數(shù)字系統(tǒng)課程設(shè)計-交通燈控制器實驗報告

1、<p><b>　　交通燈控制器</b></p><p>　　——數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計報告</p><p><b>　　姓名： </b></p><p><b>　　學(xué)號：</b></p><p><b>　　實驗?zāi)康?lt;/b></p>&l

2、t;p>　　1.基本掌握自頂向下的電子系統(tǒng)設(shè)計方法</p><p>　　2.學(xué)會使用PLD和硬件描述語言設(shè)計數(shù)字電路,掌握 Quartus II等開發(fā)工具的使用方法</p><p>　　3.培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、正確分析和解決問題的能力 </p><p><b>　　二． 設(shè)計要求</b></p><p>　　我所選擇

3、的課題是用Verilog HDL實現(xiàn)交通燈控制器。該課題的具體內(nèi)容及要求如下：</p><p>　　主干道與鄉(xiāng)村公路十字交叉路口在現(xiàn)代化的農(nóng)村星羅棋布，為確保車輛安全、迅速地通過，在交叉路口的每個入口處設(shè)置了紅、綠、黃三色信號燈。紅燈禁止通行；綠燈允許通行；黃燈亮則給行駛中的車輛有時間行駛到禁行線之外。主干道和鄉(xiāng)村公路都安裝了傳感器，檢測車輛通行情況，用于主干道的優(yōu)先權(quán)控制。 </p><

4、p>　　（1）當(dāng)鄉(xiāng)村公路無車時，始終保持鄉(xiāng)村公路紅燈亮，主干道綠燈亮。</p><p>　?。?）當(dāng)鄉(xiāng)村公路有車時，而主干道通車時間已經(jīng)超過它的最短通車時間時，禁止主干道通行，讓鄉(xiāng)村公路通行。主干道最短通車時間為25s 。</p><p>　　（3）當(dāng)鄉(xiāng)村公路和主干道都有車時，按主干道通車25s，鄉(xiāng)村公路通車16s交替進行。</p><p>　?。?）不論主干

5、道情況如何，鄉(xiāng)村公路通車最長時間為16s。</p><p>　　（5）在每次由綠燈亮變成紅燈亮的轉(zhuǎn)換過程中間，要亮5s時間的黃燈作為過渡。</p><p>　?。?）用開關(guān)代替?zhèn)鞲衅髯鳛闄z測車輛是否到來的信號。用紅、綠、黃三種顏色的發(fā)光二極管作交通燈。</p><p>　　（7）要求顯示時間，倒計時。 </p><p>　　交通燈控制器框圖如

6、下：</p><p>　　（C表示鄉(xiāng)村道路是否有車到來，1表示有，0表示無；SET用來控制系統(tǒng)的開始及停止；RST是復(fù)位信號，高電平有效，當(dāng)RST=1時，恢復(fù)到初始設(shè)置；CLK是外加時鐘信號；MR、MY、MG分別表示主干道的紅燈、黃燈和綠燈；CR、CY、CG分別表示鄉(xiāng)村道路的紅燈、黃燈和綠燈，1表示亮，0表示滅）</p><p>　　系統(tǒng)流程圖如下：（MGCR:主干道綠燈，鄉(xiāng)村道路紅燈；M

7、YCR:主干道黃燈，鄉(xiāng)村道路紅燈；MRCG:主干道紅燈，鄉(xiāng)村道路綠燈；MRCY:主干道紅燈，鄉(xiāng)村道路黃燈；T0=1表示主干道最短通車時間到，T1=1表示5秒黃燈時間到，T2=1表示鄉(xiāng)村道路最長通車時間到。）</p><p><b>　　三．設(shè)計方案</b></p><p>　　本交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計利用Verilog HDL語言進行設(shè)計編程，利用Cyclone EP1C

