交通燈控制器設計

1、學號： 成績： 河北聯(lián)合大學電氣工程學院綜合性課程設計報告交通燈控制器設計專 業(yè)：電子科學與技術班 級：_ 11電技班 _ 姓 名：_ 張_指導教師：_2015年1月9日交通燈控制設計作者：張桂明摘要:本次課設是目的是通過Verilog_HDL語言對交通燈控制的設計,是同學們熟悉并掌握EDA技術、培養(yǎng)綜合應用數(shù)字電子技術、EDA設計工具、HDL語言等各領域知識的能力、提高設計能力和實際操作能力。本課題是利用Verilog_HDL語言自頂而下的設計方法設計交通的控制系統(tǒng)，并通過Quartus和ModelSim完成綜合、仿真，對FPGA芯片進行編譯下載。把程序下載到FPGA芯片后，由于生成的是集成

2、電路，所以故障率低、可靠性高、體積比較小，可應用于實際的交通燈控制系統(tǒng)中，使其實現(xiàn)道路交通的快速正常運轉。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展、EDA技術隨之出現(xiàn)，本課題說明了EDA技術在數(shù)字電路設計中的優(yōu)越性。關鍵詞：Verilog_HDL FPGA 交通燈控制器 硬件描述語言1、簡介 1.1課程設計的目的和內容用Verilog HDL語言設計實現(xiàn)一個交通燈控制器電路：十字路口A方向和B方向各設紅、黃、綠和左拐四盞燈，兩個方向各種燈亮的時間能夠進行設置和修改，此外，假設A方向是主干路，車流量大，因此A方向通行的時間應比B方向長；四盞燈按合理的順序亮滅，并能將燈亮的時間以倒計時的形式顯示出來。每個方向四種

3、燈依次按如下順序點亮，并不斷循環(huán)：綠燈黃燈左拐燈黃燈紅燈，并且每個方向紅燈亮的時間應該與另一方向綠、黃、左拐、黃燈亮的時間相等。黃燈所起的作用是用來在綠燈和左拐燈后進行緩沖。在本課程設計中，著重培養(yǎng)學生的如下能力：熟悉EDA技術概況。培養(yǎng)綜合應用數(shù)字電子技術、EDA設計工具、HDL語言等各領域知識的能力。提高設計能力和實際操作能力，使學生能夠獨立完成具有一定難度的數(shù)字電子系統(tǒng)的設計，并鍛煉動手實踐能力。1.2 Verilog語言簡介Verilog HDL是一種硬件描述語言（HDL:Hardware Description Language），以文本形式來描述數(shù)字系統(tǒng)硬件的結構和行為的語言，用它

4、可以表示邏輯電路圖、邏輯表達式，還可以表示數(shù)字邏輯系統(tǒng)所完成的邏輯功能。 Verilog HDL和VHDL是世界上最流行的兩種硬件描述語言，都是在20世紀80年代中期開發(fā)出來的。前者由Gateway Design Automation公司（該公司于1989年被Cadence公司收購）開發(fā)。兩種HDL均為IEEE標準。1.3 Verilog HDL 的設計流程1）文本編輯：用任何文本編輯器都可以進行，也可以用專用的 HDL 編輯環(huán)境。通常 Verilog HDL 文件保存為 .v 文件。 2）功能仿真：將文件調入 HDL 仿真軟件進行功能仿真，檢查邏輯功能是否正確（也叫前仿真，對簡單的設計可以跳

5、過這一步，只有在布線完成之后，才進行時序仿真） 。 3）邏輯綜合：將源文件調入邏輯綜合軟件進行綜合，即把語言綜合成最簡的布爾表達式。邏輯綜合軟件會生成 .edf （ EDIF ）的 EDA 工業(yè)標準文件。 （最好不用 MAX+PLUS II 進行綜合，因為只支持 VHDL/Verilog HDL 的子集） 4）布局布線：將 .edf 文件調入 PLD 廠家提供的軟件中進行布線，即把設計好的邏輯安放到 CPLD/FPGA 內。 5）時序仿真：需要利用在布局布線中獲得的精確參數(shù)，用仿真軟件驗證電路的時序也叫后仿真。2、總體設計每個方向四種燈依次按如下順序點亮，并不斷循環(huán)：綠燈黃燈左拐燈黃燈紅燈，并

