北邮数字电路实验报告交通灯控制器VHDL最全的.docx

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北邮数字电路实验报告交通灯控制器VHDL最全的

课题三：

交通灯控制器

学院：

信息与通信工程学院

专业：

通信工程

*******

学号：

********

课题三：

交通灯控制器

一．设计课题的任务要求

（一）、实验目的

1.熟练掌握VHDL语言和QuartusII软件的使用；

2.理解状态机的工作原理和设计方法；

3.掌握利用EDA工具进行自顶向下的电子系统设计方法；

（二）、相关知识

本实验要利用CPLD设计实现一个十字路口的交通灯控制系统，与其他控制系统一样，本系统划分为控制器和受控电路两部分。

控制器使整个系统按设定的工作方式交替指挥车辆及行人的通行，并接收受控部分的反馈信号，决定其状态转换方向及输出信号，控制整个系统的工作过程。

路口交通灯控制系统的有东西路和南北路交通灯R（红）、Y（黄）、G（绿）三色，所有灯均为高电平点亮。

设置20s的通行时间和5s转换时间的变模定时电路，用数码管显示剩余时间。

提供系统正常工作/复位和紧急情况两种工作模式。

（三）、实验任务

1.基本任务：

设计制作一个用于十字路口的交通灯控制器。

1）.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；

2）.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；

3）.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.提高要求：

1）.增加左、右转弯显示控制功能；

2）.紧急状况时增加声光警告功能；

3）.自拟其它功能。

二．系统设计（包括设计思路、总体框图、分块设计）

（一）设计思路

利用有限状态机描绘出交通灯的状态转移图，并设置记录东西和南北路口可通行时间的全局变量count,共设置四个正常状态，状态间的转移以count的值作为判断条件。

对于两种特殊情况：

当复位信号reset为高电平时，则回到最初状态；当紧急输入信号emergency为高电平时，则转移到一特殊状态。

（二）总体框图

1.系统结构框图

2.模块划分方框图

3．控制模块流程图

4.状态转移图

（三）分块设计-------在VHDL设计中，采用自顶向下的设计思路。

1.顶层模块中，根据硬件设计，设置如下端口：

◆外部时钟信号：

CLK

◆紧急状态按键:

EMERGENCY

◆南北方向状态灯：

LIGHT1

◆东西方向状态灯：

LIGHT2

◆蜂鸣器控制：

BELL

◆数码管显示信号：

NUM

◆数码管共阴极控制：

CAT_TEMP

2.在底层中，把不同功能分模块设计。

◆主分频模块：

由于外部时钟信号CLK的频率为50MHz，而实际需要的内部计时时钟频率为1Hz，需要一个分频电路。

输入端口：

CLK外部时钟信号

输出端口：

CLK_OUT分频后信号

◆次分频模块：

由于主频对于数码管扫描来说频率过高，因而再进行一次分频

输入端口：

CLK外部时钟信号

输出端口：

CLK_OUT1分频后信号

◆计数器模块：

由于整个过程的显示周期为50秒，即50个状态，所以该模块为计数器模块，计数周期为50，输入为1Hz的外部时钟，并加入紧急信号和复位信号，当输入紧急信号，计数停止，当输入复位信号，计数置1.通过该计数器的计数输出信号来控制LIGHT模块和COUNTDOWN模块的状态。