8、6Q240C8芯片和一些外圍器件組成硬件電路,利用QUARTUS II軟件將編寫好的程序進行編譯、仿真,并將調(diào)試完成的程序下載到Cyclone EP1C6Q240C8芯片上,觀測電路板上的紅綠信號燈以及數(shù)碼管顯示,看是否按設(shè)計要求正常工作.</p><p><b>　　四、設(shè)計流程</b></p><p>　　本系統(tǒng)采用自頂向下的設(shè)計，設(shè)計一個頂層文件和三個底層文件。

9、各模塊關(guān)系如下：</p><p><b>　　設(shè)計文件如下：</b></p><p><b>　　低層文件</b></p><p>　　（1）系統(tǒng)工作模塊（traffic1）如下：</p><p>　　功能：該模塊完成對輸入信號CLK,rst,c的處理，實現(xiàn)交通燈控制的主要功能。</p>

10、<p><b>　　源程序：</b></p><p>　　module traffic1(CLK,rst,c,LAMPA,LAMPB,TAH,TAL,TBH,TBL);</p><p>　　output[3:0] TAH,TAL,TBH,TBL;//TAH,TAL分別表示主干道倒計時的高位和低位，TBH,TBL表示鄉(xiāng)村道路倒計時的高位和低位</p&

11、gt;<p>　　output[2:0] LAMPA,LAMPB;//從高位到低位分別表示紅，黃，綠</p><p>　　input CLK,rst,c;</p><p>　　reg[7:0] numa,numb,s1,s2;//numa,numb分別表示主干道和鄉(xiāng)村道路的倒計時；s1用來表示主干道最短通車時間是否已到，到了s1=1；s2用來表示鄉(xiāng)村道路最長通車時間是否已到，

12、到了s2=1</p><p>　　reg[3:0] TAH,TAL,TBH,TBL;</p><p>　　reg[2:0] LAMPA,LAMPB;</p><p>　　always @(posedge CLK or posedge rst ) //該進程控制主道方向的四種燈</p><p><b>　　begin</b>

13、;</p><p>　　if(rst)//重置</p><p><b>　　begin </b></p><p>　　LAMPA =1;LAMPB =4; //重置情況視鄉(xiāng)村道路無車，主干道一直通行</p><p>　　numa = 8'b00100000;//主干道計時20秒</p><p

14、>　　numb = 8'b00100101; //鄉(xiāng)村道路計時25秒</p><p><b>　　end </b></p><p><b>　　else</b></p><p><b>　　begin</b></p><p>　　if(LAMPA==1)

15、 //主干道綠燈亮</p><p><b>　　begin </b></p><p>　　if(numa==1&&c==0&&s1) //主干道最短通車時間已到，但鄉(xiāng)村道路沒車</p><p><b>　　begin </b></p><p>　　num

16、a=1;//倒計時停在1秒</p><p>　　LAMPA=1;//保持在主干道綠燈</p><p><b>　　end</b></p><p>　　else if(numa==1&&c==1&&s1)//主干道最短通車時間沒到，并且鄉(xiāng)村道路有車</p><p>　　begin //主干

17、道變黃燈倒計時變成5秒</p><p><b>　　s1=0;</b></p><p><b>　　LAMPA =2;</b></p><p>　　numa = 8'b00000110;//為了配合時鐘設(shè)置為6秒</p><p><b>　　end</b></p&

18、gt;<p><b>　　else</b></p><p><b>　　begin</b></p><p>　　if(numa[3:0] == 0 && numa[7:4]) //逢十時</p><p><b>　　begin</b></p><p

19、>　　numa[3:0] = 9; </p><p>　　numa[7:4] = numa[7:4] - 1;</p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　else</b></p><p>　　if(numa[7:0] && numa[3:0])&l

20、t;/p><p><b>　　begin</b></p><p>　　numa[3:0] = numa[3:0] - 1;</p><p><b>　　end</b></p><p>　　if (numa==0) </p><p>　　begin //主干道

