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1、数字系统设计报告交通灯控制器一 实验目的1.基本掌握自顶向下的模块化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 设计要求我在本课程中所选择的课题是用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
2、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。要求显示时间，倒计时。 交通灯控制器框图如下：（C表示乡村道路是否有车到来，1表示有，
3、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。） 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 EP
4、1C6Q240C8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。三、设计流程分频模块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：系统工作模块交通灯控制器八段译码模块设计文件如下：1. 底层模块（1）分频模块： 该模块的功能是将实验箱提供的2MHz的时钟信号，经过分频得到1Hz的时钟信号作为系统工作模块的时钟。其中set信号控制系统的暂停和开始。源程序如下：module clk_div(c
5、lk,set,out);input clk,set; output out;reg out;reg23:0 count; /进行计数parameter N=2000000;always (posedge clk)/clk=2MHzbeginif(!set)begincount = 0;out = 0;endelsebeginif(count N/2-1)begincount = count + 1;endelsebeginout = out;/得到1Hz的方波count = 0;endendendendmodule为方便仿真把N的值改为2,仿真波形如下图：（2）系统工作模块：该模块中RET信号
6、 为复位信号（RET=1时进行复位），C表示有无车辆（C=1表示乡村公路上有车辆），LAMPA控制主干道信号灯的亮灭，LAMPB控制乡村公路信号灯的亮灭，ACOUNTH输出主干道信号倒计时的十位数，ACOUNTL输出主干道信号倒计时的个位数，BCOUNTH输出乡村公路信号倒计时的十位数，BCOUNTL输出主干道信号倒计时的个位数。当乡村道路上有车时信号灯有四个状态进行循环，图下表所示;主干道乡村公路信号状态信号时间LAMPA值信号状态信号时间LAMPB值绿25s1红30s4黄5s2红4红21s4绿16s1红4黄5s2当乡村道路上无车时，如果当前主干道状态为绿灯，倒计时结束之后显示器显示“”，表
7、示畅行无阻（若当前状态为“”，则乡道上出现车时，主干道黄灯5秒开始倒计时）；若当前主干道状态为上表中第三个状态就直接跳转到第四个状态，具体代码如下：module traffic(CLK,RST,C,LAMPA,LAMPB,ACOUNTH,ACOUNTL,BCOUNTH,BCOUNTL);output3:0ACOUNTH,ACOUNTL,BCOUNTH,BCOUNTL;output2:0LAMPA,LAMPB;input CLK,RST,C;reg2:0LAMPA,LAMPB;reg7:0numa,numb;reg3:0ACOUNTH,ACOUNTL,BCOUNTH,BCOUNTL;always
8、(posedge CLK or posedge RST)beginif(RST) /进行复位beginLAMPA=1; /主干道始为绿灯LAMPB=4; /乡村道路为红灯numa=8b00100101; /主干道计时25秒numb=8b00110000; /乡村道路计时为30秒endelsebegin/主干道始为绿灯 乡村道路为红灯if(LAMPA=1&LAMPB=4) begin/乡道无车，主干道绿灯计时结束或正处于畅行无阻状态 if(numa=1&C=0)|(&numa)=1&C=0) beginnuma=8b11111111; /显示” 主干道处于畅行无阻状态numb=8b1111111
9、1; LAMPA=1;LAMPB=4; end else begin/乡道有车，主干道绿灯计时结束或正处于畅行无阻状态if(numa=1&C=1)|(&numa)=1&C=1) /begin numa=8b00000101;/黄灯设置为5秒 numb=8b00000101; LAMPA=2; LAMPB=4;end/其他情况倒计时else begin if(numa3:0=0&numa7:4) beginnuma3:0=4b1001;numa7:4=numa7:4-1; end else begin numa3:0=numa3:0-1; end if(numb3:0=0&numb7:4) be
10、ginnumb3:0=4b1001;numb7:4=numb7:4-1; end else begin numb3:0=numb3:0-1; end end end end /主干道黄灯，乡村道路红灯if(LAMPA=2&LAMPB=4) begin if(numa=1) beginnuma=8b00100001;/设置主干道红灯21秒numb=8b00010110; /设置乡道绿灯16秒LAMPA=4;LAMPB=1; end elsebeginnuma3:0=numa3:0-1;numb3:0=numb3:0-1;endend/主干道红灯，乡村道路绿灯 if(LAMPA=4&LAMPB=1
