基于quartusll 交通燈控制系統(tǒng)

1、一、設(shè)計任務(wù)要求交通燈控制器：用于十字路口的交通燈控制器。實驗要求：1 東西方向各有一組紅，黃,綠燈用于指揮交通，紅,黃，綠的持續(xù)時間分別為25s,5s,20s。2 當(dāng)有緊急情況（如消防車）時，兩個方向均為紅燈亮,計時停止，當(dāng)特殊情況結(jié)束后，控制器恢復(fù)原來狀態(tài)，正常工作。3 組數(shù)碼管，以倒計時方式顯示兩個方向允許通行或禁止通行的時間。二、設(shè)計思路及總體結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計思路：1硬件:由設(shè)計任務(wù)要求可知，總體輸入電路有：（1）在開始計時之前的等待狀態(tài),復(fù)位鍵reset接低電位,接通電源后,首先要將它接高電位,表示計時開始。（2）當(dāng)按一下（on_off）鍵，表示緊急情況發(fā)生,兩個方向均為紅燈亮，計時停止

2、,當(dāng)再次按下（on_off）鍵時，控制器恢復(fù)原來狀態(tài),正常工作.輸出電路：（1）由于東西和南北方向都要顯示時間，因此需要4個數(shù)碼管,這樣在設(shè)計中就需要四條輸出線choose4，用來選通指定一個LED七段顯示數(shù)碼管。(2）顯示器的每一位都采用LED七段顯示數(shù)碼管進行顯示，每一個LED七段顯示數(shù)碼管都要有七條輸出線控制,一共使用4個七段數(shù)碼管，故輸出電路使用四個七位輸出信號：showtime1，showtime2，showtime3,showtime4。(3）東西和南北方向都有交通燈亮的情況,故輸出電路中要有兩個狀態(tài)控制信號state1，state2分別控制東西和南北的燈，每個方向上有4個燈（增加

3、了左、右轉(zhuǎn)彎顯示控制功能），所以state1，state2的類型應(yīng)該是4位數(shù)組型的。東西方向交通燈外部電路圖如下：State1State2Showtime1Showtime2Showtime3Showtime4Choose4 clk 4/ stas reset南北方向交通燈 on_off 4/7/7/7/7/ 4/2軟件：（1）在VHDL設(shè)計描述中，采用自頂向下的設(shè)計思路，該思路，首先要描述頂層的接口,上面的描述已經(jīng)規(guī)定了交通燈控制的輸入輸出信號:輸入信號:復(fù)位開關(guān)信號reset；緊急情況控制信號on_off;外部時鐘信號clk。輸出信號:LED七段顯示數(shù)碼管的選通信號choose4（3 do

4、wnto 0）；LED七段顯示數(shù)碼管的輸出信號showtime1（6 downto 0），showntime2(6 downto 0）,showtime3（6 downto 0)，showtome4（6 downto 0)；交通燈狀態(tài)控制信號state1(3 downto 0），state2（3 downto 0）。（2）在自頂向下的VHDL設(shè)計描述中，通常把整個設(shè)計的系統(tǒng)劃分為幾個模塊，然后采用結(jié)構(gòu)描述方式對整個系統(tǒng)進行描述。根據(jù)實驗設(shè)計的結(jié)構(gòu)功能，來確定使用哪些模塊以及這些模塊之間的關(guān)系.由于緊急情況控制信號是采用按鍵的輸入方式,其產(chǎn)生時刻和持續(xù)時間的長短是隨機不定的,且存在因開關(guān)簧片反彈

5、引起的電平抖動現(xiàn)象,因此必須在每個開關(guān)后面安排一個消抖和同步化電路模塊，以保證系統(tǒng)能捕捉到輸入脈沖，故需要有防抖動的模塊。由于外部時鐘信號clk的頻率為1MHz，而實際需要的內(nèi)部計時時鐘頻率為1Hz，提供給消抖同步電路的頻率為50Hz(滿足按鍵)和提供給產(chǎn)生選通信號電路的時鐘頻率為200Hz(滿足視覺暫留效應(yīng)).當(dāng)正常計時開始后，需要進行定時計數(shù)操作，由于東西和南北兩個方向上的時間顯示器是由兩個LED七段顯示數(shù)碼管組成的，因此需要產(chǎn)生兩個2位的計時信息：2個十位信號,2個個位信號，這個定時計數(shù)操作可以由一個定時計數(shù)器來完成,又因為交通燈的狀態(tài)變化是在計時為0的情況下才能進行的，因此需要一個計時

