西电 数字电路与系统设计 EDA大作业.docx

1、西电 数字电路与系统设计 EDA大作业数字电路与系统设计EDA实验报告班级：学号：姓名：西安电子科技大学电子工程学院基于FPGA的交通灯控制器一、实验功能简介：本实验基于XILINX的BASYS2 FPGA开发板，配合编写verilog HDL硬件描写语言，实现交通灯控制器的设计。应用板上的资源有四位数码管、一个拨键开关。四位数码管前两位显示A路绿灯、黄灯和红灯亮灯的时间数值，后两位显示B路绿灯、黄灯、红灯亮灯的时间数值。拨键开关SWO控制交通灯的工作状态。当SW0置为“1”时，交通灯控制器开始工作。当SW0置为“0”时，交通灯控制器进行复位操作。交通灯控制器的A方向的绿灯、黄灯和红灯亮灯时间

2、分别为25s、5s和30s，B方向的绿灯、黄灯和红灯亮灯时间也分别为25s、5s和30s。本实验在50MHZ的主时钟的条件下控制6个LED灯的亮熄以及用四位数码管显示亮熄的时间。这样便可以实现本实验的功能。二、实验条件：本实验所用到的开发板为Basys2开发板。它是构建在Xilinx Spartan3E现场可编程门阵列和一个Atmel AT90USB2 USB控制器。其核心部件为Xilinx Spartan3E-100 CP132，它采用100000-gate Xilinx Spartan3E FPGA；通过Atmel AT90USB2 全速USB2端口提供开发板所需的电源盒编程及数据输出接口

3、。开发板上的闪存来存储FPGA的声明。其外围部件有8路LED灯；4个7段的数码管；4个按键；8个滑行开关；PS/2端口；8位的VGAD端口；用户可选择开发板配置的时钟（25/50/100MHZ），也可以外接时钟；4组6针的扩展接口；所有输入输出信号都有ESD和短路保护电路。实验所用的综合软件为Xilinx ISE Design Suite 13.1，实验所用到的开发语言为Verilog，用Modelsim SE 6.5e编程和仿真。用DigilentAdept_v2-3-0来下载Bit文件。三、实验过程：1、系统组成框图：2、模块划分及各个模块的详细功能：本系统共包括个6个模块，分别为交通灯顶

4、层模块（top_traffic）、1s计时时钟产生模块（clock_1s）、数码管扫描时钟产生模块（display_DIV）、数码管扫描驱动模块（display）、交通灯控制模块（traffic）、十进制数字与数码管显示解码模块（dectohex）。交通灯顶层模块（top_traffic）：此模块为顶层连接模块，负责将各个模块连接起来，包括总系统的输入与输出信号的定义与连接。1s计时时钟产生模块（clock_1s）：此模块用来对主频进行分频，使其产生跑表计时所需要的1s的方波信号。数码管扫描时钟产生模块（display_DIV）：此模块用来对主频进行分频，使其产生数码管扫描所需的2.5ms时钟

5、信号，此时钟信号为数码管扫描驱动模块（display）使用。数码管扫描驱动模块（display）：此模块用来驱动数码管进行扫描显示，要显示的数据经由此模块显示到四位数码管上。十进制数字与数码管显示解码模块（dectohex）：此模块是对要显示的数字进行解码，转换为数码管显示所需要的编码，此模块包含于数码管扫描驱动模块（display）。交通灯控制模块（traffic）：此模块为整个系统的核心模块，用来控制输入的交通灯时钟信号，产生交通灯的效果，对交通灯进行开关与复位。3、流程图及流程图详细介绍：系统流程图为： 描述过程：当交通灯控制模块（traffic）启动时，首先判断使能端EN是否为1。若为

6、1则程序继续进行。接下来分别判断中间变量tempa与tempb是否为0.若为tempa为0，判断counta的数值。若counta为0，则此时A路绿灯亮，并且数码管开始倒数计时。当计时结束时，再返回判断counta的数值对应相应的交通灯亮熄。tempb的判断与tempa类似。说明：在流程图的任意一点，只要RESET复位被按下，直接从“开始”重新开始。按键说明：开关复位键（SW0）。4、详细的程序清单及程序注释：/* 交通灯顶层模块（top_traffic）将各个模块进行连接，并设置总系统的输入输出*/module top_traffic(mainclk, reset, display_led,

7、 led_control_1,led_control_2,led_control_3,led_control_4, traffic_control, LAMPA,LAMPB); /端口定义 input mainclk,reset,traffic_control;/输入主时钟、复位信号与交通灯控制信号 output 6:0 display_led;/输出数码管段选控制端 output led_control_1,led_control_2,led_control_3,led_control_4;/数码管位选控制端 output 2:0 LAMPA,LAMPB; wire 6:0 display_

