PLD交通灯控制器设计报告.docx
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PLD交通灯控制器设计报告
数字系统设计报告
交通灯控制器
一．实验目的
1.基本掌握自顶向下的模块化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
我在本课程中所选择的课题是用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。
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。
）
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。
三、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.底层模块
（1）分频模块：
该模块的功能是将实验箱提供的2MHz的时钟信号，经过分频得到1Hz的时钟信号作为系统工作模块的时钟。
其中set信号控制系统的暂停和开始。
源程序如下：
moduleclk_div（clk,set,out）;
inputclk,set;
outputout;
regout;
reg[23:
0]count;//进行计数
parameterN=2000000;
always@（posedgeclk）//clk=2MHz
begin
if（!
set）
begin
count=0;
out=0;
end
else
begin
if（countbegin
count=count+1;
end
else
begin
out=~out;//得到1Hz的方波
count=0;
end
end
end
endmodule
为方便仿真把N的值改为2,仿真波形如下图：
（2）系统工作模块：
该模块中RET信号为复位信号（RET=1时进行复位），C表示有无车辆（C=1表示乡村公路上有车辆），LAMPA控制主干道信号灯的亮灭，LAMPB控制乡村公路信号灯的亮灭，ACOUNTH输出主干道信号倒计时的十位数，ACOUNTL输出主干道信号倒计时的个位数，BCOUNTH输出乡村公路信号倒计时的十位数，BCOUNTL输出主干道信号倒计时的个位数。
当乡村道路上有车时信号灯有四个状态进行循环，图下表所示;
主干道
乡村公路
信号状态
信号时间
LAMPA值
信号状态
信号时间
LAMPB值
绿
25s
1
红
30s
4
黄
5s
2
红
4
红
21s
4
绿
16s
1
红
4
黄
5s
2
当乡村道路上无车时，如果当前主干道状态为绿灯，倒计时结束之后显示器显示“——”，表示畅行无阻（若当前状态为“——”，则乡道上出现车时，主干道黄灯5秒开始倒计时）；若当前主干道状态为上表中第三个状态就直接跳转到第四个状态，具体代码如下：
moduletraffic（CLK,RST,C,LAMPA,LAMPB,ACOUNTH,ACOUNTL,BCOUNTH,BCOUNTL）;
output[3:
0]ACOUNTH,ACOUNTL,BCOUNTH,BCOUNTL;
output[2:
0]LAMPA,LAMPB;
inputCLK,RST,C;
reg[2:
0]LAMPA,LAMPB;
reg[7:
0]numa,numb;
reg[3:
0]ACOUNTH,ACOUNTL,BCOUNTH,BCOUNTL;
always@（posedgeCLKorposedgeRST）
begin
if（RST）//进行复位
begin
LAMPA<=1;//主干道始为绿灯
LAMPB<=4;//乡村道路为红灯
numa<=8'b00100101;//主干道计时25秒
numb<=8'b00110000;//乡村道路计时为30秒
end
else
begin
//主干道始为绿灯乡村道路为红灯
if（LAMPA==1&&LAMPB==4）
begin
//乡道无车，主干道绿灯计时结束或正处于畅行无阻状态
if（（numa==1&&C==0）||（（&numa）==1&&C==0））begin
numa<=8'b11111111;//显示’’——”主干道处于畅行无阻状态
numb<=8'b11111111;
LAMPA<=1;
LAMPB<=4;
end
else
begin
//乡道有车，主干道绿灯计时结束或正处于畅行无阻状态
if（（numa==1&&C==1）||（（&numa）==1&&C==1））//begin
numa<=8'b00000101;//黄灯设置为5秒
numb<=8'b00000101;
LAMPA<=2;
LAMPB<=4;
end
//其他情况倒计时
else
begin
if（numa[3:
0]==0&&numa[7:
4]）
begin
numa[3:
0]<=4'b1001;
numa[7:
4]<=numa[7:
4]-1;
end
else
begin
numa[3:
0]<=numa[3:
0]-1;
end
if（numb[3:
0]==0&&numb[7:
4]）
begin
numb[3:
0]<=4'b1001;
numb[7:
4]<=numb[7:
4]-1;
end
else
begin
numb[3:
0]<=numb[3:
0]-1;
end
end
end
end
//主干道黄灯，乡村道路红灯
if（LAMPA==2&&LAMPB==4）
begin
if（numa==1）
begin
numa<=8'b00100001;//设置主干道红灯21秒
numb<=8'b00010110;//设置乡道绿灯16秒
LAMPA<=4;
LAMPB<=1;
end
else
begin
numa[3:
0]<=numa[3:
0]-1;
numb[3:
0]<=numb[3:
0]-1;
end
end
//主干道红灯，乡村道路绿灯
if（LAMPA==4&&LAMPB==1）
begin
if（C==0）//跳过乡道绿灯时间
begin
numa<=8'b00000101;
numb<=8'b00000101;
LAMPA<=4;
LAMPB<=2;
end
else
begin
if（numb==1&&C==1）
begin
numa<=8'b00000101;
numb<=8'b00000101;
LAMPA<=4;
LAMPB<=2;
end
else
begin
if（numa[3:
0]==0&&numa[7:
4]）
begin
numa[3:
0]<=4'b1001;
numa[7:
4]<=numa[7:
4]-1;
end
else
begin
numa[3:
0]<=numa[3:
0]-1;
end
if（numb[3:
0]==0&&numb[7:
4]）
begin
numb[3:
0]<=4'b1001;
numb[7:
4]<=numb[7:
4]-1;
end
else
begin
numb[3:
0]<=numb[3:
0]-1;
end
end
end
end
//主干道红灯，乡村道路黄灯
if（LAMPA==4&&LAMPB==2）
begin
if（numa==1）
begin
numa<=8'b00100101;//
numb<=8'b00110000;
LAMPA<=1;
LAMPB<=4;
end
else
begin
numa[3:
0]<=numa[3:
0]-1;
numb[3:
0]<=numb[3:
0]-1;
end
end
end
ACOUNTH<=numa[7:
4];
ACOUNTL<=numa[3:
0];
BCOUNTH<=numb[7:
4];
BCOUNTL<=numb[3:
0];
end
endmodule
仿真波形：
乡道一直有车时：
乡道无车时：
（3）八段译码模块：
该模块的功能是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
moduledecode4_7（decodeout,indec）;
output[7:
0]decodeout;
input[3:
0]indec;
reg[7:
0]decodeout;
always@（indec）
begin
case（indec）//进行译码
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;
4'd15:
decodeout<=8'b11111101;//显示“——”
default:
decodeout<=8'bx;
endcase
end
endmodule
仿真波形：
2.顶层文件
仿真图形：
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。
四、管脚绑定
clk绑定到晶振时钟信号，设定管脚号为28；
c,rst,set分别绑定到三个乒乓开关，这里设定管脚号分别为137，138，139；
LAMPA[2],LAMPA[1],LAMPA[0]分别绑定到红灯，黄灯，绿灯上，这里设定管脚号分别为233，204，221；
LAMPB[2],LAMPB[1],LAMPB[0]分别绑定到另一组红灯，黄灯，绿灯上，这里设定管脚号分别为228,202,220；
ACOUNTH，ACOUNTL,BCOUNTH，BCOUNTL分别绑定到四个数码管上。
五、编译下载
把程序下载到芯片中测试实际结果是否正确。
实验结果：
1.RET复位之后主干道为绿灯（25），乡村道路为红灯（30）。
2.主干道为绿灯，乡村道路为红灯：
若此时乡村道路无车，主干道绿灯计时结束之后，倒计时显示“——”一直持续到乡道上有车为止才变为主干道为黄灯，乡村道路为红灯；若乡道有车主干道绿灯计时结束之后为主干道为黄灯（5），乡村道路为红灯（5）。
3.主干道为黄灯，乡村道路为红灯：
计时结束后主干道为红灯（21），乡道为绿灯（16）。
4.主干道为红灯，乡村道路为绿灯：
若此时乡道上有车，乡村道路计时结束后主干道为红灯（5），乡道为黄灯（5）；若此时乡道上无车，不等计时结束状态转为主干道为红灯（5），乡村道路为黄灯（5）。
5.主干道为红灯，乡村道路为黄灯：
计时结束后主干道为绿灯（25），乡村道路为红灯（30）。
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。
六、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及主干道和乡村道路的倒计时显示。
在编写程序的过程中，我强烈的意识到模块化设计该编程带来很大的便利。
首先你得理清思路，要是下哪些功能，把他们分模块实现，作为底层，最后再把这些底层文件连接起来形成顶层文件。
程序的难度在于逻辑，首先你把程序的格式及常用语句搞明白，只要你的逻辑思路清楚，程序很容易就写出来了。
该程序分为三个模块：
1.分频模块，实际中倒计时间隔为1s，这就需要分频得到1Hz的时钟信号；2.系统工作模块来控制信号灯的现实及倒计时数字的输出；3.八段译码模块来显示系统工作模块输出地倒计时数字。
通过本次实验我基本掌握自顶向下的电子系统设计方法，学会使用PLD和得到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，提高了独立分析问题、解决问题的能力，感觉颇有收获。
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