【正文】 長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院 課程設(shè)計(jì)報(bào)告 基于 VHDL 的交通燈設(shè)計(jì) 課程 ： 片上可編程系統(tǒng)編程與調(diào)試 系別：電子信息工程系 專業(yè)：應(yīng)用電子技術(shù) 指導(dǎo)老師：張 老師 完成時(shí)間： 2021 年 06月 12日 摘要 隨著社會(huì)上特別是城市中機(jī)動(dòng)車輛保有量的不斷增加 ,在現(xiàn)代城市的日常運(yùn)行控制中，車輛的交通控制越來(lái)越重要，在十字交叉路口，越來(lái)越多的使用紅綠燈進(jìn)行交通指揮和管理。本文以 VHDL硬件描述語(yǔ)言為設(shè)計(jì)手段，完成了交通信號(hào)燈控制電路的設(shè)計(jì)，其中交通信號(hào)燈控制電路的開(kāi)發(fā)目的是設(shè)計(jì)一個(gè)適用于主、支干道十字交叉路口的 紅黃綠交通燈的控制系統(tǒng)，通過(guò)合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能，使紅黃綠燈的轉(zhuǎn)換有一個(gè)準(zhǔn)確的時(shí)間間隔和轉(zhuǎn)換順序。所設(shè)計(jì)的交通信號(hào)燈控制電路經(jīng)過(guò)在 QuartusⅡ ，觀察其波形，證明所設(shè)計(jì)的交通信號(hào)燈控制電路完全可以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能，并有一定的實(shí)用性。 關(guān)鍵詞： FPGA。 VHDL。 QuartusⅡ 。 交通燈 一、 設(shè)計(jì)思路 本設(shè)計(jì)主要是利 用狀態(tài)機(jī)控制 ， 交通燈的工作分成 5個(gè)狀態(tài)，如下 ： St0：支干道亮紅燈，主干道亮綠燈，數(shù)碼管不顯示。 St1：主干道亮綠燈 45 秒，數(shù)碼管顯示 45 秒倒計(jì)時(shí)；支干道亮紅燈 ，數(shù)碼管顯示從 49 秒倒計(jì)時(shí)到 05 秒。 St2：：主干道亮黃燈 5秒，數(shù)碼管顯示 5 秒倒計(jì)時(shí)；支干道亮紅燈，數(shù)碼管顯示從 04秒倒計(jì)時(shí)到 00 秒。 St3：支干道亮綠燈 25 秒，數(shù)碼管顯示 25 秒倒計(jì)時(shí)；主干道亮紅燈，數(shù)碼管顯示從 29 秒倒計(jì)時(shí)到 05 秒。 St4：支干道亮黃燈 5 秒，數(shù)碼管顯示 5 秒倒計(jì)時(shí)；主干道亮紅燈，數(shù)碼管顯示從 04秒倒計(jì)時(shí)到 00 秒。 把交通燈的工作分成五個(gè)狀態(tài)，則寫(xiě)程序的時(shí)候思路就比較清晰，只要在相應(yīng)的狀態(tài)里完成相應(yīng)的工作，控制好黃綠紅燈和數(shù)碼管的倒計(jì)時(shí)顯示，而且把握好五個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的條件 即可 。 實(shí)現(xiàn)起來(lái)也 方便。 二、設(shè)計(jì)分析 根據(jù)設(shè)計(jì)思路可以把整體設(shè)計(jì)分為三個(gè)模塊： 分頻模塊： 把 實(shí)驗(yàn)板上的 50MHz 的頻率分成 1Hz 信號(hào)（ 用于倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)的時(shí)鐘信號(hào) ）、 1kHz 信號(hào)（ 用于數(shù)碼管掃描顯示的片選時(shí)鐘信號(hào) ）和 2hz（用于黃燈的閃爍） ； 交通燈控制 以 及倒計(jì)時(shí)（五個(gè)狀態(tài)的控制）模塊； 數(shù)碼管譯碼掃描顯示模塊。 整體的系統(tǒng)框圖如下： 段碼輸出 位碼輸出 1khz 信號(hào) 50Mhz 信號(hào) 分頻 2hz 信號(hào) 數(shù)碼顯 1hz 信號(hào) 示模塊 七段譯碼 數(shù)碼管位選 交通燈 控制以 及倒計(jì)時(shí)模塊 六個(gè) led燈輸出 分頻模塊 ， 就是把輸入的 50MHz 時(shí)鐘頻率 50000 分頻得到 1KHz 的頻率用于數(shù)碼管的 位選 信號(hào)，其原理就是設(shè)計(jì)一個(gè) 0到 50000 循環(huán)計(jì)數(shù)的的計(jì)數(shù)器，當(dāng)計(jì)數(shù)溢出，即計(jì)數(shù)到 50000 時(shí)使輸出量取反，就得到了 1KHz 的方波，作為 數(shù)碼管位選 信號(hào)。 同理， 1Khz 再經(jīng)分頻即可得到 2hz（黃燈閃爍信號(hào)）和1hz（倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)信號(hào) ）。 交通燈控制及倒計(jì)時(shí)模塊 ， 就是五個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換模塊，是整個(gè)系統(tǒng)的 最主要 模塊，其五個(gè)狀態(tài)分別 st0、 st st st st4。