8、led; wire led_control_1,led_control_2,led_control_3,led_control_4,drop; wire clock_1s,display_div;/分频时钟接线：交通灯计数时钟与数码管扫描时钟接线 wire 7:0 number1,number2;/待显示数字接线 /1s时钟 clock_1s u2(.clock_1s_clk(mainclk),.reset(reset),.clock_1s(clock_1s); /显示分频 display_DIV u4(.display_DIV_clk(mainclk),.reset(reset),.disp

9、lay_div(display_div); /数字显示 display u5(.display_clk(display_div),.reset(reset), .led1(led_control_1),.led2(led_control_2),.led3(led_control_3),.led4(led_control_4), .number1(number1),.number2(number2),.led_display_port(display_led); /交通灯 traffic u1(.traffic_clk(clock_1s),.en(traffic_control),.LAMPA(

10、LAMPA),.LAMPB(LAMPB),.numa(number1),.numb(number2); endmodule/* 1s计时时钟产生模块（clock_1s）输入：50MHz的主时钟（clock_1s_clk）输出：分频后信号5ms（clock_1s）转换公式：1/mainclk*clock_1s_value*2*/module clock_1s ( clock_1s_clk,reset,clock_1s ); parameter clock_1s_value=25000*1000;/更改此处的值改变分频时间 /端口定义 input clock_1s_clk,reset;/输入此模块

11、的时钟,与复位信号 output clock_1s;/输出此模块的时钟 reg 25:0 clock_1s_counter;/分频计数器 reg clock_1s;/ 计数分频 /模50000*1000/2计数器，即0.5s分频 always (posedge clock_1s_clk or posedge reset) begin if(reset) begin clock_1s_counter=26b0; end else begin if(clock_1s_counter=clock_1s_value-1b1) clock_1s_counter=26d0; else clock_1s_c

12、ounter=clock_1s_counter+1b1; end end /二分频，即1s分频 always (posedge clock_1s_clk or posedge reset) begin if(reset) begin clock_1s=1b0; end else if(clock_1s_counter=clock_1s_value-1b1) clock_1s=clock_1s; endendmodule/*数码管扫描时钟产生模块（display_DIV）输入：50MHz的主时钟（display_DIV_clk）输出：分频后LED扫描信号2.5ms（display_div）转换公

13、式：1/mainclk*display_div_value*2*/module display_DIV ( display_DIV_clk,reset,display_div ); parameter display_div_value=1250*5;/更改此处的值改变分频时间/端口定义 input display_DIV_clk,reset;/输入此模块的时钟,与复位信号 output display_div;/输出此模块的时钟 reg 19:0 display_div_counter=20b0;/分频计数器 reg display_div=1b0; /计数分频 /模1250*5/2计数器，

14、即1.25ms分频 always (posedge display_DIV_clk) begin if(display_div_counter=display_div_value-1b1) display_div_counter=20d0; else display_div_counter=display_div_counter+1b1; end /二分频，即2.5ms分频 always (posedge display_DIV_clk) begin if(display_div_counter=display_div_value-1b1) display_div=display_div; e

15、nd endmodule/* 数码管扫描驱动模块（display）输入：LED扫描信号（display_DIV） LED位选信号（led1,led2,led3,led4） 待显示数字（number1,number2）输出：控制LED段选信号（led_display_port）*/module display ( display_clk,reset,led1,led2,led3,led4,number1,number2,led_display_port ); /端口定义 input display_clk,reset;/显示输入时钟,与复位信号 output led1,led2,led3,led

16、4;/数码管位选控制端 input number1,number2;/输入待显示的数字 output led_display_port;/输出数码管段选控制端 wire 7:0 number1,number2; wire 6:0 led_display_port_temp;/连接此模块与dectohex模块的接线，将的dectohex模块的段选与此模块的段选输出连接 reg led1,led2,led3,led4; reg 6:0 led_display_port; reg 1:0 display_counter=2b0;/显示循环计数寄存器,加入初始值主要是为仿真时用 reg 3:0 num

17、ber_temp=4b0;/待显示数字中间变量,加入初始值主要是为仿真时用 / 扫描显示 /进行扫描循环计数 always (posedge display_clk) begin display_counter=display_counter+1b1; end /进行扫描循环显示 always (display_counter) begin if(display_counter=2b00) begin led1=1b0; led2=1b1; led3=1b1; led4=1b1; number_temp=number17:4; end else if(display_counter=2b01)

