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1、西北工业大学FPGA实验报告学 院： 软件与微电子学院 学号： 2011303596 姓名： 杨清山 专 业： 微电子学 实验时间： 2013/11/11 实验地点： 毅字楼335 指导教师： 韩兵 西北工业大学2013 年 11 月大作业 设计一个交通灯信号控制电路一、实验目的及要求实验目的：通过交通灯的设计与仿真综合，体会复杂时序的实现方法，学会用框图表示程序的设计思想，掌握中小规模集成电路的系统综合设计方法。实验要求：设计一个交通灯信号控制电路。具体要求为：输入为50MHz的时钟和复位信号，输出为红、绿、黄三个信号（高电平为亮）。复位信号（高电平）有效，红、绿、黄灯灭；接着进行如下循环：
2、绿灯亮1分钟，黄灯闪烁10秒，红灯亮1分钟。在此基础上再加两个数码管，对倒计时的数显示。二、实验设备（环境）及要求 实验EDA工具为: 预装了Synplify Pro 9.6.2和ModelSim SE 6.2b的PC机。三、实验内容与步骤1.设计思路概述总体上分为三个大模块，即：顶层模块、分频模块、控制模块、译码显示模块。作用如下：顶层及控制模块：此模块做例化，和控制，是本程序的主体，对底层的分频模块和译码显示模块进行例化，并且做控制设计。控制设计如下： 采用同步时序逻辑。包括一个循环计数器，三个比较器，always 控制。 通过分频后的CLK1新号（1Hz），进行对一个循环变量“k”的周期
3、为130的循环，进而控制三个灯的控制；具体循环为：clk1每进行一次跳变，k值减1；当K=0时，重新复值为129。 通过比较器，每个灯的条件不同，当129=k=70时绿灯亮,69=k=60黄灯闪烁,59=k=0红灯亮。 对于数码管输出，当129=k=70时，数码管个位输出=(k-70)%10，十位输出为(k-70-个位)/10；当69=k=60数码管个位输出=(k-60)%10，十位输出为(k-60-个位)/10，当59=k=0时，数码管个位输出=k%10十位输出为(k-个位)/10。分频模块： 分频模块用以把输入的50MHz的信号转换为1Hz信号，便于其后的交通灯控制及数码管输出。译码模块：
4、 考虑到数字显示需要两个七段译码器，且在数字系统中，数字的表示都是采用二进制，因为两个管子分别输入，所以需要把循环变量k转换为有用的十位和各位输出。为了方便，把循环变量k减去各状态的基数值后，用数学方法取十位和各位分别做输入。如绿灯时，129=k=70时，数码管个位输出=(k-70)%10，十位输出为(k-70-个位)/10。七段译码器的设计原理如图： 2.总体设计框图及说明：Clk 50Hzrstblu循环变量k1290 yel控制Clk11Hzred 图一输入：clk 全局时钟信号，50MHz rst 全局复位端，高电平有效输出：ctrl_1s 倒计时个位上数字ctrl_10s 倒计时十位
5、上数字 blu,yel,red 各个灯状态框图说明： 状态机的输入，只有时钟信号clk和复位信号reset.输出为数码管十位和个位的二进制显示状态以及三个灯的颜色显示（blu,yel,red,分别是绿黄红灯，“1”表示灯亮，“0”表示灭）。输入clk的频率很大，需要通过计数器对其进行分频。首先计数产生一个1Hz的输出，通过该输出再次循环计数，产生周期为130的计数变量，从而控制各个灯的亮灭。而控制黄灯闪烁的分频，为方便起见，仍以1s为单位，每秒钟改变一次。用if嵌套语句来控制三灯亮与灭，同时间接地进行倒计时的过程，输出个位和十位上的数，直接用两个七段译码显示倒计时数。Rst信号是清零用的，为“
6、1”时，三个信号灯及循环变量k复位置“0”。 流程图开始输入50MHzclk1:1Hz循环变量k计数70k12960k69blu=1yel=yelred=10k59 图四显示输出3.时序说明： 整段程序共有四个状态：初始状态、绿灯状态、黄灯状态、红灯状态。 如果有rst的“1”状态，则要进行清零，恢复到初始状态；这是在控制模块的计数器会清零，倒计时不再进行，三个灯都是灭的状态， Rst为“1”状态跳转为初始状态的，等待着清零结束，开始工作；此时七段译码也不会显示。 清零结束后，系统开始正常工作。首先是分频时钟开始工作，此时循环变量开始循环，绿灯亮60s，译码器开始显示倒计时的输出，直到k=70
7、。当循环变量k=69时，黄灯闪烁10s，同时译码倒计时,直到k=60；当循环变量k=59时，红灯亮，同时译码倒计时直到k=0。至此一个周期已经完成，沿此过程循环进行，直到reset信号的出现。初始K=K-1绿灯状态K69K0使K=129K=K-1黄灯状态红灯状态K=K-1K59 图二4.模块设计框图、相关时序本程序分为三个模块，顶层模块、控制模块、译码模块，各模块的设计框图以及相关时序说明如下：顶层及控制模块框图顶层控制译码显示块分频 图三输入：clk 全局时钟信号，50MHz rst 全局复位端，高电平有效输出：led1 个位七段译码 led10 十位七段译码 时序说明：加上时钟信号之后，首
8、先用reset清零，然后分频模块会分频产生分频时钟clk1，根据分频时钟的高与低，进而进行变量循环，然后会控制3个状态之间的跳转，译码显示模块会同步通过数码管来显示倒计时数；灯控信号blu,yel,red同时输出对交通灯的控制。分频模块： 输入50MHz的信号，rst为“1”时，计数器j置“0”，并在以后每经历一个系统时钟周期时加1，知道k=49999999时，clk1=clk1，同时k=0.到此分频完成。（在实际代码编写中，为了代码的精简，此模块已经集成入顶层及控制模块）J=49999999计数器显示计数clk 50MHz clk=clk rst 图四译码显示模块：输入端口： din_1s
9、显示器个位数据，由控制模块输入 din_10s 显示器十位数据，由控制模块输入输出端口： led_data_1s 显示器个位数据的译码 led_data_10s 显示器十位数据的译码时序说明： 此模块接受主模块输出的个位和十位的数值控制，并间接受（系统时钟）clk(50MHz) 和（全局复位）rst,及分频时钟clk1的控制，均为上升沿触发，当 rst 为高电平时，电路复位，重新开始工作。当rst为低电平时，电路正常。5.仿真及综合结果表1 仿真结果信号解释说明信号解释备注clk系统时钟, 50MHz为了方便，这里取2nsblu,yel,red最终三灯状态分别绿红灯，“1”为亮“0”为灭k循环
