北邮数字电路综合实验报告——交通灯控制器的VHDL实现

数字电路综合实验报告

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目录

一、实验摘要 (3)

二、实验任务 (3)

1.任务要求 (3)

2.任务解析 (3)

三、实验设计思路 (4)

1.状态转移图 (4)

2.流程图 (5)

3.模块确定 (5)

4.系统框图 (7)

四、程序代码 (7)

⒈主程序 (7)

⒉分频模块 (9)

⒊防抖模块 (10)

⒋交通灯控制模块 (11)

⒌数字译码模块 (14)

五、实验结果 (15)

1.仿真结果 (15)

2.实物结果 (17)

六、所遇问题分析 (17)

七、实验总结 (18)

交通灯控制器的VHDL实现

一、实验摘要

随着交通情况的日益复杂，交通灯在生活中所处的位置也越来越高。本实验就是基于VHDL语言编程实现了十字路口的交通灯控制器。对于交通等控制器的设计是分模块自顶向下的设计思想，软硬件结合来实现本设计。

关键字：交通灯、VHDL、控制器

二、实验任务

1.任务要求

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.任务解析

东西（A车道）和南北（B车道）方向各有一组绿、黄、红灯用于指挥交通（如图1），绿灯、黄灯和红灯的持续时间分别为20 秒、5 秒和25 秒。

图1 十字路口交通灯模型

因此，可以设计如下四个状态，其关系为：

状态

亮灯情况

车辆行驶状况

持续时

间（秒）下一状态A车道B车道

S0 红亮红亮紧急状况，A/B车道均禁止通行~ S1

S1 绿亮红亮A车道通行，B车道禁止通行20 S2

S2 黄亮红亮A车道缓行，B车道禁止通行 5 S3

S3 红亮绿亮A车道禁止通行，B车道通行20 S4

S4 红亮黄亮A车道禁止通行，B车道缓行 5 S1

三、实验设计思路

1.状态转移图

图2 状态转移图

2.流程图

图3 流程图

3.模块确定

⑴分频模块

设计原因：由于实验板只能提供50MHz的时钟信号，而电路中只能使用较低频率的时钟：1Hz时钟信号：计数器count变化时使用；

20Hz时钟信号：在防抖电路中使用的时钟信号；

1kHz时钟信号哦：用于数码管位选信号的改变的时钟信号。

功能：用于将实验板上的50MHz的时钟信号经分频后输出：1kHz、20Hz、1Hz。

图4 分频模块的输入和输出

⑵防抖动模块

设计原因：只要有按键或是拨码开关，防抖电路就是不可缺少的一个模块。否则，按键信号中的一些毛刺和抖动往往会引起电路不可预知的错误。

功能：将带有抖动的信号进行识别和判断，输出持续时间超过0.1s的高电平信号。

图5 防抖动模块的输入和输出

⑶交通灯控制模块

设计原因：这个模块是本程序设计的灵魂，是重中之重！这个模块用于控制电路的状态改变和按键响应，也就是系统中控制器的作用。

功能：根据按键信号和输入时钟，输出符合交通灯状态变化规律的LED驱动信号、数码管显示的数据、数码管位选信号。

图6 交通灯控制模块的输入和输出

⑷数字译码模块

设计原因：由于交通灯控制模块输出的为数码管显示的数据，为10进制数，因此必须要一个译码电路，将此十进制数转化为LED灯的驱动信号，而这个功能正是由此模块完成。

功能：将输入的十进制数转变为相应的8位2二进制数作为数码管的驱动信号。

图7 数字译码模块的输入和输出

⑸整体模块连接图

图8 模块整体连接图

4.系统框图

图9 系统框图

四、程序代码

⒈主程序

--------------------------------主程序--------------------------------

library ieee;

use ieee.std_logic_1164.all;

entity traffic_lights is

port(clk:in std_logic; ----------时钟信号

emerg,reset:in std_logic; ----------复位和紧急情况信号

seg:out std_logic_vector(7 downto 0); ---------7段数码管显示

select_led:out std_logic_vector(5 downto 0); ---------选通输出

lights:out std_logic_vector(7 downto 0));-------led发光管输出

end traffic_lights;

architecture a of traffic_lights is -------分别调用各个模块

signal cp1k,cp20,cp1,resetout,emergout:std_logic;

signal number:integer range 0 to 9;