18、 begin led1=1b1; led2=1b0; led3=1b1; led4=1b1; number_temp=number13:0; end else if(display_counter=2b10) begin led1=1b1; led2=1b1; led3=1b0; led4=1b1; number_temp=number27:4; end else if(display_counter=2b11) begin led1=1b1; led2=1b1; led3=1b1; led4=1b0; number_temp=number23:0; end end /模块连接，进行十进制到数

19、码管的转换解码 dectohex u3(.number(number_temp),.light(led_display_port_temp); /数码管段选赋值接线 always (display_counter) led_display_port=led_display_port_temp;endmodule/*十进制数字与数码管显示解码模块（dectohex）输入：十进制数字（number），范围015输出：二进制数字（light），要对应数码管*/module dectohex(number,light);/端口定义 input 3:0 number; output 6:0 light;

20、 reg 6:0 light; /进行数值转换 always(*) case(number) 4d0: light=7b0000001; /0 4d1: light=7b1001111; /1 4d2: light=7b0010010; /2 4d3: light=7b0000110; /3 4d4: light=7b1001100; /4 4d5: light=7b0100100; /5 4d6: light=7b0100000; /6 4d7: light=7b0001111; /7 4d8: light=7b0000000; /8 4d9: light=7b0000100; /9 4d1

21、0: light=7b0001000; /A 4d11: light=7b1100000; /B 4d12: light=7b0110001; /C 4d13: light=7b1000010; /D 4d14: light=7b0110000; /E 4d15: light=7b0111000; /F endcase endmodule/* 交通灯控制模块（traffic） traffic_clk ： 为1s同步时钟； en ： 使能信号，为1的话，则控制器开始工作； LAMPA ： 控制A方向3盏灯的亮灭；其中，LAMPA0LAMPA2，分别控制A方向的 绿灯、黄灯和红灯； LAMPB ：

22、 控制B方向3盏灯的亮灭；其中，LAMPB0LAMPB2，分别控制B方向的 绿灯、黄灯和红灯； numa ： 用于A方向灯的时间显示，8位； numb ： 用于B方向灯的时间显示，8位。 */ module traffic(traffic_clk,en,LAMPA,LAMPB,numa,numb);/端口定义 input traffic_clk,en;/输入此模块的时钟与交通灯控制信号控制信号 output 2:0 LAMPA,LAMPB;/输出交通灯红绿黄灯亮灯的控制端 output 7:0 numa,numb; /输出数码管显示数值 reg 7:0 numa=8b0,numb=8b0; r

23、eg tempa=1b0,tempb=1b0; reg 1:0 counta=2b0,countb=2b0; reg 7:0 agreen,ayellow,ared; reg 7:0 bgreen,byellow,bred; reg 2:0 LAMPA=3b0,LAMPB=3b0;/设置各交通灯的持续时间初始化值 always (en) if(!en)/使能信号en无效时，对交通灯的计数值进行初始化 begin ared = 8b00110000;/左红灯亮灯30s ayellow = 8b00000101;/左黄灯亮灯5s agreen = 8b00100101;/左绿灯亮灯25s bred

24、 = 8b00110000;/右红灯亮灯30s byellow = 8b00000101;/右黄灯亮灯5s bgreen = 8b00100101;/左绿灯亮绿灯25s end /控制a方向3种灯的模块 always (posedge traffic_clk) begin if(en)/使能信号en有效时，交通灯开始工作 begin if(!tempa) begin tempa=1b1; case(counta)/使能信号en有效时，交通灯开始工作 0: begin/状态0 numa=agreen;/直行绿灯亮 LAMPA=3b001; /输出001 counta=3d1; /进入下一个状态

25、end 1: begin /状态1 numa=ayellow; /黄灯亮 LAMPA=3b010; /输出010 counta=3d2; /进入下一个状态 end 2: begin /状态2 numa=ared; /红灯亮 LAMPA=3b100; /输出100 counta=3d0; /进入下一个状态（状态0） end default:/默认状态 LAMPA1)/判断倒计时未归零时分别对高低位进行递减 if(numa3:0=4d0) begin numa3:0=4d9; numa7:4=numa7:4-1b1; end else numa3:0=numa3:0-1b1; if(numa=2)

26、 tempa=1b0;/倒计时结束，返回灯状态变化判断，将进入下一个状态 end end else begin LAMPA =3b100;/使能端无效时，红灯亮 counta=2d0;/返回方向A的状态0（绿灯状态） tempa =1b0;/进入状态变化判断 numa=0;/数码管进行清零 end end always (posedge traffic_clk) begin if(en) begin if(!tempb) begin tempb=1; case(countb) 0: begin numb=bred; LAMPB=3b100; countb=3d1; end 1: begin numb=bgreen; LAMPB=3b001; countb=3d2; end 2: begin numb=byellow; LAMPB=3b010; countb=3b0; end