(完整word版)Verilog_HDL的交通燈控制器設(shè)計

1、交通信號燈控制器課程設(shè)計報告2015-2016 學(xué)年第 2 學(xué)期課程設(shè)計名稱：院 （系）：電子綜合設(shè)計 EDA課程設(shè)計電子信息學(xué)院專業(yè)：電子信息工程班級：電子 1313姓名：xx學(xué)號：1310034303xx綜合實驗時間：2016/7/11-2016/7/15指導(dǎo)教師：鐘 旭提交時間：2016/7/15交通信號燈控制器上海電機學(xué)院課程設(shè)計任務(wù)書課程名稱電子綜合設(shè)計 EDA課程設(shè)計課程代碼033117P11、數(shù)字式競賽搶答器2、自動售票機3、乒乓球比賽游戲機課程設(shè)計4、電子密碼鎖課題清單5、出租車自動計費器6、洗衣機控制器7、交通信號燈控制器8、電梯控制器設(shè)計時間2016年 7月 11日 201

2、6年 7月 15日一、課程設(shè)計任務(wù)匯總設(shè)計任務(wù)：交通信號燈控制器功能要求：1、設(shè)計一個交通信號燈控制器，由一條主干道和一條支干道匯合成十字路口，在每個入口處設(shè)置紅、綠、黃三色信號燈，紅燈亮禁止通行，綠燈亮允許通行，黃燈亮則給行駛中的車輛有時間停在禁行線外；2、紅、綠、黃發(fā)光二極管作信號燈，用傳感器或邏輯開關(guān)作檢測車輛是否到來的信號；3、主干道處于常允許通行的狀態(tài)，支干道有車來時才允許通行。主干道亮綠燈時，支干道亮紅燈；支干道亮綠燈時，主干道亮紅燈；4、主、支干道均有車時，兩者交替允許通行，主干道每次放行時間A，支干道每次放行時間A，設(shè)立 A、 B 計時顯示電路；5、在每次由綠燈亮到紅燈亮的轉(zhuǎn)換

3、過程中，要亮黃燈C 時間作為過渡，使行駛中的車輛有時間停到禁行線外，設(shè)立C計時顯示電路。時間 ABC1交通信號燈控制器二、對課程設(shè)計成果的要求（包括課程設(shè)計報告、圖紙、圖表、實物等軟硬件要求）1課程設(shè)計基本要求課題分析、查閱資料、方案論證、方案實現(xiàn)、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)、撰寫課程設(shè)計報告2 成果要求（ 1）系統(tǒng)方案（2）電路 RTL原理圖（ 3） Verilog 源程序和流程圖（或狀態(tài)機轉(zhuǎn)移圖）（ 4） Verilog 測試程序（ 5）設(shè)計說明書（課程設(shè)計報告）三、課程設(shè)計工作進度計劃：時間安排內(nèi)容星期一下達任務(wù)星期二程序設(shè)計星期三程序調(diào)試星期四撰寫報告星期五考核答辯四、主要參考資料：指 導(dǎo) 書： Ver

4、ilog 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計教程 夏宇聞編著 北京航空航天大學(xué)出版社參考資料： EDA設(shè)計實驗教程艾明晶編著清華大學(xué)出版社2交通信號燈控制器目錄第一章設(shè)計原理41.1 設(shè)計要求41.2 設(shè)計思路和原理41.3 實現(xiàn)方法4第二章Verilog HDL 程序設(shè)計62.1 整體設(shè)計62.2 具體設(shè)計7第三章仿真測試73.1 波形仿真7第四章設(shè)計總結(jié)103交通信號燈控制器第一章設(shè)計原理1.1 設(shè)計要求設(shè)計一個交通控制器， 用 LED 顯示燈表示交通狀態(tài)， 并以 7 段數(shù)碼顯示器顯示當前狀態(tài)剩余秒數(shù) 主干道綠燈亮?xí)r，支干道紅燈亮；反之亦然，二者交替允許通行，主干道每次放行35s，支干道每次放行25s。每次由綠

5、燈變?yōu)榧t燈的過程中，亮光的黃燈作為過渡，黃燈的時間為 5s。能進行特殊狀態(tài)顯示，特殊狀態(tài)時東西、南北路口均顯示紅燈狀態(tài)。用 LED 燈顯示倒計時，并且能實現(xiàn)總體清零功能，計數(shù)器由初始狀態(tài)開始計數(shù)，對應(yīng)狀態(tài)的顯示燈亮。能實現(xiàn)特殊狀態(tài)的功能顯示。11.2 設(shè)計思路和原理(1) 主、支干道用傳感器檢測車輛到來情況，實驗電路用邏輯開關(guān)代替。(2) 選擇 1HZ時鐘脈沖作為系統(tǒng)時鐘。(3) 45s、25s、5s 定時信號可用順計時，也可用倒計時，計時起始信號由主控電路給出，每當計滿所需時間，啟、閉三色信號燈，并啟動另一計時電路。(4) 交通燈狀態(tài)變化如表 1 及圖 1 所示 :主干道 (A)主干道 (A

