基于VerilogHDL的交通灯控制器设计.docx
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基于VerilogHDL的交通灯控制器设计
交通灯控制器设计
第一章设计原理
1.1设计要求
设计一个交通控制器,用LED显示灯表示交通状态,并以7段数码显示器显示当前状态剩余秒数主干道绿灯亮时,支干道红灯亮;反之亦然,二者交替允许通行,主干道每次放行35s,支干道每次放行25s。
每次由绿灯变为红灯的过程中,亮光的黄灯作为过渡,黄灯的时间为5s。
能进行特殊状态显示,特殊状态时东西、南北路口均显示红灯状态。
用LED灯显示倒计时,并且能实现总体清零功能,计数器由初始状态开始计数,对应状态的显示灯亮。
1.2设计思路和原理
本次设计是针对十字路口,进行南北和东西直行情况下交通灯控制。
设定东西方向为主干道方向,根据交通灯的亮的规则,在初始状态下四个方向的都为红灯亮启,进入正常工作状态后,当主干道上绿灯亮时,支干道上红灯亮,持续35S后,主干道和支干道上的黄灯都亮启,持续5S后,主干道上红灯亮启,支干道上绿灯亮启持续25S,之后主干道和支干道上的黄灯都亮启5s,一个循环完成。
循环往复的直行这个过程。
其过程如下图所示:
图1.交通灯点亮时间控制说明
1.3实现方法
本次采用文本编辑法,即利用Verilog语言描述交通控制器,通过状态机计数法,实现设计所要求的交通灯控制及时间显示。
设计中用两组红黄绿LED模拟两个方向上的交通灯,用4个7段数码管分别显示两个方向上的交通灯剩余时间,控制时钟由试验箱上频率信号提供。
第二章Verilog程序设计
2.1整体设计
根据上章设计原理,交通灯控制的关键是各个状态之间的转换和进行适当的时间延时,根据状态机的设计规范,本次设计了三个状态之间的循环转化,其真值表及状态转化图如下所示:
图2.交通灯控制状态转化
说明:
该状态图为交通灯在正常情况下的状态转化图,进入控制后,状态00时主干道绿灯及支干道红灯亮起,进入状态01后两路黄灯亮起,状态11时主干道红灯及支干道绿灯亮起。
进入10状态两路黄灯亮起。
结束一个循环,从00状态重新开始循环。
为实现控制与显示的功能,需要设计交通灯点亮顺序控制程序,倒数计时程序,七段数码管显示程序,数码管显示扫描程序,其系统结构图如下所示:
图3.交通灯控制系统结构图
其中rst为复位信号,clk为时钟信号,hold为特殊情况控制信号,输入hold时两个方向红灯无条件亮起。
2.2具体设计
根据整体设计要求,编写各个功能部分Verilog程序,设置各输入输出变量说明如下
clk:
为计数时钟;
qclk:
为扫描显示时钟;
en:
使能信号,为1的话,则控制器开始工作;
rst:
复位信号,为1的话,控制及技术回到初始状态;
hoid:
特殊情况控制信号,为1的话,则两个方向无条件显示为红灯;
light1:
控制主干道方向四盏灯的亮灭;其中,light1[0]~light[2],分别控制主干道方向的
绿灯、黄灯和红灯;
light2:
控制支干道方向四盏灯的亮灭;其中,light2[0]~light2[2],分别控制支干道方向的
绿灯、黄灯和红灯;
num1:
用于主干道方向灯的时间显示,8位,可驱动两个数码管;
num2:
用于支干道方向灯的时间显示,8位,可驱动两个数码管;
counter:
用于数码管的译码输出;
st1,st2:
数码管扫描信号。
输入输出及中间变量设置如下:
moduletraffic(en,clk,qclk,rst,rst1,hold,num1,num2,light1,light2,counter,st1,st2);
inputen,clk,qclk,rst,hold,rst1;
outputst1,st2;
output[7:
0]num1,num2;
output[6:
0]counter;
output[2:
0]light1,light2;
regtim1,tim2,st1,st2;
reg[1:
0]state1,state2,ste;
reg[2:
0]light1,light2;
reg[3:
0]num;
reg[6:
0]counter;
reg[7:
0]num1,num2;
reg[7:
0]red1,red2,green1,green2,yellow1,yellow2;
1.二极管点亮控制
该部分程序的作用是根据计数器的计数值控制发光二极管的亮、灭,以及输出倒计时数值给七段数码管的译码电路。
此外,当检测到特殊情况(hold=‘1’)发生时,无条件点亮红灯的二极管,当检测到复位信号,两个方向计数与控制回复到00状态。
因为主、支干道两个方向二极管点亮的顺序与延迟时间不同,顾编写两个独立的部分来控制,具体程序如下:
1)主干道方向
always@(posedgeclk)
begin
if(rst)//复位与特殊情况控制
begin
light1<=3'b001;
num1<=green1;
end
elseif(hold)
begin
light1<=3'b100;
num1<=green1;
end
elseif(en)
begin//使能有效开始控制计数
if(!
