数字电路课程设计：交通信号灯控制器设计

数字电子技术课程实验报告数字电子技术课程设计报告交通信号灯控制器设计学院：电气与信息工程学院专业：电气工程及其自动化班级：电自0808班 姓名：李振明 20080711112 徐 林 20080840123 周星星 20080711126 包晓红 20080711202 指导老师：黎福海 苏娟1. 绪论1.1 课程设计背景随着科技的进步和城市化进程的加快，城市交通越来越成为一个重要的问题，特别是当城市交通基础设施建设滞后于汽车产业增长的时候，问题便会变得更加凸出。目前，全国大中城市都普遍存在着道路堵塞日趋加重，交通事故频繁，环境污染加剧等问题；而交通事故的频发给人们的生命和财产安全带来了极大的威胁。因此，如何有效解决城市交通问题不仅是摆在城市管理者面前的一个重要课题，更是摆在全社会面前的一道难题。究其根本，原因在于城市交通系统本身的落后和相应的管理机制的不适应。其中，城市交通控制系统（UTC ，Urban Traffic Control System）应该是现代城市智能交通系统（IDJ ，Intelligent transport system）的一个重要组成部分，而路口信号控制器又在其中担当了重要角色。各种交通控制方案，最终都要由路口信号控制器来实现。因此，对于IDJ而言，采用智能控制的路口信号控制器是必然的。而EDA技术发展和应用领域的不断扩大与深入为利用EDA技术来解决这些问题提供了可能。利用FPGA的集成度高、通用性好、设计灵活、编程方便等特点，能够极大地缩短电路的体积，提高电路的稳定性，利用先进的开发环境使设计的周期大大缩短。本文采用FPGA控制信号灯，使用VHDL语言编程，控制交通灯的状态的转换，并利用软件进行仿真和下载，从而实现系统的设计。1.2 课程设计目的a.掌握十字路口带指向型交通灯控制的基本原理，并能够使用VHDL语言编写程序,进一步对所学的EDA知识进行掌握与实际应用。b. 熟悉Altium Designer软件的基本操作和运行环境，学会在该软件环境下对编写的文件进行仿真。c.锻炼自己获取信息、分析实际问题的能力和能够独立自主地思考和解决问题的能力。2. 系统分析与总体方案2.1系统分析 通过分析可知，所要设计的十字路口交通灯控制电路要能够使南北、东西各四个灯（红、黄、绿左指向、绿前&右指向），四个灯能够按顺序依次亮灭。而且要求绿灯转红灯之前要先转黄灯亮5秒，红灯灭后可以直接转绿灯（四种灯的循环顺序如图1所示）。还要求四种灯的点亮时间能够以倒计时的形式显示出来。可以用VHDL语言合理设计系统功能，使红黄绿灯的转换有一个准确的时间间隔和转换顺序。考虑到白天和夜间的路况亦即交通状况有所不同，故而我们采取了分情况的处理方法，即通过开关来做到白天模式和夜间模式的切换；另外，我们考虑到：如果碰到事故或者是其他非常规情况发生，所有路口都必须禁止通行，以为路口中央留出空间。故整个程序我们设置了三种模式：白天模式、夜间模式和紧急模式。由于紧急模式下，所有路口的灯全部亮起红灯且无倒计时，故只列出白天模式和夜间模式下状态的转换示意图。白天模式：东西向：左黄05s；其余禁止南北向：全红灯05s东西向：全红灯70s南北向：绿灯40s；左转禁止东西向：左绿20s；其余禁止南北向：全红灯25s东西向：全红灯30s南北向：黄灯05s；左转禁止东西向：黄灯05s；左转禁止南北向：全红灯30s东西向：全红灯25s南北向：左绿20s；其余禁止东西向：绿灯20s；其余禁止南北向：全红灯50s东西向：全红灯05s南北向：左黄05s；其余禁止图1 白天模式下交通灯的状态切换夜间模式：东西向：左黄05s；其余禁止南北向：全红灯05s东西向：全红灯40s南北向：绿灯20s；左转禁止东西向：左绿10s；其余禁止南北向：全红灯15s东西向：全红灯20s南北向：黄灯05s；左转禁止东西向：黄灯05s；左转禁止南北向：全红灯20s东西向：全红灯15s南北向：左绿10s；其余禁止东西向：绿灯15s；其余禁止南北向：全红灯35s东西向：全红灯05s南北向：左黄05s；其余禁止图2 夜间模式下交通灯的状态切换2.2 整体的设计方案 根据设计要求和系统所具有功能，并参考相关的文献资料经行方案设计画出如下所示的设计总体方案，框图如下图所示：LED显示扫描显示模块交通灯控制及计时模块时钟源图3 交通灯控制系统的模块划分3. 硬件电路设计3.1 主电路图图4 交通灯控制系统主电路图图4所示为主电路图，主要包括两个大模块：LCD显示模块和主控制模块。