6、電路來產(chǎn)生使能信號,因此定時計數(shù)的功能就是用來產(chǎn)生2個2位計時信息和使能信號.另外還需要將時間顯示出來,為了節(jié)省資源,我采用了循環(huán)點亮LED七段顯示數(shù)碼管的方法來顯示計時輸出。通過信號choose4（3 downto 0)來對4個LED七段顯示數(shù)碼管進行選擇。由于不能使用7448自動譯碼集成電路，故在LED七段顯示數(shù)碼管顯示時間時，要把計時結(jié)果轉(zhuǎn)換為七段碼輸出到相應(yīng)的LED七段顯示數(shù)碼管上，因此還需要一個轉(zhuǎn)換電路。交通燈狀態(tài)控制也需要一個電路，當(dāng)有使能信號及無緊急情況下,交通燈狀態(tài)不發(fā)生變化，有緊急情況時，兩個方向上均為紅燈亮，緊急情況消除后，回到原來狀態(tài),無使能信號時,交通燈狀態(tài)不變.通過上

7、面的分析,不難得知可以把交通燈控制系統(tǒng)劃分為6個模塊：鍵輸入模塊，時鐘分頻模塊,計時模塊，選通模塊，顯示模塊,控制模塊。各個模塊之間的連接關(guān)系如下：計時模塊轉(zhuǎn)換模塊鍵輸入模塊reset showtimeon_off reset0 on_off0 clk1選通模塊時鐘分頻模塊選通模塊 timel,times clk2 clk0 choose4三、總體結(jié)構(gòu)框圖通電復(fù)位 No yes東西為紅，南北為綠，計時開始是否有緊急情況 Yes No計時到20s No 兩方向均為紅，計時停止 Yes東西為黃，南北為綠是否有緊急情況是否消除？ No Yes Yes No計時到5s No Yes東西為紅，南北為綠是

8、否有緊急情況 Yes No計時到20s No Yes東西為紅，南北為黃是否有緊急情況 Yes計時到5s No Yes四、分塊電路設(shè)計.（1）鍵輸入模塊（keyin)輸入信號：緊急情況on_off;用來消除抖動的時鐘信號clk1,由時鐘分頻模塊提供。輸出信號：去抖后的提示信號on_off0.（2）時鐘分頻模塊(clk_div）輸入信號:外部時鐘信號clk;輸出信號：消除抖動的時鐘信號clk1；計時內(nèi)部時鐘信號clk2；產(chǎn)生選通信號的時鐘信號clk0.（3)計時模塊（time）:輸入信號:定時計時時鐘clk2,由時鐘分頻模塊提供;去抖動后的提示信號on_off0;復(fù)位信號reset；狀態(tài)提示信號s

9、tate(1 downto 0)；輸出信號:東西方向的十位信號eq1(3 downto 0);東西方向的個位信號eq0(3 downto 0)；南北方向的十位信號sq1（3 downto 0）；南北方向的個位信號sq0(3 downto 0）;使能信號timel，times。(4）選通模塊（choose）：輸入信號：選通時鐘信號clk0，由時鐘分頻模塊提供。輸出信號：選通信號choose4（3 downto 0)。（5）顯示模塊(display）：輸入信號：計時的十位或個位信號；輸出信號:控制LED七段顯示數(shù)碼管的七位數(shù)組型信號。（6）控制模塊（keep）：輸入信號：復(fù)位信號reset；去抖后

10、的緊急情況提示信號on_off0；定時計時時鐘信號clk2；使能信號timel，times；輸出信號:東西方向交通燈狀態(tài)控制信號state1（3 downto 0）；南北方向交通燈狀態(tài)控制信號state2（3 downto 0）；交通燈狀態(tài)提示信號state（1 downto 0）.五、總體電路圖(圖形法）.六、仿真波形狀態(tài)變化仿真圖：以下顯示選通信號的仿真波形七、源程序主模塊：-traffic module-library ieee;use ieee。std_logic_1164。all；use ieee.std_logic_arith.all；use ieee.std_logic_unsi

11、gned。all；entity tracfic is port（reset ： in std_logic；-復(fù)位信號 clk ： in std_logic;-外部時鐘信號 showtime1,showtime2，showtime3，showtime4： out std_logic_vector（6 downto 0);- 控制LED七段顯示數(shù)碼管的七位數(shù)組型信號 choose4 ： out std_logic_vector(3 downto 0）；-選通信號 on_off : in std_logic；-緊急情況控制信號 state1,state2 ： out std_logic_vector

