[北邮数字电路综合实验报告——交通灯控制器VHDL实现]

　数字电路综合实验报告

　班 级:

　姓 名:

　班内序号:

　学 号:

　日 期:

　目录TOC \o "1-3" \h \u

　 30779 一、实验摘要 3

　 2634 二、实验任务 3

　 13164 1.任务要求 3

　 4997 2.任务解析 3

　 13415 三、实验设计思路 4

　 21293 1.状态转移图 4

　 25546 2.流程图 5

　 22418 3.模块确定 5

　 1551 4.系统框图 7

　 11535 四、程序代码 7

　 28891 ⒈主程序 7

　 19071 ⒉分频模块 9

　 8235 ⒊防抖模块 10

　 16981 ⒋交通灯控制模块 11

　 20860 ⒌数字译码模块 14

　 25988 五、实验结果 15

　 15778 1.仿真结果 15

　 11930 2.实物结果 17

　 3563 六、所遇问题分析 17

　 16058 七、实验总结 18

　交通灯控制器的VHDL实现

　一、实验摘要

　随着交通情况的日益复杂，交通灯在生活中所处的位置也越来越高。本实验就是基于VHDL语言编程实现了十字路口的交通灯控制器。对于交通等控制器的设计是分模块自顶向下的设计思想，软硬件结合来实现本设计。

　关键字：交通灯、VHDL、控制器

　二、实验任务

　1.任务要求

　南北和东西方向各有一组绿、黄、红灯用于指挥交通，绿灯、黄灯和红灯的持续时间分别为20秒、5秒和25秒；

　当有特殊情况（如消防车、救护车等）时，两个方向均为红灯亮，计时停止，当特殊情况结束后，控制器恢复原来状态，继续正常运行；

　用两组数码管，以倒计时方式显示两个方向允许通行或禁止通行的时间；

　2.任务解析

　东西（A车道）和南北（B车道）方向各有一组绿、黄、红灯用于指挥交通（如图1），绿灯、黄灯和红灯的持续时间分别为 20 秒、5 秒和 25 秒。

　图1 十字路口交通灯模型

　因此，可以设计如下四个状态，其关系为：

　状态

　亮灯情况

　车辆行驶状况

　持续时间（秒）

　下一状态

　A车道

　B车道

　S0

　红亮

　红亮

　紧急状况，A/B车道均禁止通行

　~

　S1

　S1

　绿亮

　红亮

　A车道通行，B车道禁止通行

　20

　S2

　S2

　黄亮

　红亮

　A车道缓行，B车道禁止通行

　5

　S3

　S3

　红亮

　绿亮

　A车道禁止通行，B车道通行

　20

　S4

　S4

　红亮

　黄亮

　A车道禁止通行，B车道缓行

　5

　S1

　三、实验设计思路

　1.状态转移图

　图2 状态转移图

　2.流程图

　图3 流程图

　3.模块确定

　⑴分频模块

　设计原因：由于实验板只能提供50MHz的时钟信号，而电路中只能使用较低频率的时钟：

　1Hz时钟信号：计数器count变化时使用；

　20Hz时钟信号：在防抖电路中使用的时钟信号；

　1kHz时钟信号哦：用于数码管位选信号的改变的时钟信号。

　功能：用于将实验板上的50MHz的时钟信号经分频后输出：1kHz、20Hz、1Hz。

　图4 分频模块的输入和输出

　⑵防抖动模块

　设计原因：只要有按键或是拨码开关，防抖电路就是不可缺少的一个模块。否则，按键信号中的一些毛刺和抖动往往会引起电路不可预知的错误。

　功能：将带有抖动的信号进行识别和判断，输出持续时间超过0.1s的高电平信号。

　图5 防抖动模块的输入和输出

　⑶交通灯控制模块

　设计原因：这个模块是本程序设计的灵魂，是重中之重！这个模块用于控制电路的状态改变和按键响应，也就是系统中控制器的作用。

　功能：根据按键信号和输入时钟，输出符合交通灯状态变化规律的LED驱动信号、数码管显示的数据、数码管位选信号。

　图6 交通灯控制模块的输入和输出

　⑷数字译码模块

　设计原因：由于交通灯控制模块输出的为数码管显示的数据，为10进制数，因此必须要一个译码电路，将此十进制数转化为LED灯的驱动信号，而这个功能正是由此模块完成。

　功能：将输入的十进制数转变为相应的8位2二进制数作为数码管的驱动信号。

　图7 数字译码模块的输入和输出

　⑸整体模块连接图

　图8 模块整体连接图

　4.系统框图

　图9 系统框图

　四、程序代码

　⒈主程序

　主程序

　library ieee;

　use ieee.std_logic_1164.all;

