基于FPGA的交通灯控制器设计2【实用文档】doc.doc

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1、基于FPGA的交通灯控制器设计2【实用文档】doc文档可直接使用可编辑，欢迎下载 数字系统课程设计基于FPG的交通控制灯设计姓名:学号：班级:摘要随着社会的发展,城市规模的不断扩大，城市交通成为制约城市发展的一大因素。人口和汽车日益增长,市区交通也日益拥挤，人们的安全问题当然也日益重要。因此，红绿交通信号灯成为交管部门管理交通的重要工具之一。有了交通灯，人们的安全出行也有了很大的保障。自从交通灯诞生以来,其内部的电路控制系统就不断的被改进，设计方法也开始多种多样,从而使交通灯显得更加智能化.尤其是近几年来，随着电子与计算机技术的飞速发展，电子电路分析和设计方法有了很大的改进，电子设计自动化也已

2、经成为现代电子系统中不可或缺的工具和手段，这些都为交通灯控制系统的设计提供了一定的技术基础。本课程设计运用erilog DL语言描述交通控制器,通过状态机计数法，实现设计所要求的交通灯控制及时间显示，并最后进行了软件实现，达到了系统要求的功能。设计原理.1设计要求设计一个交通控制器,用LED显示灯表示交通状态，并以7段数码显示器显示当前状态剩余秒数主干道绿灯亮时，支干道红灯亮;反之亦然,二者交替允许通行,主干道每次放行35s，支干道每次放行2.每次由绿灯变为红灯的过程中，亮光的黄灯作为过渡,黄灯的时间为5s.能进行特殊状态显示，特殊状态时东西、南北路口均显示红灯状态。用LD灯显示倒计时,并且能

3、实现总体清零功能，计数器由初始状态开始计数，对应状态的显示灯亮。能实现特殊状态的功能显示，1.2设计思路和原理本次设计是针对十字路口，进行南北和东西直行情况下交通灯控制。设定东西方向为主干道方向,根据交通灯的亮的规则,在初始状态下四个方向的都为红灯亮启,进入正常工作状态后,当主干道上绿灯亮时，支干道上红灯亮，持续35S后,主干道和支干道上的黄灯都亮启，持续5S后，主干道上红灯亮启,支干道上绿灯亮启持续2，之后主干道和支干道上的黄灯都亮启5s，一个循环完成.循环往复的直行这个过程.其过程如下图所示:图。交通灯点亮时间控制说明.实现方法本次采用文本编辑法，即利用erilog HDL语言描述交通控制

4、器，通过状态机计数法,实现设计所要求的交通灯控制及时间显示。设计中用两组红黄绿LED模拟两个方向上的交通灯，用个7段数码管分别显示两个方向上的交通灯剩余时间,控制时钟由试验箱上频率信号提供。 VerlgHL程序设计21整体设计根据上章设计原理，交通灯控制的关键是各个状态之间的转换和进行适当的时间延时，根据状态机的设计规范，本次设计了三个状态之间的循环转化,其真值表及状态转化图如下所示：图交通灯控制状态转化说明：该状态图为交通灯在正常情况下的状态转化图，进入控制后,状态00时主干道绿灯及支干道红灯亮起,进入状态01后两路黄灯亮起，状态11时主干道红灯及支干道绿灯亮起。进入0状态两路黄灯亮起.结束

5、一个循环,从0状态重新开始循环.为实现控制与显示的功能，需要设计交通灯点亮顺序控制程序,倒数计时程序，七段数码管显示程序，数码管显示扫描程序，其系统结构图如下所示：图3.交通灯控制系统结构图其中rst为复位信号，clk为时钟信号，old为特殊情况控制信号，输入hold时两个方向红灯无条件亮起.2.具体设计根据整体设计要求，编写各个功能部分Vriog HL程序，设置各输入输出变量说明如下clk：为计数时钟；qclk:为扫描显示时钟；e：使能信号，为1 的话，则控制器开始工作；rst：复位信号,为1的话,控制及技术回到初始状态;oid:特殊情况控制信号，为1的话，则两个方向无条件显示为红灯；lig