11、) beginif(C=0) /跳过乡道绿灯时间beginnuma=8b00000101;numb=8b00000101;LAMPA=4;LAMPB=2;endelsebeginif(numb=1&C=1) beginnuma=8b00000101;numb=8b00000101;LAMPA=4;LAMPB=2;endelse beginif(numa3:0=0&numa7:4)beginnuma3:0=4b1001;numa7:4=numa7:4-1;endelsebegin numa3:0=numa3:0-1;end if(numb3:0=0&numb7:4)beginnumb3:0=4b
12、1001;numb7:4=numb7:4-1;endelsebeginnumb3:0=numb3:0-1;endendendend/主干道红灯，乡村道路黄灯if(LAMPA=4&LAMPB=2) beginif(numa=1)beginnuma=8b00100101;/numb=8b00110000;LAMPA=1;LAMPB=4;endelsebeginnuma3:0=numa3:0-1;numb3:0=numb3:0-1;endendendACOUNTH=numa7:4;ACOUNTL=numa3:0;BCOUNTH=numb7:4;BCOUNTL=numb3:0;end endmodul
13、e仿真波形：乡道一直有车时：乡道无车时：（3）八段译码模块：该模块的功能是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module decode4_7(decodeout,indec);output7:0 decodeout; input3:0 indec; reg7:0 decodeout;always (indec)begin case(indec) /进行译码 4d0:decodeout=8b00000011; 4d1:decodeout=8b10011111;4d2:decodeout=8b00100101;4d3:decodeout=8b00001101;
14、4d4:decodeout=8b10011001;4d5:decodeout=8b01001001;4d6:decodeout=8b01000001;4d7:decodeout=8b00011111;4d8:decodeout=8b00000001;4d9:decodeout=8b00001001;4d15:decodeout=8b11111101;/显示“”default: decodeout=8bx; endcaseendendmodule仿真波形：2. 顶层文件仿真图形：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。四、管脚绑定clk绑定到晶振时钟信号，设定管脚号为28；c,
15、rst,set分别绑定到三个乒乓开关，这里设定管脚号分别为137，138，139；LAMPA2 ,LAMPA1 ,LAMPA0分别绑定到红灯，黄灯，绿灯上，这里设定管脚号分别为233，204，221；LAMPB2 ,LAMPB1 ,LAMPB0分别绑定到另一组红灯，黄灯，绿灯上，这里设定管脚号分别为228,202,220；ACOUNTH，ACOUNTL,BCOUNTH，BCOUNTL分别绑定到四个数码管上。五、编译下载把程序下载到芯片中测试实际结果是否正确。实验结果：1.RET复位之后主干道为绿灯（25），乡村道路为红灯（30）。2.主干道为绿灯，乡村道路为红灯：若此时乡村道路无车，主干道绿灯
16、计时结束之后，倒计时显示“”一直持续到乡道上有车为止才变为主干道为黄灯，乡村道路为红灯；若乡道有车主干道绿灯计时结束之后为主干道为黄灯（5），乡村道路为红灯（5）。3. 主干道为黄灯，乡村道路为红灯：计时结束后主干道为红灯（21），乡道为绿灯（16）。4. 主干道为红灯，乡村道路为绿灯：若此时乡道上有车，乡村道路计时结束后主干道为红灯（5），乡道为黄灯（5）；若此时乡道上无车，不等计时结束状态转为主干道为红灯（5），乡村道路为黄灯（5）。5. 主干道为红灯，乡村道路为黄灯：计时结束后主干道为绿灯（25），乡村道路为红灯（30）。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。六、实
17、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及主干道和乡村道路的倒计时显示。在编写程序的过程中，我强烈的意识到模块化设计该编程带来很大的便利。首先你得理清思路，要是下哪些功能，把他们分模块实现，作为底层，最后再把这些底层文件连接起来形成顶层文件。程序的难度在于逻辑，首先你把程序的格式及常用语句搞明白，只要你的逻辑思路清楚，程序很容易就写出来了。该程序分为三个模块：1.分频模块，实际中倒计时间隔为1s，这就需要分频得到1Hz的时钟信号；2.系统工作模块来控制信号灯的现实及倒计时数字的输出；3.八段译码模块来显示系统工作模块输出地倒计时数字。通过本次实验我基本掌握自顶向下的电子系统设计方法，学会使用PLD和得到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，提高了独立分析问题、解决问题的能力，感觉颇有收获。