tim1)//
begin//主干道交通灯点亮控制
tim1<=1;
case(state1)
2'b00:
beginnum1<=green1;light1<=3'b001;state1<=2'b01;end
2'b01:
beginnum1<=yellow1;light1<=3'b010;state1<=2'b11;end
2'b11:
beginnum1<=red1;light1<=3'b100;state1<=2'b10;end
2'b10:
beginnum1<=yellow1;light1<=3'b010;state1<=2'b00;end
default:
light1<=3'b100;
endcase
End
2)支干道方向
always@(posedgeclk)
begin
if(rst)//复位与特殊情况控制
begin
light2<=3'b100;
num2<=red2;
end
elseif(hold)
begin
light2<=3'b100;
num2<=red2;
end
elseif(en)
begin
if(!
tim2)
begin
tim2<=1;
case(state1)
2'b00:
beginnum2<=red2;light2<=3'b100;state2<=2'b01;end
2'b01:
beginnum2<=yellow1;light2<=3'b010;state2<=2'b11;end
2'b11:
beginnum2<=green2;light2<=3'b001;state2<=2'b10;end
2'b10:
beginnum2<=yellow2;light2<=3'b010;state2<=2'b00;end
default:
light2<=3'b100;
endcase
End
2.倒数计时
该部分程序完成二极管发光时延的计数,并将计数结果送到数码管显示电路,每切换到一个状态,计数器的初值都被重置,以实现不同颜色二极管不同的时延要求。
本次设计直接用逻辑运算完成2位十进制数的计数,未采用分位器的设计。
因为主、支干道上计数器的结构完全相同,顾只列出一路的程序,其具体程序如下所示:
always@(posedgeclk)
begin
else
begin//倒数计时
if(num1>0)
if(num1[3:
0]==0)
begin
num1[3:
0]<=4'b1001;
num1[7:
4]<=num1[7:
4]-1;
end
elsenum1[3:
0]<=num1[3:
0]-1;
if(num1==1)tim1<=0;
end
end
else
begin
light1<=3'b010;
num1=2'b00;
tim1<=0;
end
end
3.数码管的译码及扫描显示
该段程序主要完成4个7段数码管的译码显示及扫描,使系统能正常显示主、支干道两个方向上的剩余时间。
译码的时钟频率要低,为Hz级。
扫描的时钟频率要高,最低不得小于人眼分辨频率50Hz,具体程序如下所示:
always@(posedgeqclk)
begin//数码管扫描
if(rst1)
begin
st1=0;
st2=0;
end
else
begin
case({st2,st1})
2'b00:
beginnum<=num1[3:
0];{st2,st1}<=2'b01;end
2'b01:
beginnum<=num1[7:
4];{st2,st1}<=2'b10;end
2'b10:
beginnum<=num2[3:
0];{st2,st1}<=2'b11;end
2'b11:
beginnum<=num2[7:
4];{st2,st1}<=2'b00;end
endcase
end
end
always@(posedgeqclk)
begin//数码管译码显示
case(num)
4'b0000:
counter<=7'b0111111;//0
4'b0001:
counter<=7'b0000110;//1
4'b0010:
counter<=7'b1011011;//2
4'b0011:
counter<=7'b1001111;//3
4'b0100:
counter<=7'b1100110;//4
4'b0101:
counter<=7'b1101101;//5
4'b0110:
counter<=7'b1111101;//6
4'b0111:
counter<=7'b0000111;//7
4'b1000:
counter<=7'b1111111;//8
4'b1001:
counter<=7'b1101111;//9
default:
counter<=7'b0111111;//0
endcase
end
endmodule
总体程序见程序清单所示
第三章仿真
3.1波形仿真
在QuartursⅡ软件下创建工程,新建编辑设计文件,将程序输入,整体编译后,新建波形仿真文件。
设置仿真时间,时钟周期,输入输出端口,进行波形仿真。
具体仿真波形图及说明如下所示:
仿真截止时间:
100us;
时钟:
clk1us,qclk0.1us
1.正常工作时波形仿真图
图4.正常工作时波形仿真图
图形说明
波形仿真主要完成了控制与计数以及数码管显示的波形图。