　entity traffic_lights is

　 port(clk:in std_logic; 时钟信号

　 emerg,reset:in std_logic; 复位和紧急情况信号

　 seg:out std_logic_vector(7 downto 0); 7段数码管显示

　 select_led:out std_logic_vector(5 downto 0); 选通输出

　 lights:out std_logic_vector(7 downto 0));led发光管输出

　end traffic_lights;

　architecture a of traffic_lights is 分别调用各个模块

　 signal cp1k,cp20,cp1,resetout,emergout:std_logic;

　 signal number:integer range 0 to 9;

　component freq_divide 分频模块 1k 100hz 1hz

　 port(clk_in:in std_logic;

　 clk_1,clk_20,clk_1k:out std_logic);

　end component;

　component noshake 分频模块 1k 100hz 1hz

　 port(clk_20,keyin:in std_logic;

　 keyout:out std_logic);

　end component;

　component traffic 交通灯控制模块

　 port(clk1,clk1k:in std_logic;

　 emerg,reset:in std_logic;

　 num:out integer range 0 to 9;

　 lights:out std_logic_vector(7 downto 0);

　 select_led:out std_logic_vector(5 downto 0));

　end component;

　component display 数字译码模块

　 port(num:in integer range 0 to 9;

　 seg:out std_logic_vector(7 downto 0));

　end component;

　begin

　 u1:freq_divide port map(clk,cp1,cp20,cp1k); 分频器产生时钟信号

　 u2:noshake port map(cp20,reset,resetout); 对复位信号防抖处理

　 u3:noshake port map(cp20,emerg,emergout); 对紧急信号防抖处理

　 u4:traffic port map(cp1,cp1k,emergout,resetout,number,lights,select_led); 状态机运转

　 u5:display port map(number,seg); 数码管显示

　end;

　⒉分频模块

　分频模块

　library ieee;

　use ieee.std_logic_1164.all;

　use ieee.std_logic_unsigned.all;

　entity freq_divide is

　 port(clk_in : in std_logic;

　 clk_1,clk_20,clk_1k : out std_logic);

　end;

　architecture a of freq_divide is

　 signal count1 : integer range 0 to 24999;

　 signal count2 : integer range 0 to 24;

　 signal count3 : integer range 0 to 9;

　 signal clk_tmp1,clk_tmp2,clk_tmp3: std_logic;

　begin

　50000分频进程

　输出：1kHz的时钟信号

　功能：用于数码管显示时刷新频率

　 p1:process(clk_in)

　 begin

　 if (clk_in'event and clk_in='1') then

　 if count1=24999 then

　 count1<=0;

　 clk_tmp1<= not clk_tmp1;

　 else

　 count1<=count1+1;

　 end if;

　 end if;

　 end process p1;

　50分频进程

　输出：20Hz的时钟信号

　功能：防抖动电路中使用

　 p2:process(clk_tmp1)

　 begin

　 if (clk_tmp1'event and clk_tmp1='1') then

　 if count2=24 then

　 count2<=0;

　 clk_tmp2<= not clk_tmp2;

　 else

　 count2<=count2+1;

　 end if;

　 end if;

　 end process p2;

　20分频进程

　输出：1Hz的时钟信号

　用于状态转变的时钟信号

　 p3:process(clk_tmp2)

　 begin

　 if (clk_tmp2'event and clk_tmp2='1') then

　 if count3=9 then

　 count3<=0;

　 clk_tmp3<= not clk_tmp3;

　 else

　 count3<=count3+1;

　 end if;

　 end if;

　 end process p3;

　

　 clk_1<=clk_tmp3;

　 clk_20<=clk_tmp2;

　 clk_1k<=clk_tmp1;

　

　end;

　⒊防抖模块

　防抖动模块

　library ieee;

　use ieee.std_logic_1164.all;

　use ieee.std_logic_unsigned.all;

　entity noshake is

　 port(clk_20,keyin: in std_logic;

　 keyout: out std_logic);

　end;

　architecture a of noshake is

　 signal cp:std_logic;

　begin

　只有持续时间高于0.1s的高电平才有效

　 process(clk_20)

　 variable times:integer range 0 to 2;

　 begin

　 if (clk_20'event and clk_20='1') then

　 if keyin='1' then

　 if times=2 then

　 times:=times;

　 else times:=times+1;

　 end if;

　 else times:=0;

　 end if;

　 end if;

　 if times=2 then

　 cp<='1';

　 else cp<='0';

　 end if;

　 keyout<=cp;

　 end process;

　end;

