基于VerilogHDL的交通灯控制器

1、交通灯控制器专 业： 电子信息科学与技术_班 级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 黄双林 _ 摘要交通灯是城市交通监管系统的重要组成部分，对于保证机动车辆的安全运行，维持城市道路的顺畅起到了重要作用。目前很多城市交叉路口的交通灯实行的是定时控制，灯亮的时间是预先设定好的，在时间和空间方面的应变性能较差，一定程度上造成了交通资源的浪费，加重了道路交通压力。本文在EDA技术的基础上，利用FPGA的相关知识设计了交通灯控制系统，可以根据实际情况对灯亮时间进行自由调整，通过数码管显示等待时间，点阵显示运行状态，蜂鸣器提示紧急状况，很好地维护了道路的交通规则。整个设计系统通过Quartus 软件中的

2、Verilog HDL语言进行代码编写，并下载到FPGA器件中进行硬件调试，验证了设计的交通信号灯控制电路完全可以实现预定的功能，具有一定的实用性。关键字：交通灯、定时控制、FPGA、Verilog HDL一、设计原理根据交通灯循环顺序表可以得到如表1的循环状态表，遇到紧急状况的时候，这时候有东西通行、南北通行和全部禁行三种情况，紧急状态结束后条件满足的情况下状态依次往后跳转。状态东西方向南北方向时间0 红灯亮绿灯亮20s1黄灯亮绿灯亮10s2绿灯亮红灯亮20s3绿灯亮黄灯亮10s表1 交通灯循环状态表1. 方案比较方案一： 直接用GPIO口驱动双色点阵；方案二：用两块3-8译码器控制双色点阵

3、，一个控制红色，另一个控制绿色；方案三：用一块4-16选择器控制双色点阵；通过比较方案一需要24个GPIO，方案二需要14个GPIO口，而方案三只需要12个GPIO口，考虑到IO口的数量限制和资源的优化，故选择方案三,硬件部分还包括Led灯和蜂鸣器，用洞洞板搭建好了硬件电路。2.系统框架图1 状态机状态转换图随着现代生活节奏的加快，人们出门便更多地选择自家的交通工具，这无疑加大了交通流量，如何控制十字路口的红绿灯，便显得相当的重要。简单的，有效地控制红绿灯，是减小客流量，甚至减少交通事故的重要保障。而此次课题，我选择了交通灯控制电路，能熟悉 Verilog HDL 硬件描述语言在现实生活中的重

4、要意义，为以后的学习和工作打好基础。二、总体设计1. 主体结构根据确定的系统设计方案，运用模块化的设计思路，我们在Quartus II13.0软件系统中设计了整个交通灯控制器的逻辑结构。交通灯控制器包括分频模块、交通灯模块、蜂鸣器控制模块、数码管显示模块、点阵显示模块和时间调整模块。50M的系统时钟分频到1Hz、2Hz和1KHz用于计时，点阵显示当前处于哪种状态，数码管显示模块提示等待的时间，按键调整时间用于调整时间减少客流量，紧急开关用于发生突发事故是禁止车辆通行。特殊运行状态结束后，控制器恢复原来的状态，继续运行。通过各个模块程序之间的端口合理连接和协调，成功设计出交通灯控制器的电路。图2

5、 交通灯控制原理图2. 分模块的设计(1) 分频模块分频模块的功能是将50MHz的时钟频率分频到1Hz、2Hz和1KHz，输出给其他模块调用。在红绿灯交通信号系统中，大多数的情况是通过自动控制的方式指挥交通的。因此，为了避免意外事件的发生，电路必须给出一个稳定的时钟才能让系统正常的工作。因此时钟发生模块最主要的功能就是产生一些稳定的输出信号，并将其用做后面几个电路的使能控制与同步信号。always (posedge Clk)begin if(cnt1=26'd25_000_000) /分频产生1Hz时钟 begin cnt1 <= 26'd0; Clk_1Hz <=

