时钟信号
one1,ten1,one2,ten2:in integer range 0 to 10;
scan:out std_logic_vector(3 downto 0);--片选输出信号
seg_7:out std_logic_vector(7 downto 0));--七段译码输出
end entity display;
architecture three of display is
signal data:integer range 0 to 10;
signal seg77:std_logic_vector(7 downto 0);
signal cnt:std_logic_vector(1 downto 0);
begin
process(data)-------七段译码
begin
case data is
when 0=>seg77<="00000011";
when 1=>seg77<="10011111";
when 2=>seg77<="00100101";
when 3=>seg77<="00001101";
when 4=>seg77<="10011001";
when 5=>seg77<="01001001";
when 6=>seg77<="01000001";
when 7=>seg77<="00011111";
when 8=>seg77<="00000001";
when 9=>seg77<="00001001";
when 10=>seg77<="11111111";
when others =>null;
end case;
end process;
seg_7<=seg77;
process(clk_1khz,one1,ten1,one2,ten2)----------数码管动态扫描计数
begin
if clk_1khz'event and clk_1khz='1' then --00到11循环计数器
if cnt="11" then cnt<="00";
else cnt<=cnt+1;
end if;
end if;
end process;
process(cnt,one1,ten1,one2,ten2)----数码管动态扫描显示
begin
case cnt is
when "00"=>data<=one1;scan<="0111";
when "01"=>data<=ten1;scan<="1011";
when "10"=>data<=one2;scan<="1101";
when "11"=>data<=ten2;scan<="1110";
when others=>null;
end case;
end process;
end three;