6、ht1：控制主干道方向四盏灯的亮灭；其中,ight10light2，分别控制主干道方向的绿灯、黄灯和红灯;ligh：控制支干道方向四盏灯的亮灭;其中，lih20 lght22，分别控制支干道方向的绿灯、黄灯和红灯；num1：用于主干道方向灯的时间显示,8 位,可驱动两个数码管;m2：用于支干道方向灯的时间显示,8位，可驱动两个数码管;couer：用于数码管的译码输出；s，st2:数码管扫描信号.输入输出及中间变量设置如下：mul taffic（n，ck,，rt,rt，hld，num1,num2,lgt，lht,counter，s,st);inpt en，cl，qlk，st，hold，rs1；o

7、ututt1，st2;out7：0 num1,num2；outpt6：0ouer;output：0 ight1，lih2;regim1，tm2，t1，st2;rg:0stte1,state2,se;re2:ligh1，lit2；rg3：0nu；re6：0conte；reg7:0 num1，num2;rg：0 ed1,d2,re1,gee2，yellow1，yellow；1. 二极管点亮控制该部分程序的作用是根据计数器的计数值控制发光二极管的亮、灭,以及输出倒计时数值给七段数码管的译码电路。此外，当检测到特殊情况(old=1)发生时，无条件点亮红灯的二极管，当检测到复位信号，两个方向计数与控制回

8、复到00状态。因为主、支干道两个方向二极管点亮的顺序与延迟时间不同，顾编写两个独立的部分来控制，具体程序如下:)主干道方向always (posdge lk ）egi（s) /复位与特殊情况控制 beinlit1=3b00;num1=gren1； end else if（hod） benlght=b100； num1=ge1； end eseif(en） begin使能有效开始控制计数 if（！tm1) / begin /主干道交通灯点亮控制 tm1=1; as（sate1） 2b0：egnnum1=reen1；ight=30；stat1=2b01；nd 2b0：beginm=yellw1；l

9、ght1=3b010；state1b11;ed 21：egin nm1red1;light3b100；state=2b；nd 21：begin mellow1;ght1=3b010；ste1=b00;en efault：igt=00； dcae n2）支干道方向always (osede k ）begin if（t) /复位与特殊情况控制 bgin light=3b100； um2=red; end ls if（hold) begin lght=3b100； nu2=rd2； en se if（en) begin if（！im2） begin tim21; case(stt1） 2b0：beg

10、innum=ed2；light2=30；state22b01；end 2b01:bgin nu2=yllow1；lgh23b01;sta2=11；ed b11:binnum2=gree；ight=3b01;tate2=b1;nd 210:bg u2ellow；lght2b010；stt2=200;nd default:gt0） if（num1：0=) ennum13:0=4b1001； 17:4=um17：4-； end el m3:0n:1; f(nm1=1)tim1=0； d en lse egin light=3010； num1200； tim=0； nden3. 数码管的译码及扫描显

11、示该段程序主要完成4个7段数码管的译码显示及扫描,使系统能正常显示主、支干道两个方向上的剩余时间。译码的时钟频率要低,为Hz级。扫描的时钟频率要高，最低不得小于人眼分辨频率0H，具体程序如下所示：alay (psegqclk)begin /数码管扫描 i（rst1) bgin st1=0； st20; end lse beg case(st2,st1） 2b00：bgin numnu13:；st2,s1=2b1; nd 20：beg numnm:4；t,s1=2b10；end 2b1:beginnm=nu23：0;st2,st1211； end 2b11:n nu=num：4；2，st1=00

12、; end encase enendlwys(pedge clk)begin /数码管译码显示as（num）4b000： uer=7b011111；/04b0001：onter=7b00010； /14b010: ut=7b11011; /4b001： counter=10011; /34b010: cote=7100110; /44b011：uter=b1111； 5b010： con=b11101; /64b0111:cuter=7b0000111; /74100： cnter=111;/84b100:conte=b1111; /efal:out=7b01111； /0encaseende

