FPGA智能交通灯控制器系统系统设计

1系统总体设计

把由5OM的有源晶振产生的现场可编程逻辑器件FPGA 的系统时钟输入到分频模块，经分频模块分频产生频率为1Hz的时钟脉冲，作为控制定时模块、控制模块、紧急模块、计数模块的时钟信号，然后再由定时模块来控制紧急模块和控制模块，按照交通管理规则控制交通工作状态的切换，最后，由系统时钟和计数模块以及控制模块来共同控制计数器控制模块，计数器的时钟为lHz，再把计数器控制模块送出的BCD码送给译码器译码后，送给数码管显示各方向直行绿灯的倒计时。

图2.1.1

由系统开发需求，我们可以大致规划出系统的控制流程：交通灯控制模块将需要显示的时间数据连接到数码管显示模块，同时将状态信号连接到数码管控制模块，然后数码管显示模块和数码管控制模块驱动交通信号灯外设工作。系统框图如图2.1.1所示。

在分析如下需求状态后，可以得出：

状态1：主干道方向绿灯29s，支路红灯，

状态2：主干道方向黄灯3s，支路红灯，

状态3：主干道左转方向绿灯14s，支路红灯，

状态4：主干道方向黄灯3s，支路红灯，

状态5：支路方向绿灯20s，主干道红灯，

状态6：支路方向黄灯3s，主干道红灯，

救援车紧急通行状态

状态7：主干道和支路都是红灯10s，之后恢复状态1循环进行。

特殊状态1：道路特殊情况时，主干道和支路都是黄灯，数码管为00，不改变。

特殊状态2：夜间黄灯闪烁。

2. 十字路口红绿灯功能设计

功能说明：该十字路口交通灯控制器用于主干道与支道公路的交叉路口，要求是优先保证主干道的畅通，因此，设计要求如下：

设计一个用于十字路口的交通灯控制器，能显示十字路口东西、南北两个方向的红、黄、绿的指示状态；

1.具有倒计时的功能，用两组数码管作为东西和南北方向的倒计时显示，主干道直行(绿灯)29秒后，左转(绿灯)14秒；支干道直行(绿灯)20秒，在每次绿灯变成红灯的转换过程中，要亮黄灯3秒作为过渡。

2.只考虑直行和左转车辆控制信号灯，右转车辆不受信号灯控制，南北向车辆与东西向车辆交替方向，同方向等待车辆应先方向直行车辆而后放行左转车辆。

3.救援车紧急通行模块是方便救护车和消防车快速通行，所以主干道和支路都为红灯。

3.主控制器模块原理上是一个状态机，依据要求设计，设计出信号灯点亮规律的状态转换表，其中0表示灭，1表示亮，状态表显示了信号灯在运行过程中每个状态应该持续的时间，以及状态之间的转换顺序。依据分频计数器，当分频计数器的时钟达到了对应时间则切换为下一个状态，就可以实现控制信号灯的亮灭。

本次设计较复杂，如果不采用状态机的方式实现起来会非常繁琐，所以在功能中采用状态机的方式实现。

状态1：主干道方向绿灯29s，支路红灯，

状态2：主干道方向黄灯3s，支路红灯，

状态3：主干道左转方向绿灯14s，支路红灯，

状态4：主干道方向黄灯3s，支路红灯，

状态5：支路方向绿灯20s，主干道红灯，

状态6：支路方向黄灯3s，主干道红灯，

然后又重新进行状态1循环进行

救援车紧急通行模块

状态7：主干道和支路都是红灯10s，之后恢复状态1循环进行。

4.的verilog实现

module color_led(

input[3:0] led,

output reg green,red,yellow,zuo);

always @(*)

begin

case(led)

4'b1000: begin green<=1;yellow<=0;red<=0;zuo<=0;end

4'b0100: begin green<=0;yellow<=1;red<=0;zuo<=0;end

4'b0010: begin green<=0;yellow<=0;red<=1;zuo<=0;end

4'b0011: begin green<=0;yellow<=0;red<=1;zuo<=1;end

default: begin green<=1;yellow<=0;red<=0;zuo<=0;end

endcase

end

endmodule

说明：对红绿黄灯进行初始化，有四种状态，其中高电平代表灯亮，低电平为灯灭。

状态机部分代码：

case(state)

