交通灯控制电路.docx
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交通灯控制电路
大作业设计
实验目的：
综合应用数字电路的各种设计方法，完成一个较为复杂的电路设计；
实验内容：
交通灯控制器
设计任务与原理说明:
一、简要说明
在十字路口，每条道路各有一组红、黄、绿灯和倒计时显示器，用以指挥车辆和行人有序地通行。
其中，红灯（R）亮，表示该条道路禁止通行；黄灯（Y）亮，表示停车；绿灯（G）亮，表示可以通行。
倒计时显示器是用来显示允许通行和禁止通行地时间。
交通灯控制器就是用来自动控制十字路口的交通灯和计时器，指挥各种车辆和行人安全通行。
二、任务和要求
①在十字路口的两个方向上各设一组红、绿、黄灯，显示顺序为其中一方向（东西方向）是绿灯、黄灯、红灯；另一方向（南北方向）是红灯、绿灯、黄灯。
②设置一组数码管，以倒计时的方式显示允许通行或禁止通行的时间，其中绿灯、黄灯、红灯的持续时间分别是20s、5s和25s。
③当各条路上任意一条上出现特殊情况时，如当消防车、救护车或其他需要优先放行的车辆通过时，各方向上均是红灯亮，倒计时停止，且显示数字在闪烁。
当特殊运行状态结束后，控制器恢复原来状态，继续正常运行。
三、实现方案
（1）从题目中计数值与交通灯的亮灭的关系如下图所示
⑵交通灯控制器逻辑流程图
四﹑硬件电路设计
（1）分频器
分频器实现的是将高频时钟信号转换成底频的时钟信号，用于触发控制器、计数器和扫描显示电路。
该分频器实现的是一千分频，将一千赫兹的时钟信号分频成一赫兹的时钟信号。
（2）控制器设计
控制器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分位译码电路。
此外，当检测到特殊情况（HOLD=‘1’）发生时，无条件点亮红灯的二极管。
本控制器可以有两种设计方法，一种是利用时钟沿的下降沿读取前级计数器的计数值，然后作出反应；另一种则是将本模块设计成纯组合逻辑电路，不需要时钟驱动。
这两种方法各有所长，必须根据所用器件的特性进行选择：
比如有些FPGA有丰富的寄存器资源，而且可用与组合逻辑的资源则相对较少，那么使用第一种方法会比较节省资源；而有些CPLD的组合逻辑资源则比较多，用第二种方法可能更好。
（3）计数器设计
这里需要的计数器的计数范围为0-90。
计到90后，下一个时钟沿回复到0，开始下一轮计数。
此外，当检测到特殊情况（HOLD=‘1’）发生是，计数器暂停计数，而系统复位信号RESET则使计数器异步清零。
（4）分位译码电路设计--1
因为控制器输出的到计时数值可能是1位或者2位十进制数，所以在七段数码管的译码电路前要加上分位电路（即将其分为2个1位的十进制数，如25分为2和5，7分为0和7）。
与控制器一样，分位电路同样可以由时钟驱动，也可以设计成纯组合逻辑电路。
控制器中，引入了寄存器。
为了让读者开拓眼界，分位电路就用组合逻辑电路实现。
（6）数码管驱动设计
串行连接，即每个数码管对应的引脚都接在一起（如每个数码管的a引脚都接到一起，然后再接到CPLD/FPGA上的一个引脚上），通过控制公共端为高电平控制相应数码管的亮、灭（共阴极数码管的公共端为高电平时，LED不亮；共阳极的公共端为低电平时，LED不亮）。
串行法的优点在于消耗的系统资源少，占用的I/O口少，N个数码管只需要（7+N）个引脚（如果需要小数点，则是（8+N）个引脚）。
其缺点是控制起来不如并行法容易。
（7）下图为交通灯控制器的顶层文件连接图
（八）下图为仿真波形图
五、程序设计
（1）分频器的设计
LIBRARYIEEE;
USEIEEE.Std_Logic_1164.ALL;
ENTITYFreDeviderIS
PORT
（Clkin:
INStd_Logic;
Clkout:
OUTStd_Logic）;
END;
ARCHITECTUREDeviderOFFreDeviderIS
CONSTANTN:
Integer:
=499;
signalcounter:
Integerrange0toN;
signalClk:
Std_Logic;
BEGIN
PROCESS（Clkin）
begin
IFrising_edge（Clkin）THEN
IFCounter=Nthen
counter<=0;
Clk<=notclk;
else
counter<=counter+1;
endif;
endif;
endprocess;
clkout<=clk;
end;
（2）控制设计
控制器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译管的分译码电路。
此外，当检测到特殊情况（Hold=‘1’）发生时，无条件点亮红色的发光二极管。
LIBRARYIEEE;
USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITYcountrollerIS
PORT（Clock:
INSTD_LOGIC;
Hold:
instd_logic;
CountNum:
inINTEGERRANGE0TO49;
NumA,NumB:
outINTEGERRANGE0TO25;
RedA,GreenA,YellowA:
outstd_logic;
RedB,GreenB,YellowB:
outstd_logic）;
END;
ARCHITECTUREbehaviorOFCountrollerIS
BEGIN
process（Clock）
