西电 数字电路与系统设计 EDA大作业.docx
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西电数字电路与系统设计EDA大作业
《数字电路与系统设计》
EDA实验报告
班级：
学号：
姓名：
西安电子科技大学电子工程学院
基于FPGA的交通灯控制器
一、实验功能简介：
本实验基于XILINX的BASYS2FPGA开发板，配合编写verilogHDL硬件描写语言，实现交通灯控制器的设计。
应用板上的资源有四位数码管、一个拨键开关。
四位数码管前两位显示A路绿灯、黄灯和红灯亮灯的时间数值，后两位显示B路绿灯、黄灯、红灯亮灯的时间数值。
拨键开关SWO控制交通灯的工作状态。
当SW0置为“1”时，交通灯控制器开始工作。
当SW0置为“0”时，交通灯控制器进行复位操作。
交通灯控制器的A方向的绿灯、黄灯和红灯亮灯时间分别为25s、5s和30s，B方向的绿灯、黄灯和红灯亮灯时间也分别为25s、5s和30s。
本实验在50MHZ的主时钟的条件下控制6个LED灯的亮熄以及用四位数码管显示亮熄的时间。
这样便可以实现本实验的功能。
二、实验条件：
本实验所用到的开发板为Basys2开发板。
它是构建在XilinxSpartan3E现场可编程门阵列和一个AtmelAT90USB2USB控制器。
其核心部件为XilinxSpartan3E-100CP132，它采用100000-gateXilinxSpartan3EFPGA；通过AtmelAT90USB2全速USB2端口提供开发板所需的电源盒编程及数据输出接口。
开发板上的闪存来存储FPGA的声明。
其外围部件有8路LED灯；4个7段的数码管；4个按键；8个滑行开关；PS/2端口；8位的VGAD端口；用户可选择开发板配置的时钟（25/50/100MHZ），也可以外接时钟；4组6针的扩展接口；所有输入输出信号都有ESD和短路保护电路。
实验所用的综合软件为XilinxISEDesignSuite13.1，实验所用到的开发语言为Verilog，用ModelsimSE6.5e编程和仿真。
用DigilentAdept_v2-3-0来下载Bit文件。
三、实验过程：
1、系统组成框图：
2、模块划分及各个模块的详细功能：
本系统共包括个6个模块，分别为交通灯顶层模块（top_traffic）、1s计时时钟产生模块（clock_1s）、数码管扫描时钟产生模块（display_DIV）、数码管扫描驱动模块（display）、交通灯控制模块（traffic）、十进制数字与数码管显示解码模块（dectohex）。
交通灯顶层模块（top_traffic）：
此模块为顶层连接模块，负责将各个模块连接起来，包括总系统的输入与输出信号的定义与连接。
1s计时时钟产生模块（clock_1s）：
此模块用来对主频进行分频，使其产生跑表计时所需要的1s的方波信号。
数码管扫描时钟产生模块（display_DIV）：
此模块用来对主频进行分频，使其产生数码管扫描所需的2.5ms时钟信号，此时钟信号为数码管扫描驱动模块（display）使用。
数码管扫描驱动模块（display）：
此模块用来驱动数码管进行扫描显示，要显示的数据经由此模块显示到四位数码管上。
十进制数字与数码管显示解码模块（dectohex）：
此模块是对要显示的数字进行解码，转换为数码管显示所需要的编码，此模块包含于数码管扫描驱动模块（display）。
交通灯控制模块（traffic）：
此模块为整个系统的核心模块，用来控制输入的交通灯时钟信号，产生交通灯的效果，对交通灯进行开关与复位。
3、流程图及流程图详细介绍：
系统流程图为：
描述过程：
当交通灯控制模块（traffic）启动时，首先判断使能端EN是否为1。
若为1则程序继续进行。
接下来分别判断中间变量tempa与tempb是否为0.若为tempa为0，判断counta的数值。
若counta为0，则此时A路绿灯亮，并且数码管开始倒数计时。
当计时结束时，再返回判断counta的数值对应相应的交通灯亮熄。
tempb的判断与tempa类似。
说明：
在流程图的任意一点，只要RESET复位被按下，直接从“开始”重新开始。
按键说明：
开关复位键（SW0）。
4、详细的程序清单及程序注释：
/******************************************
交通灯顶层模块（top_traffic）
将各个模块进行连接，并设置总系统的输入输出
*******************************************/
moduletop_traffic（mainclk,reset,display_led,
led_control_1,led_control_2,led_control_3,led_control_4,
traffic_control,LAMPA,LAMPB）;
//端口定义
inputmainclk,reset,traffic_control;//输入主时钟、复位信号与交通灯控制信号
output[6:
0]display_led;//输出数码管段选控制端
outputled_control_1,led_control_2,led_control_3,led_control_4;//数码管位选控制端
output[2:
0]LAMPA,LAMPB;
wire[6:
0]display_led;
wireled_control_1,led_control_2,led_control_3,led_control_4,drop;
wireclock_1s,display_div;//分频时钟接线：
交通灯计数时钟与数码管扫描时钟接线
wire[7:
0]number1,number2;//待显示数字接线
//1s时钟
clock_1su2（.clock_1s_clk（mainclk）,.reset（reset）,.clock_1s（clock_1s））;
//显示分频
display_DIVu4（.display_DIV_clk（mainclk）,.reset（reset）,.display_div（display_div））;
//数字显示
displayu5（.display_clk（display_div）,.reset（reset）,
.led1（led_control_1）,.led2（led_control_2）,.led3（led_control_3）,.led4（led_control_4）,
.number1（number1）,.number2（number2）,.led_display_port（display_led））;
//交通灯
trafficu1（.traffic_clk（clock_1s）,.en（traffic_control）,.LAMPA（LAMPA）,.LAMPB（LAMPB）,.numa（number1）,.numb（number2））;
endmodule