6、) 交通燈支干道 (B) 交通燈支干道 (B)狀態(tài)及顯示時間及顯示時間狀態(tài)0綠( 45s )紅(50s)01黃( 5s )2紅(30s)綠(25s)1黃(5s)2Emergency紅(0)紅(0)Emergency表 1 交通燈狀態(tài)圖4交通信號燈控制器檢測到支路無行人狀態(tài) 0和車輛Emergency狀態(tài)1狀態(tài)2圖 1 交通燈狀態(tài)圖(5) 交通燈設(shè)計輸入信號 4 個：CLK(時鐘 ) ，EN(使能 ) ，EMERGENCY(緊急 ) ，BCHECK(檢測 ) ；輸出信號 4 個： LAMPA(主干道信號燈 ) ， LAMPB(支干道信號燈 ) ， ACOUNT(主干道計數(shù)器 ) ，BCOUNT(

7、支干道計數(shù)器 ) 。交通燈控制原理如圖2 所示。圖 2 交通燈原理圖1.3 實現(xiàn)方法本次采用文本編輯法，即利用 Verilog HDL 語言描述交通控制器，通過狀態(tài)機計數(shù)法，實現(xiàn)設(shè)計所要求的交通燈控制及時間顯示。 設(shè)計中用兩組紅黃綠 LED 模擬兩個方向上的交通燈，用 4 個 7 段數(shù)碼管分別顯示兩個方向上的交通燈剩余時間，控制時鐘由試驗箱上頻率信號提供。 25交通信號燈控制器第二章Verilog HDL程序設(shè)計2.1 整體設(shè)計根據(jù)上章設(shè)計原理，交通燈控制的關(guān)鍵是各個狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換和進行適當?shù)臅r間延時，根據(jù)狀態(tài)機的設(shè)計規(guī)范，本次設(shè)計了三個狀態(tài)之間的循環(huán)轉(zhuǎn)化，其真值表及狀態(tài)轉(zhuǎn)化圖如下所示：狀狀0

8、0狀狀狀狀狀狀狀狀狀狀狀狀10狀狀01狀狀00狀狀狀狀狀 001狀狀狀狀狀 100狀狀01狀狀狀狀狀 010狀狀狀狀狀 010狀狀11狀狀狀狀狀 100狀狀狀狀狀 001狀狀11狀狀10狀狀狀狀狀 010狀狀狀狀狀 010圖 2 交通燈控制狀態(tài)轉(zhuǎn)化說明：該狀態(tài)圖為交通燈在正常情況下的狀態(tài)轉(zhuǎn)化圖，進入控制后，狀態(tài) 00 時主干道綠燈及支干道紅燈亮起，進入狀態(tài) 01 后兩路黃燈亮起，狀態(tài) 11 時主干道紅燈及支干道綠燈亮起。進入 10 狀態(tài)兩路黃燈亮起。結(jié)束一個循環(huán)，從 00 狀態(tài)重新開始循環(huán)。為實現(xiàn)控制與顯示的功能，需要設(shè)計交通燈點亮順序控制程序，倒數(shù)計時程序，七段數(shù)碼管顯示程序，數(shù)碼管顯示掃描

9、程序，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下所示：holdrst狀狀狀狀狀狀狀狀狀狀狀狀狀狀狀狀狀狀狀狀狀狀狀1Hzclk 1KHz 狀狀狀狀 1Hz狀狀狀狀狀狀狀狀狀狀狀狀狀狀狀狀狀狀狀狀狀狀狀狀圖 3 交通燈控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖其中 rst 為復(fù)位信號， clk 為時鐘信號， hold 為特殊情況控制信號 ,輸入 hold 時兩個方向紅燈無條件亮起。6交通信號燈控制器2.2具體設(shè)計根據(jù)整體設(shè)計要求，編寫各個功能部分Verilog HDL 程序，設(shè)置各輸入輸出變量說明如下clk ： 為計數(shù)時鐘；qclk：為掃描顯示時鐘；en： 使能信號，為1 的話，則控制器開始工作；rst： 復(fù)位信號，為 1 的話，控制及技術(shù)回到初始