6、 Clk_1Hz; end elsecnt1 <= cnt1+1;if(cnt2 = 15'd25000) /分频产生1KHz时钟begincnt2 <= 15'd0;Clk_1k <= Clk_1k;endelsecnt2 <= cnt2+1'b1;if(cnt3 = 23'd12_499_999) /分频产生2Hz时钟begincnt3 <= 23'd0;Clk_2Hz <= Clk_2Hz;endelsecnt3 <= cnt3+1'b1;end(2) 数码管显示模块数码管显示模块的功能是将当前倒计

7、时的数值输出显示，控制数码管显示，提示车辆应该等待的时间。always (posedge Clk_1k)begincase(Mode) /模式切换2'd0 : Time <= Time1;2'd1 : Time <= Time2;default : Time <= Time3;endcaseDel <= Del; /选择十位和个位if(Key > 3'd0)Seg <= 8'd0;elseSeg <= (Del = 2'b01) ? (segTime/10) : (segTime%10);End(3) 蜂鸣器模块

8、如果实现发生紧急事件，如救护车、警车、抢险车通过，蜂鸣器响5声关闭，特别地，全部禁行的优先级比东西禁行和南北禁行的优先级要高，可以覆盖掉这两种方式，同时蜂鸣器也会响5声关闭，可以提醒其他车辆禁止通行。always (posedge Clk_1Hz)beginif(Key >3'd0)beginif(Key0=1'b0 && Key>1'b1)Flag3 <= 1'b0;if(Flag2 < 4'd10)beginBeep <= Beep;Flag2 <= Flag2+1'b1;endelseif

9、(Key0=1'b1 && Flag3 = 1'b0)beginFlag3 <= 1'b1;Flag2 <= 4'd0;endelseFlag2 <= 4'd10;endelsebeginBeep <= 1'b0;Flag2 <= 4'd0;endend(4) 点阵模块点阵可以显示当前状态，使用的时双色点阵，正常运行时显示绿色的“PASS笑脸”字样，刹车时显示红色的“STOP哭脸”字样，模式切换时显示红色“MODE爱心”字样。always (posedge Clk_1k)beginCol &l

10、t;= Num;if(Key>3'd0 | Mode>2'd0)beginif(Key=3'd0 && Mode>2'd0)Row <= data2Num+count; /"MODE爱心" elseRow <= data1Num+count; /" STOP哭脸" if(Num >= 4'd7)Num <= 4'd0;elseNum <= Num+1'b1; endelse beginRow <= dataNum+count-8;

11、 /" PASS笑脸" if(Num = 4'd15 | Num<8)Num <= 4'd8;elseNum <= Num+1'b1; endif(cnt = 10'd200) /计数，控制点阵移屏速度begincnt <= 10'd0;if(count = 6'd47)count <= 6'd0;else count <= count+1'b1;endelsecnt <= cnt+1'b1;end(5) 按键模块第一个按键是模式切换按键，同时Led1、Led2

12、会点亮，提示时选择的是长时间，第二下是短时间，第三下恢复到正常状态。第二、三个按键分别是控制数码管显示的等待时间增加、减少。always (posedge Clk_2Hz)beginif(key2 = 1'b0) /模式切换Mode <= Mode+1'b1;if(Mode = 2'd3)Mode <= 3'd0;if(key1 = 1'b0) /时间增加if(Mode = 2'd1) /长、短时间选择if(Time2 = 8'd99)Time2 <= 8'd0;elseTime2 <= Time2+1&#

13、39;b1;elseif(Mode = 2'd2)if(Time3 = 8'd99)Time3 <= 8'd0;elseTime3 <= Time3+1'b1;if(key0 = 1'b0) / 时间减少if(Mode = 2'd1) /长、短时间选择if(Time2 = 8'd0)Time2 <= 8'd99;elseTime2 <= Time2-1'b1;elseif(Mode = 2'd2)if(Time3 = 8'd0)Time3 <= 8'd99;elseTi

