基于VHDL语言的交通灯设计DEA.docx
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基于VHDL语言的交通灯设计DEA
交通信号控制器的VHDL的设计
1.设计任务
模拟十字路口交通信号灯的工作过程，利用实验板上的两组红、黄、绿LED作为交通信号灯，设计一个交通信号灯控制器，示意图如图1-1所示。
要求：
（1）交通灯从绿变红时，有4秒黄灯亮的间隔时间；
（2）交通灯红变绿是直接进行的，没有间隔时间；
（3）主干道上的绿灯时间为40秒，支干道的绿灯时间为20秒；
（4）在任意时间，显示每个状态到该状态结束所需的时间。
支干道
主干道
图1-1路口交通管理示意图
表1-1交通信号灯的4种状态
A
B
C
D
主干道交通灯
绿（40秒）
黄（4秒）
红（20秒）
红（4秒）
支干道交通灯
红
红
绿
黄
2.设计要求
采用VHDL语言编写程序，并在QuartusII工具平台中进行开发，下载到EDA实验箱进行验证。
编写设计报告，要求包括方案选择、程序清单、调试过程、测试结果及心得体会。
3.设计方案
秒脉冲信号发生器
计数器
状态寄存器
次态发生器
信号灯输出信号
CLK
时间显示数据输出
信号灯输出
图3-1交通信号灯控制器程序原理框图
进程将CLK信号分频后产生1秒信号，然后构成两个带有预置数功能的十进制计数器，并产生允许十位计数器计数的控制信号。
状态寄存器实现状态转换和产生状态转换的控制信号，下个模块产生次态信号和信号灯输出信号，以及每一个状态的时间值。
经过五个模块的处理，使时间计数、红绿灯显示能够正常运行。
程序原理图如图3-1所示。
4.各模块具体设计
4.1顶层文件的设计
顶层文件的原理图可以依据系统的框图进行，由控制模块JTD_CTRL、计时模块JTD_TIME、译码驱动模块JTD_LIGHT、显示模块JTD_DIS和分频模块JTD_FQU五部分组成，其顶层原理图文件如图3-1所示。
图4-1交通灯顶层文件原理图
顶层模块的程序如下：
LIBRARYIEEE;
USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
USEIEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
ENTITYTRAFFICIS
PORT（
CLK1K,CLR:
INSTD_LOGIC;
M:
INSTD_LOGIC_VECTOR（2DOWNTO0）;
LED:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR（6DOWNTO0）;
SEL:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR（2DOWNTO0）;
ABL:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）
）;
ENDTRAFFIC;
ARCHITECTUREBEHAVEOFTRAFFICIS
COMPONENTJTD_FQUIS--分频器元件的例化
PORT（
CLK1K:
INSTD_LOGIC;
CLK:
OUTSTD_LOGIC
）;
ENDCOMPONENT;
COMPONENTJTD_DISIS--数码显示的元件例化
PORT（
CLK1K,CLK,CLR:
INSTD_LOGIC;
M:
INSTD_LOGIC_VECTOR（2DOWNTO0）;
AT,BT:
INSTD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）;
LED:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR（6DOWNTO0）;
SEL:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR（2DOWNTO0）
）;
ENDCOMPONENT;
COMPONENTJTD_LIGHTIS--译码驱动的元件例化
PORT（
CLR:
INSTD_LOGIC;
M,S:
INSTD_LOGIC_VECTOR（2DOWNTO0）;
ABL:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）
）;
ENDCOMPONENT;
COMPONENTJTD_TIMEIS--计时元件的例化
PORT（
CLK,CLR:
INSTD_LOGIC;
M,S:
INSTD_LOGIC_VECTOR（2DOWNTO0）;
AT,BT:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）
）;
ENDCOMPONENT;
COMPONENTJTD_CTRLIS--控制模块的元件例化
PORT（
CLK,CLR:
INSTD_LOGIC;
AT,BT:
INSTD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）;
M:
INSTD_LOGIC_VECTOR（2DOWNTO0）;
S:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR（2DOWNTO0）
）;
ENDCOMPONENT;
SIGNALCLK:
STD_LOGIC;
SIGNALAT:
STD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）;
SIGNALBT:
STD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）;
SIGNALS:
STD_LOGIC_VECTOR（2DOWNTO0）;
