交通灯实验报告

Xilinx FPGA实验报告

--交通灯控制器设计

院 系：专 业：班 级：姓 名：学 号：指导教师： 电子与信息工程系 通信工程

一、实验任务 1、任务名称：交通灯控制器的设计

2、设计内容与要求：

① 设计一个十字路口交通信号灯的定时控制电路。要求红、绿灯按一定的规律亮和灭，并在亮灯期间进行倒计时，并将运行时间用数码管/液晶显示出来。

② 绿灯亮时，为该车道允许通行信号，红灯亮时，为该车道禁止通行信号。要求主干道每次通行时间为99秒，支干道每次通行时间为30秒。每次变换运行车道前绿灯闪烁，持续时间为5秒。即车道要由主干道转换为支干道时，主干道在通行时间只剩下5秒钟时，绿灯闪烁显示，支干道仍为红灯，以便主干道上已过停车线的车继续通行，未过停车线的车停止通行。同理，当车道由支干道转换为主干道时，支干道绿灯闪烁显示5秒钟，主干道仍为红灯。

③ 对红、绿灯的运行时间要能比较方便的进行重新设置。 ④ 对器件进行在系统编程和实验验证。

⑤ 用VHDL语言对设计进行描述，设计一个测试方案，通过ISE对设计进行仿真验证。并能够下载到实验板上调试成功。

6 写出设计性实验报告，并打印各层次的源文件和仿真波形，然后作简要说明。

主干道 S 传感器 主干道R Y G 交通灯控制器 R Y G 支干道 S 1、ISE软件一套； 2、PC机一台。

支干道 CP S 2、补充功能与要求：

1.在主干道和支干道添加左转向灯； 2.各灯亮的时间及最后闪烁时间可调节； 3.紧急路况时，主干道和支干道都为红灯。

二、实验环境

三、设计思路

1、根据题目要求，知道整个交通灯的运行过程是周期的，所以可以设计一个总的计数器，满周期则清零；

2、将灯闪烁时间、主干道绿灯亮的时间、主干道转向灯亮的时间、支干道绿灯亮的时

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间、支干道转向灯亮的时间分别记为变量t0、t1、t2、t3、t4，通过调整它们，实现调节各灯亮的时间；

3、将所有需要显示的量由同一个信号表示并最终输出、显示在LCD上。

四、系统设计

a）系统框图

主干道R T G 交通灯控制器 R T G 支干道b）状态转换说明：主干道和支干道永远有且只有一个灯亮，紧急路况时两边红灯亮，其

余时候有且只有一个红灯亮；主干道绿灯、主干道转向灯亮、支干道绿灯、支干道转向灯依次亮，在最后t0S（默认为5S）闪烁。 c）输入输出及信号设计：

Port ( LCD_Clk : in STD_LOGIC;----50mhz时钟 reset : in STD_LOGIC:='0';--复位 sensor:in std_logic :='0';---特殊情况时，两边都是红灯 up:in std_logic :='0' ;---有效时调整时间时增大时间 down:in std_logic :='0';---有效时调整时间时减少时间 choose:in std_logic :='0';---选择调整哪一个时间 control:in std_logic :='0';---有效时可以暂停，调整时间 LCD_RS : out STD_LOGIC; LCD_RW : out STD_LOGIC; LCD_EN : out STD_LOGIC; redax,greenax ,greenay:out std_logic;--主干道的红灯和两个绿灯，greenay为

左转灯

redbx,greenbx ,greenby:out std_logic;--支干道的红灯和两个绿灯，greenby为左转灯 data : out STD_LOGIC_VECTOR (3 downto 0)); --Lcd显示 type istate is( write_instr, write_dataup4, write_datadown4, set_addrup, set_addrdown, ret_homeup, ret_homedown ); signal state:istate;

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CP RST signal cnt_clk,clk500:std_logic;---分别为1hz，500hz signal cnt:integer range 0 to 15:=0;

signal cntnumh,cntnuml:integer range 0 to 9;--输入到数码管的数字 signal countnum:integer ;---计数器

signal reda,greena,greena1,redb,greenb,greenb1:std_logic;--各交通灯对应的信? signal t:integer range 0 to 99;---要输入lcd中的数字 d）基本模块设计：

