数字系统课程设计交通灯控制器实验报告.docx
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数字系统课程设计交通灯控制器实验报告
交通灯控制器
——数字系统设计报告
姓名：
学号：
一．实验目的
1.基本掌握自顶向下的电子系统设计方法
2.学会使用PLD和硬件描述语言设计数字电路,掌握QuartusII等开发工具的使用方法
3.培养学生自主学习、正确分析和解决问题的能力
二．设计要求
我所选择的课题是用VerilogHDL实现交通灯控制器。
该课题的具体内容及要求如下：
主干道与乡村公路十字交叉路口在现代化的农村星罗棋布，为确保车辆安全、迅速地通过，在交叉路口的每个入口处设置了红、绿、黄三色信号灯。
红灯禁止通行；绿灯允许通行；黄灯亮则给行驶中的车辆有时间行驶到禁行线之外。
主干道和乡村公路都安装了传感器，检测车辆通行情况，用于主干道的优先权控制。
（1）当乡村公路无车时，始终保持乡村公路红灯亮，主干道绿灯亮。
（2）当乡村公路有车时，而主干道通车时间已经超过它的最短通车时间时，禁止主干道通行，让乡村公路通行。
主干道最短通车时间为25s。
（3）当乡村公路和主干道都有车时，按主干道通车25s，乡村公路通车16s交替进行。
（4）不论主干道情况如何，乡村公路通车最长时间为16s。
（5）在每次由绿灯亮变成红灯亮的转换过程中间，要亮5s时间的黄灯作为过渡。
（6）用开关代替传感器作为检测车辆是否到来的信号。
用红、绿、黄三种颜色的发光二极管作交通灯。
（7）要求显示时间，倒计时。
交通灯控制器框图如下：
（C表示乡村道路是否有车到来，1表示有，0表示无；SET用来控制系统的开始及停止；RST是复位信号，高电平有效，当RST=1时，恢复到初始设置；CLK是外加时钟信号；MR、MY、MG分别表示主干道的红灯、黄灯和绿灯；CR、CY、CG分别表示乡村道路的红灯、黄灯和绿灯，1表示亮，0表示灭）
系统流程图如下：
（MGCR:
主干道绿灯，乡村道路红灯；MYCR:
主干道黄灯，乡村道路红灯；MRCG:
主干道红灯，乡村道路绿灯；MRCY:
主干道红灯，乡村道路黄灯；T0=1表示主干道最短通车时间到，T1=1表示5秒黄灯时间到，T2=1表示乡村道路最长通车时间到。
）
三．设计方案
本交通灯控制系统设计利用VerilogHDL语言进行设计编程，利用CycloneEP1C6Q240C8芯片和一些外围器件组成硬件电路,利用QUARTUSII软件将编写好的程序进行编译、仿真,并将调试完成的程序下载到CycloneEP1C6Q240C8芯片上,观测电路板上的红绿信号灯以及数码管显示,看是否按设计要求正常工作.
四、设计流程
本系统采用自顶向下的设计，设计一个顶层文件和三个底层文件。
各模块关系如下：
设计文件如下：
1.低层文件
（1）系统工作模块（traffic1）如下：
功能：
该模块完成对输入信号CLK,rst,c的处理，实现交通灯控制的主要功能。
源程序：
moduletraffic1（CLK,rst,c,LAMPA,LAMPB,TAH,TAL,TBH,TBL）;
output[3:
0]TAH,TAL,TBH,TBL;//TAH,TAL分别表示主干道倒计时的高位和低位，TBH,TBL表示乡村道路倒计时的高位和低位
output[2:
0]LAMPA,LAMPB;//从高位到低位分别表示红，黄，绿
inputCLK,rst,c;
reg[7:
0]numa,numb,s1,s2;//numa,numb分别表示主干道和乡村道路的倒计时；s1用来表示主干道最短通车时间是否已到，到了s1=1；s2用来表示乡村道路最长通车时间是否已到，到了s2=1
reg[3:
0]TAH,TAL,TBH,TBL;
reg[2:
0]LAMPA,LAMPB;
always@（posedgeCLKorposedgerst）//该进程控制主道方向的四种灯
begin
if（rst）//重置
begin
LAMPA=1;LAMPB=4;//重置情况视乡村道路无车，主干道一直通行
numa=8'b00100000;//主干道计时20秒
numb=8'b00100101;//乡村道路计时25秒
end
else
begin
if（LAMPA==1）//主干道绿灯亮
begin
if（numa==1&&c==0&&s1）//主干道最短通车时间已到，但乡村道路没车
begin
numa=1;//倒计时停在1秒
LAMPA=1;//保持在主干道绿灯
end
elseif（numa==1&&c==1&&s1）//主干道最短通车时间没到，并且乡村道路有车
begin//主干道变黄灯倒计时变成5秒
s1=0;
LAMPA=2;
numa=8'b00000110;//为了配合时钟设置为6秒
end
else
begin
if（numa[3:
0]==0&&numa[7:
4]）//逢十时
begin
numa[3:
0]=9;
numa[7:
4]=numa[7:
4]-1;
end
else
if（numa[7:
0]&&numa[3:
0]）
begin
numa[3:
0]=numa[3:
0]-1;
end
if（numa==0）
begin//主干道变黄灯倒计时变成5秒
LAMPA=2;
numa=8'b00000110;//为了配合时钟设置为6秒
end
end
end
if（LAMPA==2）//假如主干道是黄灯
begin
if（numa[3:
0]==0&&numa[7:
4]）//开始主干道黄灯的倒计时
begin
numa[3:
0]=9;
numa[7:
4]=numa[7:
4]-1;
end
else
if（numa[7:
0]&&numa[3:
0]）
begin
numa[3:
0]=numa[3:
0]-1;
end
if（numa[7:
0]==0）//黄灯倒计时时间到
begin
if（c）//乡村道路有车
begin//主干道变红灯，倒计时变成16秒
LAMPA=4;
numa=8'b00010111;//为了配合时钟设置为17秒
end
elseif（!