3.2 主控制模块及其功能图5 交通灯主控制模块主控制模块的器件图如右图所示，它的功能是接收来自CP的脉冲和CM、R和SWITCH三个状态的信息，在确定所处状态的同时将对应的亮灯状态和倒计时数字在内置CLK满足时送出端口。CM信号用以区别是正常状态还是紧急状态；在CM有效下，SWITCH信号用以区分是白天还是夜间；而R则是上电复位信号。另外，由于器件直接与10M的FPGA原始晶振相连接，因此在器件内部还有一个内置时钟CLK。该时钟对CP采取6000000分频处理，并以此作为状态切换的标志：当CLK出现上升沿时，对应数据改变一次，并输出对应数据。3.3 LCD数据前期处理模块及其功能图6 交通灯LCD数据前期处理模块LCD数据前期处理模块的器件图如右图所示，它的功能是接收来自CP、R的信号和来自主控制程序的信息，在内置CLK满足条件时执行扫描与赋值，并将对应的LCD模块数据送出端口。CP信号是时钟脉冲；R是上电复位信号，其余信号均来自主控制程序。另外，由于器件直接与10M的FPGA原始晶振相连接，因此在器件内部还有一个内置时钟CLK。该时钟对CP采取65535分频处理，并以此作为扫描和赋值行为开始的标志：当CLK出现上升沿时，扫描执行一次，并向LCD送出对应数据。3.4 LCD数据后期处理模块图7 交通灯LCD数据后期处理模块 这一块器件是Autium Designer的自带器件，在FPGA Peripherals.IntLib和FPGA NB1 Port-Plugin.IntLib器件库中可以找到。4. 实验程序设计4.1 主控制模块-交通灯主控制程序- 1.设置环境为十字路口- 2.四个方向左指向前&右指向灯、红灯和黄灯各一- 3. 6000000分频以达到近似秒脉冲计时效果- 4.具备紧急/白天/夜间三模式，且复位后可任意切换。LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL; -库调用entity JTD is port (CPIN,R ,SWITCH,CM:IN STD_LOGIC; SN,SWNE,EW,WNES :OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); EWRYG,SNRYG,SWNERYG,WNESRYG :OUT STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0) );end entity;-器件名称：JTD- 端口及其作用：- CPIN: 时钟脉冲输入 R: 复位信号输入- SWITCH: 白天/夜间模式切换信号输入- CM: 正常/紧急模式切换信号输入- SN: 南北向倒计时输出- SWNE: 南北向左指灯倒计时输出- EW: 东西向倒计时输出- WNES: 东西向左指灯倒计时输出architecture JGT of JTD isSIGNAL CTEW,CTSN,CTSWNE,CTWNES: STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);SIGNAL CPCT: INTEGER RANGE 0 TO 6000000;SIGNAL CP: STD_LOGIC;TYPE STATES IS (S0,S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7);SIGNAL S: STATES;-实体名称：JGT- 端口及其作用：- CTSN: 南北向倒计时影子信号- CTSWNE: 南北向左指灯倒计时影子信号- CTEW: 东西向倒计时影子信号- CTWNES: 东西向左指灯倒计时影子信号- CP: 内置时钟信号 CPCT: CP脉冲计时信号- S: 状态切换变量，仅能取S0S7共8个值。BEGINPROCESS(CPIN,R)BEGINIF R=1 THENCPCT=6000000;ELSIF CPIN=1 AND CPIN EVENT THEN IF CPCT=0 THEN CPCT=6000000;CP=NOT CP; ELSE CPCT=CPCT-1; END IF;END IF;END PROCESS;-延时进程- 作用：为主进程提供合适频率的激励。- 采用6000000分频以保证数据有充足的显示时间。PROCESS(SWITCH,CM,CP,R)BEGINIF CM=0 THEN-CM=0表明是正常模式，紧急模式是CM=1IF SWITCH=1 THEN-SWITCH=1表明是白天模式。