EDA课程设计报告 交通灯控制器.docx
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EDA课程设计报告交通灯控制器
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EDA课程设计报告
交通灯控制器
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一、设计任务要求
1、控制器按东西、南北两个方向控制两组交通灯（红、绿、黄）
2、两组灯亮的顺序满足交通安全的规则要求.
3、东西向绿灯每次亮30S，接着黄灯亮2S，红灯亮20S；南北向绿灯每次亮28S，接着黄灯亮2S，红灯亮30S.
4、有两组数码管给出灯亮的时间倒计时显示。
二、设计思路及总体结构框图
设计思路：
1．硬件：
由设计任务要求可知，总体输入电路有：
（1）在开始计时之前的等待状态，复位键reset接低电位，接通电源后，首先要将它接高电位，表示计时开始。
（2）当按一下（on_off）键，表示紧急情况发生，两个方向均为红灯亮，计时停止，当再次按下（on_off）键时，控制器恢复原来状态，正常工作。
输出电路：
（1）由于东西和南北方向都要显示时间，因此需要4个数码管，这样在设计中就需要四条输出线choose4，用来选通指定一个LED七段显示数码管。
（2）显示器的每一位都采用LED七段显示数码管进行显示，每一个LED七段显示数码管都要有七条输出线控制，一共使用4个七段数码管，故输出电路使用四个七位输出信号：
showtime1,showtime2,showtime3,showtime4。
（3）东西和南北方向都有交通灯亮的情况，故输出电路中要有两个状态控制信号state1,state2分别控制东西和南北的灯，每个方向上有4个灯（增加了左、右转弯显示控制功能），所以state1,state2的类型应该是4位数组型的。
外部电路图如下：
东西方向clk4/State1
交通灯stas
resetState2
南北方向on_off4/交通灯
7/Showtime1
7/Showtime2
7/Showtime3
7/Showtime4
Choose4
4/
-2-
2．软件：
（1）在VHDL设计描述中，采用自顶向下的设计思路，该思路，首先要描述顶层的接口，上面的描述已经规定了交通灯控制的输入输出信号：
输入信号：
复位开关信号reset；
紧急情况控制信号on_off；
外部时钟信号clk。
输出信号：
LED七段显示数码管的选通信号choose4（3downto0）;
LED七段显示数码管的输出信号showtime1（6downto0）,showntime2（6
downto0）,showtime3（6downto0）,showtome4（6downto0）;
交通灯状态控制信号state1（3downto0）,state2（3downto0）。
（2）在自顶向下的VHDL设计描述中，通常把整个设计的系统划分为几个模块，然后采用结构描述方式对整个系统进行描述。
根据实验设计的结构功能，来确定使用哪些模块以及这些模块之间的关系。
由于紧急情况控制信号是采用按键的输入方式，其产生时刻和持续时间的长短是随机不定的，且存在因开关簧片反弹引起的电平抖动现象，因此必须在每个开关后面安排一个消抖和同步化电路模块，以保证系统能捕捉到输入脉冲，故需要有防抖动的模块。
由于外部时钟信号clk的频率为1MHz，而实际需要的内部计时时钟频率为1Hz，提供给消抖同步电路的频率为50Hz（满足按键）和提供给产生选通信号电路的时钟频率为200Hz（满足视觉暂留效应）。
当正常计时开始后，需要进行定时计数操作，由于东西和南北两个方向上的时间显示器是由两个LED七段显示数码管组成的，因此需要产生两个2位的计时信息：
2个十位信号，2个个位信号，这个定时计数操作可以由一个定时计数器来完成，又因为交通灯的状态变化是在计时为0的情况下才能进行的，因此需要一个计时电路来产生使能信号，因此定时计数的功能就是用来产生2个2位计时信息和使能信号。
另外还需要将时间显示出来，为了节省资源，我采用了循环点亮LED七段显示数码管的方法来显示计时输出。
通过信号choose4（3downto0）来对4个LED七段显示数码管进行选择。
由于不能使用7448自动译码集成电路，故在LED七段显示数码管显示时间时，要把计时结果转换为七段码输出到相应的LED七段显示数码管上，因此还需要一个转换电路。
交通灯状态控制也需要一个电路，当有使能信号及无紧急情况下，交通灯状态不发生变化，有紧急情况时，两个方向上均为红灯亮，紧急情况消除后，回到原来状态，无使能信号时，交通灯状态不变。
通过上面的分析，不难得知可以把交通灯控制系统划分为6个模块：
键输入模块，时钟分频模块，计时模块，选通模块，显示模块，控制模块
三、总体结构框图
-3-
通电
No
复位yes
东西为红，南北为绿，计时开始
YesNo
NoYesNo
YesYesNoNo
YesYesNoNo
Yes
Yes
No
Yes
是否有紧急情况计时到20s东西为黄，南北为绿是否有紧急情况计时到
两方红，
向均为计时停止
