EDA基于VHDL语言的交通灯设计报告.doc

基于VHDL的交通灯设计

摘要
随着社会上特别是城市中机动车辆保有量的不断增加,在现代城市的日常运行控制中，车辆的交通控制越来越重要，在十字交叉路口，越来越多的使用红绿灯进行交通指挥和管理。本文以VHDL硬件描述语言为设计手段，完成了交通信号灯控制电路的设计，其中交通信号灯控制电路的开发目的是设计一个适用于主、支干道十字交叉路口的红黄绿交通灯的控制系统，通过合理设计系统功能，使红黄绿灯的转换有一个准确的时间间隔和转换顺序。所设计的交通信号灯控制电路经过在QuartusⅡ6.0软件下进行模拟仿真，观察其波形，证明所设计的交通信号灯控制电路完全可以实现预定的功能，并有一定的实用性。

关键词：FPGA;VHDL;QuartusⅡ;交通灯

设计思路

本设计主要是利用状态机控制，交通灯的工作分成5个状态，如下：

St0：支干道亮红灯，主干道亮绿灯，数码管不显示。
St1：主干道亮绿灯45秒，数码管显示45秒倒计时；支干道亮红灯，数码管显示从49秒倒计时到05秒。
St2：：主干道亮黄灯5秒，数码管显示5秒倒计时；支干道亮红灯，数码管显示从04秒倒计时到00秒。
St3：支干道亮绿灯25秒，数码管显示25秒倒计时；主干道亮红灯，数码管显示从29秒倒计时到05秒。
St4：支干道亮黄灯5秒，数码管显示5秒倒计时；主干道亮红灯，数码管显示从04秒倒计时到00秒。
把交通灯的工作分成五个状态，则写程序的时候思路就比较清晰，只要在相应的状态里完成相应的工作，控制好黄绿红灯和数码管的倒计时显示，而且把握好五个状态转换的条件即可。实现起来也方便。
二、设计分析
根据设计思路可以把整体设计分为三个模块：
分频模块：把实验板上的50MHz的频率分成1Hz信号（用于倒计时计数的时钟信号）、1kHz信号（用于数码管扫描显示的片选时钟信号）和2hz（用于黄灯的闪烁）；
交通灯控制以及倒计时（五个状态的控制）模块；
数码管译码扫描显示模块。
整体的系统框图如下：

段码输出
位码输出
1khz信号
50Mhz信号分频2hz信号数码显
1hz信号示模块
七段译码
数码管位选

交通灯控制以
及倒计时模块六个led灯输出

分频模块，就是把输入的50MHz时钟频率50000分频得到1KHz的频率用于数码管的位选信号，其原理就是设计一个0到50000循环计数的的计数器，当计数溢出，即计数到50000时使输出量取反，就得到了1KHz的方波，作为数码管位选信号。同理，1Khz再经分频即可得到2hz（黄灯闪烁信号）和1hz（倒计时计数信号）。

交通灯控制及倒计时模块，就是五个状态的转换模块，是整个系统的最主要模块，其五个状态分别st0、st1、st2、st3、st4。其中st0是当支干道没有车通行的状态，st1是主干道绿灯亮45秒的状态，st2是主干道黄灯闪烁5秒的状态，st3是支干道亮绿灯25秒的状态，st4是支干道黄灯闪烁5秒的状态。当主干道亮绿灯和黄灯闪烁时，支干道都是亮红灯，当支干道亮绿灯和黄灯闪烁时，主干道都是亮红灯，并且主、支干道都会显示亮灯的倒计时时间，主、支干道的红黄绿灯用实验板上的的最左边三个和最右边三个LED发光二极管代替。

数码管倒计时显示，是用实验板上的其中四个数码管，分别表示主干道和支干道的秒倒计时，动态扫描的频率用的是1KHz的频率。

各模块电路符号如下：

1、顶层电路图如下：

图2-3顶层文件原理图
三、单元模块设计与仿真
3.1时钟分频模块
时钟分频模块就是把输入的2kHz时钟频率2000分频得到1Hz的频率用于数码管倒计时的时钟信号，其原理就是设计一个0到999循环计数的的计数器，当计数溢出，即计数到999时使输出量取反，则输出为0.5秒的高电平和0.5秒的低电平交替出现，就得到了1Hz的方波，作为秒倒计时的时钟信号。
时钟分频模块生成的元件符号如下：

2、分频模块

实验板上的50Mhz频率经分频后得到1Khz、2hz、1hz三路信号。

3、交通灯控制及计时模块

此模块是整个系统的核心部分，主要功能是完成五个状态的转换，并且在每个状态里完成相应的控制作用，即控制主干道和支干道的红黄绿灯的点亮和各自数码管倒计时显示。
编程时主要是用一个进程语句，其敏感信号是时钟分频模块产生的1Hz时钟信号，进程里主要用case语句完成五个状态的控制，在每个状态里要控制主干道和支干道的红黄绿灯的点亮，而且要控制各自数码管倒计时的显示，并为扫描显示译码模块提供倒计时时间，同时要使每个状态结束时能顺利进入下一个状态。

4、数码管显示译码和扫描模块

此模块中含有七段

数码管译码和扫描显示两个部分。其中clk1khz是输入的扫描时