13、ndmdule总体程序见程序清单所示仿真与硬件调试3.1 波形仿真在uatrs软件下创建工程，新建编辑设计文件，将程序输入，整体编译后,新建波形仿真文件。设置仿真时间，时钟周期,输入输出端口,进行波形仿真.具体仿真波形图及说明如下所示：仿真截止时间：10us;时钟：lku，qlk0us1正常工作时波形仿真图图. 正常工作时波形仿真图图形说明波形仿真主要完成了控制与计数以及数码管显示的波形图.e为低电品时，计数器置初值,高电平时开始正常控制与计数。控制发光二极管首次输出为“ligt=0,ight2=10”，表示主干道路绿灯亮，支杆道路红灯亮，计数器nu1和u2从“0010101”开始递减计数,计

14、数至“0000000”时,进入下一个状态，控制输出量为lght=010,ight2=010，表示主、支干道黄灯均亮起,计数器nu1和um2从“0000101”开始计数递减，计数至00000”时进入下一个状态,lgt=10，light2=001，表示主干道路红灯亮，支杆道路绿灯亮。Counte根据nm1，num2变化随时钟上升沿输出译码后的数据。由于屏幕显示大小有限,未仿真出一个完整周期。2. 特殊情况仿真波形图特殊情况仿真波形图形说明当hold输入高电平时，在时钟上升沿的控制下，light 1与light2被强制置位为100”，表示两路红灯均亮起3 复位情况仿真波形图 复位情况仿真波形图形说明

15、当rst输入高电平时，在时钟上升沿控制下，计数与控制都回到00状态，即ligh1=01，lig2=0,计数器u和nm2从“011011”开始递减计数。.2硬件调试完成时序仿真确认无误后,进行实验箱管脚设置,注意设置完成后一定要再进行一次全局仿真，使程序真正对应于硬件输出输出。具体连接说明如下所示输入变量：s、clk、cl、hold、e其中en,old，rst接”0-1”拨码开关，以稳定的输出可变化的电平。计数时钟ck接实验箱上1H时钟，扫描显示时钟qc接125K时钟。输出变量:light1:0、lgt2:0、coner6:0、st1、st2其中ig1 、ight20分别接绿色的发光二极管；li

16、ght1、liht2 分别接黄色的发光二极管；light12、lght22分别接红色的发光二极管.cunte0coune6，分别接七段数码管的a,s1、2分别接试验箱上”4-16”译码器的低两位。完成接线后将程序烧写到芯片上，开始功能调试。分辨改变使能信号，复位信号以及特殊情况信号，观察数码管以及发光二级管情况。程序清单moule raffic(，lk,qclk，r，rt1，old，nm1,um2,lit1，light2，cunter,，st)；nput en,cl，clk,rst,d,rt；ouput st1,t2；ouput7： um，num2；otpu6：0ouner；otpu2：0li

17、gh1，light2;rg ti1,ti2，s1，st；reg:0stat1,tt2，s；reg2:0liht1，ligh2；reg3：nm；e6：couter;g7：0num1,num2；reg7： red1,rd2,gen1,rn2,yelo,ell2；aays （n )f(!en)egi /设置计数初值ree=801001;re1=8b10010;yelw1=8b00000101；gren2=8b001001;ed2=8b001010；yeo2=8b0010;edalwys （osedg ck ）beginf（st) /复位与特殊情况控制 begin ight1=3b01; um1=gr

18、n； d elsei（hod） bin ih1300；nu1=geen1； dee i（n) ben/使能有效开始控制计数 f(!t1)/开始控制 ben /主干道交通灯点亮控制 tm=1； ase（tate） 200：egin num1=grn1;igt=3b001；sae12b1；end 2b01：begn num=yelow1;lih1=b010;ste1=211；nd b1：eginum1=red1；lght13b10;state1b0；nd 2b1:begnum1yelow1；ight1=3b01；sate1=2b00；end eflt:ght=b100; endase end eg