/******************************************
1s计时时钟产生模块（clock_1s）
输入：
50MHz的主时钟（clock_1s_clk）
输出：
分频后信号5ms（clock_1s）
转换公式：
1/mainclk*clock_1s_value*2
*******************************************/
moduleclock_1s
（
clock_1s_clk,reset,clock_1s
）;
parameterclock_1s_value=25000*1000;//更改此处的值改变分频时间
//端口定义
inputclock_1s_clk,reset;//输入此模块的时钟,与复位信号
outputclock_1s;//输出此模块的时钟
reg[25:
0]clock_1s_counter;//分频计数器
regclock_1s;
//计数分频
//模50000*1000/2计数器，即0.5s分频
always@（posedgeclock_1s_clkorposedgereset）
begin
if（reset）
begin
clock_1s_counter<=26'b0;
end
else
begin
if（clock_1s_counter==clock_1s_value-1'b1）
clock_1s_counter<=26'd0;
else
clock_1s_counter<=clock_1s_counter+1'b1;
end
end
//二分频，即1s分频
always@（posedgeclock_1s_clkorposedgereset）
begin
if（reset）
begin
clock_1s<=1'b0;
end
else
if（clock_1s_counter==clock_1s_value-1'b1）
clock_1s<=~clock_1s;
end
endmodule
/******************************************
数码管扫描时钟产生模块（display_DIV）
输入：
50MHz的主时钟（display_DIV_clk）
输出：
分频后LED扫描信号2.5ms（display_div）
转换公式：
1/mainclk*display_div_value*2
*******************************************/
moduledisplay_DIV
（
display_DIV_clk,reset,display_div
）;
parameterdisplay_div_value=1250*5;//更改此处的值改变分频时间
//端口定义
inputdisplay_DIV_clk,reset;//输入此模块的时钟,与复位信号
outputdisplay_div;//输出此模块的时钟
reg[19:
0]display_div_counter=20'b0;//分频计数器
regdisplay_div=1'b0;
//计数分频
//模1250*5/2计数器，即1.25ms分频
always@（posedgedisplay_DIV_clk）
begin
if（display_div_counter==display_div_value-1'b1）
display_div_counter<=20'd0;
else
display_div_counter<=display_div_counter+1'b1;
end
//二分频，即2.5ms分频
always@（posedgedisplay_DIV_clk）
begin
if（display_div_counter==display_div_value-1'b1）
display_div<=~display_div;
end
endmodule
/******************************************
数码管扫描驱动模块（display）
输入：
LED扫描信号（display_DIV）
LED位选信号（led1,led2,led3,led4）
待显示数字（number1,number2）
输出：
控制LED段选信号（led_display_port）
*******************************************/
moduledisplay
（
display_clk,reset,led1,led2,led3,led4,number1,number2,led_display_port
）;
//端口定义
inputdisplay_clk,reset;//显示输入时钟,与复位信号
outputled1,led2,led3,led4;//数码管位选控制端
inputnumber1,number2;//输入待显示的数字
outputled_display_port;//输出数码管段选控制端
wire[7:
0]number1,number2;
wire[6:
0]led_display_port_temp;//连接此模块与dectohex模块的接线，将的dectohex模块的段选与此模块的段选输出连接
regled1,led2,led3,led4;
reg[6:
0]led_display_port;
reg[1:
0]display_counter=2'b0;//显示循环计数寄存器,加入初始值主要是为仿真时用
reg[3:
0]number_temp=4'b0;//待显示数字中间变量,加入初始值主要是为仿真时用
//扫描显示
//进行扫描循环计数
always@（posedgedisplay_clk）
begin
display_counter<=display_counter+1'b1;
end
//进行扫描循环显示
always@（display_counter）
begin
if（display_counter==2'b00）
begin
led1<=1'b0;
led2<=1'b1;
led3<=1'b1;
led4<=1'b1;
number_temp<=number1[7:
4];
end
elseif（display_counter==2'b01）
begin
led1<=1'b1;
led2<=1'b0;
led3<=1'b1;
led4<=1'b1;
number_temp<=number1[3:
0];
end
elseif（display_counter==2'b10）
begin
led1<=1'b1;
led2<=1'b1;
led3<=1'b0;
led4<=1'b1;
number_temp<=number2[7:
4];
end
elseif（display_counter==2'b11）
begin
led1<=1'b1;
led2<=1'b1;
led3<=1'b1;
led4<=1'b0;
number_temp<=number2[3:
0];
end
end
//模块连接，进行十进制到数码管的转换解码
dectohexu3（.number（number_temp）,.light（led_display_port_temp））;
//数码管段选赋值接线
always@（display_counter）
led_display_port<=led_display_port_temp;
endmodule
/******************************************
十进制数字与数码管显示解码模块（dectohex）
输入：
十进制数字（number），范围0~15
输出：
二进制数字（light），要对应数码管
*******************************************/
moduledectohex（number,light）;
//端口定义
input[3:
0]number;
output[6:
0]light;
reg[6:
0]light;
//进行数值转换
always@（*）
case（number）
4'd0:
light=7'b0000001;//0
4'd1:
light=7'b1001111;//1
4'd2:
light=7'b0010010;//2
4'd3:
light=7'b0000110;//3
4'd4:
light=7'b1001100;//4
4'd5:
light=7'b0100100;//5
4'd6:
light=7'b0100000;//6
4'd7:
light=7'b0001111;//7
4'd8:
light=7'b0000000;//8
4'd9:
light=7'b0000100;//9
4'd10:
light=7'b0001000;//A
4'd11:
light=7'b1100000;//B
4'd12:
light=7'b0110001;//C
4'd13:
light=7'b1000010;//D
4'd14:
light=7'b0110000;//E
4'd15:
light=7'b0111000;//F
endcase
endmodule
/******************************************
交通灯控制模块（traffic）
traffic_clk：
为1s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3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3盏灯的亮灭；其中，LAMPB0~LAMPB2，分别控制B方向的
绿灯、黄灯和红灯；
numa：
用于A方向灯的时间显示，8位；
numb：
用于B方向灯的时间显示，8位。
*******************************************/
moduletraffic（traffic_clk,en,LAMPA,LAMPB,numa,numb）;
//端口定义
inputtraffic_clk,en;//输入此模块的时钟与交通灯控制信号控制信号
output[2:
0]LAMPA,LAMPB;//输出交通灯红绿黄灯亮灯的控制端
output[7:
0]numa,numb;//输出数码管显示数值
reg[7:
0]numa=8'b0,numb=8'b0;
regtempa=1'b0,tempb=1'b0;
reg[1:
0]counta=2'b0,countb=2'b0;
reg[7:
0]agreen,ayellow,ared;
reg[7:
0]bgreen,byellow,bred;
reg[2:
0]LAMPA=3'b0,LAMPB=3'b0;
//设置各交通灯的持续时间初始化值
always@（en）
if（!
en）//使能信号en无效时，对交通灯的计数值进行初始化
begin
ared<=8'b00110000;//左红灯亮灯30s
ayellow<=8'b00000101;//左黄灯亮灯5s
agreen<=8'b00100101;//左绿灯亮灯25s
bred<=8'b00110000;//右红灯亮灯30s
byellow<=8'b00000101;//右黄灯亮灯5s
bgreen<=8'b00100101;//左绿灯亮绿灯25s
end
//控制a方向3种灯的模块
always@（posedgetraffic_clk）
begin
if（en）//使能信号en有效时，交通灯开始工作
begin
if（!
tempa）
begin
tempa<=1'b1;
case（counta）//使能信号en有效时，交通灯开始工作
0:
begin//状态0
numa<=agreen;//直行绿灯亮
LAMPA<=3'b001;//输出001
counta<=3'd1;//进入下一个状态
end
1:
begin//状态1
numa<=ayellow;//黄灯亮
LAMPA<=3'b010;//输出010
counta<=3'd2;//进入下一个状态
end
2:
begin//状态2
numa<=ared;//红灯亮
LAMPA<=3'b100;//输出100
counta<=3'd0;//进入下一个状态（状态0）
end
default:
//默认状态
LAMPA<=3'b100;//红灯亮，输出100
endcase
end
else
begin//每一个状态的倒计时
if（numa>1）//判断倒计时未归零时分别对高低位进行递减
if（numa[3:
0]==4'd0）begin
numa[3:
0]<=4'd9;
numa[7:
4]<=numa[7:
4]-1'b1;
end
elsenuma[3:
0]<=numa[3:
0]-1'b1;
if（numa==2）tempa<=1'b0;//倒计时结束，返回灯状态变化判断，将进入下一个状态
end
end
else
begin
LAMPA<=3'b100;//使能端无效时，红灯亮
counta<=2'd0;//返回方向A的状态0（绿灯状态）
tempa<=1'b0;//进入状态变化判断
numa<=0;//数码管进行清零
end
end
always@（posedgetraffic_clk）
begin
if（en）
begin
if（!
tempb）
begin
tempb<=1;
case（countb）
0:
begin
numb<=bred;
LAMPB<=3'b100;
countb<=3'd1;
end
1:
begin
numb<=bgreen;
LAMPB<=3'b001;
countb<=3'd2;
end
2:
begin
numb<=byellow;
LAMPB<=3'b010;
countb<=3'b0;
end
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