21、變黃燈倒計時變成5秒</p><p><b>　　LAMPA =2;</b></p><p>　　numa = 8'b00000110;//為了配合時鐘設(shè)置為6秒</p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　end</b></p>

22、<p><b>　　end</b></p><p>　　if(LAMPA==2) //假如主干道是黃燈</p><p><b>　　begin</b></p><p>　　if(numa[3:0] == 0 && numa[7:4]) //開始主干道黃燈的倒計時</p>&l

23、t;p><b>　　begin</b></p><p>　　numa[3:0] = 9; </p><p>　　numa[7:4] = numa[7:4] - 1;</p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　else</b></p>

24、;<p>　　if(numa[7:0] && numa[3:0])</p><p><b>　　begin</b></p><p>　　numa[3:0] = numa[3:0] - 1;</p><p><b>　　end</b></p><p>　　if(numa[

25、7:0]==0) //黃燈倒計時時間到</p><p><b>　　begin</b></p><p>　　if(c) //鄉(xiāng)村道路有車</p><p>　　begin //主干道變紅燈，倒計時變成16秒</p><p><b>　　LAMPA =4;</b></p>&

26、lt;p>　　numa =8'b00010111; //為了配合時鐘設(shè)置為17秒 </p><p><b>　　end</b></p><p>　　else if(!c)</p><p><b>　　begin</b></p><p><b>　　s1=1;</b&

27、gt;</p><p>　　LAMPA =1; </p><p>　　numa = 8'b00000001;//主干道計時1秒</p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　end<

28、/b></p><p>　　if(LAMPA==4&&c)//假如主干道是紅燈并且鄉(xiāng)村道路有車</p><p><b>　　begin</b></p><p>　　if(numa[3:0] == 0 && numa[7:4]) //開始主干道紅燈的倒計時</p><p><

29、b>　　begin</b></p><p>　　numa[3:0] = 9; </p><p>　　numa[7:4] = numa[7:4] - 1;</p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　else</b></p><p>

30、;　　if(numa[7:0] && numa[3:0])</p><p><b>　　begin</b></p><p>　　numa[3:0] = numa[3:0] - 1;</p><p><b>　　end</b></p><p>　　if(numa==0)//紅燈倒計時到

31、</p><p>　　begin //主干道變綠燈，倒計時變成20秒</p><p><b>　　LAMPA =1;</b></p><p>　　numa =8'b00100000; </p><p><b>　　end</b></p><p><b

32、>　　end</b></p><p>　　if(LAMPA==4&&!c&& numa>5)//假如主干道是紅燈并且鄉(xiāng)村道路無車并且倒計時時間大于5米秒，使主干道倒計時變成5秒</p><p>　　begin //主干道仍是紅燈，倒計時變成5秒</p><p>　　numa =8'b00000110;

33、</p><p><b>　　end</b></p><p>　　if(LAMPA==4&&!c&& numa<7) </p><p><b>　　begin </b></p><p>　　if(numa[3:0] == 0 && numa

34、[7:4]) //開始主干道5秒的倒計時</p><p><b>　　begin</b></p><p>　　numa[3:0] = 9; </p><p>　　numa[7:4] = numa[7:4] - 1;</p><p><b>　　end</b></p><p&g

35、t;<b>　　else</b></p><p>　　if(numa[7:0] && numa[3:0])</p><p><b>　　begin</b></p><p>　　numa[3:0] = numa[3:0] - 1;</p><p><b>　　end</

36、b></p><p>　　if(numa==0)//5秒倒計時到</p><p>　　begin //主干道變綠燈，倒計時變成20秒</p><p><b>　　LAMPA =1;</b></p><p>　　numa =8'b00100000;</p><p><

37、b>　　end </b></p><p><b>　　end</b></p><p>　　if(LAMPB==4) //鄉(xiāng)村道路紅燈亮</p><p>　　begin //開始鄉(xiāng)村道路紅燈的倒計時</p><p>　　if(c==0&&numb==1) numb=1;<