S0:begin

dig_zhulu_m1<=dig_zhulu_m1-1;Dig_zhilu_n1<=Dig_zhilu_n1-1;

if(dig_zhulu_m1==0) begin dig_zhulu_m1<=9;dig_zhulu_m2<=dig_zhulu_m2-1;end

if(dig_zhulu_m1==0 && dig_zhulu_m2==0) begin dig_zhulu_m1<=3;dig_zhulu_m2<=0;state<=S1;end

if(Dig_zhilu_n1==0) begin Dig_zhilu_n1<=9;Dig_zhilu_n2<=Dig_zhilu_n2-1;end end

S1:begin

dig_zhulu_m1<=dig_zhulu_m1-1;Dig_zhilu_n1<=Dig_zhilu_n1-1;

if(dig_zhulu_m1==0 && dig_zhulu_m2==0) begin dig_zhulu_m1<=4;dig_zhulu_m2<=1;end

if(Dig_zhilu_n1==0 && Dig_zhilu_n2==0) begin Dig_zhilu_n1<=0;Dig_zhilu_n2<=1;state<=S2;end

end

S2:begin

dig_zhulu_m1<=dig_zhulu_m1-1;Dig_zhilu_n1<=Dig_zhilu_n1-1;

if(dig_zhulu_m1==0) begin dig_zhulu_m1<=9;dig_zhulu_m2<=dig_zhulu_m2-1;end

if(Dig_zhilu_n1==0) begin Dig_zhilu_n1<=9;Dig_zhilu_n2<=Dig_zhilu_n2-1;end

if(Dig_zhilu_n1==0 && Dig_zhilu_n2==0) begin Dig_zhilu_n1<=3;Dig_zhilu_n2<=0;state<=S3;end

end

说明：该部分为实现红绿灯，左转功能的变化，主要利用了减法器原理，初始主干道方向绿灯29s，支路红灯，然后黄灯闪烁，当数码管为00时状态跳到S1，主干道左转绿灯赋值14s，然后是支路赋值20Ss依次循环，

救援车紧急通行模块

always @(posedge clk1hz,negedge rst_n,negedge M,negedge N,negedge shan)

begin

if(!M)begin state<=S6;dig_zhulu_m1<=9;dig_zhulu_m2<=0;Dig_zhilu_n1<=9;Dig_zhilu_n2<=0;end

S6:begin dig_zhulu_m1<=dig_zhulu_m1-1;Dig_zhilu_n1<=Dig_zhilu_n1-1;

if(dig_zhulu_m1==0 && dig_zhulu_m2==0) begin dig_zhulu_m1<=9;dig_zhulu_m2<=2;end

if(Dig_zhilu_n1==0 && Dig_zhilu_n2==0) begin Dig_zhilu_n1<=3;Dig_zhilu_n2<=3;state<=S0;end end

S6: begin light_zhulu<=4'b0010;

Light_zhilu<=4'b0010;end

说明：代码段为M判断按钮状态，当按下M按钮时执行代码段状态机S6，主干道和支路都变为红灯，倒计时10s后恢复为状态1.

3 十字路口红绿灯，左转，救援车紧急通行模块

1、功能测试设计的测试与分析

我主要是测试红绿黄灯，左转能否正常亮和跳转下一个状态，所以我先给clk和复位信号初值为0，然后经过#10单位时间后复位为1，交通灯开始工作，#10000时间按下按键M后进入救援车紧急通行模块。

clk=0;

rst_n=0;

#10 rst_n=1;

#10 M=1;

#10 N=1;

#10 shan=1;

//#10 M=0;

#10000 M=0;

#10010 M=1;

#10520 rst_n=0;

#10530 rst_n=1;

#11000 N=0;

#11010 N=1;

#11050 shan=0;

#11060 shan=1;

// --> end

$display("Running testbench");

end

always #10 clk=~clk;

2、modelsim仿真和分析

仿真结果和分析

分析：开始主干道直行(绿灯)29秒后，亮红灯，之后左转(绿灯)14秒变为3s黄灯；支干道直行(绿灯)20秒，在每次绿灯变成红灯的转换过程中，要亮黄灯3秒作为过渡。仿真结果正确