10、计数变量用以状态判断控制led10倒计时十位七段译码数码管十位显示led1倒计时个位七段译码数码管个位显示out1倒计时个位上的数字控制模块的输出out10倒计时十位上的数字控制模块的输出rst系统控制变量高电平有效上图中blu,yel,red,三个信号反映的绿黄红交通灯的状态，其中包括绿灯亮60秒，黄灯以2HZ为周期闪烁，红灯亮60s,总周期为130s。上图为循环控制变量的值随分频后信号从129到0的循环计数。综合结果：顶层及控制，分频模块的综合RTL级电路如图：译码显示模块的综合如下： RTL级 门级6. 代码及注释此为顶层及控制模块代码：include ./decode.vmodule
11、bulb(clk,rst,red,blu,yel,led1,led10); input clk,rst; output blu,yel,red,led1,led10; reg red,yel,blu; wire 6:0 led1; wire 6:0 led10; reg3:0 out10,out1; reg5:0 j; reg7:0 k; /j,k reg clk1; /initial begink=d129;blu=0; yel=0;red=0;/j=0;/clk1=0; end/*/这是分频部分功能实现/*?*always(posedge clk or posedge rst)begin
12、if(rst) begin clk1=0; j=0; end else if(j=4) / begin j=0; clk1=clk1; end else begin j=d70&k=d129) begin red=0; blu=d60&k=d69)begin yel=yel; /黄灯闪烁 blu=0; out1=(k-60)%10; out10=(k-60-out1)/10; endelse red=1; /yel=0; out1=k%10; out10=(k-out1)/10; endelsebegin blu=0; yel=0; red=0; enddecode d(.din_1s(out
13、1), .din_10s(out10), .led_data_1s(led1), .led_data_10s(led10);Endmodule以下是译码及显示模块代码：module decode ( din_1s, /个位输入 din_10s, / 十位输入 led_data_1s, / 数码管个位输出 led_data_10s / 数码管十位输出 );input din_1s;input din_10s;output 6:0 led_data_1s;output 6:0 led_data_10s;reg 6:0 led_data_1s;reg 6:0 led_data_10s; always
14、(din_1s) begin case(din_1s) 0 : led_data_1s = 7b0001000; 1 : led_data_1s = 7b1101101; 2 : led_data_1s = 7b0100010; 3 : led_data_1s = 7b0100100; 4 : led_data_1s = 7b1000101; 5 : led_data_1s = 7b0010100; 6 : led_data_1s = 7b0010000; 7 : led_data_1s = 7b0101101; 8 : led_data_1s = 7b0000000; 9 : led_dat
15、a_1s = 7b0000100; default : led_data_1s = 7b1111111; endcase end always(din_10s) begin case(din_10s) 0 : led_data_10s = 7b0001000; 1 : led_data_10s = 7b1101101; 2 : led_data_10s = 7b0100010; 3 : led_data_10s = 7b0100100; 4 : led_data_10s = 7b1000101; 5 : led_data_10s = 7b0010100; 6 : led_data_10s =
16、7b0010000; 7 : led_data_10s = 7b0101101; 8 : led_data_10s = 7b0000000; 9 : led_data_10s = 7b0000100; default : led_data_10s = 7b1111111; endcase endendmodule测试模块代码：timescale 1ns/1nsinclude bulb.vmodule top; reg clk,rst; wire red,blu,yel,led1,led10; /reg clk1,red,blu,yel;initialbegin rst=1; clk=1; #5
17、00 rst=0; #500 rst=1; #500 rst=0;endalways #20 clk=clk;bulb bulb(clk,rst,red,blu,yel,led1,led10);Endmodule五、 分析与讨论电路关键是在进行时序状态转换，倒计时计数，控制黄灯闪烁过程，经过分析，需要一个来判断三个灯状态的判断条件。本电路主要运用一个循环变量k，作为程序控制的灵魂，进行各个状态循环，黄灯闪烁的判断和数码管的输入。程序亮点：为了数码管的个位十位输入，把循环变量k 进行倒数计时，这样与数码管的倒计时数值一致，经过简单数学计算，就可以把每个状态的k的值换算为数码管的个位十位。这样一来，省去了为数码管单独设置的变量，化简了代码。优点：代码简单易懂。中心代码仅150多行。缺陷：由于未设定具体的状态机循环，只是运用变量k的循环控制，造成了综合时的线路繁杂以及冗余，不能完美符合Verilog语言的关注硬件的特点。但是没有任何代码是完美的，这也正是我通过此次编程学到的最大的经验。待优化：中间黄灯的闪烁频率有点过慢，时间匆忙，未能优化，若把分频频率clk1改为0.5Hz，然后循环变量k 按照clk1 每2个周期改变一次，即可实现黄灯每0.5s闪一次。六、教师评语签名：日期：成绩