12、(3 downto 0）)；-交通燈狀態(tài)控制信號 end tracfic；architecture system of tracfic is-元件例化調(diào)用 component keyin-去抖動模塊 port（a，b：in std_logic； c ：out std_logic）； end component； component time-計時模塊 port（a,b,k：in std_logic； c:in std_logic_vector（1 downto 0）; d，e，f，g：out std_logic_vector（3 downto 0）； j,h:out std_logic）； e

13、nd component； component choose -選通模塊 port（a：in std_logic； b：out std_logic_vector(3 downto 0）); end component； component display -顯示模塊 port（a：in std_logic_vector(3 downto 0)； b:out std_logic_vector（6 downto 0）； end component； component clk_div-時鐘分頻模塊 port(a：in std_logic； b,c，d:out std_logic）; end com

14、ponent; component keep-狀態(tài)控制模塊 port（a，b，c，g，j：in std_logic； d，e:out std_logic_vector(3 downto 0）; f：out std_logic_vector（1 downto 0）)； end component; signal on_off0：std_logic； 緊急情況經(jīng)去抖后的輸出信號； signal state：std_logic_vector(1 downto 0)； 控制計數(shù)器的狀態(tài)提示信號； signal clk0，clk1，clk2：std_logic； 時鐘分頻后的輸出信號； signal e

15、q0，sq0：std_logic_vector（3 downto 0)； 南北和東西計數(shù)器的個位輸出; signal eq1，sq1：std_logic_vector（3 downto 0)； 南北和東西計數(shù)器的十位輸出； signal timel，times：std_logic; 計數(shù)器對控制器的反饋信號；begin 用信號把各個模塊連起來; u1：keyin port map(clk1，on_off,on_off0)； u3：time port map（clk2,on_off0，reset,state，eq0,eq1，sq0，sq1，timel,times）; u4:choose port

16、 map（clk0，choose4）； u5:display port map（eq0，showtime1）; u6：display port map(eq1，showtime2）; u7：display port map(sq0，showtime3）； u8：display port map(sq1，showtime4）； u9:keep port map(on_off0，timel，times,clk2,reset，state1，state2,state)； u10:clk_div port map（clk,clk0，clk1，clk2)； end system；去抖模塊:-keyin m

17、odule-library ieee;use ieee。std_logic_1164。all;entity keyin is port(A，B ：in std_logic； C :out std_logic）；end keyin;architecture keyin_arc of keyin is component kand2 port（A，B ：in std_logic； C ：out std_logic)；end component； component kdf port(A，B ：in std_logic; C，D ：out std_logic);end component； comp

18、onent knand2 port(A，B :in std_logic； C :out std_logic);end component;signal TMP1，TMP2，TMP3，TMP4，TMP5，TMP6:std_logic；begin u0: knand2 port map（A，TMP1，TMP2)； u1： knand2 port map（TMP2，TMP3,TMP1）; U2: kdf port map（TMP2,B,TMP4，TMP3）; U3: kdf port map（TMP4，B,TMP6,TMP5）; u4： kand2 port map（TMP4，TMP5，C)；end

19、 keyin_arc;library ieee；two inputs and gate descriptionuse ieee.std_logic_1164.all；entity kand2 is port（A，B ：in std_logic； C ：out std_logic)；end kand2；architecture kand2_arc of kand2 isbegin C=A and B；end kand2_arc；-end of two inputs and gate descriptionlibrary ieee;two inputs and_not gate descripti

20、onuse ieee.std_logic_1164。all;entity knand2 is port（A，B ：in std_logic； C ：out std_logic）；end knand2；architecture knand2_arc of knand2 isbegin C=not（A and B);end knand2_arc；-end of two inputs and_not gate descriptionlibrary ieee；-D trigger descriptionuse ieee。std_logic_1164。all;entity kdf is port（A，B

21、 ：in std_logic； C，D ：out std_logic）；end kdf;architecture kdf_arc of kdf isbeginprocess（B）begin if（B'event and B='1'）then C<=A;D=not A； end if； end process；end kdf_arc；選通模塊:該模塊是為節(jié)省資源而設(shè)的，實驗中有四個LED七段數(shù)碼管顯示計數(shù)，點亮一個LED需電流550mA，同時點亮4個LED,CPLD可能無法負荷這樣的電流驅(qū)動，而且功率太大,散熱也是問題。同時這么做也容易造成電路被燒毀，因此需要逐個循

22、環(huán)點亮.又為使顯示結(jié)果持續(xù)不致閃爍抖動，只需每個掃描頻率超過人眼視覺暫留頻率24Hz以上,就能達到.選擇200Hz作為時鐘,分到4個數(shù)碼管，每個數(shù)碼管50Hz(大于24Hz)，故不會有閃爍.library ieee；-choose module-use ieee.std_logic_1164.all；use ieee。std_logic_unsigned.all;entity choose is port（a：in std_logic; b:out std_logic_vector（3 downto 0）);end choose；architecture choose_arc of choos