其中 st0 是當(dāng)支干道沒(méi)有車通行的狀態(tài)， st1 是主干道綠燈亮 45 秒的狀態(tài)， st2 是主干道 黃燈閃爍 5秒的狀態(tài)， st3 是支干道亮綠燈 25 秒的狀態(tài)， st4 是支干道黃燈 閃爍 5秒的狀態(tài)。當(dāng)主干道亮綠燈和黃燈 閃爍 時(shí)，支干道都是亮紅燈，當(dāng)支干道亮綠燈和黃燈 閃爍 時(shí)，主干道都是亮紅燈，并且主、支干道都會(huì)顯示亮燈的倒計(jì)時(shí)時(shí)間，主、支干道的紅黃綠燈用 實(shí)驗(yàn)板上的的最左邊三個(gè)和最右邊三個(gè) LED發(fā)光二極管 代替。 數(shù)碼管倒計(jì)時(shí)顯示 ，是用 實(shí)驗(yàn)板上的其中 四個(gè)數(shù)碼管，分別表示主干道和支干道的秒倒計(jì)時(shí)， 動(dòng)態(tài) 掃描的頻率 用的是 1KHz 的頻率。 三、 各模塊電路符號(hào)如下： 頂層電路圖如下： 圖 23頂層文件原理圖 三、單元模塊設(shè)計(jì)與仿真 時(shí)鐘分頻模塊 時(shí)鐘分頻模塊就是把輸入的 2kHz 時(shí)鐘頻率 2021 分頻得到 1Hz 的頻率用于數(shù)碼管倒計(jì)時(shí)的時(shí)鐘信號(hào)，其原理就是設(shè)計(jì)一個(gè) 0到 999 循環(huán)計(jì)數(shù)的的計(jì)數(shù)器，當(dāng)計(jì)數(shù)溢出，即計(jì)數(shù)到 999 時(shí)使輸出量取反，則輸出為 秒的高電平和 秒的低電平交替出現(xiàn)，就 得到了 1Hz 的方波，作為秒倒計(jì)時(shí)的時(shí)鐘信號(hào)。 時(shí)鐘分頻模塊生成的元件符號(hào)如下： 分頻模塊 實(shí)驗(yàn)板上的 50Mhz 頻率 經(jīng)分頻后得到 1Khz、 2hz、 1hz 三路信號(hào)。 交通燈控制及計(jì)時(shí)模塊 此模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，主要功能是完成五個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，并且在每個(gè)狀態(tài)里完成相應(yīng)的控制作用，即控制主干道和支干道的紅黃綠燈的點(diǎn)亮和各自數(shù)碼管倒計(jì)時(shí)顯示。 編程時(shí)主要是用一個(gè)進(jìn)程語(yǔ)句，其敏感信號(hào)是時(shí)鐘分頻模塊產(chǎn)生的 1Hz時(shí)鐘信號(hào)，進(jìn)程里主要用 case 語(yǔ)句完成五 個(gè)狀態(tài)的控制，在每個(gè)狀態(tài)里要控制主干道和支干道的紅黃綠燈的點(diǎn)亮，而且要控制各自數(shù)碼管倒計(jì)時(shí)的顯示，并為掃描顯示譯碼模塊提供倒計(jì)時(shí)時(shí)間， 同時(shí)要使每個(gè)狀態(tài)結(jié)束時(shí)能順利進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)。 數(shù)碼管 顯示譯碼 和掃描 模塊 此模塊中含有七段 數(shù)碼管譯碼和掃描顯示兩個(gè)部分。其中 clk1khz 是輸入的掃描時(shí)鐘信號(hào) 四、 硬件驗(yàn)證結(jié)果 引腳配置如下： 硬件驗(yàn)證效果如下： 說(shuō)明： 主干道和支干道分別繼續(xù)亮綠燈和紅燈，同 時(shí)主干道的數(shù)碼管從44 開(kāi)始一秒一秒地倒計(jì)時(shí)顯示直至倒計(jì)時(shí)到 00，而支干道的數(shù)碼管從 49 開(kāi)始一秒一秒地倒計(jì)時(shí)顯示，并且主、支干道的數(shù)碼管顯示值始終相差 5。當(dāng)主干道的倒計(jì)時(shí)到 00（支干道倒計(jì)時(shí)到 05）后的下一秒，主干道的綠燈滅，黃燈閃爍 ，而且主干道的數(shù)碼管從 04 開(kāi)始秒倒計(jì)時(shí)直至 00，支干道的紅燈在這一過(guò)程中始終是亮的，而且數(shù)碼管正常倒計(jì)時(shí)，和主干道的數(shù)碼管顯示。當(dāng)主、支干道數(shù)碼管倒計(jì)時(shí)到 00 后的下一秒，主干道的黃燈滅，紅燈亮，數(shù)碼管從29 開(kāi)始一秒一秒地倒計(jì)時(shí)，而支干道的紅燈滅，綠燈亮，數(shù)碼管開(kāi)始從 24 一秒一秒地 倒計(jì)時(shí)，始終和主干道的數(shù)碼管少 5,直至倒計(jì)時(shí)到 00。當(dāng)支干道數(shù)碼管倒計(jì)時(shí)到 00（主干道為 05）的下一秒后，支干道的綠燈滅，黃燈 閃爍 ，數(shù)碼管開(kāi)始從 04 一秒一秒地倒計(jì)時(shí)直至 00，而主干道在這一過(guò)程中繼續(xù)亮紅燈，數(shù)碼管繼續(xù)正常地倒計(jì)時(shí)，而和支干道數(shù)碼管顯示相同。當(dāng)主、支干道倒計(jì)時(shí)到 00的下一秒，則進(jìn)入到主干道亮綠燈，支干道亮紅燈的狀態(tài) 。 