6、且每個方向紅燈亮的時間應該與另一方向綠、黃、左拐、黃燈亮的時間相等。黃燈所起的作用是用來在綠燈和左拐燈后進行緩沖，以提醒行人及駕駛員該方向上要禁行了；信號燈變換次序為：A主干道 每次放行 40 秒，亮 5 秒黃燈讓行駛中的車輛有時間停到禁行線外，左拐放行 15 秒，亮 5 秒黃燈；支干道放行 30 秒，亮 5 秒黃燈，左拐放行 15 秒，亮 5 秒黃燈.，各計時電路位倒計時顯示。圖1 設計流程圖根據(jù)系統(tǒng)的功能要求， 可分為四個部分來實現(xiàn)， 分別是定時模塊， 主控電路， 譯碼驅動電路和掃描顯示幾部分。 分頻部分是把外部提供的 1Hz 進行分頻得到系 統(tǒng)工作需要的工作脈沖，顯示部分包括兩個內容，一

7、個是主干道紅綠燈顯示，另 一個是支干道紅綠燈顯示。然后將紅綠燈顯示時間以 BCD 碼形式顯示出來，顯示 模塊將其譯碼輪流掃描顯示 4 具有四種信號燈的交通燈控制器設計如圖2交通信號燈控制器系統(tǒng)工作流程 （1）主干道放行亮綠燈 40 秒，支干道紅燈顯示 65 秒； (2)主干道綠燈轉黃燈 5 秒，支干道紅燈顯示 25 秒(3)主干道黃燈轉左拐 15 秒，支干道紅燈顯示 20 秒； (4)主干道左拐轉紅燈 55 秒，支干道綠燈顯示 30 秒； (5)主干道紅燈顯示 25 秒，支干道綠燈轉黃燈 5 秒； (6)主干道紅燈顯示 20 秒，支干道黃燈轉左拐 15 秒； (7)主干道亮紅燈 5 秒，支干道

8、左拐轉黃燈 5 秒；(8)依次循環(huán)跳到主干道，紅綠燈重新計時圖2 設計電路圖道紅綠燈顯示；輸出部分為七段譯碼顯示和位選碼 MS，數(shù)碼管顯示的是交 通信號燈轉換時間。3、實驗方法3.1仿真平臺簡介Mentor公司的ModelSim是業(yè)界最優(yōu)秀的HDL語言仿真軟件，它能提供友好的仿真環(huán)境，是業(yè)界唯一的單內核支持VHDL和Verilog混合仿真的仿真器。它采用直接優(yōu)化的編譯技術、Tcl/Tk技術、和單一內核仿真技術，編譯仿真速度快，編譯的代碼與平臺無關，便于保護IP核，個性化的圖形界面和用戶接口，為用戶加快調錯提供強有力的手段，是FPGA/ASIC設計的首選仿真軟件。主要特點:RTL和門級優(yōu)化，本地

9、編譯結構，編譯仿真速度快，跨平臺跨版本仿真； 單內核VHDL和Verilog混合仿真； 源代碼模版和助手，項目管理； 集成了性能分析、波形比較、代碼覆蓋、數(shù)據(jù)流ChaseX、Signal Spy、虛擬對象Virtual Object、Memory窗口、Assertion窗口、源碼窗口顯示信號值、信號條件斷點等眾多調試功能； C和Tcl/Tk接口，C調試；對SystemC的直接支持，和HDL任意混合； 支持SystemVerilog的設計功能；對系統(tǒng)級描述語言的最全面支持，SystemVerilog，SystemC，PSL； ASIC Sign off。可以單獨或同時進行行為（behaviora

10、l）、RTL級、和門級（gate-level）的代碼。3.2仿真步驟1） 點開file，選擇new，點擊project，來創(chuàng)建一個新工程。2） 在彈出的對話框中輸入工程名和庫名稱，這里直接采用默認庫work，輸入的工程名為“testtraffic”，輸入完畢后點擊ok完成。3） 在彈出的對話框中選中AddExistingFile按鈕，找到文件存儲的路徑“modelsim”點擊ok。同時兩個程序文件處會有兩個問號。4）右鍵點擊空白處，選擇其中的Compile選項，會出現(xiàn)一系列的編譯方式。最常用的是前兩個，即編譯選中文件Compile Selected。同時兩個程序文件處的問號變?yōu)閷μ枴?） 選中

11、Simulate，選擇第二個start Simulation。在彈出的對話框中選擇work里的testtraffic并且去掉左下角的對號，點擊ok。6） 右鍵點擊testtraffic模塊，選中Add，然后Add to Wave。這時會出現(xiàn)一個新窗口：wave-default。這里就是觀察信號變化的區(qū)域，在仿真沒有運行時，輸出的信號均為空，快捷鍵中有Run-All按鈕進行仿真。4、 仿真步驟 圖3 仿真結果示意圖如圖3所示，我們看出看出主干道紅燈亮的時間等于支路綠燈，黃燈，左轉燈，黃燈亮的時間之和，同時支路紅燈亮的時間等于主干道綠燈，黃燈，左轉燈，黃燈亮的時間之和。本設計中設定A方向紅、綠、黃