23、e issignal m ：integer range 0 to 3；begin process(a) begin if（aevent and a='1')then if(m=3）then m<=0； else m=m+1; end if； end if； case m is when 0 =b=”0111" when 1 =b="1011”； when 2 =b<=”1101”; when 3 =b=”1110”； end case;end process；end choose_arc；分頻模塊：實驗中需要三個不同頻率的時鐘：消抖電路需要10H

24、z的時鐘，選通電路需要200Hz的時鐘，計時需要1Hz的時鐘。外部提供的時鐘的頻率為1MHz,故需要經(jīng)過分頻得到,但由于外部時鐘的頻率和我們所需要的時鐘的頻率相差太遠，一次分頻到底又占用太多的資源，所以我采用的是先對外部時鐘進行一定的分頻，再依次向下分，得到我們需要的時鐘,這樣可以節(jié)省很多資源。library ieee；-clk_div module-use ieee。std_logic_1164。all;entity clk_div is port（a：in std_logic;-外部時鐘信號 b：out std_logic;-頻率為200Hz的時鐘信號 c：out std_logic；-頻

25、率為10Hz的時鐘信號 d:out std_logic)；-頻率為1Hz的時鐘信號end clk_div;architecture clk_div_arc of clk_div issignal clk_10k：std_logic；signal clk_200:std_logic；signal clk_10：std_logic;signal clk_1:std_logic;signal m:integer range 0 to 100；signal n：integer range 0 to 50；signal l：integer range 0 to 20；signal g:integer r

26、ange 0 to 10；beginp1： process（a)-先對外部時鐘進行100分頻，得到頻率為10KHz的時鐘信號 begin if(a'event and a=1）then if m=99 then m=0； else m=m+1； end if； if （m=49) then clk_10k<='0' else clk_10k='1; end if； end if；end process;p2：process（clk_10k)-對10KHz的時鐘信號再進行50分頻，得到200Hz的時鐘信號 begin if （clk_10kevent and

27、 clk_10k='1')then if n=49 then n=0; else n=n+1； end if； if n=24 then clk_200=0； else clk_200=1； end if； end if；end process；b<=clk_200；p3：process（clk_200)對200Hz的時鐘信號進行20分頻，得到10Hz的時鐘信號 begin if（clk_200event and clk_200='1）then if l=19 then l=0; else l=l+1； end if; if l=9 then clk_10=0；

28、else clk_10<=1； end if; end if；end process；c=clk_10；p4:process（clk_10)-對10Hz的時鐘信號進行10分頻，得到需要的1 Hz的時鐘信號 begin if （clk_10event and clk_10=1'）then if g=9 then g=0； else g=g+1； end if； if g=4 then clk_1<='0' else clk_1=1; end if； end if ； end process；d=clk_1；end clk_div_arc;顯示模塊：-displ

29、ay modulelibrary ieee；use ieee。std_logic_1164。all；use ieee。std_logic_signed。all；use ieee。std_logic_unsigned。all；entity display is port(a：in std_logic_vector(3 downto 0）;-輸入記數(shù)結(jié)果 b：out std_logic_vector(6 downto 0)；-譯碼成七段數(shù)碼管的控制信號end display;architecture display_arc of display issignal a0：std_logic_vect

30、or（3 downto 0）;beginprocess（a0）begin a0=a； case a0 is when ”0000” =b=”0111111"-以下是譯碼部分 when ”0001” =>b<=”0000110"； when "0010” =b=”1011011”； when ”0011" =>b="1001111”; when ”0100" =>b="1100110"； when ”0101" =b=”1101101"； when ”0110” =>

31、b<=”1111101"； when ”0111” =>b=”0000111”; when ”1000” =b=”1111111"； when ”1001” =b="1101111"； when others=>b=”ZZZZZZZ”； end case；end process;end display_arc；控制模塊：-keep module-library ieee;use ieee。std_logic_1164.all；entity keep is port（ a,b，c，g，j ： in std_logic； d,e ： out

32、 std_logic_vector(3 downto 0); f ： out std_logic_vector（1 downto 0）；end keep；architecture keep_arc of keep istype state_type is （s0，s1，s2，s3,s4)；signal current_state:state_type;signal new_state:state_type；beginnewstate_logic:process（current_state，b,a，g)variable m：integer range 0 to 3;begin if（g='