38、;/p><p>　　if(c==1&&numb==1&&s2==1)</p><p>　　begin </p><p><b>　　numb=5;</b></p><p><b>　　s2=0;</b></p><p>&l

39、t;b>　　end</b></p><p><b>　　else</b></p><p><b>　　begin</b></p><p>　　if(numb[3:0] == 0 && numb[7:4]) //逢十時</p><p><b>　　beg

40、in</b></p><p>　　numb[3:0] = 9; </p><p>　　numb[7:4] = numb[7:4] - 1;</p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　else</b></p><p>　　if(numb

41、 && numb[3:0])</p><p><b>　　begin</b></p><p>　　numb[3:0] = numb[3:0] - 1;</p><p><b>　　end</b></p><p>　　if(numb==0) //紅燈時間到</p>&

42、lt;p><b>　　begin </b></p><p><b>　　if(c)</b></p><p>　　begin //鄉(xiāng)村道路變綠燈，倒計時變11秒</p><p><b>　　LAMPB =1;</b></p><p>　　numb =8'b00

43、010010;</p><p><b>　　end</b></p><p>　　else if(!c)</p><p><b>　　begin</b></p><p>　　LAMPB =4; </p><p>　　numb = 8'b00000001; //鄉(xiāng)村道路計

44、時1</p><p>　　s2=1;//s置為1；</p><p><b>　　end </b></p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　end</b>&l

45、t;/p><p>　　if(LAMPB==1&&c) //假如鄉(xiāng)村道路是綠燈并且鄉(xiāng)村道路有車并且倒計時大于五秒</p><p><b>　　begin</b></p><p>　　if(numb[3:0] == 0 && numb[7:4]) //開始鄉(xiāng)村道路綠燈的倒計時</p><p>

46、<b>　　begin</b></p><p>　　numb[3:0] = 9; </p><p>　　numb[7:4] = numb[7:4] - 1;</p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　else</b></p><

47、p>　　if(numb && numb[3:0])</p><p><b>　　begin</b></p><p>　　numb[3:0] = numb[3:0] - 1;</p><p><b>　　end</b></p><p>　　if(numb==0) //綠燈倒計

48、時時間到</p><p>　　begin //鄉(xiāng)村道路變黃燈，倒計時變成5秒</p><p><b>　　LAMPB =2;</b></p><p>　　numb =8'b00000110;</p><p><b>　　end</b></p><p><b

49、>　　end</b></p><p>　　if(LAMPB==1&&!c) //假如鄉(xiāng)村道路是綠燈并且鄉(xiāng)村道路無車</p><p>　　begin //綠燈變黃燈，倒計時變成5秒</p><p><b>　　LAMPB =2;</b></p><p>　　numb =8&#

50、39;b00000110;</p><p><b>　　end</b></p><p>　　if(LAMPB==2) //假如鄉(xiāng)村道路是黃燈</p><p><b>　　begin</b></p><p>　　if(numb[3:0] == 0 && numb[7:4]) //開

51、始鄉(xiāng)村道路黃燈的倒計時</p><p><b>　　begin</b></p><p>　　numb[3:0] = 9; </p><p>　　numb[7:4] = numb[7:4] - 1;</p><p><b>　　end</b></p><p><b>

52、　　else</b></p><p>　　if(numb && numb[3:0])</p><p><b>　　begin</b></p><p>　　numb[3:0] = numb[3:0] - 1;</p><p><b>　　end</b></p>

53、<p>　　if(numb==0) //黃燈倒計時時間到</p><p>　　begin //鄉(xiāng)村道路變紅燈，倒計時變成25秒</p><p><b>　　LAMPB =4;</b></p><p>　　numb =8'b00100101; </p><p><b>　　end&l

54、t;/b></p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　end</b></p><p>　　TAH=numa[7:4];</p><p>　　TAL=numa[3:0];</p><p>　　TBH=numb[7:4];</p>