12、、左拐燈亮的時間分別為55秒、40秒、5秒和15秒，B方向紅、綠、黃、左拐燈亮的時間分別為:65秒、30秒、5秒和15秒，該系統(tǒng)滿足我們的設計需求。5、 結論 通過本次課設,是我從一個verilog HDL編程語言的菜鳥逐漸升級為一個感興趣的初學者. 體驗到了細心對一個編程者的重要性， 和程序的規(guī)范性對于程序的重要性在verilog語言中，我們必須注意其與C語言的異同，比如格式和變量定義，還有模塊的調用，和時鐘信號的應用。還有，verilogHDL設計語言是一門很好的硬件描述語言， 可以直白的描述實際的電路， 實際的系統(tǒng)模型， 易懂而且易于實現(xiàn)，我覺得在以后多加練習，可以對以后的學習和工作帶來

13、莫大的幫助。通過做熊老師的課程設計培養(yǎng)了學生綜合運用所學知識，發(fā)現(xiàn)，提出，分析和解決實際問題，鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié)，是對學生實際工作能力的具體訓練和考察過程。通過這次課程設計使我懂得了理論與實際相結合是很重要的， 只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結合起來， 從理論中得出結論，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。如果說大學的學習就像是在充實自己,那么課設的意義就是讓所學的東西充分的發(fā)揮出來,我希望大學的制度也可以從大一就開始抓起,這才是對我們學生的一次提升。在實戰(zhàn)中自由發(fā)揮,只有困難才能讓我們更加強大。參考文獻1、CPLD/FPGA 應用系統(tǒng)設計與(基礎篇) 作者

14、： 億特科技 人民郵電出版社 出版日期：2005年7月 書號：ISBN 7-115-13200-3/TP.45032、林明權.VHDL 數(shù)字控制系統(tǒng)設計范例(第一版)M北京：電子工業(yè)出版社；3、楊曉慧.電子技術 EDA 實踐教程（第一版）M，北京：國防工業(yè)出版社；附錄module aa(clk,rst,LAMPA,ledcom,data_out);output7:0 LAMPA ,ledcom,data_out;input clk,rst;reg7:0numa,ledcom;reg tempa ,i;reg3:0 data_in;reg3:0counta;reg7:0ared,ayellow,

15、agreen;reg7:0LAMPA,data_out;reg 24:0 c, k,c1;reg clk1s;reg clk_100;reg19:0 cnt2;always (posedge clk )beginif(c=12500000)beginc=0;clk1s=clk1s;endelsec=c+1;endalways (posedge clk )begincnt2=cnt2+1;if(cnt2=100000)beginclk_100=clk_100;cnt2=0;endendalways(posedge clk1s or negedge rst )/該模塊控制東西方向的三種燈if(!r

16、st)LAMPA=8b00001001;elsebeginayellow=8b00000110;agreen=8b00000111;if(!tempa)begintempa=1;if(counta = 0)beginnuma=agreen;LAMPA=8b00100001;/南北方向通綠燈亮東西方向紅燈亮counta=counta+1;endif(counta = 1)beginnuma=ayellow;LAMPA=8b00010001;/南北方向黃燈亮東西方向紅燈亮counta=counta+1;endif(counta = 2)beginnuma=ayellow；LAMPA=8b00000

17、001;/南北方向黃燈滅東西方向紅燈亮counta=counta+1;endif(counta = 3)beginnuma=ayellow;LAMPA=8b00010001;/南北方向黃燈亮東西方向紅燈亮counta=counta+1;endif(counta = 4)beginnuma=agreen;LAMPA=8b00001100;/南北方向紅燈亮東西方向綠燈亮counta=counta+1;endif(counta = 5)beginnuma=ayellow;LAMPA=8b00001010;/南北方向紅燈亮東西方向黃燈亮counta=counta+1;endif(counta = 6)

18、beginnuma=ayellow;LAMPA=8b00001000;/南北方向紅燈亮東西方向黃燈滅counta=counta+1;endif(counta = 7)beginnuma=ayellow;LAMPA=8b00001010;/南北方向紅燈亮東西方向黃燈亮counta=0;endendelsebegin/倒計時模塊if(numa)beginif(numa=0)begintempa=0;endelsebeginif(numa7:4=4b0000)beginnuma3:0=4b1111;numa7:4= numa7:4-4b0001;endelsenuma3:0=numa3:0-4b0001;endendendend/always (posedge clk_