交通信号灯控制器代码及说明
时间：2020-09-03 16:19:40 来源：勤学考试网 本文已影响 人 
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课程设计报告
课程名称： FPGA现代数字系统设计
设计名称： 交通信号灯控制器
姓 名： * * *
学 号: 2010000379
专 业： 通 信
指导教师： * * *
起止日期： 2010.12.25 - 2011.1.9
课 程 设 计 任 务 书
设计名称：
设计要求：
(1) 设计一个交通信号灯控制器，由一条主干道和一条支干道汇合成十字路口，在每个入口处设置红、绿、黄三色信号灯，红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行，黄灯亮则给行驶中的车辆有时间停在禁行线外。
(2) 红、绿、黄发光二极管作信号灯，用传感器或逻辑开关作检测车辆是否到来的信号。
(3) 主干道处于常允许通行的状态，支干道有车来时才允许通行。主干道亮绿灯时，支干道亮红灯；支干道亮绿灯时，主干道亮红灯。
(4) 主、支干道均有车时，两者交替允许通行，主干道每次放行45s，支干道每次放行25s，设立45s、25s计时、显示电路。
(5) 在每次由绿灯亮到红灯亮的转换过程中，要亮5s黄灯作为过渡，使行驶中的车辆有时间停到禁行线外，设立5s计时、显示电路。
(6)发生紧急事件，如救护车、警车、抢险车通过，可以手动控制四个方向的红灯全亮。
设计目的和意义
通过应用Verilog语言在QuartusⅡ软件平台上设计交通信号灯控制器，并借助硬件来测试仿真效果。通过课程设计，熟悉硬件编程语言的应用，特别是有限状态机的灵活使用，为以后进一步的学习实践打下良好的基础。
设计原理
(1) 主、支干道用传感器检测车辆到来情况，实验电路用逻辑开关代替。
(2) 选择1HZ时钟脉冲作为系统时钟。
(3) 45s、25s、5s定时信号可用顺计时，也可用倒计时，计时起始信号由主控电路给出，每当计满所需时间，启、闭三色信号灯，并启动另一计时电路。
(4) 交通灯状态变化如表1及图1所示:
表1：交通灯状态图
图1：交通灯状态图
(5) 交通灯设计输入信号4个：CLK(时钟)，EN(使能)，EMERGENCY(紧急)，BCHECK(检测)；输出信号4个：LAMPA(主干道信号灯)，LAMPB(支干道信号灯)，ACOUNT(主干道计数器)，BCOUNT(支干道计数器)。交通灯控制原理如图2所示。
图2：交通灯原理图
详细设计步骤
(1) 确定4个输入信号与4个输出信号，具体见图2；
(2) 将50MHZ时钟分频为1MHZ；
(3) 设计红黄绿3中信号灯切换的时间及顺序；
(4) 设计支路检测状态下的信号灯切换；
(5) 设计紧急(EMERGENCY)状态下信号灯的切换；
(6) 程序使用3always块[1]，详细代码如下：
module traffic_control(CLK,EN,EMERGENCY,BCHECK,LAMPA,LAMPB,ACOUNT,BCOUNT);
output[2:0] ACOUNT,BCOUNT;
output[2:0] LAMPA,LAMPB;
reg clk1;
input CLK,EN,EMERGENCY,BCHECK;
reg[2:0] numa,numb;
reg tempa,tempb;
reg[25:0]count;
reg[2:0] counta,countb;
reg[2:0] ared,ayellow,agreen,aleft,bred,byellow,bgreen,bleft;
reg[2:0] LAMPA,LAMPB;
/* 信号定义与说明：
CLK： 为同步时钟；
EN： 使能信号，为1 的话，则控制器开始工作；
LAMPA： 控制A 方向四盏灯的亮灭；其中，LAMPA0~LAMPA2，分别控制A 方向的绿灯、黄灯和红灯；
LAMPB： 控制B 方向四盏灯的亮灭；其中，LAMPB0 ~ LAMPB2，分别控制B 方向的绿灯、黄灯和红灯；
ACOUNT： 用于A 方向灯的时间显示，8 位
BCOUNT： 用于B 方向灯的时间显示，8 位*/
always @(posedge CLK ) //将50MHZ时钟分频为1MHZ
begin
if(count=
begin
count<=0;
clk1<=~clk1;
end
else
count<=count+1;
end
assign ACOUNT=numa;
assign BCOUNT=numb;
always @(EN )
if(!EN)
begin
ared <=6;
ayellow <=2;
agreen <=4;
bred <=6;
byellow <=2;
bgreen <=4;
end
always @(posedge clk1)//该进程控制A 方向
begin
if(EMERGENCY) //EMERGENCY高电平有效,手动控制