component freq_divide -------分频模块 1k 100hz 1hz

port(clk_in:in std_logic;

clk_1,clk_20,clk_1k:out std_logic);

end component;

component noshake -------分频模块 1k 100hz 1hz

port(clk_20,keyin:in std_logic;

keyout:out std_logic);

end component;

component traffic -------交通灯控制模块

port(clk1,clk1k:in std_logic;

emerg,reset:in std_logic;

num:out integer range 0 to 9;

lights:out std_logic_vector(7 downto 0);

select_led:out std_logic_vector(5 downto 0));

end component;

component display --------数字译码模块

port(num:in integer range 0 to 9;

seg:out std_logic_vector(7 downto 0));

end component;

begin

u1:freq_divide port map(clk,cp1,cp20,cp1k); ----分频器产生时钟信号

u2:noshake port map(cp20,reset,resetout); ----对复位信号防抖处理

u3:noshake port map(cp20,emerg,emergout); ----对紧急信号防抖处理

u4:traffic port map(cp1,cp1k,emergout,resetout,number,lights,select_led);

----状态机运转

u5:display port map(number,seg); ----数码管显示

end;

⒉分频模块

--------------------------------分频模块--------------------------------

library ieee;

use ieee.std_logic_1164.all;

use ieee.std_logic_unsigned.all;

entity freq_divide is

port(clk_in : in std_logic;

clk_1,clk_20,clk_1k : out std_logic);

end;

architecture a of freq_divide is

signal count1 : integer range 0 to 24999;

signal count2 : integer range 0 to 24;

signal count3 : integer range 0 to 9;

signal clk_tmp1,clk_tmp2,clk_tmp3: std_logic;

begin

----------------50000分频进程----------------

---输出：1kHz的时钟信号

---功能：用于数码管显示时刷新频率

p1:process(clk_in)

begin

if (clk_in'event and clk_in='1') then

if count1=24999 then

count1<=0;

clk_tmp1<= not clk_tmp1;

else

count1<=count1+1;

end if;

end if;

end process p1;

----------------50分频进程----------------

---输出：20Hz的时钟信号

---功能：防抖动电路中使用

p2:process(clk_tmp1)

begin

if (clk_tmp1'event and clk_tmp1='1') then

if count2=24 then

count2<=0;

clk_tmp2<= not clk_tmp2;

else

count2<=count2+1;

end if;

end if;

end process p2;

----------------20分频进程----------------

---输出：1Hz的时钟信号

---用于状态转变的时钟信号

p3:process(clk_tmp2)

begin

if (clk_tmp2'event and clk_tmp2='1') then

if count3=9 then

count3<=0;

clk_tmp3<= not clk_tmp3;

else

count3<=count3+1;

end if;

end if;

end process p3;

clk_1<=clk_tmp3;

clk_20<=clk_tmp2;

clk_1k<=clk_tmp1;

end;

⒊防抖模块

--------------------------------防抖动模块--------------------------------

library ieee;

use ieee.std_logic_1164.all;

use ieee.std_logic_unsigned.all;

entity noshake is

port(clk_20,keyin: in std_logic;

keyout: out std_logic);

end;

architecture a of noshake is

signal cp:std_logic;

begin

----------------只有持续时间高于0.1s的高电平才有效---------------- process(clk_20)

variable times:integer range 0 to 2;

begin

if (clk_20'event and clk_20='1') then

if keyin='1' then

if times=2 then

times:=times;

else times:=times+1;

end if;

else times:=0;

end if;

end if;

if times=2 then

cp<='1';

else cp<='0';

end if;

keyout<=cp;

end process;

end;

⒋交通灯控制模块

--------------------------------交通灯控制模块--------------------------------

library ieee;

use ieee.std_logic_1164.all;

use ieee.std_logic_unsigned.all;

entity traffic is

port(clk1,clk1k:in std_logic;

emerg,reset:in std_logic;

num:out integer range 0 to 9;

lights:out std_logic_vector(7 downto 0);

select_led:out std_logic_vector(5 downto 0));

end traffic;

architecture control of traffic is

type states is(s0,s1,s2,s3,s4);

signal state:states;

signal num1,num2,num3,num4:integer range 0 to 9;

signal emerg_status,reset_status:std_logic:='0';

signal count:integer range 1 to 50 :=50;

begin

----------------紧急信号的处理进程----------------

p1:process(emerg)

begin

emerg_status<=emerg;

end process p1;

