PLD交通灯控制器设计报告.docx
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PLD交通灯控制器设计报告.docx
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PLD交通灯控制器设计报告
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QuartusII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VerilogHDL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,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VerilogHDL语言进行设计编程,利用CycloneEP1C6Q240C8芯片和一些外围器件组成硬件电路,利用QUARTUSII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CycloneEP1C6Q240C8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
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:
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:
moduleclk_div(clk,set,out);
inputclk,set;
outputout;
regout;
reg[23:
0]count;//进行计数
parameterN=2000000;
always@(posedgeclk)//clk=2MHz
begin
if(!
set)
begin
count=0;
out=0;
end
else
begin
if(count begin count=count+1; end else begin out=~out;//得到1Hz的方波 count=0; end end end endmodule 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 25s 1 红 30s 4 黄 5s 2 红 4 红 21s 4 绿 16s 1 红 4 黄 5s 2 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: moduletraffic(CLK,RST,C,LAMPA,LAMPB,ACOUNTH,ACOUNTL,BCOUNTH,BCOUNTL); output[3: 0]ACOUNTH,ACOUNTL,BCOUNTH,BCOUNTL; output[2: 0]LAMPA,LAMPB; inputCLK,RST,C; reg[2: 0]LAMPA,LAMPB; reg[7: 0]numa,numb; reg[3: 0]ACOUNTH,ACOUNTL,BCOUNTH,BCOUNTL; always@(posedgeCLKorposedgeRST) begin if(RST)//进行复位 begin LAMPA<=1;//主干道始为绿灯 LAMPB<=4;//乡村道路为红灯 numa<=8'b00100101;//主干道计时25秒 numb<=8'b00110000;//乡村道路计时为30秒 end else begin //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))begin numa<=8'b11111111;//显示’’——”主干道处于畅行无阻状态 numb<=8'b11111111; 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<=8'b00000101;//黄灯设置为5秒 numb<=8'b00000101; LAMPA<=2; LAMPB<=4; end //其他情况倒计时 else begin if(numa[3: 0]==0&&numa[7: 4]) begin numa[3: 0]<=4'b1001; numa[7: 4]<=numa[7: 4]-1; end else begin numa[3: 0]<=numa[3: 0]-1; end if(numb[3: 0]==0&&numb[7: 4]) begin numb[3: 0]<=4'b1001; numb[7: 4]<=numb[7: 4]-1; end else begin numb[3: 0]<=numb[3: 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) begin numa<=8'b00100001;//设置主干道红灯21秒 numb<=8'b00010110;//设置乡道绿灯16秒 LAMPA<=4; LAMPB<=1; end else begin numa[3: 0]<=numa[3: 0]-1; numb[3: 0]<=numb[3: 0]-1; end end //主干道红灯,乡村道路绿灯 if(LAMPA==4&&LAMPB==1) begin if(C==0)//跳过乡道绿灯时间 begin numa<=8'b00000101; numb<=8'b00000101; LAMPA<=4; LAMPB<=2; end else begin if(numb==1&&C==1) begin numa<=8'b00000101; numb<=8'b00000101; LAMPA<=4; LAMPB<=2; end else begin if(numa[3: 0]==0&&numa[7: 4]) begin numa[3: 0]<=4'b1001; numa[7: 4]<=numa[7: 4]-1; end else begin numa[3: 0]<=numa[3: 0]-1; end if(numb[3: 0]==0&&numb[7: 4]) begin numb[3: 0]<=4'b1001; numb[7: 4]<=numb[7: 4]-1; end else begin numb[3: 0]<=numb[3: 0]-1; end end end end //主干道红灯,乡村道路黄灯 if(LAMPA==4&&LAMPB==2) begin if(numa==1) begin numa<=8'b00100101;// numb<=8'b00110000; LAMPA<=1; LAMPB<=4; end else begin numa[3: 0]<=numa[3: 0]-1; numb[3: 0]<=numb[3: 0]-1; end end end ACOUNTH<=numa[7: 4]; ACOUNTL<=numa[3: 0]; BCOUNTH<=numb[7: 4]; BCOUNTL<=numb[3: 0]; end endmodule 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 moduledecode4_7(decodeout,indec); output[7: 0]decodeout; input[3: 0]indec; reg[7: 0]decodeout; always@(indec) begin case(indec)//进行译码 4'd0: decodeout<=8'b00000011; 4'd1: decodeout<=8'b10011111; 4'd2: decodeout<=8'b00100101; 4'd3: decodeout<=8'b00001101; 4'd4: decodeout<=8'b10011001; 4'd5: decodeout<=8'b01001001; 4'd6: decodeout<=8'b01000001; 4'd7: decodeout<=8'b00011111; 4'd8: decodeout<=8'b00000001; 4'd9: decodeout<=8'b00001001; 4'd15: decodeout<=8'b11111101;//显示“——” default: decodeout<=8'bx; endcase end endmodule 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,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; LAMPA[2],LAMPA[1],LAMPA[0]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; LAMPB[2],LAMPB[1],LAMPB[0]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QuartusII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。
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- PLD 交通灯 控制器 设计 报告