交通灯控制器
——数字系统设计报告
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一． 实验目的
1.基本掌握自顶向下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 Quartus II等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
我所选择的课题是用Verilog HDL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。
（7）要求显示时间，倒计时。 交通灯控制器框图如下： CSETRSTCLK交通灯控制器MRMYMGCRCYCG主干道计数器
乡村公路计数器显示显示（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。）
T1=1MGCR1C==1T0 MRCYC=0C=T21=1MYCR
MRCGT1=1
三．设计方案
本交通灯控制系统设计利用Verilog HDL语言进行设计编程，利用Cyclone EP1C6Q240C8芯片和一些外围器件组成硬件电路,利用QUARTUS II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Cyclone EP1C6Q240C8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. 四、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：
交通灯控制器 （jiaotongdeng） 系统工作模块 (traffic1) 设计文件如下： 1. 低层文件
八段译码模块 (decode4_7) 分频模块 (blk1) （1）系统工作模块（traffic1）如下：
traffic1CLKrstcLAMPA[2..0]LAMPB[2..0]TAH[3..0]TAL[3..0]TBH[3..0]TBL[3..0]
inst5
功能：该模块完成对输入信号CLK,rst,c的处理，实现交通灯控制的主要功能。 源程序：
module traffic1(CLK,rst,c,LAMPA,LAMPB,TAH,TAL,TBH,TBL);
output[3:0] TAH,TAL,TBH,TBL;//TAH,TAL分别表示主干道倒计时的高位和低位，TBH,TBL表示乡村道路倒计时的高位和低位
output[2:0] LAMPA,LAMPB;//从高位到低位分别表示红，黄，绿 input CLK,rst,c;
reg[7:0] numa,numb,s1,s2;//numa,numb分别表示主干道和乡村道路的倒计时；s1用来表示主干道最短通车时间是否已到，到了s1=1；s2用来表示乡村道路最长通车时间是否已到，到了s2=1
reg[3:0] TAH,TAL,TBH,TBL; reg[2:0] LAMPA,LAMPB;
always @(posedge CLK or posedge rst ) //该进程控制主道方向的四种灯 begin
if(rst)//重置 begin
LAMPA =1;LAMPB =4; //重置情况视乡村道路无车，主干道一直通行 numa = 8'b00100000;//主干道计时20秒 numb = 8'b00100101; //乡村道路计时25秒 end else begin
if(LAMPA==1) //主干道绿灯亮 begin
if(numa==1&&c==0&&s1) //主干道最短通车时间已到，但乡村道路没车 begin
numa=1;//倒计时停在1秒 LAMPA=1;//保持在主干道绿灯 end
else if(numa==1&&c==1&&s1)//主干道最短通车时间没到，并且乡村道路有车 begin //主干道变黄灯倒计时变成5秒
s1=0; LAMPA =2;
numa = 8'b00000110;//为了配合时钟设置为6秒 end else begin
if(numa[3:0] == 0 && numa[7:4]) //逢十时
begin
numa[3:0] = 9;
numa[7:4] = numa[7:4] - 1;
end else
if(numa[7:0] && numa[3:0])
begin
numa[3:0] = numa[3:0] - 1; end
if (numa==0)
begin //主干道变黄灯倒计时变成5秒
LAMPA =2;
numa = 8'b00000110;//为了配合时钟设置为6秒 end end
end
if(LAMPA==2) //假如主干道是黄灯 begin
if(numa[3:0] == 0 && numa[7:4]) //开始主干道黄灯的倒计时
begin
numa[3:0] = 9;
numa[7:4] = numa[7:4] - 1;
end else
if(numa[7:0] && numa[3:0]) begin
numa[3:0] = numa[3:0] - 1; end
if(numa[7:0]==0) //黄灯倒计时时间到 begin
if(c) //乡村道路有车