BEGIN
IFfalling_edge（Clock）THEN
IFHold='1'THEN
RedA<='1';
RedB<='1';
GreenA<='0';
GreenA<='0';
YellowA<='0';
YellowB<='0';
ELSIFCountNum<=19THEN
NumA<=20-CountNum;
RedA<='0';
GreenA<='1';
YellowA<='0';
ELSIFCountNum<=24THEN
NumA<=25-CountNum;
RedA<='0';
GreenA<='0';
YellowA<='1';
ELSE
NumA<=50-CountNum;
RedA<='1';
GreenA<='0';
YellowA<='0';
ENDIF;
IFCountNum<=24THEN
NumB<=25-CountNum;
RedB<='1';
GreenB<='0';
YellowB<='0';
ELSIFCountNum<=44THEN
NumB<45-CountNum;
RedB<='0';
GreenB<='1';
YellowB<='0';
ELSE
NumB<=50-CountNum;
RedB<='0';
GreenB<='0';
YellowB<='1';
ENDIF;
ENDIF;
ENDPROCESS;
END;
（3）计数器的设计
这里计数器的计数范围为0—45S。
计到45后,下一个时钟沿回复到0,开始下一轮计数.此外,当检测到特殊情况（Hold=‘1‘）发生时，计数器暂停计数，而系统复位号Reset则使计数器异步清0。
程序如下：
LIBRARYIEEE;
USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITYcounterIS
PORT（clock:
INSTD_LOGIC;
reset:
instd_logic;
Hold:
instd_logic;
countNum:
BuFFeRINTEGERRANGE0TO50）;
END;
ARCHITECTUREbehaviorOFcounterIS
BEGIN
process（reset,Clock）
BEGIN
IFReset='1'THEN
countNum<=0;
ELSIFrising_edge（Clock）THEN
IFHold='1'then
countNum<=countNum;
ELSIFcountNum=50THEN
countNum<=0;
ELSE
countNum<=countNum+1;
ENDIF;
ENDIF;
ENDPROCESS;
END;
（4）分位译码电路设计--1
LIBRARYIEEE;
USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITYFenweiIS
PORT
（Numin:
INintegerRANGE0TO25;
NumA,NumB:
OUTIntegerRANGE0to9）;
END;
ARCHITECTUREbehaviorOFFenweiIS
BEGIN
process（Numin）
BEGIN
IFNumin>=20THEN
NumA<=2;
NumB<=Numin-20;
ELSIFNumin>=10THEN
NumA<=1;
NumB<=Numin-10;
ELSENumA<=0;
NumB<=Numin;
ENDIF;
ENDPROCESS;
END;
（6）数码管驱动设计
LIBRARYIEEE;
USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITYliangxieliangIS
PORT（A:
INSTD_LOGIC_VECTOR（3DOWNTO0）;
LED7S:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR（6DOWNTO0））;
END;
ARCHITECTUREoneOFliangxieliangIS
BEGIN
PROCESS（A）
BEGIN
CASEA（3DOWNTO0）IS
WHEN"0000"=>LED7S<="1000000";
WHEN"0001"=>LED7S<="1111001";
WHEN"0010"=>LED7S<="0100100";
WHEN"0011"=>LED7S<="0110000";
WHEN"0100"=>LED7S<="0011001";
WHEN"0101"=>LED7S<="0010010";
WHEN"0110"=>LED7S<="0000010";
WHEN"0111"=>LED7S<="1111000";
WHEN"1000"=>LED7S<="0000000";
WHEN"1001"=>LED7S<="0010000";
WHEN"1010"=>LED7S<="0001000";
WHEN"1011"=>LED7S<="0000011";
WHEN"1100"=>LED7S<="1000110";
WHEN"1101"=>LED7S<="0100001";
WHEN"1110"=>LED7S<="0000110";
WHEN"1111"=>LED7S<="0001110";
WHENOTHERS=>NULL;
ENDCASE;
ENDPROCESS;
END;
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