BEGIN
U1:
JTD_FQUPORTMAP（--名字关联方式赋值
CLK1K=>CLK1K,
CLK=>CLK
）;
U2:
JTD_TIMEPORTMAP（
CLR=>CLR,
AT=>AT,
BT=>BT,
CLK=>CLK,
M=>M,
S=>S
）;
U3:
JTD_CTRLPORTMAP（
M=>M,
S=>S,
CLK=>CLK,
CLR=>CLR,
AT=>AT,
BT=>BT
）;
U4:
JTD_DISPORTMAP（
CLK1K=>CLK1K,
CLK=>CLK,
CLR=>CLR,
AT=>AT,
BT=>BT,
LED=>LED,
SEL=>SEL,
M=>M
）;
U5:
JTD_LIGHTPORTMAP（
CLR=>CLR,
S=>S,
ABL=>ABL,
M=>M
）;
ENDBEHAVE;
4.2控制模块JTD_CTRL的设计
控制的模块根据外部输入信号M2~M0和计时模块JTD_TIME的输入信号，产生系统的状态机，控制其他部分协调工作。
控制模块的源文件程序如下：
LIBRARYIEEE;
USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
ENTITYJTD_CTRLIS
PORT（
CLK,CLR:
INSTD_LOGIC;
M:
INSTD_LOGIC_VECTOR（2DOWNTO0）;--用M来表示系统的8种工作状态
AT,BT:
INSTD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）;
S:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR（2DOWNTO0）
）;
ENDJTD_CTRL;
ARCHITECTUREJTD_1OFJTD_CTRLIS
SIGNALQ:
STD_LOGIC_VECTOR（2DOWNTO0）;
BEGIN
PROCESS（CLR,CLK,M,AT,BT）
BEGIN
IFCLR='1'THENQ<="000";--清'0'处理
ELSIF（CLK'EVENTANDCLK='1'）THEN--时钟上升沿信号一来，M控制系统的8种状态
IFM="000"THENQ<="001";
ENDIF;
IFM="001"THENQ<="011";
ENDIF;
IFM="010"THENQ<="101";
ENDIF;
IFM="011"THENQ<="111";
ENDIF;
IFM>="100"THEN
IF（AT=X"01"）OR（BT=X"01"）THENQ<=Q+1;
ELSEQ<=Q;
ENDIF;
ENDIF;
ENDIF;
ENDPROCESS;
S<=Q;--M的控制端转向控制口S
ENDJTD_1;
该模块的时序仿真和功能仿真波形图如图4-2
图4-2功能仿真
4.3计时模块JTD_TIME的设计
计时模块用来设定A和B两个方向计时器的初值，并为显示模块JTD_DIS提供倒计时时间。
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。
计时模块的源文件程序如下：
LIBRARYIEEE;
USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
ENTITYJTD_TIMEIS
PORT（
CLK,CLR:
INSTD_LOGIC;
M,S:
INSTD_LOGIC_VECTOR（2DOWNTO0）;
AT,BT:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）
）;
ENDJTD_TIME;
ARCHITECTUREJTD_2OFJTD_TIMEIS
SIGNALAT1,BT1:
STD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）;
SIGNALART,AGT,ALT,ABYT:
STD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）;
SIGNALBRT,BGT,BLT:
STD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）;
BEGIN
ART<=X"55";--ART<=“01010101”A方向红灯亮
AGT<=X"40";--AGT<=“01000000”A方向绿灯亮
ALT<=X"15";--ALT<=“00010101”灯间歇闪烁
ABYT<=X"05";--ABYT<=“00000101”AB两方向黄灯亮
BRT<=X"65";--BRT<=“01100101”B方向红灯亮
BGT<=X"30";--BGT<=“00110000”B方向绿灯亮
BLT<=X"15";--BLT<=“00010101”B方向灯闪烁
PROCESS（CLR,CLK,M,S）
BEGIN
IFCLR='1'THENAT1<=X"01";BT1<=X"01";
ELSIF（CLK'EVENTANDCLK='1'）THEN
IFM="000"THENAT1<=X"01";BT1<=X"51";--M=0时，A方向的计时器计时，B方向的红灯亮
ENDIF;
IFM="001"THENAT1<=X"01";BT1<=X"06";--M=1时，A方向的计时器计时，B方向绿灯亮
ENDIF;
IFM="010"THENAT1<=X"41";BT1<=X"01";--B方向的计时器计时，A方向的黄灯亮
ENDIF;
IFM="011"THENAT1<=X"06";BT1<=X"01";
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