c）
begin
s1=1;
LAMPA=1;
numa=8'b00000001;//主干道计时1秒
end
end
end
if（LAMPA==4&&c）//假如主干道是红灯并且乡村道路有车
begin
if（numa[3:
0]==0&&numa[7:
4]）//开始主干道红灯的倒计时
begin
numa[3:
0]=9;
numa[7:
4]=numa[7:
4]-1;
end
else
if（numa[7:
0]&&numa[3:
0]）
begin
numa[3:
0]=numa[3:
0]-1;
end
if（numa==0）//红灯倒计时到
begin//主干道变绿灯，倒计时变成20秒
LAMPA=1;
numa=8'b00100000;
end
end
if（LAMPA==4&&!
c&&numa>5）//假如主干道是红灯并且乡村道路无车并且倒计时时间大于5米秒，使主干道倒计时变成5秒
begin//主干道仍是红灯，倒计时变成5秒
numa=8'b00000110;
end
if（LAMPA==4&&!
c&&numa<7）
begin
if（numa[3:
0]==0&&numa[7:
4]）//开始主干道5秒的倒计时
begin
numa[3:
0]=9;
numa[7:
4]=numa[7:
4]-1;
end
else
if（numa[7:
0]&&numa[3:
0]）
begin
numa[3:
0]=numa[3:
0]-1;
end
if（numa==0）//5秒倒计时到
begin//主干道变绿灯，倒计时变成20秒
LAMPA=1;
numa=8'b00100000;
end
end
if（LAMPB==4）//乡村道路红灯亮
begin//开始乡村道路红灯的倒计时
if（c==0&&numb==1）numb=1;
if（c==1&&numb==1&&s2==1）
begin
numb=5;
s2=0;
end
else
begin
if（numb[3:
0]==0&&numb[7:
4]）//逢十时
begin
numb[3:
0]=9;
numb[7:
4]=numb[7:
4]-1;
end
else
if（numb&&numb[3:
0]）
begin
numb[3:
0]=numb[3:
0]-1;
end
if（numb==0）//红灯时间到
begin
if（c）
begin//乡村道路变绿灯，倒计时变11秒
LAMPB=1;
numb=8'b00010010;
end
elseif（!
c）
begin
LAMPB=4;
numb=8'b00000001;//乡村道路计时1
s2=1;//s置为1；
end
end
end
end
if（LAMPB==1&&c）//假如乡村道路是绿灯并且乡村道路有车并且倒计时大于五秒
begin
if（numb[3:
0]==0&&numb[7:
4]）//开始乡村道路绿灯的倒计时
begin
numb[3:
0]=9;
numb[7:
4]=numb[7:
4]-1;
end
else
if（numb&&numb[3:
0]）
begin
numb[3:
0]=numb[3:
0]-1;
end
if（numb==0）//绿灯倒计时时间到
begin//乡村道路变黄灯，倒计时变成5秒
LAMPB=2;
numb=8'b00000110;
end
end
if（LAMPB==1&&!
