实验：交通灯设计

               

一、设计任务及要求：

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。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。

图1 路口交通管理示意图

表1 交通信号灯的4种状态

设计要求：

（1） 采用VHDL语言编写程序，并在QuartusII工具平台中进行仿真，下载到EDA实验箱进行验证。

（2）  编写设计报告，要求包括方案选择、程序清单、调试过程及测试结果。

二、设计原理       

1、设计目的：

学习DEA开发软件和QuartusII的使用方法，熟悉可编程逻辑器件的使用。通过制作来了解交通灯控制系统，交通灯控制系统主要是实现城市十字交叉路口红绿灯的控制

2、设计说明

（1）第一模块：clk时钟秒脉冲发生电路

在红绿灯交通信号系统中，大多数情况是通过自动控制的方式指挥交通的。因此为了避免意外事件的发生，电路必须给一个稳定的时钟（clock）才能让系统正常运作。

模块说明：

系统输入信号：

      Clk:  由外接信号发生器提供256的时钟信号；

  系统输出信号： full：产生每秒一个脉冲的信号；

（2）第二模块：计数秒数选择电路

计数电路最主要的功能就是记数负责显示倒数的计数值，对下一个模块提供状态转换信号。

模块说明：

系统输入：full:  接收由clk电路的提供的1HZ的时钟脉冲信号；

系统输出信号： tm： 产生显示电路状态转换信号

               tl：倒计数值 秒数个位变化控制信号

               th：倒计数值 秒数十位变化控制信号

（3）第三模块：红绿灯状态转换电路

 本电路负责红绿灯的转换。

模块说明：

系统输入信号：full: 接收由clk电路的提供的1hz的时钟脉冲信号；

              tm: 接收计数秒数选择电路状态转换信号；

系统输出信号： comb_out:    负责红绿灯的状态显示。

 （4）第四模块：时间显示电路

本电路负责红绿灯的计数时间的显示。

模块说明：

系统输入信号：tl：倒计数值 秒数个位变化控制信号；

              th：倒计数值 秒数十位变化控制信号；

系统输出信号： led7s1:    负责红绿灯的显示秒数个位。

               led7s2：  负责红绿灯的显示秒数十位。

三、设计方案

 图2 交通信号灯控制器的原理框图

采用VHDL语言输入的方式实现交通信号灯控制器

  图3 交通信号灯控制器程序原理框图

该程序由7个进程组成，进程P1和P2将CLK信号分频后产生1秒信号，进程P3、P4、P5构成两个带有预置数功能的十进制计数器，其中P4产生允许十位计数器计数的控制信号。进程P6实现状态转换和产生状态转换的控制信号，进程P7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。

四、程序清单：

LIBRARY IEEE;

USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

ENTITY traffic IS

  PORT (clk:in std_logic;

      led7s1:out std_logic_vector(6 downto 0);

      led7s2:out std_logic_vector(6 downto 0);

      comb_out:out std_logic_vector(5 downto 0));

     END;

ARCHITECTURE one OF traffic IS

TYPE dm IS (s0,s1,s2,s3);

      SIgnal current_state,next_state:dm;

      SIGNAL FULL : STD_LOGIC;

      SIGNAL  tl :STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0);

      SIGNAL  th:STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0);

      SIGNAL   tm :STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0);

      SIGNAL  TIME  :STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0);

BEGIN

  P_REG: PROCESS(CLK)

   VARIABLE CNT8:STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);

   BEGIN

     IF CLK'EVENT AND CLK='1' THEN

    IF CNT8 = "11111111" THEN

    CNT8:="01111111";

    FULL＜='1';

      ELSE CNT8 := CNT8+1;

       FULL ＜= '0';

    END IF;     END IF;

  END PROCESS P_REG;

PROCESS(full)

BEGIN

IF full'EVENT AND full='1' THEN

    IF TIME＜"1000011" THEN

       TIME＜=TIME+1;

   ELSe TIME ＜="0000000";

   END IF;

END IF;

END PROCESS;

 REG:process( full,current_state)

    BEGIN

     IF full='1' AND full'EVENT THEN

        current_state＜=next_state;

     END IF;

   END process;

    COM:process(current_state, time)

  begin

case current_state is

when s0=＞comb_out＜="001100";tm＜=39-time;

  if time=39  then  next_state＜=s1;

     else next_state＜=s0;

   end if;

when s1=＞comb_out＜="010100";tm＜=43-time;

  if time=43 then  next_state＜=s2;

     else next_state＜=s1;

   end if;

when s2=＞comb_out＜="100010";tm＜=63-time;

  if time=63 then  next_state＜=s3;

     else next_state＜=s2;

   end if;

when s3=＞comb_out＜="100001";tm＜=67-time;

  if time=67 then  next_state＜=s0;

     else next_state＜=s3;

   end if;

  end case;

end process;

PROCESS(tm)

BEGIN

IF tm＞=30 THEN th＜="11";tl＜=tm-30;

ELSIF tm＞=20 THEN th＜="10";tl＜=tm-20;

ELSIF tm＞=10 THEN th＜="01";tl＜=tm-10;

ELSE  th＜="00";tl＜=tm;

END IF;

END PROCESS;

process(th,tl)

  begin

case th is

      when"00"=＞led7s1＜="0111111";

      when"01"=＞led7s1＜="0000110";

      when"10"=＞led7s1＜="1011011";

      when"11"=＞led7s1＜="1001111";

      when others=＞null;

      end case;

case tl is

      when "0000000"=＞led7s2＜="0111111";

      when"0000001"=＞led7s2＜="0000110";

      when "0000010"=＞led7s2＜="1011011";

      when"0000011"=＞led7s2＜="1001111";

      when"0000100"=＞led7s2＜="1100110";

      when "0000101"=＞led7s2＜="1101101";

      when "0000110"=＞led7s2＜="1111101";

      when"0000111"=＞led7s2＜="0000111";

       when "0001000"=＞led7s2＜="1111111";

      when "0001001"=＞led7s2＜="1101111";

      when others=＞null;

    end case;

 end process;

end;

五、电路及波形图

1.波形图

2．引脚设置

选择的器件为cyclone系列的EP1C3T144芯片，引脚锁定方法如下图所示。将未使用的管脚设置为三态输入（一定要设置，否则可能会损坏芯片）。

本实验只能用采用模式6下载调试，一切正常

六、硬件测试及说明

用实验板上的6个LED作为交通信号灯，设计一个交通信号灯控制器。

1、交通灯从绿变红时，有5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、红灯时间为30秒。绿灯时间为25秒。黄灯时间为5秒。

七、实验心得体会

    通过这次课程设计，我进一步加深了对数字系统设计的了解。并进一步熟练了对QuartusII软件的操作。在编写程序的过程中，遇到了很多问题，使我发现自己以前学习上存在的不足。同时也掌握了做课程设计的一般流程，为以后的设计积累了一定的经验。做课程设计时，先查阅相关知识，把原理吃透，确定一个大的设计方向，在按照这个方向分模块的把要实现的功能用流程图的形式展示。最后参照每个模块把输入和输出引脚设定，运用我们所学的VHDL语言进行编程。总之，通过这次的设计，进一步了解了EDA技术，收获很大，对软件编程、排错调试、相关仪器设备的使用技能等方面得到较全面的锻炼和提高。