begin //主干道变红灯，倒计时变成16秒 LAMPA =4;
numa =8'b00010111; //为了配合时钟设置为17秒 end else if(!c) begin s1=1; LAMPA =1;
numa = 8'b00000001;//主干道计时1秒 end end end
if(LAMPA==4&&c)//假如主干道是红灯并且乡村道路有车 begin
if(numa[3:0] == 0 && numa[7:4]) //开始主干道红灯的倒计时
begin
numa[3:0] = 9;
numa[7:4] = numa[7:4] - 1;
end else
if(numa[7:0] && numa[3:0])
begin
numa[3:0] = numa[3:0] - 1; end
if(numa==0)//红灯倒计时到
begin //主干道变绿灯，倒计时变成20秒 LAMPA =1;
numa =8'b00100000; end end
if(LAMPA==4&&!c&& numa>5)//假如主干道是红灯并且乡村道路无车并且倒计时时间大于5米秒，使主干道倒计时变成5秒
begin //主干道仍是红灯，倒计时变成5秒 numa =8'b00000110; end
if(LAMPA==4&&!c&& numa<7) begin
if(numa[3:0] == 0 && numa[7:4]) //开始主干道5秒的倒计时
begin
numa[3:0] = 9;
numa[7:4] = numa[7:4] - 1;
end else
if(numa[7:0] && numa[3:0])
begin
numa[3:0] = numa[3:0] - 1; end
if(numa==0)//5秒倒计时到
begin //主干道变绿灯，倒计时变成20秒 LAMPA =1;
numa =8'b00100000; end end
if(LAMPB==4) //乡村道路红灯亮 begin //开始乡村道路红灯的倒计时 if(c==0&&numb==1) numb=1; if(c==1&&numb==1&&s2==1) begin numb=5; s2=0; end else begin
if(numb[3:0] == 0 && numb[7:4]) //逢十时
begin
numb[3:0] = 9;
numb[7:4] = numb[7:4] - 1;
end else
if(numb && numb[3:0])
begin
numb[3:0] = numb[3:0] - 1; end
if(numb==0) //红灯时间到 begin if(c)
begin //乡村道路变绿灯，倒计时变11秒 LAMPB =1;
numb =8'b00010010; end else if(!c) begin LAMPB =4;
numb = 8'b00000001; //乡村道路计时1 s2=1;//s置为1； end end end end
if(LAMPB==1&&c) //假如乡村道路是绿灯并且乡村道路有车并且倒计时大于五秒 begin
if(numb[3:0] == 0 && numb[7:4]) //开始乡村道路绿灯的倒计时
begin
numb[3:0] = 9;
numb[7:4] = numb[7:4] - 1;
end else
if(numb && numb[3:0]) begin
numb[3:0] = numb[3:0] - 1; end
if(numb==0) //绿灯倒计时时间到
begin //乡村道路变黄灯，倒计时变成5秒 LAMPB =2;
numb =8'b00000110; end end
if(LAMPB==1&&!c) //假如乡村道路是绿灯并且乡村道路无车 begin //绿灯变黄灯，倒计时变成5秒 LAMPB =2;
numb =8'b00000110; end
if(LAMPB==2) //假如乡村道路是黄灯 begin
if(numb[3:0] == 0 && numb[7:4]) //开始乡村道路黄灯的倒计时
begin
numb[3:0] = 9;
numb[7:4] = numb[7:4] - 1;
end else
if(numb && numb[3:0]) begin
numb[3:0] = numb[3:0] - 1; end
if(numb==0) //黄灯倒计时时间到
begin //乡村道路变红灯，倒计时变成25秒 LAMPB =4;
numb =8'b00100101; end end end
TAH=numa[7:4]; TAL=numa[3:0]; TBH=numb[7:4]; TBL=numb[3:0]; end endmodule
仿真结果：
对该模块进行仿真，考虑各种情况，结果如下： 1）乡村道路一直没车，即c=0：
可以看到主干道是绿灯20秒，黄灯5秒，然后变成绿灯，倒计时停在1秒，乡村道路一直是红灯，倒计时从25一直到1停止。 2）乡村道路开始没车，T时间后（T<25秒）有车来：
从图中可以看出主干道绿灯20秒后变成黄灯，5秒后变成红灯，16秒后又变成绿灯，乡村道路红灯25秒后变成绿灯，11秒后变成黄灯，5秒后又变成红灯。符合设计要求。