各状态赋初值如下：- SN SWNE EW WNES-S0:G40 R70 00-S1:Y05 R30-S2: 00 G20 R25-S3: Y05 R05-S4:R50 00 G20-S5:R30 Y05-S6:R25 00 G20-S7:R05 Y05IF R=1 THENS=S0;CTSN=X28;CTEW=X46;CTWNES=X00;CTSWNE=X00;SNRYG=001;EWRYG=100;SWNERYG=100;WNESRYGIF CTSN=X01 THEN S=S1;CTSN=X05;CTEW=X1E;SNRYG=010;EWRYG=100;SWNERYG=100;WNESRYG=100; ELSE CTSN=CTSN-1;CTEWIF CTSN=X01 THENS=S2;CTEW=X19;CTSN=X00;CTSWNE=X14;SWNERYG=001;EWRYG=001;WNESRYG=100;SNRYG=100; ELSE CTSN=CTSN-1;CTEWIF CTSWNE=X01 THEN S=S3;CTSWNE=X05;CTEW=X05; SWNERYG=010;EWRYG=100;WNESRYG=100;SNRYG=100; ELSE CTSWNE=CTSWNE-1;CTEWIF CTSWNE=X01 THENS=S4;CTSN=X32;CTSWNE=X00;CTEW=X14;SNRYG=100;EWRYG=001;SWNERYG=100;WNESRYG=100; ELSE CTSWNE=CTSWNE-1;CTEWIF CTEW=X01 THEN S=S5;CTSN=X1E;CTEW=X05;SNRYG=100;EWRYG=010;SWNERYG=100;WNESRYG=100; ELSE CTSN=CTSN-1;CTEWIF CTEW=X01 THEN S=S6;CTSN=X19;CTWNES=X14;CTEW=X00;SNRYG=100;WNESRYG=001;SWNERYG=100;EWRYG=100; ELSE CTSN=CTSN-1;CTEWIF CTWNES=X01 THEN S=S7;CTSN=X05;CTWNES=X05; SNRYG=100;EWRYG=010;SWNERYG=100;WNESRYG=100; ELSE CTSN=CTSN-1;CTWNESIF CTWNES=X01 THEN S=S0;CTSN=X28;CTEW=X46;CTWNES=X00;SNRYG=001;EWRYG=100;SWNERYG=100;WNESRYG=100; ELSE CTSN=CTSN-1;CTWNESNULL;END CASE;END IF;ELSIF SWITCH=0 THEN-SWITCH=0表明是夜间模式。各状态赋初值如下：- SN SWNE EW WNES-S0:G20 R R40 R00-S1:Y05 R R20 R-S2: 00 G10 R15 R-S3: Y05 R05 R-S4:R35 R00 G15 R-S5:R20 R Y05 R-S6:R15 R R00 G10-S7:R05 R R Y05IF R=1 THENS=S0;CTSN=X14;CTEW=X28;CTWNES=X00;CTSWNE=X00;SWNERYG=100;WNESRYG=100;SNRYG=001;EWRYGIF CTSN=X01 THEN S=S1;CTSN=X05;CTEW=X14; SNRYG=010;EWRYG=100;SWNERYG=100;WNESRYG=100; ELSE CTSN=CTSN-1;CTEWIF CTSN=X01 THEN S=S2;CTEW=X05;CTSN=X00;CTSWNE=X0F;SWNERYG=001;EWRYG=100;SNRYG=100;WNESRYG=100; ELSE CTSN=CTSN-1;CTEWIF CTSWNE=X01 THEN S=S3;CTSWNE=X05;CTEW=X05; SWNERYG=010;EWRYG=100;SNRYG=100;WNESRYG=100; ELSE CTSWNE=CTSWNE-1;CTEWIF CTSWNE=X01 THEN S=S4;CTSN=X23;CTSWNE=X00;CTEW=X0F;SNRYG=100;EWRYG=001;SWNERYG=100;WNESRYG=100; ELSE