begin
numa<=0;LAMPA<=4;counta<=0;tempa<=0;
end
else if(EN)
begin
if(!tempa)//亮灯
begin
tempa<=1;
case(counta)//控制亮灯的顺序
0: begin numa<=agreen; LAMPA<=1; counta<=1; end
1: begin numa<=ayellow; LAMPA<=2; counta<=2; end
2: begin numa<=ared; LAMPA<=4; counta<=0; end
default: LAMPA<=4;
endcase
end
else //倒计时
begin
if(numa>2) numa<=numa-1;
if(numa==2) begin numa<=1;tempa<=0;
if ((BCHECK) &&(counta==2)) counta<=0;
end
/*if(numa>1)
if(numa[3:0]==0)
begin
numa[3:0]<=4'b1001;
numa[7:4]<=numa[7:4]-1;
end
else numa[3:0]<=numa[3:0]-1;
if (numa==2)
begin tempa=0;
if ((!BCHECK )&& (counta==1)) counta<=0;
end*/
end
end
else
begin
LAMPA<=3'b100;
counta<=0; tempa<=0;
end
end
always @(posedge clk1)//该进程控制B 方向的四种灯
begin
if(EMERGENCY) //EMERGENCY高电平有效,手动控制
begin
numb<=0;LAMPB<=4;countb<=0;tempb<=0;
end
else if (EN)
begin
if(!tempb)
begin
tempb<=1;
case (countb)
0: begin numb<=bred; LAMPB<=4; countb<=1; end
1: begin numb<=bgreen; LAMPB<=1; countb<=2; end
2: begin numb<=byellow; LAMPB<=2; countb<=0; end
default: LAMPB<=4;
endcase
end
else
begin
if(numb>2) numb<=numb-1;
if(numb==2) begin numb<=1;tempb<=0;
if ((BCHECK )&& (countb==1)) countb<=0;
end
/*if(numb>1)
if(!numb[3:0])
begin
numb[3:0]<=9;
numb[7:4]<=numb[7:4]-1;
end
else numb[3:0]<=numb[3:0]-1;
if(numb==2)
begin tempb=0;
if ((!BCHECK) && (countb==1)) countb<=0;
end*/
end
end
else
begin
LAMPB<=3'b100;
tempb<=0; countb<=0;
end
end
endmodulemodule
结果分析
程序仿真效果如图3和图4所示：为观察方便，将红黄绿灯显示时间分别缩短，图中[4]表示红灯亮，[2]表示黄灯亮，[1]表示绿灯亮，BCHECK信号代表支干道检测状况，低电平表示检测到有车辆正常通过，EMERGENCY代表紧急状态信号，低电平表示紧急信号无效。
从图3中可以看出，在支干道检测到有车辆正常通过并且紧急信号无效时，主干道和支干道的信号灯有条不紊的正确变换；
图3：BCHECK低电平EMERGENCY低电平时，主干道和支干道的信号灯的显示状态
从图4中可以看出，在支干道检测到无车辆通过或者紧急信号发生时，主干道和支干道的信号灯能够按照预先设计正确变换。
图4：BCHECK EMERGENCY低电平或高电平时，主干道和支干道的信号灯的显示状态
总结
仿真结果符合设计要求，交通灯有规律的变化，显示倒计时；在检测支路无车辆和紧急情况下，交通灯可以做出相应调整。设计中使用FSM（三段式），此方式描述方法虽然代码结构复杂了一些，但是使FSM 做到了同步寄存器输出，有利于实现交通灯控制[2]。
体会
通过课程设计，更加体会到硬件编程语言的特点，与以前所学C语言有一些相似之处，但更重要的是硬件语言编程需要特别中重视与实际器件功能的结合，以保证最后能够正确实现设计的功能。在设计过程中遇到不少问题，如编程能力不够，相关知识运用不熟等问题，还需要进一步学习。
参考文献
[1] 马建国 孟宪元，等. FPGA现代数字系统设计[M].北京：清华大学出版社.2010:190-220.
[2] 华清远见嵌入式培训中心，等. FPGA应用开发入门与典型实例[M].北京：人民邮电出版社.2008:118-124.