----------------复位信号处理及计数器count控制进程----------------

p2:process(reset)

begin

reset_status<=reset;

end process p2;

p3:process(clk1)

begin

if(reset_status='1') then

count<=50;

elsif(emerg_status='1') then

count<=count;

else

if(clk1'event and clk1='1') then

if count=1 then

count<=50;

else count<=count-1;

end if;

end if;

end if;

end process;

----------------核心状态机----------------

p4:process(emerg_status,count)----根据计数器来选择交通灯状态

begin

if(emerg_status='1')then state<=s0; -------6个正常状态和1个紧急情况状态

else

if(count>=31)then state<=s1;

elsif(count<=30 and count>=26)then state<=s2;

elsif(count<=25 and count>=6)then state<=s3;

else state<=s4;

end if;

end if;

case state is ---- 交通灯状态，用LED发光管模拟交通灯when s0=>lights<="10010000"; --;RA/RB

when s1=>lights<="00110000"; --;GA/RB

when s2=>lights<="01010000"; --;YA/RB

when s3=>lights<="10000100"; --;RA/GB

when s4=>lights<="10001000"; --;RA/YB

end case;

end process;

----------------根据计数器值确定数码管显示数字---------------- p5:process(emerg_status,count)

begin

if(emerg_status='1') -------紧急状态下数码管显示8 then num1<=8;num2<=8;num3<=8;num4<=8;

else

----状态S1

if(count=50)

then num1<=2;num2<=0;num3<=2;num4<=5;

elsif(count>=45 and count<50)

then num1<=1;num2<=count-40;num3<=2;num4<=count-45;

elsif(count>=40 and count<=44)

then num1<=1;num2<=count-40;num3<=1;num4<=count-35;

elsif(count>=35 and count<=39)

then num1<=0;num2<=count-30;num3<=1;num4<=count-35;

elsif(count>=31 and count<=34)

then num1<=0;num2<=count-30;num3<=0;num4<=count-25;

----状态S2

elsif(count>=26 and count<=30)

then num1<=0;num2<=count-25;num3<=0;num4<=count-25;

----状态S3

elsif(count=25)

then num1<=2;num2<=5;num3<=2;num4<=0;

elsif(count>=20 and count<=24)

then num1<=2;num2<=count-20;num3<=1;num4<=count-15;

elsif(count>=15 and count<=19)

then num1<=1;num2<=count-10;num3<=1;num4<=count-15;

elsif(count>=14 and count<=10)

then num1<=1;num2<=count-10;num3<=0;num4<=count-5;

----状态S4

elsif(count>=6 and count<=9)

then num1<=1;num2<=count;num3<=0;num4<=count-5;

else num1<=0;num2<=count;num3<=0;num4<=count;

end if;

end if;

end process;

----------------数码管选通信号输出----------------

p6:process(clk1k)

variable temp:integer range 0 to 3;

begin

if(clk1k'event and clk1k='1')then

case temp is

when 0=>num<=num1;temp:=1;select_led<="011111"; -------选用4个数码管输出倒计时

when 1=>num<=num2;temp:=2;select_led<="101111";

when 2=>num<=num3;temp:=3;select_led<="111101";

when 3=>num<=num4;temp:=0;select_led<="111110";

end case;

end if;

end process;

end;

⒌数字译码模块

--------------------------------数字译码模块------------------------------ library ieee;

use ieee.std_logic_1164.all;

entity display is

port(num:in integer range 0 to 9;

seg:out std_logic_vector(7 downto 0));

end;

architecture a of display is

begin

d1:process(num)

begin

case num is

when 0=>seg<="00111111"; ------------由七位二进制数表示0到9 when 1=>seg<="00000110";

when 2=>seg<="01011011";

when 3=>seg<="01001111";

when 4=>seg<="01100110";

when 5=>seg<="01101101";

when 6=>seg<="01111101";

when 7=>seg<="00000111";

when 8=>seg<="01111111";

when 9=>seg<="01101111";

when others=>seg<="XXXXXXXX";

end case;

end process;

end;