5s
是否消除？
东西为红，南北为绿
是否有紧急情况计时到20s
东西为红，南北为黄
是否有紧急情况5s
计时到
六、仿真波形
状态变化仿真图：
以下显示选通信号的仿真波形
-4-
-5-
七、源程序
去抖模块:
--------keyinmodule-----
libraryieee;
useieee.std_logic_1164.all;
entitykeyinis
port（A,B:
instd_logic;
C:
outstd_logic）;
endkeyin;
architecturekeyin_arcofkeyinis
componentkand2
port（A,B:
instd_logic;
C:
outstd_logic）;
endcomponent;
componentkdf
port（A,B:
instd_logic;
C,D:
outstd_logic）;
endcomponent;
componentknand2
port（A,B:
instd_logic;
C:
outstd_logic）;
endcomponent;
signalTMP1,TMP2,TMP3,TMP4,TMP5,TMP6:
std_logic;
begin
u0:
knand2portmap（A,TMP1,TMP2）;
u1:
knand2portmap（TMP2,TMP3,TMP1）;
U2:
kdfportmap（TMP2,B,TMP4,TMP3）;
U3:
kdfportmap（TMP4,B,TMP6,TMP5）;
u4:
kand2portmap（TMP4,TMP5,C）;
endkeyin_arc;
libraryieee;---twoinputsandgatedescription
useieee.std_logic_1164.all;
entitykand2is
port（A,B:
instd_logic;
C:
outstd_logic）;
endkand2;
architecturekand2_arcofkand2is
begin
C<=AandB;
endkand2_arc;---endoftwoinputsandgatedescription
libraryieee;---twoinputsand_notgatedescription
useieee.std_logic_1164.all;
entityknand2is
port（A,B:
instd_logic;
-6-
C:
outstd_logic）;
endknand2;
architectureknand2_arcofknand2is
begin
C<=not（AandB）;
endknand2_arc;---endoftwoinputsand_notgatedescription
libraryieee;---Dtriggerdescription
useieee.std_logic_1164.all;
entitykdfis
port（A,B:
instd_logic;
C,D:
outstd_logic）;
endkdf;
architecturekdf_arcofkdfis
begin
process（B）
begin
if（B'eventandB='1'）thenC<=A;D<=notA;
endif;
endprocess;
endkdf_arc;
控制模块:
---------keepmodule---------
libraryieee;
useieee.std_logic_1164.all;
entitykeepis
port（a,b,c,g,j:
instd_logic;
d,e:
outstd_logic_vector（3downto0）;
f:
outstd_logic_vector（1downto0））;
endkeep;
architecturekeep_arcofkeepis
typestate_typeis（s0,s1,s2,s3,s4）;
signalcurrent_state:
state_type;
signalnew_state:
state_type;
begin
newstate_logic:
process（current_state,b,a,g）
variablem:
integerrange0to3;
begin
if（g='0'）thennew_state<=s1;--------通电后给交通灯状态赋初值
elsecasecurrent_stateis
whens1=>m:
=0;
if（b='1'andj='0'anda='0'）then--当计数到20s且无紧急情况时，交通灯跳至下一状态
new_state<=s2;
elsif（a='1'）thennew_state<=s0;-有紧急情况时，交通灯变为紧急状态
-7-
elsenew_state<=s1;-------------计时未到的时候保持原状态不变
endif;
whens2=>m:
=1;
if（b='1'andj='1'anda='0'）thennew_state<=s3;-当记数到5s且无紧急情况时，交通灯变为下一状态