　⒋交通灯控制模块

　交通灯控制模块

　library ieee;

　use ieee.std_logic_1164.all;

　use ieee.std_logic_unsigned.all;

　entity traffic is

　 port(clk1,clk1k:in std_logic;

　 emerg,reset:in std_logic;

　 num:out integer range 0 to 9;

　 lights:out std_logic_vector(7 downto 0);

　 select_led:out std_logic_vector(5 downto 0));

　end traffic;

　architecture control of traffic is

　 type states is(s0,s1,s2,s3,s4);

　 signal state:states;

　 signal num1,num2,num3,num4:integer range 0 to 9;

　 signal emerg_status,reset_status:std_logic:='0';

　 signal count:integer range 1 to 50 :=50;

　begin

　紧急信号的处理进程

　 p1:process(emerg)

　 begin

　 emerg_status<=emerg;

　 end process p1;

　

　复位信号处理及计数器count控制进程

　 p2:process(reset)

　 begin

　 reset_status<=reset;

　 end process p2;

　 p3:process(clk1)

　 begin

　 if(reset_status='1') then

　 count<=50;

　 elsif(emerg_status='1') then

　 count<=count;

　 else

　 if(clk1'event and clk1='1') then

　 if count=1 then

　 count<=50;

　 else count<=count-1;

　 end if;

　 end if;

　 end if;

　 end process;

　核心状态机

　 p4:process(emerg_status,count)根据计数器来选择交通灯状态

　 begin

　 if(emerg_status='1')then state<=s0; 6个正常状态和1个紧急情况状态

　 else

　 if(count>=31)then state<=s1;

　 elsif(count<=30 and count>=26)then state<=s2;

　 elsif(count<=25 and count>=6)then state<=s3;

　 else state<=s4;

　 end if;

　 end if;

　 case state is 交通灯状态，用LED发光管模拟交通灯

　 when s0=>lights<=; --;RA/RB

　 when s1=>lights<=; --;GA/RB

　 when s2=>lights<=; --;YA/RB

　 when s3=>lights<=; --;RA/GB

　 when s4=>lights<=; --;RA/YB

　 end case;

　 end process;

　

　根据计数器值确定数码管显示数字

　 p5:process(emerg_status,count)

　 begin

　 if(emerg_status='1') 紧急状态下数码管显示8

　 then num1<=8;num2<=8;num3<=8;num4<=8;

　 else

　

　 状态S1

　 if(count=50)

　 then num1<=2;num2<=0;num3<=2;num4<=5;

　 elsif(count>=45 and count<50)

　 then num1<=1;num2<=count-40;num3<=2;num4<=count-45;

　 elsif(count>=40 and count<=44)

　 then num1<=1;num2<=count-40;num3<=1;num4<=count-35;

　 elsif(count>=35 and count<=39)

　 then num1<=0;num2<=count-30;num3<=1;num4<=count-35;

　 elsif(count>=31 and count<=34)

　 then num1<=0;num2<=count-30;num3<=0;num4<=count-25;

　 状态S2

　 elsif(count>=26 and count<=30)

　 then num1<=0;num2<=count-25;num3<=0;num4<=count-25;

　 状态S3

　 elsif(count=25)

　 then num1<=2;num2<=5;num3<=2;num4<=0;

　 elsif(count>=20 and count<=24)

　 then num1<=2;num2<=count-20;num3<=1;num4<=count-15;

　 elsif(count>=15 and count<=19)

　 then num1<=1;num2<=count-10;num3<=1;num4<=count-15;

　 elsif(count>=14 and count<=10)

　 then num1<=1;num2<=count-10;num3<=0;num4<=count-5;

　 状态S4

　 elsif(count>=6 and count<=9)

　 then num1<=1;num2<=count;num3<=0;num4<=count-5;

　 else num1<=0;num2<=count;num3<=0;num4<=count;

　 end if;

　 end if;

　 end process;

　

　数码管选通信号输出

　 p6:process(clk1k)

　 variable temp:integer range 0 to 3;

　 begin

　 if(clk1k'event and clk1k='1')then

　 case temp is

　 when 0=>num<=num1;temp:=1;select_led<="011111"; 选用4个数码管输出倒计时

　 when 1=>num<=num2;temp:=2;select_led<="101111";

　 when 2=>num<=num3;temp:=3;select_led<="111101";

　 when 3=>num<=num4;temp:=0;select_led<="111110";

　 end case;

　 end if;

　 end process;

　end;

　⒌数字译码模块

　数字译码模块

　library ieee;

　use ieee.std_logic_1164.all;

　entity display is

　 port(num:in integer range 0 to 9;

　 seg:out std_logic_vector(7 downto 0));

　end;

　architecture a of display is

　begin

　d1:process(num)

　 begin

　 case num is

　 when 0=>seg<=; 由七位二进制数表示0到9

　 when 1=>seg<=;

　 when 2=>seg<=;

　 when 3=>seg<=;

　 when 4=>seg<=;

　 when 5=>seg<=;

　 when 6=>seg<=;

　 when 7=>seg<=;

　 when 8=>seg<=;

　 when 9=>seg<=;

　 when others=>seg<="XXXXXXXX";

　 end case;

　 end process;

　end;

