当hold为‘1’时，表示进入紧急状态，FLASH置‘1’，各方向的红灯均亮起，所有机动车禁行。
3.3分位模块设计
分位模块的设计主要是将灯亮时间分为十位和个位，通过两个相应的数码管分别显示出来。
本设计中灯亮时间最长不超过40s（numin<40），numA，numB分别表示十位、个位上的数字，分位模块程序设计的流程图如图5所示。
分位模块的仿真如图6所示，numin的数值大小可以通过numA，numB的组合以十进制数值显示，从而实现了分位功能。
4系统的硬件设计及调试
本系统的主要逻辑设计由一片EPlK30TC144-3芯片完成，编写的VHDL源程序在Altera公司的逻辑综合工具Max+PlusⅡ下经过编译和功能仿真测试后，针对下载芯片进行管脚配置，下载到EPlK30TC144-3芯片中，进行相应的硬件调试，调试结果与软件仿真的结果相吻合，验证了设计完成了预定功能。
5结语
本文利用硬件描述语言VHDL编程，借助Altera公司的Max+PlusⅡ软件环境下进行了编译及仿真测试，通过FPGA芯片实现了一个实用的交通信号灯控制系统，设计由于采用了EDA技术，不但大大缩短了开发研制周期，提高了设计效率，而且使系统具有设计灵活，实现简单，性能稳定的特点。
基于FPGA的交通灯系统控制设计
时间：
2011-08-1914:
53:
43来源：
东华大学电气工程系作者：
付铭骥
摘要：
为了对交通灯系统进行精确控制，采用FPGA实验板，在QuartusⅡ软件环境下，分别实现脉冲发生模块、状态定时模块、交通灯显示模块、时间显示模块，进行仿真实验和硬件下载，获得的测试结果满足设计要求。
由于采用了EDA技术，使数字系统设计的效率显著提高。
关键词：
FPGA；QuartusⅡ；交通灯；数字系统设计
目前交通灯广泛应用于道路交通建设中。
本文设计一个十字路口交通灯控制电路，要求东西、南北两条干道的红、绿、黄交通灯按要求循环变化，并以倒计时方式指示干道通行或禁止的维持时间。
在QuartusⅡ软件环境中设计、仿真，并在FPGA实验板上实现所设计电路的功能。
1系统概述
1．1设计思想
基于FPGA的交通灯系统控制设计包括4大模块，分别为脉冲发生、状态定时、交通灯闪烁的控制、闪烁时间的控制，基本原理如图1所示。
1．2总体工作情况
交通灯控制要求如表1所示。
该设计的交通灯控制分为6个状态。
由于各状态持续时间不同，所以电路的核心控制部分是状态机和定时器，状态机在定时器触发下周期性循环，状态码控制6个灯以一定的规律变化。
变化情况如图2所示。
系统脉冲由FPGA开发板晶振经过分频电路实现。
状态定时由74190可逆十进制计数器和T’触发器实现，只要置数合理，翻转信号到位，就可以使电路在东西（I）、南北（J）两个控制状态间翻转。
红、黄、绿灯的闪烁由7485数字比较器和组合逻辑控制，其中7485数字比较器用于比较计数器当前持续状态和所需要的状态全部时间，并做出相应的变化。
组合逻辑控制由AHDL文件编写真值表实现。
时间显示由AHDL文件编写真值表实现，输入正确的逻辑，七段译码电路即能得到正确的时间显示。
1．3各功能的组成
整个电路可以分为4大部分，包括脉冲发生、状态定时、时间显示和数字比较一组合逻辑控制。
1．3．1脉冲发生
脉冲发生器为整个系统提供驱动，将输入端分配给FPGA实验板的PIN55引脚，则会由实验板上产生频率为10MHz的输入脉冲，用7片7490，每一级都构成10分频电路，使频率从10MHz降低为1Hz。
1．3．2状态定时
状态定时可由预置BCD码初值的74190级联实现，构成减计数器。
级联原则是：
低位计数器从全0状态变为最大码值状态时可使高位计数器减1。
级联方式分为异步和同步两种，本文采取的是异步级联方式，即低位计数器溢出信号控制高位计数器的记数脉冲输入端。
可根据计数器的时钟触发方式，在低位计数器状态码从全“0”变为最大码值的瞬间，为高位计数器提供有效的计数脉冲边沿。