CTSWNE=CTSWNE-1;CTEWIF CTEW=X01 THEN S=S5;CTSN=X14;CTEW=X05; SNRYG=100;EWRYG=010;SWNERYG=100;WNESRYG=100; ELSE CTSN=CTSN-1;CTEWIF CTEW=X01 THENS=S6;CTSN=X0F;CTEW=X00;CTWNES=X0A;SNRYG=100;WNESRYG=001;SWNERYG=100;EWRYG=100; ELSE CTSN=CTSN-1;CTEWIF CTWNES=X01 THEN S=S7;CTSN=X05;CTWNES=X05; SNRYG=100;EWRYG=100;SWNERYG=100;WNESRYG=010; ELSE CTSN=CTSN-1;CTWNESIF CTWNES=X01 THENS=S0;CTSN=X14;CTEW=X28;CTWNES=X00;SNRYG=001;EWRYG=100;SWNERYG=100;WNESRYG=100; ELSE CTSN=CTSN-1;CTWNESNULL;END CASE;END IF;END IF;ELSIF CM=1THEN-CM=1表明是紧急模式，各方向亮起红灯并终止倒计时CTSN=X00 ;CTEW=X00;CTSWNE=X00 ;CTWNES=X00;EWRYG=100;SNRYG=100;WNESRYG=100;SWNERYG=100 ;END IF;END PROCESS;-主进程- 作用：配合激励产生数据- 采用16进制计数，需要在输出前进行转换PROCESS(CTEW,CTSN,CTSWNE,CTWNES)BEGINIF CTEWX0A THEN EW=CTEW; -当数据不大于09时，直接输出ELSIF CTEWX14 THEN EW=CTEW+6; -当数据在0A14之间时，数据加6输出 -例如：0A+06=10（16进制运算）ELSIF CTEWX1E THEN EW=CTEW+12;ELSIF CTEWX28 THEN EW=CTEW+18;ELSIF CTEWX32 THEN EW=CTEW+24;ELSIF CTEWX3C THEN EW=CTEW+30;ELSIF CTEWX46 THEN EW=CTEW+36;ELSE EW=CTEW+42;END IF;IF CTSNX0A THEN SN=CTSN;ELSIF CTSNX14 THEN SN=CTSN+6;ELSIF CTSNX1E THEN SN=CTSN+12;ELSIF CTSNX28 THEN SN=CTSN+18;ELSIF CTSNX32 THEN SN=CTSN+24;ELSIF CTSNX3C THEN SN=CTSN+30;ELSIF CTSNX46 THEN SN=CTSN+36;ELSE SN=CTSN+40;END IF;IF CTSWNEX0A THEN SWNE=CTSWNE;ELSIF CTSWNEX14 THEN SWNE=CTSWNE+6;ELSIF CTSWNEX1E THEN SWNE=CTSWNE+12;ELSIF CTSWNEX28 THEN SWNE=CTSWNE+18;ELSIF CTSWNEX32 THEN SWNE=CTSWNE+24;ELSIF CTSWNEX3C THEN SWNE=CTSWNE+30;ELSE SWNE=CTSWNE+36;END IF;IF CTWNESX0A THEN WNES=CTWNES;ELSIF CTWNESX14 THEN WNES=CTWNES+6;ELSIF CTWNESX1E THEN WNES=CTWNES+12;ELSIF CTWNESX28 THEN WNES=CTWNES+18;ELSIF CTWNESX32 THEN WNES=CTWNES+24;ELSIF CTWNESX3C THEN WNES=CTWNES+30; ELSE WNES=CTWNES+36;END IF;END PROCESS;END JGT;4.2 LCD显示模块-交通灯LCD显示模块- 1.与FPGA Peripherals库中的LCD16X2A元件相对应- 2.