33、;0'）then new_state<=s1；-通電后給交通燈狀態(tài)賦初值 else case current_state is when s1 =m：=0；if（b=1and j=0and a=0）then-當(dāng)計數(shù)到20s且無緊急情況時,交通燈跳至下一狀態(tài)new_state=s2；elsif（a=1)thennew_state<=s0;-有緊急情況時，交通燈變?yōu)榫o急狀態(tài)elsenew_state=s1；-計時未到的時候保持原狀態(tài)不變 end if; when s2 =>m：=1； if(b=1and j=1and a='0）thennew_state<=

34、s3;當(dāng)記數(shù)到5s且無緊急情況時,交通燈變?yōu)橄乱粻顟B(tài) elsif（a='1）thennew_state=s0;-有緊急情況時，交通燈變?yōu)榫o急狀態(tài) else new_state=s2； -計時未到的時候保持原狀態(tài)不變 end if; when s3 =>m:=2; if(j=1'and b=0and a='0）thennew_state=s4；-當(dāng)記數(shù)到20s且無緊急情況時,交通燈變?yōu)橄乱粻顟B(tài) elsif（a='1)thennew_state=s0；-有緊急情況時，交通燈變?yōu)榫o急狀態(tài) else new_state<=s3； -計時未到的時候保持原狀態(tài)不

35、變 end if； when s4 =m：=3； if（j='1and b=1and a=0'）thennew_state<=s1;-當(dāng)記數(shù)到5s且無緊急情況時，交通燈變?yōu)橄乱粻顟B(tài) elsif（a='1）thennew_state<=s0;-有緊急情況時，交通燈變?yōu)榫o急狀態(tài) else new_state=s4； -計時未到的時候保持原狀態(tài)不變 end if; when s0=>if（a=0'）then-緊急情況消除后,回到原來狀態(tài) case m iswhen 0 =new_state<=s1;when 1 =>new_state&l

36、t;=s2；when 2 =new_state=s3；when 3 =new_state=s4；end case; else new_state<=s0；end if； end case;end if；end process；state_register：process(c） begin if(cevent and c=1）thencurrent_state=new_state；-當(dāng)時鐘上升沿觸發(fā)時，交通燈狀態(tài)發(fā)生改變 end if；end process；output_logic:process（current_state)產(chǎn)生與交通燈狀態(tài)相對應(yīng)的提示信號，以控制計時模塊的不同狀態(tài)下的

37、不同賦植 begin case current_state iswhen s0 => d="0100”;e=”0100”； when s1 = d="0100”；e="1001”；f<=”00”; when s2 = d<="0100"；e<=”0010”;f=”01”； when s3 = d=”1001"；e<=”0100"f="10”; when s4 = d<=”0010”;e=”0100"；f<="11”; end case；end proce

38、ss；end keep_arc；計時模塊:-time module-library ieee；use ieee.std_logic_1164。all；use ieee。std_logic_unsigned。all；entity time is port（a,b，k:in std_logic； c ：in std_logic_vector（1 downto 0）； d,e,f，g ：out std_logic_vector（3 downto 0)； j，h ：out std_logic)； end time；architecture time_arc of time is signal l，m，

39、n,p：std_logic_vector(3 downto 0）； begin process（a，b，k） begin if（k='0')thenl<="0101”;m=”0010"；n="0000”；p="0010”;通電后賦初值 else if（aevent and a='1）then if（b=1）thenl=l;m<=m;n=n;p=p;-有緊急情況時，計時停止 else if(n=”0001” and p="0000"）thencase c is 當(dāng)東西方向倒計時到0時，重新賦值，并產(chǎn)生

40、使能信號控制交通燈的狀態(tài) when ”00" =n="0101"p=”0000”；j=1； when ”01"=>n="0101"p<=”0010”;j<='1； when ”11”=n=”0000"p=”0010”；j<=1； when "10"=>n=”0000"p<=”0010”；j=1； when others =>null; end case; elsej<='0；-計時未到0時，輸出使能信號為0 if（n=”0000”a

41、nd p/=”0000”）thenn<="1001"；p=p-1;-當(dāng)各位倒計時到0，而十位沒到0時十位減一,個位賦9 else n=n1; -否則，各位減一end if； end if； if（l=”0001”and m=”0000"）then-當(dāng)南北方向倒計時到0時，重新賦值，并產(chǎn)生使能信號控制交通燈的狀態(tài) case c is when ”00"=l="0000”;m<=”0010”；h<=1; when ”01”=>l=”0000”;m="0010"h<=1； when ”10"=l=”0101”;m=”000