en为低电品时,计数器置初值,高电平时开始正常控制与计数。
控制发光二极管首次输出为“light1=001,light2=100”,表示主干道路绿灯亮,支杆道路红灯亮,计数器num1和num2从“00110101”开始递减计数,计数至“00000000”时,进入下一个状态,控制输出量为light=010,light2=010,表示主、支干道黄灯均亮起,计数器num1和num2从“00000101”开始计数递减,计数至”00000000”时进入下一个状态,light=100,light2=001,表示主干道路红灯亮,支杆道路绿灯亮。
Counter根据num1,num2变化随时钟上升沿输出译码后的数据。
由于屏幕显示大小有限,未仿真出一个完整周期。
2.特殊情况仿真波形
图5.特殊情况仿真波形
图形说明
当hold输入高电平时,在时钟上升沿的控制下,light1与light2被强制置位为”100”,表示两路红灯均亮起
3.复位情况仿真波形
图6.复位情况仿真波形
图形说明
当rst输入高电平时,在时钟上升沿控制下,计数与控制都回到00状态,即light1=001,light2=100,计数器num1和num2从“00110101”开始递减计数。
第4章设计总结
4.1总结
在设计中采用VerilogHDL语言设计交通灯控制系统,借助其功能强大的语言结构,简明的代码描述复杂控制逻辑设计,与工艺无关特性,在提高工作效率的同时达到求解目的,并可以通过VerilogHDL语言的综合工具进行相应硬件电路生成,具有传统逻辑设计方法所无法比拟的优越性。
在设计过程中,觉得最难的部分是波形仿真部分,虽然程序编译通过但仿真出不了正确的波形,不是计数器无法正常计数,就是控制输出无法进入到下一个状态,每次出现问题就必须返回重新修改程序。
实践证明,在编写一个较复杂的程序时,一开始一定要画流程图,弄清楚各个功能及实现它们的逻辑算法,做到心中有数后在开始下笔写编写程序。
在编写的时候要尤其要注意语言的规范,如本次设计中编写的Verilog在Quartus7.0中可以正常生成时序图,而在低版本的软件中却无法生成,原因就是语言使用不规范,在解决这个问题时我总结了一些经验,首先程序要逻辑清晰,简洁明了,避免不必要的嵌套与条用,其次要适当地给程序加上注解文字,提高可读性,以方便之后的程序出错时进行查找,最后充分利用仿真软件提供的各项编译工具与报错消息,按图索骥,有方向的完成程序调试。
完成仿真后进行,进行试验箱上的硬件调试,该步骤主要是要求细心,按照引脚清单,逐一完成连线,本次设计用到两个时钟输入,注意一定要选择合适频率的时钟,以便达到期望的效果。
注意观察实物的现象,看是否满足设计要求,不满足时检查是硬件问题还是程序问题,如果是程序问题,在修改完之后必须要重新编译,重新烧入。
不断排查错误,直至达到满意的效果。
通过这次课程设计,熟悉了简单EDA设计的整个流程,加深了对VerilogHDL硬件描述语言的理解,提高了动手能力,并且锻炼了自己的耐心,收获颇丰,我会把在本次课程设计中学到的东西应用到今后的工作学习中。
最后感谢同学及老师提供的帮助与指导。
4.2参考资料
[1]夏宇闻.复杂数字电路与系统的VerilogHDL设计技术[M].北京:
北京航空航天大学出版社,1998
[2]郭梯云.移动通信[M].西安:
西安电子科技大学出版社,1995
[3][法]MichelMouly,MarieBernadettePautet1GSM数字移动通信系统[M].骆健霞,顾龙信,徐云霄译.北京:
电子工业出版社,1996
[4]张毅刚,乔立岩.虚拟仪器软件开发环境LabWindowsöCVI610编程指南[M].北京:
机械工业出版社,2002
[5]刘国权.GSM手机的测试[J].中国无线电管理,2003
[6]俞定玖,刘湘慧.GSM数字蜂窝移动交换系统测试[J].电信科学,2000
[7]张明.VerilogHDL实用教程[M].成都:
电子科技大学出版社,1999
[8]HydeDC.BucknellHandbookonVerilogHDL1ComputerScienceDepartment,BucknellUniversityLewisburg,1995
[9]康华光.电子技术基础(数字部分)[M].北京:
高等教育出版社,1988
程序清单
moduletraffic(en,clk,qclk,rst,rst1,hold,num1,num2,light1,light2,counter,st1,st2);
inputen,clk,qclk,rst,hold,rst1;
outputst1,st2;
output[7:
0]num1,num2;
output[6:
0]counter;
output[2:
0]light1,light2;
regtim1,tim2,st1,st2;
reg[1:
0]state1,state2,ste;
reg[2:
0]light1,light2;
reg[3:
0]num;
reg[6:
0]counter;
reg[7:
0]num1,num2;
reg[7:
0]red1,red2,green1,green2,yellow1,yellow2;
always@(en)
if(!