c）//假如乡村道路是绿灯并且乡村道路无车
begin//绿灯变黄灯，倒计时变成5秒
LAMPB=2;
numb=8'b00000110;
end
if（LAMPB==2）//假如乡村道路是黄灯
begin
if（numb[3:
0]==0&&numb[7:
4]）//开始乡村道路黄灯的倒计时
begin
numb[3:
0]=9;
numb[7:
4]=numb[7:
4]-1;
end
else
if（numb&&numb[3:
0]）
begin
numb[3:
0]=numb[3:
0]-1;
end
if（numb==0）//黄灯倒计时时间到
begin//乡村道路变红灯，倒计时变成25秒
LAMPB=4;
numb=8'b00100101;
end
end
end
TAH=numa[7:
4];
TAL=numa[3:
0];
TBH=numb[7:
4];
TBL=numb[3:
0];
end
endmodule
仿真结果：
对该模块进行仿真，考虑各种情况，结果如下：
1）乡村道路一直没车，即c=0：
可以看到主干道是绿灯20秒，黄灯5秒，然后变成绿灯，倒计时停在1秒，乡村道路一直是红灯，倒计时从25一直到1停止。
2）乡村道路开始没车，T时间后（T<25秒）有车来：
从图中可以看出主干道绿灯20秒后变成黄灯，5秒后变成红灯，16秒后又变成绿灯，乡村道路红灯25秒后变成绿灯，11秒后变成黄灯，5秒后又变成红灯。
符合设计要求。
3）乡村道路开始没车，T时间后（T>25秒）有车来：
从图中可以看到开始时c=0，主干道绿灯20秒后变成黄灯，5秒后由于没车又变成绿灯，倒计时停在1，乡村道路红灯25秒后变成绿灯，倒计时停在1。
c变成1后，主干道变成黄灯倒计时5秒，之后变成红灯，乡村道路红灯倒计时5秒后变成绿灯，再后面的变化同情况2。
4）当乡村道路为绿灯时c变成0：
可以看到，当乡村道路为绿灯，c变成0时，乡村道路立刻变成黄灯，倒计时5秒后变成红灯，而主干道红灯倒计时5秒后变成绿灯。
（2）八段译码模块（decode4_7）如下：
功能：
将输入的四位信号进行译码，输出到八段共阳极数码管显示出来。
用于显示倒计时。
源程序：
moduledecode4_7（decodeout,indec）;
output[7:
0]decodeout;
input[3:
0]indec;
reg[7:
0]decodeout;
always@（indec）
begin
case（indec）//用case语句进行译码，小数点始终不亮
4'd0:
decodeout=8'b00000011;
4'd1:
decodeout=8'b10011111;
4'd2:
decodeout=8'b00100101;
4'd3:
decodeout=8'b00001101;
4'd4:
decodeout=8'b10011001;
4'd5:
decodeout=8'b01001001;
4'd6:
decodeout=8'b01000001;
4'd7:
decodeout=8'b00011111;
4'd8:
decodeout=8'b00000001;
4'd9:
decodeout=8'b00001001;
default:
decodeout=8'bx;
endcase
end
endmodule
仿真结果：
从图中可以看到输入0~9，输出与之对应的八段码，结果正确。
（3）分频模块（blk1）如下：
功能：
由于实验箱提供的是2MHZ的时钟信号，为了得到1HZ的时钟信号，要对输入时钟信号进行2000000分频。
得到合适的时钟信号。
set信号可以控制系统的起始及终止。
源程序：
moduleblk1（clk,set,out）;
inputclk,set;//基频与使能
outputout;//分频后的输出
regout;
reg[23:
0]count1,count2;//count1用于记录时钟总数,count2用于记录经过了多少个时钟周期
always@（posedgeclk）
begin
if（set）
begin
count1=1000000;//实际下载时改成500000，方便看到结果count1=count1-1;
count2=0;
out=0;
end
else
begin
if（count2begin
count2=count2+1;
end
else
begin
out=~out;
count2=0;
end
end
end
endmodule
仿真结果：
由于2000000分频看不出仿真结果，这里改成4分频。
如图，当set信号有一个正跳变之后，out才开始有输出。
而之后set为高电平时，out停止产生时钟信号，相当于起到暂停的作用。
另外，可以看出out的频率是clk的1/4，实现了4分频。
2．顶层文件
交通灯控制器（jiaotongdeng）：
由三个底层模块构成，结构图如下：
仿真结果：
分析亮灯情况及倒计时情况，与设计要求相符合，仿真结果正确。
五、管脚绑定
clk绑定到晶振时钟信号，设定管脚号为28；
rst,c,set分别绑定到三个乒乓开关，这里设定管脚号分别为139，138，137；
LAMPA[0],LAMPA[1],LAMPA[2]分别绑定到绿灯，黄灯，红灯上，这里设定管脚号分别为221，204，233；
LAMPB[0],LAMPB[1],LAMPB[2]分别绑定到绿灯，黄灯，红灯上，这里设定管脚号分别为206,186,222;
TAH[0]~TAH[7],TAL[0]~TAL[7],TBH[0]~TBH[7],TBL[0]~TBL[7]分别绑定到四个数码管上，管脚号这里就不一一赘述。
六、编译下载，验证结果。
实验结果分析：
c为乡村道路信号，当c=0时，即乡村道路无车，主干道经过绿灯20秒，黄灯5秒，此时若c=1，则变成红灯，倒计时变成16秒，否则，又回到绿灯，倒计时停在1；乡村道路经过红灯25秒，此时若c=1，则变成绿灯，倒计时变成11秒，否则仍为红灯，倒计时停在1秒。
如果开始时c=0，经过一段时间后有车来，假设此时主干道通行时间已经超过最短通行时间25秒，则主干道变黄灯，倒计时5秒后变红灯，乡村道路红灯倒计时5秒后变绿灯。
假设乡村道路绿灯时，c=0，则不管乡村道路倒计时有没有到1都变黄灯，5秒后变红灯，主干道倒计时5秒后变绿灯。
分析实验结果可以看到该系统实现了所有设计要求，运行结果正确。
七、实验总结
该设计用了3个底层模块和一个顶层文件，总体思路比较清晰，实现了交通灯控制器的各种功能，还有主干道和乡村道路的倒计时显示。
八、实验心得
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