3）乡村道路开始没车，T时间后（T>25秒）有车来：
从图中可以看到开始时c=0，主干道绿灯20秒后变成黄灯，5秒后由于没车又变成绿灯，倒计时停在1，乡村道路红灯25秒后变成绿灯，倒计时停在1。c变成1后，主干道变成黄灯倒计时5秒，之后变成红灯，乡村道路红灯倒计时5秒后变成绿灯，再后面的变化同情况2。 4）当乡村道路为绿灯时c变成0：
可以看到，当乡村道路为绿灯，c变成0时，乡村道路立刻变成黄灯，倒计时5秒后变成红灯，而主干道红灯倒计时5秒后变成绿灯。 （2）八段译码模块（decode4_7）如下：
decode4_7indec[3..0]decodeout[7..0]inst7
功能：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。 源程序：
module decode4_7(decodeout,indec); output[7:0] decodeout; input[3:0] indec; reg[7:0] decodeout; always @(indec) begin
case(indec) //用case 语句进行译码，小数点始终不亮 4'd0:decodeout=8'b00000011; 4'd1:decodeout=8'b; 4'd2:decodeout=8'b00100101; 4'd3:decodeout=8'b00001101; 4'd4:decodeout=8'b; 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; default: decodeout=8'bx;
endcase end endmodule
仿真结果：
从图中可以看到输入0~9，输出与之对应的八段码，结果正确。 （3）分频模块（blk1）如下：
blk1clksetoutinst8
功能：由于实验箱提供的是2MHZ的时钟信号，为了得到1HZ的时钟信号，要对输入时钟信号进行2000000分频。得到合适的时钟信号。set信号可以控制系统的起始及终止。 源程序：
module blk1(clk,set,out); input clk,set; //基频与使能 output out; //分频后的输出 reg out;
reg[23:0] count1,count2;//count1用于记录时钟总数,count2用于记录经过了多少个时钟周期
always @ (posedge clk)
begin end
if(set)
begin
count1 = 1000000;//实际下载时改成500000，方便看到结果
count1 = count1 - 1; end
count2 = 0; out = 0;
else
begin end
if(count2 < count1)
begin end
count2 = count2 + 1;
else
begin end
out = ~out; count2 = 0;
endmodule
仿真结果：
由于2000000分频看不出仿真结果，这里改成4分频。如图，当set信号有一个正跳变之后，out才开始有输出。而之后set为高电平时，out停止产生时钟信号，相当于起到暂停的作用。另外，可以看出out的频率是clk的1/4，实现了4分频。 2．顶层文件
交通灯控制器（jiaotongdeng）：由三个底层模块构成，结构图如下：
仿真结果：
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。 五、管脚绑定
clk绑定到晶振时钟信号，设定管脚号为28；
rst,c,set分别绑定到三个乒乓开关，这里设定管脚号分别为139，138，137；
LAMPA[0],LAMPA[1],LAMPA[2]分别绑定到绿灯，黄灯，红灯上，这里设定管脚号分别为221，204，233；
LAMPB[0],LAMPB[1],LAMPB[2]分别绑定到绿灯，黄灯，红灯上，这里设定管脚号分别为206,186,222;
TAH[0]~TAH[7], TAL[0]~TAL[7],TBH[0]~TBH[7] ,TBL[0]~TBL[7]分别绑定到四个数码管上，管脚号这里就不一一赘述。 六、编译下载，验证结果。
实验结果分析：c为乡村道路信号，当c=0时，即乡村道路无车，主干道经过绿灯20秒，黄灯5秒，此时若c=1，则变成红灯，倒计时变成16秒，否则，又回到绿灯，倒计时停在1；乡村道路经过红灯25秒，此时若c=1，则变成绿灯，倒计时变成11秒，否则仍为红灯，倒计时停在1秒。如果开始时c=0，经过一段时间后有车来，假设此时主干道通行时间已经超过最短通行时间25秒，则主干道变黄灯，倒计时5秒后变红灯，乡村道路红灯倒计时5秒后变绿灯。假设乡村道路绿灯时，c=0，则不管乡村道路倒计时有没有到1都变黄灯，5秒后变红灯，主干道倒计时5秒后变绿灯。
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。 七、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，还有主干道和乡村道路的倒计时显示。
八、实验心得
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