1）字符译码函数

function putc(data:character) return std_logic_vector is ---字符译码函数，将字符显示在lcd上 variable result:std_logic_vector(7 downto 0); begin case data is when 'o'=> result:=conv_std_logic_vector(111,8); when 'u'=> result:=conv_std_logic_vector(117,8); when 'C'=> result:=conv_std_logic_vector(67,8); when 'n'=> result:=conv_std_logic_vector(110,8); when 't'=> result:=conv_std_logic_vector(116,8); when 'e'=> result:=conv_std_logic_vector(101,8); when 'r'=> result:=conv_std_logic_vector(114,8); when ':'=> result:=conv_std_logic_vector(58,8); when others => result:=conv_std_logic_vector(32,8); end case; return result; end putc;

2）数字译码函数

function putn(num:in integer range 0 to 9) return std_logic_vector is ---数字译码函数，将数字显示在lcd上 variable fig:std_logic_vector(7 downto 0); begin case num is when 0=> fig:=\"00110000\"; when 1=> fig:=\"00110001\"; when 2=> fig:=\"00110010\"; when 3=> fig:=\"00110011\"; when 4=> fig:=\"00110100\"; when 5=> fig:=\"00110101\"; when 6=> fig:=\"00110110\"; when 7=> fig:=\"00110111\"; when 8=> fig:=\"00111000\"; when 9=> fig:=\"00111001\"; end case; return fig; end putn;

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3）分频，由50Mhz得到500hz，驱动lcd process(LCD_Clk)

----分频，得到500hz时钟 variable n3:integer range 0 to 49999; begin if rising_edge(LCD_Clk) then if n3<49999 then n3:=n3+1; else n3:=0; clk500<=not clk500; end if; end if; end process;

4）分频，由500hz得到1hz，作为交通灯控制器输入 process(clk500)

----分频，得到1hz时钟 variable n:integer range 0 to 249; begin if rising_edge(clk500) then if n<249 then n:=n+1; else n:=0; cnt_clk<=not cnt_clk; end if; end if; end process;

5）主要功能实现：

process(cnt_clk,reset,choose,up,down,control,t)

---实现各种要求功能，包括倒计时显示，红绿灯（含左转灯）转换，以及转换时间调整

variable m:integer range 0 to 4 ;---m表示转换的是哪一个时间（t0-t4中哪一个） variable count : natural range 0 to 99;---计数器，将正计数转换为倒计数 variable t0:integer range 0 to 99 :=5;---绿灯闪烁时间

variable t1:integer range 0 to 99 :=79;---主干道绿灯亮的时间 variable t2:integer range 0 to 99 :=20;---主干道左转灯亮的时间 variable t3:integer range 0 to 99:=20;---支干道绿灯亮的时间 variable t4:integer range 0 to 99:=10;---支干道左转灯亮的时间 begin if reset='1' then --1 ----复位，计数器清零，m，t0-t4赋初值 countnum<=0; m:=0;

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t0:=5; t1:=79; t2:=20; t3:=20; t4:=10;

elsif control='1' then--可调节时间或暂停 if rising_edge(cnt_clk) then --2 if choose ='1' then –选择t0-t4中的哪一个 3 if m=4 then --4 m:=0;---m在0-4之间循环 else m:=m+1; end if; --4 t<=m;--显示m else --choose为0时调节所选时间 3 if up='1' then --tx增大 --4 if m =0 then --调整t0，即闪烁时间，上限为7s， if t0=7 then --6 t0:=5; else t0:=t0+1; end if; --6 t<=t0;--显示t0 elsif m=1 then--调整t1，上限99s if t1=99 then --6 t1:=79; else t1:=t1+1; end if; --6 t<=t1;--显示t1 elsif m=2 then--调整t2，上限为30s if t2=30 then --6 t2:=20; else t2:=t2+1; end if; --6 t<=t2;--显示t2 elsif m=3 then --调整t3，上限为30s if t3=30 then --6 t3:=20; else t3:=t3+1; end if; --6 t<=t3;--显示t3

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elsif m=4 then--调整t4，上限为15s if t4=15 then --6 t4:=10; else t4:=t4+1; end if; --6 t<=t4;--显示t4 end if; --5 elsif down='1' then --tx减小 4 if m =0 then ----调整t0，即闪烁时间，下限为2s， if t0=2 then --6 t0:=5; else t0:=t0-1; end if; --6 t<=t0;---显示t0 elsif m=1 then----调整t1，下限为39秒 if t1=39 then --6 t1:=79; else t1:=t1-1; end if; --6 t<=t1;--显示t1 elsif m=2 then ----调整t2，下限为10s if t2=10 then --6 t2:=20; else t2:=t2-1; end if; --6 t<=t2;---显示t2 elsif m=3 then -----调整t3，下限10s if t3=10 then --6 t3:=20; else t3:=t3-1; end if;--6 t<=t3;---显示t3 elsif m=4 then----调整t4，下限8s if t4=8 then --6 t4:=10; else t4:=t4-1; end if;--6 t<=t4; --显示t4 end if; --5 end if; --4 end if; --3 end if; --2