14、me3 <= Time3-1'b1;end(6) 交通灯模块四个方向的Led显示运行状态，东西方向的灯对应相同，南北方向的灯对应相同。正常运行是按照交通灯规则执行，刹车开关按下时东西禁行时，东西方向红灯，南北方向绿灯；东西南北禁行时，东西方向绿灯，南北方向红灯；全禁行时，东西和南北方向都是红灯；模式切换时，Led灯熄灭。always (posedge Clk_1Hz)beginif(Key2 = 1'b1) /东西通行beginLed <= 6'b110000; /东西方向绿灯亮Led1 <= 6'b000011; /南北方向红灯亮endif(

15、Key1 = 1'b1) /南北通行beginLed <= 6'b000011; /东西方向红灯亮Led1 <= 6'b110000; /南北方向绿灯亮endif(Key0 = 1'b1) /全部禁行beginLed <= 6'b000011; /东西方向红灯亮Led1 <= 6'b000011; /南北方向红灯亮endif(Key > 3'd0) Flag <= 1'b1; /标志，用于恢复初始状态elseif(Flag = 1'b1)/恢复初始状态beginFlag <= 1&

16、#39;b0;Time1 <= Time2;Led <= 6'b110000; Led1 <= 6'b000011; endelsebeginif(Status = 2'd0) /状态0 if(Time1 = 8'd0) begin Led <= 6'b001100; /黄灯亮 Led1 <= 6'b000011; /红灯亮 Status <= 2'd1; /转到状态1 Time1 <= Time3; /短时间 end else Time1 <= Time1-1'b1;if(Stat

17、us = 2'd1) /状态1 if(Time1 = 8'd0) begin Led <= 6'b000011; /红灯亮 Led1 <= 6'b110000; /绿灯亮 Status <= 2'd2;/转到状态2 Time1 <= Time2; /长时间 end else Time1 <= Time1-1'b1;if(Status = 2'd2) /状态2 if(Time1 = 8'd0)begin Led <= 6'b000011; /红灯亮 Led1 <= 6'b00

18、1100; /黄灯亮 Status <= 2'd3;/转到状态3 Time1 <= Time3; /短时间end else Time1 <= Time1-1;if(Status=2'd3) /状态3 if(Time1 = 8'd0)beginLed <= 6'b110000; /绿灯亮Led1 <= 6'b000011; /红灯亮Status <= 2'd0; /返回状态0Time1 <= Time2;/长时间end else Time1 <= Time1-1'b1;case(Mode)2&

19、#39;d0 : Led2 <= 3'b000; /正常模式2'd1 : Led2 <= 3'b110; /长时间模式default : Led2 <= 3'b101; /短时间模式endcaseif(Mode >2'd0)beginFlag1 <= 1'b1;Led <= 6'd0;Led1 <= 6'd0;endelseif(Flag1 = 1'b1)beginFlag1 <= 1'b0;Time1 <= Time2;Led <= 6'b110

20、000; /绿灯亮Led1 <= 6'b000011; /红灯亮endendend3工程总体结构所设计的交通信号灯控制电路，主要适用于在两条干道汇合点形成的十字交叉路口，路口设计两组红绿灯分别对两个方向上的交通运行状态进行管理。所设计的这个系统的主要逻辑设计由一片型号为EP4CE115F29C7芯片完成，编写的Verilog HDL源程序在经过编译和功能仿真测试后，针对下载芯片进行管脚配置，下载到芯片中，进行相应的硬件调试，调试结果与软件仿真的结果相吻合，验证了设计完成了预定功能。基于Verilog HDL设的交通灯控制器，外围电路少、功耗低、可靠性高，便于系统功能的修改，设计效

21、率高。图3 总的电路图结构三、问题和解决方案1. 在 QuartusII 软件上进行仿真时，发现不能得到预期的效果，分析得知由于分频过大的原因，导致时序出现问题。经过同学的讨论决定在软件更改时钟信号的分频操作，问题得以解决。2. 对于 Verilog 语言的编程方面，特别在对变量给予初值时，完全不同于 C 语言编程，我们在对许多变量进行了初值设置，此后编译每每都不通过，在认真思考后，查阅了课本，发现在 Verilog HDL 编程中，不能对变量初值。我恍然大悟，在以后的编程中我们牢记住了这一点。3. 在添加数码管显示过程中现实出现混论，经过检查后发现错误是由于高位和低位由于是对引脚配置的错误导