19、n/倒数计时 if（um10) if（nm13:0=0） begin n13:0=4b00; u17：=num17:41; end els num13：0=num3:0； i（num1=） m10； end end els ben light1=1; nm1=b00; tim1=0; end endalay (pedgclk ）beg f（rt） /复位与特殊情况控制 begin liht2=3b10; mre2； ed else f(hod） bgin light2=b100; num2=red2; end lseif(e) begn if(!2) bein tim=1; case（ate1

20、） b0：begn num2=red2；light2=100;stat2=2b01；nd 2b1:begin um2=ylow1;lgh2=3b00；tae2=2b1；d 211：begin num2=gren2；lig2=3b01;tate=b10；end 2b10:egin um=ellow2；iht2=b010；sat22b0;nd efau：lght2=3100; endcae e els bein /倒数计时 if（num20） f（nm23：0=0） bgn nm23：=4101； nm27：4=num27：41； n le num2:n23:0; i(num2=1） ti2=;

21、en e s ben tim2=0; stat2=b0； ight2=3b010； end en aways(psedge clk）bgn /数码管扫描 if（rt1） ben st1=0; s2=0； enele bgin case(st2,st1） 20:gin nu=u1：0；st2，s1=2b01;end 2b1:begnm17：；t2，t1=2b10； end 2b10：begin num=um3：;t2，1=2b11； end 2：ein num=um2:；t2,st=2b00； ed endase endenlway(osedge qclk)bgi /数码管译码显示cas（nm)

22、4b000：couner=7b111；/04b001： coun=7b0000； /14b01： onter=71101； /b00：un700111；/b100： countr=7110010; /44b0101: contr=b11101; /4b10:oune7b1111101; /4b011： cut=700011; /7b000: countr=b1111111; /841001: outer=71101111;/9dfaut：ountr=7011111； /0dcaseenenodue总结在设计中采用Verlog DL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

23、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， 并可以通过Veri L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。在设计过程中，觉得最难的部分是波形仿真部分，虽然程序编译通过但仿真出不了正确的波形,不是计数器无法正常计数，就是控制输出无法进入到下一个状态,每次出现问题就必须返回重新修改程序.实践证明，在编写一个较复杂的程序时，一开始一定要画流程图，弄清楚各个功能及实现它们的逻辑算法，做到心中有数后在开始下笔写编写程序。在编写的时候要尤其要注意语言的规范,如本次设计中编写的V eriog在Quartu8。中可以正常生成时序图,而在低版本的

24、软件中却无法生成，原因就是语言使用不规范,在解决这个问题时我总结了一些经验,首先程序要逻辑清晰,简洁明了，避免不必要的嵌套与条用,其次要适当地给程序加上注解文字，提高可读性，以方便之后的程序出错时进行查找，最后充分利用仿真软件提供的各项编译工具与报错消息，按图索骥，有方向的完成程序调试。完成仿真后进行，进行试验箱上的硬件调试，该步骤主要是要求细心，按照引脚清单，逐一完成连线,本次设计用到两个时钟输入，注意一定要选择合适频率的时钟，以便达到期望的效果。注意观察实物的现象，看是否满足设计要求，不满足时检查是硬件问题还是程序问题,如果是程序问题，在修改完之后必须要重新编译，重新烧入.不断排查错误，直

25、至达到满意的效果。通过这次课程设计，熟悉了简单DA设计的整个流程，加深了对Veiog HDL硬件描述语言的理解，提高了动手能力,并且锻炼了自己的耐心，收获颇丰,我会把在本次课程设计中学到的东西应用到今后的工作学习中。参考资料1夏宇闻复杂数字电路与系统的V erilog H设计技术 。北京： 北京航空航天大学出版社， 19 郭梯云.移动通信M 西安:西安电子科技大学出版社,99 法 chelouly， aie rnadt te tt1GSM 数字移动通信系统M骆健霞,顾龙信, 徐云霄译。北京:电子工业出版社， 196 张毅刚, 乔立岩.虚拟仪器软件开发环境L abWinow CV I610 编程