输入端口：

CLK时钟信号，EMERGENCY紧急信号，RESET复位信号

输出端口：

COUNTER计数状态信号，BELL报警信号

◆数码管计数模块：

倒计时显示模块，通过输入的COUNTER和CLK来控制数码管共阴极和7段数码管数字显示控制。

输入接口：

CLK时钟信号，COUNT计数器信号

输出接口：

CAT_TEMP共阴极控制，NUMIN数字输出

◆显示模块：

接收数字信号，进行7位数码管显示译码输出。

输入接口：

NUMIN输入信号

输出接口：

NUM译码输出

◆信号灯控制模块：

使用状态机控制5个状态

输入接口：

COUNT计数器信号，EMERGENCY紧急状态控制，RESET复位信号

输出接口：

LIGHT1,LIGHT2信号灯输出

三．仿真波形及波形分析

仿真波形-------由于时钟为50MHz,故在仿真时为了波形图更易读，将分频器设为20分频

1．状态周期为1~50，在每个状态内，数码管共阴极进行扫描，且扫描同时数码管显示进行循环变化

2．周期状态，在1~20，21~25，26~45，46~50进行红绿灯显示变化

3.一整个周期状态1~50，在1~20，21~25，26~45，46~50进行红绿灯显示变化

4.多个周期循环

5.紧急状态和复位状态

四．源程序（注释）

●TRAFFICILGHT.vhd----主程序

LIBRARYIEEE;

USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

USEIEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;

ENTITYTRAFFICLIGHTIS

PORT（

CLK,RESET,EMERGENCY:

INSTD_LOGIC;----输入时钟信号，复位信号，紧急信号

LIGHT1,LIGHT2:

OUTSTD_LOGIC_VECTOR（2DOWNTO0）;----输出东西南北向两个红信号

NUM:

OUTSTD_LOGIC_VECTOR（6DOWNTO0）;----输出7端数码管选通信号

CAT_TEMP:

OUTSTD_LOGIC_VECTOR（5DOWNTO0）;----输出7端数码管共阴极信号

BELL:

OUTSTD_LOGIC----输出警铃信号

）;

ENDTRAFFICLIGHT;

ARCHITECTUREMAINOFTRAFFICLIGHTIS

SIGNALTEMPCLK:

STD_LOGIC;

SIGNALTEMPCLK2:

STD_LOGIC;

SIGNALTEMPCOUNT:

STD_LOGIC_VECTOR（5DOWNTO0）;

SIGNALTEMPNUM:

STD_LOGIC_VECTOR（3DOWNTO0）;

COMPONENTDIVIS----组合FREQUENCY模块，以下同

PORT（

CLK:

INSTD_LOGIC;

CLK_OUT:

OUTSTD_LOGIC

）;

ENDCOMPONENT;

COMPONENTDIV2IS

PORT（

CLK:

INSTD_LOGIC;

CLK_OUT:

OUTSTD_LOGIC

）;

ENDCOMPONENT;

COMPONENTCOUNTIS

PORT（

CLK:

INSTD_LOGIC;

RESET:

INSTD_LOGIC;

EMERGENCY:

INSTD_LOGIC;

COUNTER:

OUTSTD_LOGIC_VECTOR（5DOWNTO0）;

BELL:

OUTSTD_LOGIC

）;

ENDCOMPONENT;

COMPONENTLIGHTIS

PORT（

EMERGENCY:

INSTD_LOGIC;

COUNT:

INSTD_LOGIC_VECTOR（5DOWNTO0）;

LIGHT1,LIGHT2:

OUTSTD_LOGIC_VECTOR（2DOWNTO0）

）;

ENDCOMPONENT;

COMPONENTSHUMAGUANIS

PORT（

COUNT:

INSTD_LOGIC_VECTOR（5DOWNTO0）;

CLK:

INSTD_LOGIC;

NUMIN:

OUTSTD_LOGIC_VECTOR（3DOWNTO0）;

CAT_TEMP:

OUTSTD_LOGIC_VECTOR（5DOWNTO0）

）;

ENDCOMPONENT;

COMPONENTSHOWIS

PORT（

NUM_IN:

INSTD_LOGIC_VECTOR（3DOWNTO0）;

NUM:

OUTSTD_LOGIC_VECTOR（6DOWNTO0）

）;

ENDCOMPONENT;

BEGIN----将各个模块接口连接起来

U1:

DIVPORTMAP（CLK=>CLK,CLK_OUT=>TEMPCLK）;

U2:

COUNTPORTMAP

（BELL=>BELL,CLK=>TEMPCLK,RESET=>RESET,EMERGENCY=>EMERGENCY,COUNTER=>TEMPCOUNT）;

U3:

LIGHTPORTMAP

（EMERGENCY=>EMERGENCY,COUNT=>TEMPCOUNT,LIGHT1=>LIGHT1,LIGHT2=>LIGHT2）;

U4:

SHUMAGUANPORTMAP

（CAT_TEMP=>CAT_TEMP,COUNT=>TEMPCOUNT,CLK=>CLK,NUMIN=>TEMPNUM）;

U5:

SHOWPORTMAP（NUM_IN=>TEMPNUM,NUM=>NUM）;

U6:

DIV2PORTMAP（CLK=>CLK,CLK_OUT=>TEMPCLK2）;

ENDMAIN;

●DIV.vhd----分频器模块，1Hz

LIBRARYIEEE;

USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

ENTITYDIVIS

PORT（

CLK:

INSTD_LOGIC;

CLK_OUT:

OUTSTD_LOGIC

）;

ENDDIV;

ARCHITECTUREFREQOFDIVIS

SIGNALTEMP:

INTEGERRANGE0TO49999999;----设置分频49999999，则为1Hz

BEGIN

PROCESS（CLK）

BEGIN

IF（CLK'EVENTANDCLK='1'）THEN

IF（TEMP=4999999）THEN

TEMP<=0;

ELSE

TEMP<=TEMP+1;

ENDIF;

IFTEMP=49999999THEN

CLK_OUT<='1';

ELSECLK_OUT<='0';

ENDIF;

ENDPROCESS;

END;

●DIV2.vhd----次分频器模块，50KHz

LIBRARYIEEE;

USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

ENTITYDIV2IS

PORT（

CLK:

INSTD_LOGIC;

CLK_OUT:

OUTSTD_LOGIC

）;

ENDDIV2;

ARCHITECTUREFREQOFDIV2IS

SIGNALTEMP:

INTEGERRANGE0TO4999;

BEGIN

PROCESS（CLK）

BEGIN

IF（CLK'EVENTANDCLK='1'）THEN

IF（TEMP=4999）THEN

TEMP<=0;

ELSE

TEMP<=TEMP+1;

ENDIF;

IFTEMP=4999THEN

CLK_OUT<='1';

ELSECLK_OUT<='0';

ENDIF;

ENDPROCESS;

END;

●COUNT.vhd----计数器模块（主要控制模块），用外部时钟设置了50个状态的一个周期1~50

----由于该交通灯的状态为50种，数码管有50种显示状态

----完全通过控制计数器的停止和复位来控制闪灯和数码管

LIBRARYIEEE;

USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

USEIEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;

ENTITYCOUNTIS

PORT（

CLK:

INSTD_LOGIC;----外部时钟输入

RESET:

INSTD_LOGIC;----复位信号输入

EMERGENCY:

INSTD_LOGIC;----紧急信号输入

COUNTER:

OUTSTD_LOGIC_VECTOR（5DOWNTO0）:

="000001";----计数信号输出

BELL:

OUTSTD_LOGIC----警铃信号输出

）;

ENDCOUNT;

ARCHITECTURECONOFCOUNTIS

SIGNALTEMPCOUNT:

INTEGERRANGE1TO50:

=1;----定义信号计数，初始状态为1

BEGIN

PROCESS（CLK,RESET,EMERGENCY）

BEGIN

IFCLK'EVENTANDCLK='1'THEN----外部时钟，1Hz

IFEMERGENCY='0'THEN----当不是紧急状态

BELL<='0';

IFRESET='1'THEN----复位状态

TEMPCOUNT<=1;----计数器回到初始状态1

ELSIFTEMPCOUNT=50THEN

TEMPCOUNT<=1;----计数器计数状态，加1

ELSETEMPCOUNT<=TEMPCOUNT+1;

ENDIF;

ELSIFEMERGENCY='1'THEN----当紧急信号为高电平，进入紧急状态

TEMPCOUNT<=TEMPCOUNT;----计数器停止计数

BELL<='1';----警铃为高电平

ENDIF;

ENDPROCESS;

COUNTER<=CONV_STD_LOGIC_VECTOR（TEMPCOUNT,6）;----内部信号转化为输出

ENDCON;

●LIGHT.vhd----交通灯显示信号

LIBRARYIEEE;

USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

USEIEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;

ENTITYLIGHTIS

PORT（

EMERGENCY:

INSTD_LOGIC;----紧急信号输入，控制紧急状态

COUNT:

INSTD_LOGIC_VECTOR（5DOWNTO0）;----计数器输入，控制其它正常状态

LIGHT1,LIGHT2:

OUTSTD_LOGIC_VECTOR（3DOWNTO0）----交通灯信号输出

）;

ENDLIGHT;

ARCHITECTURELIGHTSHOWOFLIGHTIS

TYPESTATESIS----设置状态机，控制状态

（S0,S1,S2,S3,S4）;

SIGNALSTATE:

STATES;

SIGNALTEMPCOUNT:

INTEGERRANGE1TO50;

BEGIN

P1:

PROCESS（COUNT,EMERGENCY）

BEGIN

TEMPCOUNT<=CONV_INTEGER（COUNT）;----将二进制输入转化为十进制计数信号

IFEMERGENCY='1'THEN----EMERGENCY为高电平时为紧急状态

STATE<=S4;

ELSE

CASETEMPCOUNTIS----由计数器控制状态持续时间

WHEN1TO20=>STATE<=S0;----1秒到20秒

WHEN21TO25=>STATE<=S1;----21秒到25秒

WHEN26TO45=>STATE<=S2;----26秒到45秒

WHEN46TO50=>STATE<=S3;----46秒到50秒

ENDCASE;

ENDIF;

ENDPROCESSP1;

P2:

PROCESS（STATE）----状态机

BEGIN

CASESTATEIS

WHENS0=>LIGHT1<="0010";----南北绿灯

LIGHT2<="1001";----东西红灯，且禁止左转

WHENS1=>LIGHT1<="0100";----南北黄灯

LIGHT2<="1001";----东西红灯，且禁止左转

WHENS2=>LIGHT1<="1001";----南北红灯，且禁止左转

LIGHT2<="0010";----东西绿灯

WHENS3=>LIGHT1<="1001";----南北红灯，且禁止左转

LIGHT2<="0100";----东西黄灯

WHENS4=>LIGHT1<="1001";----南北红灯，且禁止左转

LIGHT2<="1001";----东西红灯，且禁止左转

ENDCASE;

ENDPROCESS;

ENDLIGHTSHOW;

●SHUMAGUAN.vhd----7段数码管倒计时控制模块

LIBRARYIEEE;

USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

USEIEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;

ENTITYSHUMAGUANIS

PORT（

COUNT:

INSTD_LOGIC_VECTOR（5DOWNTO0）;----计数器输入信号

CLK:

INSTD_LOGIC;----时钟信号

NUMIN:

OUTSTD_LOGIC_VECTOR（3DOWNTO0）;----输出7段数码管显示数字信号，输出到译码模块

CAT_TEMP:

OUTSTD_LOGIC_VECTOR（5DOWNTO0）----7端数码管共阴极输出控制信号

）;

ENDSHUMAGUAN;

ARCHITECTURECOUNTEROFSHUMAGUANIS

SIGNALTEMP:

INTEGERRANGE0TO3;

SIGNALCOUNTER:

INTEGERRANGE1TO50;

SIGNALCAT:

STD_LOGIC_VECTOR（5DOWNTO0）:

="011111";

SIGNALNUM_IN:

STD_LOGIC_VECTOR（3DOWNTO0）;

BEGIN

P1:

PROCESS（CLK）----内部时钟，控制7段数码管显示扫描内容

BEGIN

COUNTER<=CONV_INTEGER（COUNT）;

IF（CLK'EVENTANDCLK='1'）THEN

IF（TEMP=3）THEN

TEMP<=0;

ELSE

TEMP<=TEMP+1;

ENDIF;

ENDPROCESSP1;

P2:

PROCESS（COUNTER,TEMP）

BEGIN

COUNTER<=CONV_INTEGER（COUNT）;

CASECOUNTERIS----通过计数器输入信号控制状态

WHEN1=>CASETEMPIS----在每个状态内部设置数码管扫描过程，由于COUNTER和----扫描时钟不同

----则可在数码管上同时显示4个数字，以状态1

----（COUNTER=1）为例

----显示“1924”，并在共阴极上扫描，以下同

----共标记50种状态