22、致的。改正后发现显示正常。4. 因为代码的不严谨，出现了各种逻辑错误，导致实际硬件调试的时候，灯、数码管、蜂鸣器不按程序对应的要求执行，经过代码认真分析和同学讨论，解决了问题。四、总结通过本设计,我对FPGA的设计的基本流程与相关概念有了进一步的理解。我学会了用Verilog语言写分频器、按键控制、点亮LED、控制数码管和点阵的显示等。在写设计代码时，我对always块的书写有了进一步的理解和掌握。在下载到板子上的时候出现了各种问题，一边解决问题一边进步。有时候许多的错误就来源于一个小小的错误。因此，编写程序必须的十分的细心，尤其当程序比较长的时候，编程水平的高低可以在体现程序的简洁程度。多花

23、点时间是值得的，如果时间充足应该可以做的更好。这次运用专业知识做一个生活中可以用到的东西，加强了理论与实践的联系。培养了我独立思考、动手操作的能力，在做设计的时候，学会了很多学习的方法，这是日后最实用的。这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。参考文献1 全国大学生电子设计获奖作品汇编J.北京理工大学出版社，20052 康华光.电子技术基础-数字部分M.高等教育出版社，19983 谭会生等.EDA技术及应用M.西安电子科技大学出版社，200

24、14 潘松等.EDA技术实用教程M.科学出版社，2006附录：图4 实物1图5 实物2图6 实物3程序清单：/031341205 谢亮/交通灯设计module traffic (Led, Led1, Led2, Key, key, Clk, Beep, Del, Seg, Col, Row);input Clk; / 系统时钟50MHz input 2:0 Key; /紧急开关,分为东西通行,南北通行,全部禁行input 2:0 key; /调整时间,分别为模式选择,长时间,短时间output reg 2:0 Led2; /调整时间的显示模式output reg Beep; /911报警，响5

25、声后关闭output reg 7:0 Row; /点阵行控制output reg 3:0 Col; /4-16器进行列控制output reg 5:0 Led; /东西方向指示灯output reg 5:0 Led1; /南北方向指示灯output reg 1:0 Del; /共阴数码管位选output reg 7:0 Seg; /数码管段选reg 1:0 Status; /指示灯的4种状态reg 3:0 Num; /点阵计数中间变量reg 7:0 seg 9:0; /数码管初值09reg 9:0 cnt; /计数，用于控制点阵移动速度reg 26:0 cnt1; /计数，用于产生1Hz时钟r

26、eg 14:0 cnt2; /计数，用于产生1KHz时钟reg 22:0 cnt3; /计数，用于产生2Hz时钟reg 5:0 count; /计数，用于点阵移屏显示reg 3:0 Flag2; /标志状态，控制蜂鸣器reg Flag, Flag1, Flag3; /标志状态，调节或紧急刹车后恢复初始状态reg Clk_1k, Clk_1Hz, Clk_2Hz; /1KHz, 1Hz, 2Hz时钟信号reg 1:0 Mode; /正常显示、长时间、短时间三种模式切换reg 7:0 data 47:0, data1 47:0, data2 47:0; /储存字模数据reg 7:0 Time, T

27、ime1, Time2, Time3; /计数，用于数码管显示,1计数,2长时间,3短时间/初始化赋值initial begin Led = 6'b110000; /绿灯亮 Led1 = 6'b000011; /红灯亮 Time1 = 8'd20; /数码管初值Time2 = 8'd20; /长时间初值Time3 = 8'd10; /短时间初值 Del = 2'b01; /数码管位选初值seg0 = 8'b00111111; /数码管"09"seg1 = 8'b00000110; seg2 = 8'b0