具体做法是将低片位的溢出信号RCON端口接到高片位的计数脉冲CLK，实现两位BCD码的置数、翻转和借位，使系统表示的数字能在22～16之间循环。
74190功能说明：
（1）GN为计数器使能控制端，低电平有效。
当GN为高电平时，禁止计数。
（2）DNUP为计数方式控制，接高电平为减计数，接低电平为加计数。
（3）LDN为异步预置数控制。
当LDN为低电平时，计数器状态QD，QC，QB，QA分别等于D，C，B，A。
（4）计数器位序由高至低顺序为QD，QC，QB，QA。
QD为最高位MSB，QA为最低位LSB。
（5）计数脉冲CLK上升沿有效。
（6）当计数器输出QDQCQBQA为十进制加计数的最大状态码“1001”或为减计数的最小状态码全“0”时，极值状态码指示MAX／MIN输出为高电平。
（7）当极值状态码指示MAX／MIN为高电平且CLK为低电平时，溢出信号RCON为低电平，即RCON与计数脉冲同步。
系统记数脉冲为1Hz时，如表2所示，当I状态（东西控制状态）的定时时间为22s，计数器应该先预置22的BCD码；同理，J状态（南北控制状态）之前应该预置16的BCD码。
状态计时电路由两片74190级联而成，构成22和16自翻转的电路。
其要解决的核心问题包括置数，翻转和借位。
根据74190芯片的特点，可分析其实现原理如图4所示，通过溢出信号RCON的上升沿实现借位，使得数字能够从20到19，个位向十位借位，顺利过渡。
置数和翻转之间有先后关系，即须先置数后翻转。
如表3所示，分析两个BCD码各位特点，可知两者D7D6D3D0位均为1，D1位均为0，而D5D4D2位不同，如图5，D5D4D2位由状态电平S来控制，当为I状态时，计数器的预置的数为D5=0，D4=D2=1，而为J状态时，计数器的预置的数为D5=1，D4=D2=0，根据74190的功能，将2片74190的MAX／MIN引出，通过与非门，分别连在高位和低位的LDN置数端，通过分析可知，当计数器从01减到00时候，高低位的MAX／MIN均为高电平，经过与非门以后为低电平，74190被置数，其置数值由状态S来决定，S是由LDN端信号经
过一个T’触发器决定的，即LDN信号每置数一次，S翻转1次，从而区分16和22状态。
按这个结构，可分别置数16和22，使其实现自翻转。
图5为状态定时模块的实际连接图。
1．3．3时间显示
时间显示要用到7段显示译码电路，由于是两位BCD码，故用二选一数据选择器。
选择端S接一个频率很高的方波（如1kHz）；数据比较器的输出和1Hz脉冲作为AHDL模块的输入，即可正确显示时间。
为正确显示时间，用AHDL文件自编译码真值表如下：
1．3．4数字比较一组合逻辑控制
该模块将状态定时模块输出的时间与时间节点进行比较，从而确定电路处于22s或者16s的具体的某个状态。
由表1可知，东西（I）或南北（J）的控制状态都有3个阶段的控制逻辑，分别对应3个时间段：
1～3s，4～6s和大于6s，因此，采用数字比较器进行比较，确定定时值小于4s或大于6s，方法如图7所示，采用4片7485数字比较器，两两级联，其中一个由状态定时模块的输出与4即二进制0100比较；另一个由状态定时模块的输出与6即二进制0110比较。
编写组合逻辑真值表，将状态信号S，两个数字比较器的输出Y1，Y2和1Hz脉冲作为输入，各个灯的状态作为输出。
从而根据逻辑关系得出对应时间电路的状态，控制红、黄、绿灯处于不同的状态。
S判断电路处于22s状态还是16s状态，Y1，Y2区分东西、南北六个阶段状态，1Hz脉冲实现绿灯闪烁。
2电路的组构与调试
来用QuartusⅡ软件设计各个模块，并进行仿真。
确认结果后，下载至FPGA实验板中，进行相应的硬件调试，调试结果与仿真结果相一致。
图8为仿真波形，系统上电需要调整的过程，因此电路正常工作前重复了22s的状态。
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