10、狀態(tài)；hoid ：特殊情況控制信號，為1 的話，則兩個方向無條件顯示為紅燈；light1 ： 控制主干道方向四盞燈的亮滅；其中，light10light2 ，分別控制主干道方向的綠燈、黃燈和紅燈；light2 ： 控制支干道方向四盞燈的亮滅；其中，light20 light22 ，分別控制支干道方向的綠燈、黃燈和紅燈；num1： 用于主干道方向燈的時間顯示，8 位，可驅(qū)動兩個數(shù)碼管；num2： 用于支干道方向燈的時間顯示，8 位，可驅(qū)動兩個數(shù)碼管；counter：用于數(shù)碼管的譯碼輸出；st1，st2：數(shù)碼管掃描信號。詳細設(shè)計步驟：(1) 確定 4 個輸入信號與 4 個輸出信號，具體見圖 2；(

11、2) 將 50MHZ時鐘分頻為 1MHZ；(3) 設(shè)計紅黃綠 3 中信號燈切換的時間及順序；(4) 設(shè)計支路檢測狀態(tài)下的信號燈切換；(5) 設(shè)計緊急 (EMERGENCY)狀態(tài)下信號燈的切換；(6) 程序使用 3always 塊 1，詳細代碼如下：總體程序見程序清單所示第三章仿真測試3.1波形仿真在仿真軟件下創(chuàng)建工程，新建編輯設(shè)計文件，將程序輸入，整體編譯后，新建波形仿真文件。設(shè)置仿真時間，時鐘周期，輸入輸出端口，進行波形仿真。具體仿真波形圖及說明如下所示：7交通信號燈控制器仿真截止時間： 100us；時鐘： clk 1us，qclk 0.1us3.1.1正常工作時波形仿真圖圖 4 沒有緊急情

12、況時主干道和支干道的信號燈的顯示狀態(tài)圖 5 沒有緊急情況時主干道和支干道的信號燈的顯示狀態(tài)圖 6 沒有緊急情況時主干道和支干道的信號燈的顯示狀態(tài)8交通信號燈控制器圖 7 沒有緊急情況時主干道和支干道的信號燈的顯示狀態(tài)圖 8 沒有緊急情況時主干道和支干道的信號燈的顯示狀態(tài)圖 9 有緊急情況時主干道和支干道的信號燈的顯示狀態(tài)波形仿真主要完成了控制與計數(shù)以及數(shù)碼管顯示的波形圖。 num1,num2 分別表示主干道和支干道的倒計時， num1 = 00100000主干道計時 20 秒 num2 = 00100101支干道計時 25 秒；9交通信號燈控制器s1 用來表示主干道最短通車時間是否已到， 到了

13、 s1=1；s2 用來表示支干道最長通車時間是否已到，到了 s2=1，控制輸出量從高位到低位分別表示紅，黃，綠為 light1=001，light2=100， counter 用于時鐘計數(shù)。 hold 為緊急情況時主干道和支干道的信號燈為紅燈。圖 6 頂層文件圖結(jié)果分析： 仿真結(jié)果符合設(shè)計要求，交通燈有規(guī)律的變化，顯示倒計時；在檢測支路無車輛和緊急情況下，交通燈可以做出相應(yīng)調(diào)整。設(shè)計中使用 FSM（三段式），此方式描述方法雖然代碼結(jié)構(gòu)復(fù)雜了一些，但是使 FSM 做到了同步寄存器輸出，有利于實現(xiàn)交通燈控制 2 。第四章設(shè)計總結(jié)這次課程設(shè)計，通過對交通等控制器設(shè)計，解決了之前課上存在的一些困惑，就

14、是對測試程序的編寫，調(diào)試，對于測試程序有了很大的提升。在程序編寫和調(diào)試過程中從圖書館借閱了很多相關(guān)程序，并對原理和算法進行理解，收獲很大。對于課題，首先進行了單元模塊的設(shè)計， 將每一個單元模塊設(shè)計完成后再經(jīng)行仿真，仿真成功后就可以進行頂層文件的編寫了，在頂層文件的編寫過程中遇到了一些問題，特別是各模塊之間的連接，以及信號的定義，總是有錯誤。有的時候信號的定義容易出現(xiàn)混淆，在反復(fù)的修改過后，頂層文件終于能夠編譯成功了。在波形仿真的過程中，同樣遇到了困難，10交通信號燈控制器有的時候會出現(xiàn)仿真時間過長的問題，這個時候應(yīng)該修改系統(tǒng)時鐘的頻率。在設(shè)計的過程中還應(yīng)該多聯(lián)系下實際情況，要了解實際情況下交通