28、1011011; seg3 = 8'b01001111; seg4 = 8'b01100110; seg5 = 8'b01101101; seg6 = 8'b01111101; seg7 = 8'b00000111; seg8 = 8'b01111111; seg9 = 8'b01101111; data0 = 8'h00;/点阵" PASS笑脸"data1 = 8'h00;data2 = 8'h00;data3 = 8'h00;data4 = 8'h00;data5 = 8&#

29、39;h00;data6 = 8'h00;data7 = 8'h00; /* */data8 = 8'h44;data9 = 8'h7C;data10 = 8'h54;data11 = 8'h14;data12 = 8'h14;data13 = 8'h14;data14 = 8'h08;data15 = 8'h00;/*P*/data16 = 8'h40;data17 = 8'h60;data18 = 8'h78;data19 = 8'h2C;data20 = 8'h28;d

30、ata21 = 8'h70;data22 = 8'h60;data23 = 8'h40;/*A*/data24 = 8'h00;data25 = 8'h48;data26 = 8'h54;data27 = 8'h54;data28 = 8'h54;data29 = 8'h54;data30 = 8'h24;data31 = 8'h00;/*S*/data32 = 8'h00;data33 = 8'h48;data34 = 8'h54;data35 = 8'h54;data36

31、 = 8'h54;data37 = 8'h54;data38 = 8'h24;data39 = 8'h00;/*S*/data40 = 8'h7E;data41 = 8'h91;data42 = 8'hA5;data43 = 8'hA1;data44 = 8'hA1;data45 = 8'hA5;data46 = 8'h91;data47 = 8'h7E;/*笑脸*/data10 = 8'h00;/点阵" STOP哭脸" data11 = 8'h00;data12

32、 = 8'h00;data13 = 8'h00;data14 = 8'h00;data15 = 8'h00;data16 = 8'h00;data17 = 8'h00; /* */data18 = 8'h00;data19 = 8'h48;data110 = 8'h54;data111 = 8'h54;data112 = 8'h54;data113 = 8'h54;data114 = 8'h24;data115 = 8'h00;/*S*/data116 = 8'h04;dat

33、a117 = 8'h04;data118 = 8'h44;data119 = 8'h7C;data120 = 8'h44;data121 = 8'h04;data122 = 8'h04;data123 = 8'h00; /*T*/data124 = 8'h38;data125 = 8'h44;data126 = 8'h44;data127 = 8'h44;data128 = 8'h44;data129 = 8'h44;data130 = 8'h38;data131 = 8'h

34、00; /*O*/data132 = 8'h44;data133 = 8'h7C;data134 = 8'h54;data135 = 8'h14;data136 = 8'h14;data137 = 8'h14;data138 = 8'h08;data139 = 8'h00; /*P*/data140 = 8'h7E;data141 = 8'hA1;data142 = 8'h95;data143 = 8'h91;data144 = 8'h91;data145 = 8'h95;data1

35、46 = 8'hA1;data147 = 8'h7E; /*哭脸*/data20 = 8'h00;/点阵"MODE爱心"data21 = 8'h00;data22 = 8'h00;data23 = 8'h00;data24 = 8'h00;data25 = 8'h00;data26 = 8'h00;data27 = 8'h00; /* */data28 = 8'h44;data29 = 8'h7C;data210 = 8'h0C;data211 = 8'h70;d

36、ata212 = 8'h0C;data213 = 8'h7C;data214 = 8'h44;data215 = 8'h00;/*M*/data216 = 8'h38;data217 = 8'h44;data218 = 8'h44;data219 = 8'h44;data220 = 8'h44;data221 = 8'h44;data222 = 8'h38;data223 = 8'h00;/*O*/data224 = 8'h44;data225 = 8'h7C;data226 = 8

37、'h44;data227 = 8'h44;data228 = 8'h44;data229 = 8'h44;data230 = 8'h38;data231 = 8'h00;/*D*/data232 = 8'h44;data233 = 8'h7C;data234 = 8'h54;data235 = 8'h54;data236 = 8'h54;data237 = 8'h54;data238 = 8'h44;data239 = 8'h00;/*E*/data240 = 8'h1C;d