采用65535分频作为扫描脉冲LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;entity JTDLCD is port (CPIN,R,BUSY : IN STD_LOGIC; EW,SWNE,WNES,SN:IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); EWRYG,SWNERYG,WNESRYG,SNRYG:IN STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0); CLK,RST,STROBE,OUTLINE : OUT STD_LOGIC; DATA : OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); ADDR : OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0) ); -器件名称：JGT -端口及其作用： - S: 状态切换变量 CPIN: CP脉冲输入信号 - SN: 南北向倒计时数据输入信号- SWNE: 南北向左指灯倒计时数据输入信号- EW: 东西向倒计时数据输入信号- WNES: 东西向左指灯倒计时数据输入信号- R: 复位输入信号 BUSY: 状态控制信号（忙/闲） - SNRYG: 南北向亮灯状态输入信号- SWNERYG: 南北向左指灯亮灯状态输入信号- EWRYG: 东西向亮灯状态输入信号- WNESRYG: 东西向左指灯亮灯状态输入信号- CLK: 内置时钟输出信号 RST: 系统空闲标志位- STROBE: 输出使能信号 OUTLINE: 字符显示行数- DATA: 输出数据缓存单元 ADDR: 字符显示列数end entity;architecture JGT of JTDLCD is TYPE STATES IS (S0,S1,S2,S3,S4); SIGNAL S: STATES; SIGNAL LCDPT : INTEGER RANGE 0 TO 24; SIGNAL CPCT : INTEGER RANGE 0 TO 65535; SIGNAL CP: STD_LOGIC; SIGNAL ASCEW,ASCSWNE,ASCWNES,ASCSN:STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); -实体名称：JGT -端口及其作用： - LCDPT指针: 范围从0到24 CPCT: CP脉冲计时信号 - ASCSN: 南北向倒计时ASCII码输出影子信号- ASCSWNE: 南北向左指灯计时ASCII码输出影子信号- ASCEW: 东西向倒计时ASCII码输出影子信号- ASCWNES: 东西向左指灯计时ASCII码输出影子信号- S: 状态切换变量 CP: 内置时钟信号beginPROCESS(CPIN,R) -延时进程BEGINCLK=CPIN;IF R=1 THEN CPCT=65535;ELSIF CPIN=1 AND CPIN EVENT THEN IF CPCT=0 THEN CPCT=65535;CP=NOT CP; ELSE CPCT=CPCT-1; END IF;END IF;END PROCESS;PROCESS(CP,R) -状态转换主进程BEGIN IF R=1 THEN S=S0;LCDPT=0;RSTS=S1;LCDPT=0;RSTRST=0;STROBE=0; IF BUSY=0 THEN LCDPT=LCDPT+1; IF LCDPT=13 THEN S=S3; ELSE SS=S1;STROBESTROBE=0; IF BUSY=0 THEN IF LCDPT=24 THEN LCDPT=13; ELSE LCDPT=LCDPT+1; END IF; SSTROBE=1;S NULL;END CASE;END IF;END PROCESS;PROCESS(LCDPT)-显示进程触发条件：LCDPT指针移位BEGINCASE LCDPT ISWHEN 0 =NULL;-接下来对应的12种情况是显示各个方向的名称的。由于-这些字符的显示在整个程序中不被改变，因此这样的字-符被称作“静态字符”，在指针移位的同时，DATA亦被-赋值为相应字符的ASCII码，同时，所在显示屏的行和-列也将被同时送出。