en)
begin//设置计数初值
green1<=8'b00110101;
red1<=8'b00100101;
yellow1<=8'b00000101;
green2<=8'b00100101;
red2<=8'b00110101;
yellow2<=8'b00000101;
end
always@(posedgeclk)
begin
if(rst)//复位与特殊情况控制
begin
light1<=3'b001;
num1<=green1;
end
elseif(hold)
begin
light1<=3'b100;
num1<=green1;
end
elseif(en)
begin//使能有效开始控制计数
if(!
tim1)//开始控制
begin//主干道交通灯点亮控制
tim1<=1;
case(state1)
2'b00:
beginnum1<=green1;light1<=3'b001;state1<=2'b01;end
2'b01:
beginnum1<=yellow1;light1<=3'b010;state1<=2'b11;end
2'b11:
beginnum1<=red1;light1<=3'b100;state1<=2'b10;end
2'b10:
beginnum1<=yellow1;light1<=3'b010;state1<=2'b00;end
default:
light1<=3'b100;
endcase
end
else
begin//倒数计时
if(num1>0)
if(num1[3:
0]==0)
begin
num1[3:
0]<=4'b1001;
num1[7:
4]<=num1[7:
4]-1;
end
elsenum1[3:
0]<=num1[3:
0]-1;
if(num1==1)tim1<=0;
end
end
else
begin
light1<=3'b010;
num1=2'b00;
tim1<=0;
end
end
always@(posedgeclk)
begin
if(rst)//复位与特殊情况控制
begin
light2<=3'b100;
num2<=red2;
end
elseif(hold)
begin
light2<=3'b100;
num2<=red2;
end
elseif(en)
begin
if(!
tim2)
begin
tim2<=1;
case(state1)
2'b00:
beginnum2<=red2;light2<=3'b100;state2<=2'b01;end
2'b01:
beginnum2<=yellow1;light2<=3'b010;state2<=2'b11;end
2'b11:
beginnum2<=green2;light2<=3'b001;state2<=2'b10;end
2'b10:
beginnum2<=yellow2;light2<=3'b010;state2<=2'b00;end
default:
light2<=3'b100;
endcase
end
else
begin//倒数计时
if(num2>0)
if(num2[3:
0]==0)
begin
num2[3:
0]<=4'b1001;
num2[7:
4]<=num2[7:
4]-1;
end
elsenum2[3:
0]<=num2[3:
0]-1;
if(num2==1)tim2<=0;
end
end
else
begin
tim2<=0;
state2<=2'b00;
light2<=3'b010;
end
end
always@(posedgeqclk)
begin//数码管扫描
if(rst1)
begin
st1=0;
st2=0;
end
else
begin
case({st2,st1})
2'b00:
beginnum<=num1[3:
0];{st2,st1}<=2'b01;end
2'b01:
beginnum<=num1[7:
4];{st2,st1}<=2'b10;end
2'b10:
beginnum<=num2[3:
0];{st2,st1}<=2'b11;end
2'b11:
beginnum<=num2[7:
4];{st2,st1}<=2'b00;end
endcase
end
end
always@(posedgeqclk)
begin//数码管译码显示
case(num)
4'b0000:
counter<=7'b0111111;//0
4'b0001:
counter<=7'b0000110;//1
4'b0010:
counter<=7'b1011011;//2
4'b0011:
counter<=7'b1001111;//3
4'b0100:
counter<=7'b1100110;//4
4'b0101:
counter<=7'b1101101;//5
4'b0110:
counter<=7'b1111101;//6
4'b0111:
counter<=7'b0000111;//7
4'b1000:
counter<=7'b1111111;//8
4'b1001:
counter<=7'b1101111;//9
default:
counter<=7'b0111111;//0
endcase
end
endmodule