38、ata241 = 8'h22;data242 = 8'h42;data243 = 8'h84;data244 = 8'h84;data245 = 8'h42;data246 = 8'h22;data247 = 8'h1C;/*爱心*/ end/50M系统时钟分频always (posedge Clk)begin if(cnt1=26'd25_000_000) /分频产生1Hz时钟 begin cnt1 <= 26'd0; Clk_1Hz <= Clk_1Hz; end elsecnt1 <= cnt1+1

39、;if(cnt2 = 15'd25000) /分频产生1KHz时钟begincnt2 <= 15'd0;Clk_1k <= Clk_1k;endelsecnt2 <= cnt2+1'b1;if(cnt3 = 23'd12_499_999) /分频产生2Hz时钟begincnt3 <= 23'd0;Clk_2Hz <= Clk_2Hz;endelsecnt3 <= cnt3+1'b1;end/指示灯的4种状态always (posedge Clk_1Hz)beginif(Key2 = 1'b1) /东西通

40、行beginLed <= 6'b110000; /东西方向绿灯亮Led1 <= 6'b000011; /南北方向红灯亮endif(Key1 = 1'b1) /南北通行beginLed <= 6'b000011; /东西方向红灯亮Led1 <= 6'b110000; /南北方向绿灯亮endif(Key0 = 1'b1) /全部禁行beginLed <= 6'b000011; /东西方向红灯亮Led1 <= 6'b000011; /南北方向红灯亮endif(Key > 3'd0) Fl

41、ag <= 1'b1; /标志，用于恢复初始状态elseif(Flag = 1'b1)/恢复初始状态beginFlag <= 1'b0;Time1 <= Time2;Led <= 6'b110000; Led1 <= 6'b000011; endelsebeginif(Status = 2'd0) /状态0 if(Time1 = 8'd0) begin Led <= 6'b001100; /黄灯亮 Led1 <= 6'b000011; /红灯亮 Status <= 2'

42、;d1; /转到状态1 Time1 <= Time3; /短时间 end else Time1 <= Time1-1'b1;if(Status = 2'd1) /状态1 if(Time1 = 8'd0) begin Led <= 6'b000011; /红灯亮 Led1 <= 6'b110000; /绿灯亮 Status <= 2'd2;/转到状态2 Time1 <= Time2; /长时间 end else Time1 <= Time1-1'b1;if(Status = 2'd2) /状

43、态2 if(Time1 = 8'd0)begin Led <= 6'b000011; /红灯亮 Led1 <= 6'b001100; /黄灯亮 Status <= 2'd3;/转到状态3 Time1 <= Time3; /短时间end else Time1 <= Time1-1;if(Status=2'd3) /状态3 if(Time1 = 8'd0)beginLed <= 6'b110000; /绿灯亮Led1 <= 6'b000011; /红灯亮Status <= 2'd

44、0; /返回状态0Time1 <= Time2;/长时间end else Time1 <= Time1-1'b1;case(Mode)2'd0 : Led2 <= 3'b000; /正常模式2'd1 : Led2 <= 3'b110; /长时间模式default : Led2 <= 3'b101; /短时间模式endcaseif(Mode >2'd0)beginFlag1 <= 1'b1;Led <= 6'd0;Led1 <= 6'd0;endelse if(F

45、lag1 = 1'b1) begin Flag1 <= 1'b0; Time1 <= Time2; Led <= 6'b110000; /绿灯亮 Led1 <= 6'b000011; /红灯亮 endendend/时间调整always (posedge Clk_2Hz)beginif(key2 = 1'b0) /模式切换Mode <= Mode+1'b1;if(Mode = 2'd3)Mode <= 3'd0;if(key1 = 1'b0) /时间增加if(Mode = 2'd1) /长、短时间选择if(Time2 = 8'd99)Time2 <= 8'd0;elseTime2 <= Time2+1'b1;elseif(Mode = 2'd2)if(Time3 = 8'd99)Time3 <= 8'd0;elseTime3 <=