WHEN 1= -SDATA=01010011; -待显示字符的ASCII码ADDR=0001; -显示字符所在的列OUTLINE -NDATA=01001110;ADDR=0010;OUTLINE -SDATA=01010011;ADDR=0100;OUTLINE -NDATA=01001110;ADDR=0101;OUTLINE -DATA=00111100;ADDR=0110;OUTLINE -DATA=00101101;ADDR=0111;OUTLINE -EDATA=01000101;ADDR=1000;OUTLINE -WDATA=01010111;ADDR=1001;OUTLINE -EDATA=01000101;ADDR=1011;OUTLINE -WDATA=01010111;ADDR=1100;OUTLINE -DATA=00111100;ADDR=0110;OUTLINE -DATA=00101101;ADDR=0111;OUTLINE=0; -相当于：第一行（OUTLINE=0）的显示为：SNSN-EWWNDATA=ASCSN;ADDR=0001;OUTLINEDATA=0011&SN(7 DOWNTO 4);ADDR=0010;OUTLINEDATA=0011&SN(3 DOWNTO 0);-0011&SN(7 DOWNTO 4)不是表示做逻辑与运算-而是表示高四位是0011，低四位是SN变量的高四位ADDR=0011;OUTLINEDATA=ASCSWNE;ADDR=0100;OUTLINEDATA=0011&SWNE(7 DOWNTO 4);ADDR=0101;OUTLINEDATA=0011&SWNE(3 DOWNTO 0);ADDR=0110;OUTLINEDATA=ASCEW;ADDR=1000;OUTLINEDATA=0011&EW(7 DOWNTO 4);ADDR=1001;OUTLINEDATA=0011&EW(3 DOWNTO 0);ADDR=1010;OUTLINEDATA=ASCWNES;ADDR=1011;OUTLINEDATA=0011&WNES(7 DOWNTO 4);ADDR=1100;OUTLINEDATA=0011&WNES(3 DOWNTO 0);ADDR=1101;OUTLINE NULL;END CASE;END PROCESS;PROCESS(EWRYG)BEGINCASE EWRYG ISWHEN 100 =ASCEWASCEWASCEW NULL;END CASE;END PROCESS;- EN向亮灯状态显示进程。对应的灯亮即输出对应字母ASCII码。PROCESS(SNRYG)BEGINCASE SNRYG ISWHEN 100 =ASCSNASCSNASCSN NULL;END CASE;END PROCESS;PROCESS(SWNERYG)BEGINCASE SWNERYG ISWHEN 100 =ASCSWNEASCSWNEASCSWNE NULL;END CASE;END PROCESS;PROCESS(WNESRYG)BEGINCASE WNESRYG ISWHEN 100 =ASCWNESASCWNESASCWNES NULL;END CASE;END PROCESS;end architecture JGT;5. 程序仿真与分析5.1 仿真结果图8 主程序仿真波形图（部分）利用Altium软件对本程序进行编译，生成了可以进行仿真定时分析以及下载到可编程器件的相关文件。仿真结果如图8所示。5.2 仿真结果分析通过设定CM、SWITCH、R和时钟等信号的值，就可以得到如上所示的仿真波形图。由仿真波形图可以看出：波形是由CPIN初值信号触发而显示出各个状态的。CM高电平信号输入时，所有交通灯都变为红灯状态（符合任务书的要求）。由仿真波形图还可以清楚的看出各时间段每个交通灯的状态。首先，要得到正确的仿真波形图就必须对程序进行改动，即删除计数分频进程。如果CPIN值设置的分频数太大，则交通灯状态变化太慢，显示屏变化不明显，反之，如果CPIN值设置的分频太小，则交通灯状态转换太快，显示屏的显示根本看不清楚；其次，所有变量的初值都需要在最开始（上电复位）时就预先设定。如果没有这些初值，程序在初始阶段运行时就可能会出现错误，而无法得到我们想要的仿真图；最后，所有的状态都需要检测，需要在TESTBENCH文件中均设置对应信号的变化来检验。5.3硬件运行结果 将程序下载到实验板上，液晶显示屏能正确显示各方向上面的控制信号。经过硬件测试达到了设计要求，实现了交通灯控制器的基本功能。6. 心得体会转眼间为期两周的课程设计就这么结束了。虽然做出来了这样一个带转向控制的交通灯，也许对于那些熟悉我的人来说，这个成果根本算不上什么。但我想说