26、指南M。北京： 机械工业出版社， 2025 刘国权.M 手机的测试J 。中国无线电管理， 2036 俞定玖， 刘湘慧。SM数字蜂窝移动交换系统测试J 。 电信科学， 07 张明。 Vriog L 实用教程M 成都:电子科技大学出版社， 198Hde D C. Bcknl Handok o V og HDL1Computer Sin Department， Bucknll U iversityL ews burg， 199康华光. 电子技术基础(数字部分） M 北京: 高等教育出版社， 198基于单片机的交通灯控制器摘 要红黄绿交通灯控制器采用单片机及程序存储器的扩展控制，实现控制器的功能要求，

27、例如红黄绿灯的交替闪烁，定时等等.单片机将CU,存储器，定时器/计数器及各接口电路组成，具有良好的性价比。本控制器可分时段进行道路的管制,还可在紧急时刻进行手动控制，实施道路路况的控制。交通信号灯控制方式很多。本系统采用MC1系列单片机ATS51和可编程并行/接口芯片855A为中心器件来设计交通灯控制器，实现了能根据实际车流量通过051芯片的P1口设置红、绿灯燃亮时间的功能；红绿灯循环点亮，倒计时剩5秒时黄灯闪烁警示（交通灯信号通过P口输出，显示时间直接通过8255的C口输出至双位数码管）;车辆闯红灯报警；绿灯时间可检测车流量并可通过双位数码管显示。本系统实用性强、操作简单、扩展功能强。关键词

28、：单片机 交通灯 闯红灯 检测车流量 单片机概述单片机是由运算器、控制器、存储器、输入设备以及输出设备共五个基本部分组成的。单片机是把包括运算器、控制器、少量的存储器、最基本的输入输出口电路、串行口电路、中断和定时电路等都集成在一个尺寸有限的芯片上。单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支,也是颇具生命力的机种。单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。 通常,单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件:中央处理器、存储器和/O接口电路等.因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合,便可成为一个单片机控制系统。 单片机经过1、2、3、3代的发展,

29、目前单片机正朝着高性能和多品种方向发展，它们的CPU功能在增强，内部资源在增多，引角的多功能化，以及低电压底功耗。2芯片简介01是MCS-51系列单片机的典型产品,801单片机包含中央处理器、程序存储器（ROM）、数据存储器（AM）、定时计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线。中央处理器:中央处理器（CPU）是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码,CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作,完成运算和控制输入输出功能等操作。数据存储器（AM）：8051内部有128个8位用户数据存储单元和12个专用寄存器单

30、元，它们是统一编址的,专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问,而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的RAM只有12个,可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表.程序存储器（RM） ： 程序存储器以程序计数器C作地址指针,通过1位地址总线,可寻址的地址空间为00000FFFH共64K字节，其访问指令为MVC.用于存放程序指令码与固定的表格等.80C51单片机中内部和外部共64字节程序存储器的地址空间是统一的。对于有于有内部M的单片机,在正常运行时，应把引脚接高电平，使程序从内部RM开始执行.当C值超出内部RO的容量时，会自动转向外部程序存储器空间。定时计数器（ROM）:8

31、C5有两个16位的可编程定时计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。并行输入输出(I）口：80C共有组8位I/口(P0、 P、P2或P）,用于对外部数据的传输.每个口有8个引脚,共有32个I/引脚,每一个并行/口都能用作输入或输出.各口的第一、第二功能如下：口 引脚第一功能第二功能P0口 0.0P 输入与输出 分时的传送地址低8位与数据线P1口 P。0P17 输入与输出 无第二功能P口 P2.P.7 输入与输出 传送地址的高8位P3口 P3。0P37 输入与输出 P3。RXD：串行口输入端P3。X：串行口输出端P。1XD:串行口输出端3。2：外部中断0中断请求输入端P.：外部中断1中

