2022年2022年基于VHDL状态机的交通灯控制器设计 .pdf

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1、基于 VHDL状态机的交通灯控制器设计0 引言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。本文在 VHDL状态机的基础上， 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，整个设计系统通过QuartusII软件平台进行了模拟仿真，并下载到FPGA器件中进行硬件的调试，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。1 设计要求有一条主干道和一条支干道的汇合点形成的十字路口，为确保车辆安全， 迅速通行，在干道和支道的入口设置了红、绿( 包括直行和左拐) 、黄 3 色信号灯 (

2、如图 1 所示 ) 。图 1 十字路口交通灯示意图设计要求： (1)A方向和 B方向各设红 (R) 、黄(Y) 、绿(G) 、和左拐 (L) 四盏指示灯； (2) 四种灯按合理的顺序亮灭，并能将灯亮的时间以倒计时的形式显示出来； (3) 主、支干道交替通行，假设B方向是主干道， 车流量大，因此B方向通行的时间应比 A方向长一些。 B方向每次放行40 秒， A方向每次放行30 秒，在每次亮绿灯、左拐灯与红灯的转换过程中，亮5 秒的黄灯作为过渡； (4) 两个方向各种灯亮的时间应该能够进行非常方便的设计和修改； (5) 上电复位后，主干道先通行。2 VHDL设计实现 2 1 系统整体设计该系统主要

3、由控制模块、分频模块以及显示电路构成。其中分频模块主要将系统输入的基准时钟信号转换为1 HZ 的激励信号，驱动控制模块工作。控制模块根据计数情况对交通灯的亮灭及持续时间进行控制，并将灯亮时间以倒计时的形式通过数码管显示出来。其中 Reset 是复位信号，高电平有效。 2 2 分频模块设计名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 4 页 - - - - - - - - - 在红绿灯交通信号系统中，电路必须给一个稳定的时钟源才能够使系统正常运行。用晶振电路提供4 MHz

4、的稳定时钟信号，把其分频为1 HZ 脉冲信号，原理是用VHDL语言if elsif的并行运行关系，把分频频数的前半部分进行计数并置高电平“1”，把分频频数的后半部分进行计数并置低电平“0”，最后输出即为1 Hz 时钟信号。 2 3 控制模块的设计与仿真根据交通灯控制器要实现的功能，考虑用状态机来控制A和 B两个方向的四盏灯，状态机控制一个方向的四种灯按如下顺序点亮，并往复循环： 绿灯黄灯左拐灯黄灯红灯， 并且个方向为非红灯时，另一个方向一定为红灯，此状态机有8 个状态， 其示意图如图 2。图 2 状态机示意图当计数时间不到时转向自身，当计数时间到时转向下一状态。S000状态表示 B道路( 主干

5、道 ) 亮绿灯，A道路( 支干道 ) 亮红灯，此时 B道路可以过车辆， 人行道可以过行人；S001状态表示B道路亮黄灯， A道路亮红灯，提醒车辆和行人马上要禁行了；S010状态表示B道路亮左拐灯， A道路亮红灯，此时B道路的车辆可以拐向A道路，人行道禁行； S011状态表示 B道路亮黄灯， A道路亮红灯，提醒车辆马上要禁行了；S100 状态表示 B道路亮红灯，A道路亮绿灯，此时A道路可以过车辆，人行道可以过行人；S101 状态表示 B道路亮红灯，A道路亮黄灯，提醒车辆和行人马上要禁行了；S110 状态表示 B道路亮红灯， A道路亮左拐灯，此时 A道路的车辆可以拐向B道路， 人行道禁行； S11

6、1状态表示B道路亮红灯， A道路亮黄灯，提醒车辆马上要禁行了。为便于显示灯亮的时间，计数时采用分位输出，输出均采用BCD码，显示由数码管完成。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 4 页 - - - - - - - - - 主程序如下：3 编译并下载验证在 QuartusII软件平台上设定可编程器件引脚，编译后生成pod 文件，下载到可编程器件中，本设计已下载到MAX7000S 系列的 EPM7128SLC84-15芯片中，通过实验系统得到验证。4 硬件实现名师

7、资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 4 页 - - - - - - - - - 利用 Protel 99 SE画出原理图 ( 见图 3)。采用 5 V 电源供电，图3 右上角为电源模块，最下面为数码管模块，中间为 EPM7128SLC84-15芯片，芯片上方为晶振电路，提供 4 MHz的时钟脉冲，芯片左右为发光二极管，用来表示交通灯，左上角为下载电路。图 3 交通灯原理图图 4 为 PCB制板和装配好的实物图。图 4 交通灯电路板5 结束语本系统借助CPLD FPGA 器件及其支撑软件，快速、明确地完成了对交通灯的控制功能，在本文中采用VHDL 语言设计交通灯控制系统，借助其功能强大的语言结构，简明的代码描述复杂控制逻辑设计，与工艺无关特性，在提高工作效率的同时达到求解目的，并通过VHDL语言的综合工具进行相应硬件电路生成，具有传统逻辑设计方法所无法比拟的优越性。这种设计方法使设计人员摆脱了电路细节的束缚，效率高、可靠性好、成本低。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 4 页 - - - - - - - - -