55、<p>　　TBL=numb[3:0];</p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　endmodule</b></p><p><b>　　仿真結(jié)果：</b></p><p>　　對該模塊進行仿真，考慮各種情況，結(jié)果如下：</p&

56、gt;<p>　　鄉(xiāng)村道路一直沒車，即c=0：</p><p>　　可以看到主干道是綠燈20秒，黃燈5秒，然后變成綠燈，倒計時停在1秒，鄉(xiāng)村道路一直是紅燈，倒計時從25一直到1停止。</p><p>　　鄉(xiāng)村道路開始沒車，T時間后（T<25秒）有車來：</p><p>　　從圖中可以看出主干道綠燈20秒后變成黃燈，5秒后變成紅燈，16秒后又變成綠

57、燈，鄉(xiāng)村道路紅燈25秒后變成綠燈，11秒后變成黃燈，5秒后又變成紅燈。符合設(shè)計要求。</p><p>　　3）鄉(xiāng)村道路開始沒車，T時間后（T>25秒）有車來：</p><p>　　從圖中可以看到開始時c=0，主干道綠燈20秒后變成黃燈，5秒后由于沒車又變成綠燈，倒計時停在1，鄉(xiāng)村道路紅燈25秒后變成綠燈，倒計時停在1。c變成1后，主干道變成黃燈倒計時5秒，之后變成紅燈，鄉(xiāng)村道路紅燈倒

58、計時5秒后變成綠燈，再后面的變化同情況2。</p><p>　　4）當(dāng)鄉(xiāng)村道路為綠燈時c變成0：</p><p>　　可以看到，當(dāng)鄉(xiāng)村道路為綠燈，c變成0時，鄉(xiāng)村道路立刻變成黃燈，倒計時5秒后變成紅燈，而主干道紅燈倒計時5秒后變成綠燈。</p><p>　?。?）八段譯碼模塊（decode4_7）如下：</p><p>　　功能：將輸入的四位

59、信號進行譯碼，輸出到八段共陽極數(shù)碼管顯示出來。用于顯示倒計時。</p><p><b>　　源程序：</b></p><p>　　module decode4_7(decodeout,indec);</p><p>　　output[7:0] decodeout;</p><p>　　input[3:0] indec;&

60、lt;/p><p>　　reg[7:0] decodeout;</p><p>　　always @(indec)</p><p><b>　　begin</b></p><p>　　case(indec) //用case 語句進行譯碼，小數(shù)點始終不亮</p><p>　　4'd0:decod

61、eout=8'b00000011;</p><p>　　4'd1:decodeout=8'b10011111;</p><p>　　4'd2:decodeout=8'b00100101;</p><p>　　4'd3:decodeout=8'b00001101;</p><p>　　4&

62、#39;d4:decodeout=8'b10011001;</p><p>　　4'd5:decodeout=8'b01001001;</p><p>　　4'd6:decodeout=8'b01000001;</p><p>　　4'd7:decodeout=8'b00011111;</p>&

63、lt;p>　　4'd8:decodeout=8'b00000001;</p><p>　　4'd9:decodeout=8'b00001001;</p><p>　　default: decodeout=8'bx;</p><p><b>　　endcase</b></p><p

64、><b>　　end</b></p><p><b>　　endmodule</b></p><p><b>　　仿真結(jié)果：</b></p><p>　　從圖中可以看到輸入0~9，輸出與之對應(yīng)的八段碼，結(jié)果正確。</p><p>　　（3）分頻模塊（blk1）如下：<

65、;/p><p>　　功能：由于實驗箱提供的是2MHZ的時鐘信號，為了得到1HZ的時鐘信號，要對輸入時鐘信號進行2000000分頻。得到合適的時鐘信號。set信號可以控制系統(tǒng)的起始及終止。</p><p><b>　　源程序：</b></p><p>　　module blk1(clk,set,out);</p><p>　　