elsif rising_edge(cnt_clk) then --此时reset=0

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if countnum=t1+t2+t3+t4 then --2记数到整周期时，记数器清零 countnum<=0; else countnum<=countnum+1; ---计数器小于整周期时，正常记数 end if; --2 if sensor='1' then --2 sensor信号有效期间，表示紧急情况两组路灯都为红灯

reda<='1'; redb<='1'; greena<='0'; greenb<='0'; greena1<='0'; greenb1<='0'; else if countnum<=t1-t0 then--3主干道绿灯亮且非闪烁，支干道红灯亮

reda<='0'; greena<='1'; greena1 <= '0'; redb<='1'; greenb<='0'; greenb1<='0'; elsif countnum<=t1 then --主干道绿灯亮且闪烁，支干道红灯亮 reda<='0'; greena<=not greena; greena1<= '0'; redb<='1'; greenb<='0'; greenb1<='0'; elsif countnum<=t1+t2-t0 then --主干道左转绿灯亮且非闪烁，支干道红灯亮

reda<='0'; greena<='0'; greena1 <= '1'; redb<='1'; greenb<='0'; greenb1<='0'; elsif (countnum<=t1+t2) then --主干道左转绿灯亮且闪烁，支干道红亮

reda<='0'; greena<='0'; greena1 <= not greena1; redb<='1';

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greenb<='0'; greenb1<='0'; elsif (countnum<=t1+t2+t3-t0) then --支干道绿灯亮且非闪烁，主干道红灯亮

reda<='1'; greena<='0'; greena1 <= '0'; redb<='0'; greenb<='1'; greenb1<='0'; elsif (countnum<=t1+t2+t3) then --支干道绿灯亮且闪烁，主干道红灯亮

reda<='1'; greena<='0'; greena1 <= '0'; redb<='0'; greenb<=not greenb; greenb1<='0'; elsif (countnum<=t1+t2+t3+t4-t0) then --支干道左转绿灯亮且非闪烁，主干道红灯亮

reda<='1'; greena<='0'; greena1 <= '0'; redb<='0'; greenb<='0'; greenb1<='1'; elsif (countnum<=t1+t2+t3+t4) then --支干道左转绿灯亮且闪烁，主干道红灯亮

reda<='1'; greena<='0'; greena1 <= '0'; redb<='0'; greenb<='0'; greenb1<=not greenb1; end if; --3 end if; --2

----下面将正计数转换为倒计数----- if countnum<=t1 then --2 count:=t1-countnum; ---主干道绿灯亮，支干道红灯亮时倒计时 elsif countnum<=t1+t2 then ---主干道左转绿灯亮，支干道红灯亮时倒计时

count:=t1+t2-countnum; elsif countnum<=t1+t2+t3 then----支干道绿灯亮，主干道红灯亮 时倒计时

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count:=t1+t2+t3-countnum; elsif countnum<=t1+t2+t3+t4 then---支干道左转绿灯亮，主干道红灯亮 时倒计时

count:=t1+t2+t3+t4-countnum; end if; --2

----上面将正计数转换为倒计数---- t<=count;---显示count end if; --1

-----以下代码为分位译码----- if t>=90 then --1 cntnumh<=9; cntnuml<=t-90; elsif t>=80 then cntnumh<=8; cntnuml<=t-80; elsif t>=70 then cntnumh<=7; cntnuml<=t-70; elsif t>=60 then cntnumh<=6; cntnuml<=t-60; elsif t>=50 then cntnumh<=5; cntnuml<=t-50; elsif t>=40 then cntnumh<=4; cntnuml<=t-40; elsif t>=30 then cntnumh<=3; cntnuml<=t-30; elsif t>=20 then cntnumh<=2; cntnuml<=t-20; elsif t>=10 then cntnumh<=1; cntnuml<=t-10; else cntnumh<=0; cntnuml<=t; end if;--1 -----以上代码为分位译码----- ---各信号赋给各输出的交通灯 greenax<=greena;----主干绿灯 greenay<=greena1;---主干左转绿灯

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greenbx<=greenb;---支干道绿灯 greenby<=greenb1;---支干道左转绿灯 redax<=reda;----主干红灯 redbx<=redb;--支干道绿灯 end process;