　五、实验结果

　1.仿真结果

　⑴仿真说明

　由于分频模块的存在，导致无法整体仿真（可能可以，但是很费时间）。因此，只对核心模块——交通灯控制模块进行仿真。

　为了结果的易读性，现将程序做如下修改。

　①LED灯的驱动信号lights的修改：

　when s0=>lights<=; --;RA/RB

　when s1=>lights<=; --;GA/RB

　when s2=>lights<=; --;YA/RB

　when s3=>lights<=; --;RA/GB

　when s4=>lights<=; --;RA/YB

　即从S0~S4，相应的lights信号从0~4改变。

　②数码管位选信号select_led的修改：

　when 0=>num<=num1;temp:=1;select_led<="000000";

　when 1=>num<=num2;temp:=2;select_led<="000001";

　when 2=>num<=num3;temp:=3;select_led<="000010";

　when 3=>num<=num4;temp:=0;select_led<="000011";

　即数码管位选信号循环输出0~3。

　③输入信号：1Hz和1kHz的时钟信号，仿真时间为110s。

　⑵仿真波形图

　①正常状况下

　reset和emerg都为低电平。

　图10 正常状态下的仿真波形

　图11 续图10

　由上两图可见，正常情况下，状态转移完全符合设计要求:,如此循环往复。

　num信号和select_led信号（局部）

　图12 正常运行下的的仿真波形

　数码管显示数字和数码管位选信号也都正常输出。

　②复位信号响应

　reset信号

　reset信号

　图13 复位情况下的仿真波形

　由上面仿真波形中可见，当reset为高电平时，在时钟沿上状态改变为S1，即复位成功。

　③紧急信号响应

　紧急信号

　紧急信号

　图14 紧急情况下的仿真波形

　由图14可见，在emerg信号有效时，交通灯状态一直处于S0，一旦emerg信号失效，状态立马恢复到原来（emerg信号之前的状态）。总之，紧急状况处理成功！

　2.实物结果

　总体来说，实验要求的基本功能全部完成，且没有bug。交通灯运行完全符合前面分析的要求。

　六、所遇问题分析

　问题1：状态改变的参考量的确定。

　解决方案：当初设计时，丝毫没有头绪。当参考了以前同学的程序后，心中不由豁然开朗——使用计数器count的值来控制状态改变和数码管显示数字。这个想法确实很巧妙，做到了一个count解决所有控制问题。这样的设计，大大减小了程序的复杂度。

　问题2：reset信号由拨码开关还是由按键来输入。

　解决方案：这点困扰了我好久。最后考虑到如果使用按键输入时，一来与实际情况不符，二来为程序编写增加了难度。难度引入主要是由于按键检测的时钟和按键状态检测的时间，都很难确定，无论使用分频器产生的何种时钟信号都无法满足要求。最后采用拨码开关直接输入，使程序大为简便，也使这一问题得到圆满的解决。

　七、实验总结

　这次实验中，虽然在编程中遇到了不少困难，但是最终还是按时完成实验，确实令人信心倍增啊。

　首先，在实验题目选定之后，对于题目的切入点一直找不到，不知如何下手。于是就在老师的课件中找灵感，万幸的是我竟然找见了！在老师课件中的一些示例中，我慢慢摸索和品味其中的要义，认真思考硬件编程的特点，并在网上查找资料，并重新拜读了去年发的那本《数字电路实验讲义》，从中得到不少启迪。终于在第二次上课前完成了程序原理和状态分析等任务。

　然后，就开始编程了。最先编写的是分频模块——按照数字电路网站上的那个50M分频器的方法，编写出了实验要求的分频模块。接下来就是编写程序的主模块——交通灯控制模块。这个模块的编写借鉴了以前同学的设计思路，因此编写的头绪时很清晰的。最后编写了防抖模块和数字译码模块。这个过程中，始终伴随我的就是编译时的各种warning和error。但是我没有泄气。要知道——兵来将挡，水来土掩；凡事皆有因。有错误，就一句一句排错，最后整体进行逻辑检测。终于在最后一个没有warning和error的程序编写完毕。

　接下来就是仿真和下载。但是在仿真中，发现原先编写的程序有很大的逻辑错误。于是反复修改，反复阅读程序，查找病因。果然是“苦心人，天不负”，终于在最后，一个仿真正常、运行正常的程序编写成功。此时的喜悦真是无以言表。

　在以上过程中，对于硬件编程的理解日渐深刻。这是我使我在平常的软件编写的惯性中，不由停下脚步，慢慢体会硬件编程的思想和技巧。

　数字电路综合实验虽然结束了，但是在实验中学到的知识将使我收益一生。在此，感谢那些“诲人不倦”的老师和同学！

相关关键词： 交通灯程序流程框图 交通灯 单片机交通灯实验报告 单片机交通灯实验报告摘要 单片机交通灯仿真实验报告