elsif（a='1'）thennew_state<=s0;---------有紧急情况时，交通灯变为紧急状态
elsenew_state<=s2;--------------------计时未到的时候保持原状态不变
endif;
whens3=>m:
=2;
if（j='1'andb='0'anda='0'）thennew_state<=s4;-当记数到20s且无紧急情况时，交通灯变为下一状态
elsif（a='1'）thennew_state<=s0;----有紧急情况时，交通灯变为紧急状态
elsenew_state<=s3;---------------计时未到的时候保持原状态不变
endif;
whens4=>m:
=3;
if（j='1'andb='1'anda='0'）thennew_state<=s1;--当记数到5s且无紧急情况时，交通灯变为下一状态
elsif（a='1'）thennew_state<=s0;-----有紧急情况时，交通灯变为紧急状态
elsenew_state<=s4;----------------计时未到的时候保持原状态不变
endif;
whens0=>if（a='0'）then---------------紧急情况消除后，回到原来状态
casemiswhen0=>new_state<=s1;
when1=>new_state<=s2;
when2=>new_state<=s3;
when3=>new_state<=s4;
endcase;
elsenew_state<=s0;
endif;
endcase;
endif;
endprocess;
state_register:
process（c）
begin
if（c'eventandc='1'）thencurrent_state<=new_state;--当时钟上升沿触发时，交通灯状态发生改变
endif;
endprocess;
output_logic:
process（current_state）---------------产生与交通灯状态相对应的提示信号，以控制计时模块的不同状态下的不同赋植
begin
casecurrent_stateiswhens0=>d<=0;e<=0;
whens1=>d<=0;e<=@1;f<=
whens2=>d<=0;e<=0;f<=;
-8-
whens3=>d<=@1;e<=0;f<=;
whens4=>d<=0;e<=0;f<=;
endcase;
endprocess;
endkeep_arc;
计时模块:
-------timemodule-------
libraryieee;
useieee.std_logic_1164.all;
useieee.std_logic_unsigned.all;
entitytimeis
port（a,b,k:
instd_logic;
c:
instd_logic_vector（1downto0）;
d,e,f,g:
outstd_logic_vector（3downto0）;
j,h:
outstd_logic）;
endtime;
architecturetime_arcoftimeis
signall,m,n,p:
std_logic_vector（3downto0）;
begin
process（a,b,k）
begin
if（k='0'）thenl<=1;m<=0;n<=通电后赋初值
elseif（a'eventanda='1'）then
if（b='1'）thenl<=l;m<=m;n<=n;p<=p;-----------------有紧急情况时，计时停止
else
if（n=当东西方向倒计时到0时，重新赋值，并产生使能信号控制交通灯的状态
when
when=>n<=1;p<=0;j<='1';
when=>n<=
when=>n<=
whenothers=>null;
endcase;
elsej<='0';-----------------------计时未到0时，输出使能信号为0
if（n=当各位倒计时到0，而十位没到0时十位减一，个位赋9
elsen<=n-1;---------------------否则，各位减一
endif;
endif;
if（l=当南北方向倒计时到0时，重新赋值，并产生使能信号控制交通灯的状态
caseciswhen
when=>l<=
when=>l<=1;m<=
when=>l<=1;m<=0;h<='1';
-9-
whenothers=>null;
endcase;
elseh<='0';---------------------计时未到0时，输出使能信号为0
if（l=m/=l<=@1;m<=m-1;-当各位倒计时到0，而十位没到0时十位减一，个位赋9
elsel<=l-1;-----------------------------否则，各位减一
endif;
endif;
endif;
endif;
endif;
f<=n;g<=p;d<=l;e<=m;
endprocess;
endtime_arc;
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