15、信號燈的工作情況，才能更好的完成此次的課程設(shè)計。這次的課程設(shè)計使我鞏固了以前學(xué)習(xí)到的知識，還使我掌握了以前沒有掌握的知識，同時鍛煉了自己的能力。通過這次課程設(shè)計 ,并進一步熟練了對 Xilinx ISE 軟件的操作。通過與同學(xué)探討和請教老師，終于把問題都解決了，并加深了對交通燈原理和設(shè)計思路的了解。同時也掌握了做課程設(shè)計的一般流程，為以后的設(shè)計積累了一定的經(jīng)驗。做課程設(shè)計時，先查閱相關(guān)知識，把原理吃透，確定一個大的設(shè)計方向，在按照這個方向分模塊的把要實現(xiàn)的功能用流程圖的形式展示。最后參照每個模塊把輸入和輸出引腳設(shè)定， 運用我們所學(xué)的 Verilog 語言進行編程。總之，通過這次的設(shè)計，進一步了

16、解了 EDA 技術(shù)，收獲很大，對軟件編程，排錯調(diào)試，相關(guān)儀器設(shè)備的使用技能等方面得到較全面的鍛煉和提高。11交通信號燈控制器程序清單module sy(en,clk,qclk,rst,rst1,hold,num1,num2,light1,light2,counter,st1,st2);input en,clk,qclk,rst,hold,rst1;output st1,st2;output7:0 num1,num2;output6:0counter;output2:0 light1,light2;reg tim1,tim2,st1,st2;reg1:0state1,state2,ste;reg

17、2:0light1,light2;reg3:0num;reg6:0counter;reg7:0 num1,num2;reg7:0 red1,red2,green1,green2,yellow1,yellow2;always (en )if(!en)begin / 設(shè)置計數(shù)初值green1=8b00110101;red1=8b00100101;yellow1=8b00000101;green2=8b00100101;red2=8b00110101;yellow2=8b00000101;endalways (posedge clk )beginif(rst) / 復(fù)位與特殊情況控制beginlig

18、ht1=3b001;num1=green1;endelse if(hold)beginlight1=3b100;num1=green1;12交通信號燈控制器endelse if(en)begin / 使能有效開始控制計數(shù)if(!tim1) / 開始控制begin / 主干道交通燈點亮控制tim1=1;case(state1)2b00:begin num1=green1;light1=3b001;state1=2b01;end 2b01:begin num1=yellow1;light1=3b010;state1=2b11;end 2b11:begin num1=red1;light1=3b10

19、0;state1=2b10;end 2b10:begin num1=yellow1;light1=3b010;state1=2b00;end default:light10)if(num13:0=0)beginnum13:0=4b1001;num17:4=num17:4-1;endelse num13:0=num13:0-1;if(num1=1) tim1=0;endendelsebeginlight1=3b010;num1=2b00;tim1=0;endendalways (posedge clk )beginif(rst) / 復(fù)位與特殊情況控制beginlight2=3b100;13交通

20、信號燈控制器num2=red2;endelse if(hold)beginlight2=3b100;num2=red2;endelse if(en)beginif(!tim2)begintim2=1;case(state1)2b00:begin num2=red2;light2=3b100;state2=2b01;end 2b01:begin num2=yellow1;light2=3b010;state2=2b11;end 2b11:begin num2=green2;light2=3b001;state2=2b10;end 2b10:begin num2=yellow2;light2=3b

21、010;state2=2b00;enddefault:light20)if(num23:0=0)beginnum23:0=4b1001;num27:4=num27:4-1;endelse num23:0=num23:0-1;if(num2=1) tim2=0;endendelsebegintim2=0;state2=2b00;light2=3b010;end14交通信號燈控制器endalways (posedge qclk)begin/ 數(shù)碼管掃描if(rst1)beginst1=0;st2=0;endelsebegincase(st2,st1)2b00:begin num=num13:0;s

22、t2,st1=2b01; end2b01:begin num=num17:4;st2,st1=2b10; end2b10:begin num=num23:0;st2,st1=2b11; end2b11:begin num=num27:4;st2,st1=2b00; endendcaseendendalways (posedge qclk)begin/ 數(shù)碼管譯碼顯示case(num)4b0000: counter=7b0111111; / 04b0001: counter=7b0000110; /14b0010: counter=7b1011011; /24b0011: counter=7b1

23、001111; /34b0100: counter=7b1100110; / 44b0101: counter=7b1101101; /54b0110: counter=7b1111101; / 64b0111: counter=7b0000111; /74b1000: counter=7b1111111; /84b1001: counter=7b1101111; /9default: counter=7b0111111; /0endcaseendendmodule15交通信號燈控制器測試程序：module syy;/ Inputsreg en;reg clk;reg qclk;reg rst;reg rst1;reg hold;/ Outputswire 7:0 num1;wire 7:0 num2;wire