66、input clk,set; //基頻與使能</p><p>　　output out; //分頻后的輸出</p><p><b>　　reg out;</b></p><p>　　reg[23:0] count1,count2;//count1用于記錄時鐘總數(shù),count2用于記錄經(jīng)過了多少個時鐘周期</p><p>

67、;　　always @ (posedge clk)</p><p><b>　　begin</b></p><p><b>　　if(set)</b></p><p><b>　　begin</b></p><p>　　count1 = 1000000;//實際下載時改成500

68、000，方便看到結(jié)果 count1 = count1 - 1;</p><p>　　count2 = 0;</p><p><b>　　out = 0;</b></p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　else</b></p&g

69、t;<p><b>　　begin</b></p><p>　　if(count2 < count1)</p><p><b>　　begin</b></p><p>　　count2 = count2 + 1;</p><p><b>　　end</b>&

70、lt;/p><p><b>　　else</b></p><p><b>　　begin</b></p><p>　　out = ~out;</p><p>　　count2 = 0;</p><p><b>　　end</b></p><

71、;p><b>　　end</b></p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　endmodule</b></p><p><b>　　仿真結(jié)果：</b></p><p>　　由于2000000分頻看不出仿真結(jié)果，這里改成4

72、分頻。如圖，當(dāng)set信號有一個正跳變之后，out才開始有輸出。而之后set為高電平時，out停止產(chǎn)生時鐘信號，相當(dāng)于起到暫停的作用。另外，可以看出out的頻率是clk的1/4，實現(xiàn)了4分頻。</p><p><b>　　2．頂層文件</b></p><p>　　交通燈控制器（jiaotongdeng）：由三個底層模塊構(gòu)成，結(jié)構(gòu)圖如下：</p><p

73、><b>　　仿真結(jié)果：</b></p><p>　　分析亮燈情況及倒計時情況，與設(shè)計要求相符合，仿真結(jié)果正確。</p><p><b>　　五、管腳綁定</b></p><p>　　clk綁定到晶振時鐘信號，設(shè)定管腳號為28；</p><p>　　rst,c,set分別綁定到三個乒乓開關(guān)，這

74、里設(shè)定管腳號分別為139，138，137；</p><p>　　LAMPA[0],LAMPA[1],LAMPA[2]分別綁定到綠燈，黃燈，紅燈上，這里設(shè)定管腳號分別為221，204，233；</p><p>　　LAMPB[0],LAMPB[1],LAMPB[2]分別綁定到綠燈，黃燈，紅燈上，這里設(shè)定管腳號分別為206,186,222;</p><p>　　TAH[

75、0]~TAH[7], TAL[0]~TAL[7],TBH[0]~TBH[7] ,TBL[0]~TBL[7]分別綁定到四個數(shù)碼管上，管腳號這里就不一一贅述。</p><p>　　六、編譯下載，驗證結(jié)果。</p><p>　　實驗結(jié)果分析：c為鄉(xiāng)村道路信號，當(dāng)c=0時，即鄉(xiāng)村道路無車，主干道經(jīng)過綠燈20秒，黃燈5秒，此時若c=1，則變成紅燈，倒計時變成16秒，否則，又回到綠燈，倒計時停在1；鄉(xiāng)

76、村道路經(jīng)過紅燈25秒，此時若c=1，則變成綠燈，倒計時變成11秒，否則仍為紅燈，倒計時停在1秒。如果開始時c=0，經(jīng)過一段時間后有車來，假設(shè)此時主干道通行時間已經(jīng)超過最短通行時間25秒，則主干道變黃燈，倒計時5秒后變紅燈，鄉(xiāng)村道路紅燈倒計時5秒后變綠燈。假設(shè)鄉(xiāng)村道路綠燈時，c=0，則不管鄉(xiāng)村道路倒計時有沒有到1都變黃燈，5秒后變紅燈，主干道倒計時5秒后變綠燈。</p><p>　　分析實驗結(jié)果可以看到該系統(tǒng)實現(xiàn)了