五、 心得 體會(huì) 這次設(shè)計(jì)給我最大的收獲就是做什么事都不要急，要一步一步的做好前提工作，我開(kāi)始看到這個(gè)課題的時(shí)候就動(dòng)手去寫(xiě)程序，只是憑著自己腦子里想一點(diǎn)就寫(xiě)一點(diǎn)，但是經(jīng)過(guò)幾次反復(fù)的 修改還是沒(méi)有成功，看不到效果，所以后來(lái)干脆就放下來(lái)先把每一步每一個(gè)模塊都弄清楚再動(dòng)手去寫(xiě)，可以再本子上把各個(gè)模塊的端口以及連接都畫(huà)好，再去寫(xiě)，這樣能做到事半工倍的效果，而且在設(shè)計(jì)的時(shí)候不懂得地方可以參考別人寫(xiě)的程序，畢竟，不管做什么課程設(shè)計(jì)都是為了讓自己弄懂、學(xué)好，只要將別人的程序設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)為自己的知識(shí)就 ok 了，在次基礎(chǔ)上加上自己的一些想法，學(xué)會(huì)變通， 或許還有些知識(shí)沒(méi)學(xué)到，比如狀態(tài)機(jī)這部分，但是通過(guò)別人的程序能讓自己學(xué)到更多的知識(shí)，而且能鞏固知識(shí)，所以我覺(jué)得要想把程序?qū)懞闷匠Ｒ欢ㄒ鄬?xiě)多練多參考，這就是我這 次設(shè)計(jì)的收獲。 附 ：各模塊程序代碼 分頻模塊 library ieee。 對(duì)開(kāi)發(fā)板上的 50MHZ 信號(hào)進(jìn)行分頻得到 1khz位選信號(hào)、2hz黃燈閃爍信號(hào)和 1hz計(jì)時(shí)信號(hào) use 。 entity div_freq is port(freq_in:in std_logic。 flag_1khz,flag_2hz,flag_1hz: buffer std_logic)。 end entity。 architecture one of div_freq is signal plete_1khz: integer range 0 to 50000。 signal plete_2hz:integer range 0 to 499。 signal plete_1hz: integer range 0 to 1000。 begin process(freq_in) 此進(jìn)程得到的是 1khz的位選信號(hào) begin if(freq_in 39。event and freq_in=39。139。) then plete_1khz=plete_1khz+1。 if(plete_1khz=50000) then plete_1khz=0。 elsif(plete_1khz25000) then flag_1khz=39。039。 else flag_1khz=39。139。 end if。 end if。 end process。 process(flag_1khz) 此進(jìn)程是得到 2hz信號(hào) begin if(flag_1khz 39。event and flag_1khz=39。139。) then plete_2hz=plete_2hz+1。 if(plete_2hz=500)then plete_2hz=0。 flag_2hz=39。039。 else flag_2hz=39。139。 end if。 end if。 end process。 process(flag_1khz) 此進(jìn)程是得到 1hz信號(hào) begin if(flag_1khz 39。event and flag_1khz=39。139。) then plete_1hz=plete_1hz+1。 if(plete_1hz=1000)then plete_1hz=0。 flag_1hz=39。039。 else flag_1hz=39。139。 end if。 end if。 end process。 end architecture one。 交通燈控制及倒計(jì)時(shí)模塊 交通燈控制及計(jì)時(shí)模塊 library ieee。 use 。 use 。 entity state5 is port(clk1hz,clk2hz:in std_logic。1hz 倒計(jì)時(shí)時(shí)鐘信號(hào) one1,ten1,one2,ten2:out integer range 0 to 10。倒計(jì)時(shí)數(shù) ra,ga,ya,rb,gb,yb:out std_logic)。主支干道紅黃綠燈 end。 architecture two of state5 is type states is (st0,st1,st2,st3,st4)。定義五個(gè)狀態(tài) signal r1,g1,y1,r2,g2,y2:std_logic。 signal a,y11,y22:std_logic。 begin process(clk1hz)5 states variable st:states。 variable eoc:std_logic。倒計(jì)時(shí)結(jié)束標(biāo)志位 variable h1,l1,h2,l2:integer range 0 to 10。 begin if clk1hz39。event and clk1hz=39。139。 then case st is when st0= st:=st1。 h1:=4。l1:=4。 h2:=4。l2:=9。 when st1=主干