五、实验结果

1.仿真结果

⑴仿真说明

由于分频模块的存在，导致无法整体仿真（可能可以，但是很费时间）。因此，只对核心模块——交通灯控制模块进行仿真。

为了结果的易读性，现将程序做如下修改。

①LED灯的驱动信号lights的修改：

when s0=>lights<="00000000"; --;RA/RB

when s1=>lights<="00000001"; --;GA/RB

when s2=>lights<="00000010"; --;YA/RB

when s3=>lights<="00000011"; --;RA/GB

when s4=>lights<="00000100"; --;RA/YB

即从S0~S4，相应的lights信号从0~4改变。

②数码管位选信号select_led的修改：

when 0=>num<=num1;temp:=1;select_led<="000000";

when 1=>num<=num2;temp:=2;select_led<="000001";

when 2=>num<=num3;temp:=3;select_led<="000010";

when 3=>num<=num4;temp:=0;select_led<="000011";

即数码管位选信号循环输出0~3。

③输入信号：1Hz和1kHz的时钟信号，仿真时间为110s。

⑵仿真波形图

①正常状况下

reset和emerg都为低电平。

图10 正常状态下的仿真波形

图11 续图10

由上两图可见，正常情况下，状态转移完全符合设计要求:14321S S S S S →→→→,如此循环往复。 num 信号和select_led 信号（局部）

图12 正常运行下的的仿真波形

数码管显示数字和数码管位选信号也都正常输出。

②复位信号响应

图13 复位情况下的仿真波形

reset 信号

由上面仿真波形中可见，当reset为高电平时，在时钟沿上状态改变为S1，即复位成功。

③紧急信号响应

紧急信号

图14 紧急情况下的仿真波形

由图14可见，在emerg信号有效时，交通灯状态一直处于S0，一旦emerg信号失效，状态立马恢复到原来（emerg信号之前的状态）。总之，紧急状况处理成功！

2.实物结果

总体来说，实验要求的基本功能全部完成，且没有bug。交通灯运行完全符合前面分析的要求。

六、所遇问题分析

问题1：状态改变的参考量的确定。

解决方案：当初设计时，丝毫没有头绪。当参考了以前同学的程序后，心中不由豁然开朗——使用计数器count的值来控制状态改变和数码管显示数字。这个想法确实很巧妙，做到了一个count解决所有控制问题。这样的设计，大大减小了程序的复杂度。

问题2：reset信号由拨码开关还是由按键来输入。

解决方案：这点困扰了我好久。最后考虑到如果使用按键输入时，一来与实际情况不符，二来为程序编写增加了难度。难度引入主要是由于按键检测的时钟和按键状态检测的时间，都很难确定，无论使用分频器产生的何种时钟信号都无法满足要求。最后采用拨码开关直接输入，使程序大为简便，也使这一问题得到圆满的解决。

七、实验总结

这次实验中，虽然在编程中遇到了不少困难，但是最终还是按时完成实验，确实令人信心倍增啊。

首先，在实验题目选定之后，对于题目的切入点一直找不到，不知如何下手。于是就在老师的课件中找灵感，万幸的是我竟然找见了！在老师课件中的一些示例中，我慢慢摸索和品味其中的要义，认真思考硬件编程的特点，并在网上查找资料，并重新拜读了去年发的那本《数字电路实验讲义》，从中得到不少启迪。终于在第二次上课前完成了程序原理和状态分析等任务。

然后，就开始编程了。最先编写的是分频模块——按照数字电路网站上的那个50M分频器的方法，编写出了实验要求的分频模块。接下来就是编写程序的主模块——交通灯控制模块。这个模块的编写借鉴了以前同学的设计思路，因此编写的头绪时很清晰的。最后编写了防抖模块和数字译码模块。这个过程中，始终伴随我的就是编译时的各种warning和error。但是我没有泄气。要知道——兵来将挡，水来土掩；凡事皆有因。有错误，就一

句一句排错，最后整体进行逻辑检测。终于在最后一个没有warning和error的程序编写完毕。

接下来就是仿真和下载。但是在仿真中，发现原先编写的程序有很大的逻辑错误。于是反复修改，反复阅读程序，查找病因。果然是“苦心人，天不负”，终于在最后，一个仿真正常、运行正常的程序编写成功。此时的喜悦真是无以言表。

在以上过程中，对于硬件编程的理解日渐深刻。这是我使我在平常的软件编写的惯性中，不由停下脚步，慢慢体会硬件编程的思想和技巧。

数字电路综合实验虽然结束了，但是在实验中学到的知识将使我收益一生。在此，感谢那些“诲人不倦”的老师和同学！