主要功能仿真如下：

a)、reset为1时，初始化。为0时，会从79倒计时，主干道绿灯亮，支干道红灯亮，sensor为1时，主干道和支干道都为红灯亮：

b)默认情况下倒计时到最后5S时会闪烁显示，并切换到下一状态，继续倒计时：

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c）如果reset=0且control为1时，暂停计数，此时若choose为1，则会在0-4之间循环计数，选择调节哪一个时间（t0-t4），若choose改为0，就会暂停计数：

d）此时（reset=0，control=1，choose=0）若选择down=1或up=1，则会减计数（默认值到最小值循环）或加计数（默认值到最大值循环）调整当前选中的时间t：（当前选的t0，闪烁时间，最后调整为7s）

e）若将control置于0 ，则会接着倒计时，就像最初初始化时，但此时调整后的时间生效（这里闪烁时间改为7s）：

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6）显示

process(clk500,reset)

------lcd上显示数字和字符 begin if reset='1' then---复位时不显示 state<=write_instr; LCD_RS<='0'; cnt<=0; elsif rising_edge(clk500) then---显示数字或字符 case state is when write_instr=> LCD_RS<='0'; case cnt is when 0=> data<=\"0011\"; when 1=> data<=\"0011\"; when 2=> data<=\"0011\"; when 3=> data<=\"0010\"; when 4=> data<=\"0010\"; when 5=> data<=\"1000\"; when 6=> data<=\"0000\"; when 7=> data<=\"0110\"; when 8=> data<=\"0000\"; when 9=> data<=\"1100\"; when 10=> data<=\"0000\"; when 11=> data<=\"0001\";

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when others=> data<=\"0000\"; end case; if cnt=11 then cnt<=0; state<=write_dataup4; else cnt<=cnt+1; state<=write_instr; end if;

when write_dataup4=> LCD_RS<='1'; case cnt is when 0=> data<=putc('C')(7 downto 4); when 1=> data<=putc('o')(7 downto 4); when 2=> data<=putc('u')(7 downto 4); when 3=> data<=putc('n')(7 downto 4); when 4=> data<=putc('t')(7 downto 4); when 5=> data<=putc('e')(7 downto 4); when 6=> data<=putc('r')(7 downto 4); when 7=> data<=putc(':')(7 downto 4); when 8=> data<=putn(cntnumh)(7 downto 4); when 9=> data<=putn(cntnuml)(7 downto 4); when others=>data<=\"0000\"; end case; state<=write_datadown4; when write_datadown4=> case cnt is when 0=> data<=putc('C')(3 downto 0); when 1=> data<=putc('o')(3 downto 0); when 2=> data<=putc('u')(3 downto 0); when 3=> data<=putc('n')(3 downto 0); when 4=> data<=putc('t')(3 downto 0); when 5=> data<=putc('e')(3 downto 0); when 6=> data<=putc('r')(3 downto 0); when 7=> data<=putc(':')(3 downto 0); when 8=> data<=putn(cntnumh)(3 downto 0); when 9=> data<=putn(cntnuml)(3 downto 0); when others=>data<=\"0000\"; end case; if cnt=7 then cnt<=8; state<=set_addrup; elsif cnt=9 then

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cnt<=0; state<=ret_homeup; else cnt<=cnt+1; state<=write_dataup4; end if; when set_addrup=> LCD_RS<='0'; data<=\"1100\"; state<=set_addrdown; when set_addrdown=> data<=\"0111\"; state<=write_dataup4; when ret_homeup=> LCD_RS<='0'; data<=\"0000\"; state<=ret_homedown; when ret_homedown=> data<=\"0010\"; state<=write_dataup4; when others=> state<=write_instr; end case; end if; end process; end Behavioral;

五、位置约束、下载与配置

最终，在实验板正常运行，实现所有功能。

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实验小结：

a) 心得体会

通过这次实验，我进一步掌握了VHDL语言的一些常用的语法规则，熟悉了ISE软件的使用，对Spartan 3E开发板有了更深的认识，了解了管脚的分配和FPGA的下载和配置方法。通过对于交通灯的设计，我学会了如何写LCD驱动，对于FPGA较深了兴趣。

b) 待改进的问题

1、模块化做的不够好，主要功能都在同一个进程里实现，使得代码可读性不够强； 2、基本功能完成之后才开始实现扩展功能，只是对源代码的修改、添加新内容，整个程序逻辑不够明确，没有在最开始规划好；

3、所有时间的调节都是同步的，需要时钟配合，可以改进为按键调节； 4、程序中很多命名不够规范。 c) 功能扩展

1、 添加了紧急路况处理功能；

2、 实现了各灯亮的时间以及闪烁时间的调整。

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