32、断请求输入端P3。T0：定时器计数器0外部输入端35T1：定时器/计数器1外部输入端P36-：外部数据存储器写选通信号P3.：外部数据存储器读选通信号四个通道口都有一种特殊的线路结构，每个口都包含一个锁存器，即特殊功能寄存器P3，一个输出驱动器和 两个（P3口有三个)三态缓冲期。这种结构在数据输出时,可以锁存,即在重新输出新的数据之前，口上的数据一直保持不变.但对于输入信号是不锁存的，所以外设欲输入的数据必须保持到取数指令执行（把数据读取后）为止。 图21是80C51单片机的内部结构框图。若出去图中的存储电路和I/O部件，剩下的便是CP。它可以分为运算器和控制器两部分.运算器功能部件包括算术逻

33、辑运算单元ALU、累加器AC、寄存器B、暂存寄存器TP、TM2、程序状态字寄存器PS等。控制器功能部件包括程序计数器P、指令寄存器IR、指令译码器ID、定时控制逻辑电路U、数据指针寄存器DT、堆栈指针P及时钟电路等.MC-51系列单片机中的803、851及851均采用Pin封装的双列直接DIP结构，图22是它们的IP封装引脚图,如图40个引脚中,正电源和地线两根,外置石英振荡器的时钟线两根,4组8位共32个/O口，中断口线与口线复用。图中,RT-复位输入。当振荡器工作时,ST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。ALE/POG当访问外部程存储器或数据存储器时，ALE(地址锁存允许）输出

34、脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的/6输出固定的脉冲信号,因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是:每当访问外部数据存储器时将跳过一个AL脉冲。PSN-程序储存允许(PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当89C2由外部程序存储器取指令(或数据）时，每个机器周期两次SEN有效，即输出两个脉冲,在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSN信号。EA/V-外部访问允许,欲使C仅访问外部程序存储器（地址为000H-FFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程,复位时内部会锁存A端状态。如EA端为高电平（接Vcc端）,P则

35、执行内部程序存储器的指令。3方案设计3.1 设计思路东西、南北两干道交于一个十字路口，各干道有一组红、黄、绿三色的指示灯，指挥车辆和行人安全通行。红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行.黄灯亮提示人们注意红、绿灯的状态即将切换，且黄灯燃亮时间为东西、南北两干道的公共停车时间。设东西道比南北道的车流量大，指示灯燃亮的方案如表3。表31南北道绿灯亮黄灯亮红灯亮红灯亮2SSSS东西道红灯亮红灯亮绿灯亮黄灯亮对表3-1的说明: (1）当东西方向为红灯，此道车辆禁止通行,东西道行人可通过；南北道为绿灯,此道车辆通过,行人禁止通行.时间为25秒。(2）黄灯秒，警示车辆和行人红、绿灯的状态即将切换。(3)当东西方向

36、为绿灯，此道车辆通行;南北方向为红灯，南北道车辆禁止通过，行人通行.时间为25秒. (4）这样如上表的时间和红、绿、黄出现的顺序依次出现这样行人和车辆就能安全畅通的通行。2 整体设计图整体设计图如图32所示:图3-整体设计图3.3 晶振电路设计晶振电路图如下图3所示.图3-3 晶振电路元器件的选取原则：传统做法，但能够实现所需,即最简单也最是实用。电容选取30p，晶振为3MHz.4 交通灯工作流程图对于一个交通路口来说，要根据其车流量来决定其红路灯的设计时间，所以用公式：车流量 车流 / 时间来表示.由东西道和南北道的车流量分别设计其红灯亮和绿灯亮的时间，假设南北道车流量大于东西道车流量，可得红绿灯工作流程图如下图34所示.图33 红绿灯工作流程图4心得体会通过这次交通灯的设计，使我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题全面系统的锻炼。使我在单片机的基本原理、单片机应用系统开发过程，以及在常用编程设计思路技巧的掌握方面都能向前迈了一大步，为日后成为合格的应用型人才打下良好的基础。综合课程设计让我把以前学习到的知识得到巩固和进一步的提高认识，对已有知识有了更进一步的理解和认识.在此，由于自身能力有限，在课程设计中碰到了很