FPGA实验报告交通灯控制器设计

FPGA实验报告 -交通灯控制器设计 院 系： 电子与信息工程系 专 业： 通信工程 班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 1、 实验任务 1、任务名称：交通灯控制器的设计 2、设计内容与要求： 设计一个十字路口交通信号灯的定时控制电路。要求红、绿灯按一定的规律亮和灭，并在亮灯期间进行倒计时，并将运行时间用数码管/液晶显示出来。 绿灯亮时，为该车道允许通行信号，红灯亮时，为该车道禁止通行信号。要求主干道每次通行时间为99秒，支干道每次通行时间为30秒。每次变换运行车道前绿灯闪烁，持续时间为5秒。即车道要由主干道转换为支干道时，主干道在通行时间只剩下5秒钟时，绿灯闪烁显示，支干道仍为红灯，以便主干道上已过停车线的车继续通行，未过停车线的车停止通行。同理，当车道由支干道转换为主干道时，支干道绿灯闪烁显示5秒钟，主干道仍为红灯。 对红、绿灯的运行时间要能比较方便的进行重新设置。 对器件进行在系统编程和实验验证。 用VHDL语言对设计进行描述，设计一个测试方案，通过ISE对设计进行仿真验证。并能够下载到实验板上调试成功。6 写出设计性实验报告，并打印各层次的源文件和仿真波形，然后作简要说明。 2、补充功能与要求： 1.在主干道和支干道添加左转向灯； 2.各灯亮的时间及最后闪烁时间可调节； 3.紧急路况时，主干道和支干道都为红灯。2、 实验环境1、 ISE软件一套；2、 PC机一台。三、设计思路1、根据题目要求，知道整个交通灯的运行过程是周期的，所以可以设计一个总的计数器，满周期则清零；2、将灯闪烁时间、主干道绿灯亮的时间、主干道转向灯亮的时间、支干道绿灯亮的时间、支干道转向灯亮的时间分别记为变量t0、t1、t2、t3、t4，通过调整它们，实现调节各灯亮的时间；3、将所有需要显示的量由同一个信号表示并最终输出、显示在LCD上。4、 系统设计a）系统框图b）状态转换说明：主干道和支干道永远有且只有一个灯亮，紧急路况时两边红灯亮，其余时候有且只有一个红灯亮；主干道绿灯、主干道转向灯亮、支干道绿灯、支干道转向灯依次亮，在最后t0S（默认为5S）闪烁。c）输入输出及信号设计： Port ( LCD_Clk : in STD_LOGIC;-50mhz时钟 reset : in STD_LOGIC:=0;-复位 sensor:in std_logic :=0;-特殊情况时，两边都是红灯 up:in std_logic :=0 ;-有效时调整时间时增大时间 down:in std_logic :=0;-有效时调整时间时减少时间 choose:in std_logic :=0;-选择调整哪一个时间 control:in std_logic :=0;-有效时可以暂停，调整时间 LCD_RS : out STD_LOGIC; LCD_RW : out STD_LOGIC; LCD_EN : out STD_LOGIC; redax,greenax ,greenay:out std_logic;-主干道的红灯和两个绿灯，greenay为左转灯 redbx,greenbx ,greenby:out std_logic;-支干道的红灯和两个绿灯，greenby为左转灯 data : out STD_LOGIC_VECTOR (3 downto 0); -Lcd显示type istate is(write_instr,write_dataup4,write_datadown4,set_addrup,set_addrdown,ret_homeup,ret_homedown);signal state:istate;signal cnt_clk,clk500:std_logic;-分别为1hz，500hzsignal cnt:integer range 0 to 15:=0;signal cntnumh,cntnuml:integer range 0 to 9;-输入到数码管的数字signal countnum:integer ;-计数器signal reda,greena,greena1,redb,greenb,greenb1:std_logic;-各交通灯对应的信?signal t:integer range 0 to 99;-要输入lcd中的数字d）基本模块设计：1）字符译码函数function putc(data:character) return std_logic_vector is -字符译码函数，将字符显示在lcd上variable result:std_logic_vector(7 downto 0);begincase data iswhen o=>result:=conv_std_logic_vector(111,8);when u=> result:=conv_std_logic_vector(117,8);when C=> result:=conv_std_logic_vector(67,8);when n=> result:=conv_std_logic_vector(110,8);when t=> result:=conv_std_logic_vector(116,8);when e=> result:=conv_std_logic_vector(101,8);when r=> result:=conv_std_logic_vector(114,8);when :=> result:=conv_std_logic_vector(58,8);when others => result:=conv_std_logic_vector(32,8);end case;return result;end putc;2）数字译码函数function putn(num:in integer range 0 to 9) return std_logic_vector is -数字译码函数，将数字显示在lcd上variable fig:std_logic_vector(7 downto 0);begincase num iswhen 0=>fig:="00110000"when 1=> fig:="00110001"when 2=> fig:="00110010"when 3=> fig:="00110011"when 4=> fig:="00110100"when 5=> fig:="00110101"when 6=> fig:="00110110"when 7=> fig:="00110111"when 8=> fig:="00111000"when 9=> fig:="00111001"end case;return fig;end putn;3）分频，由50Mhz得到500hz，驱动lcd process(LCD_Clk)-分频，得到500hz时钟variable n3:integer range 0 to 49999;beginif rising_edge(LCD_Clk) thenif n3<49999 thenn3:=n3+1;elsen3:=0;clk500<=not clk500;end if;end if;end process;4）分频，由500hz得到1hz，作为交通灯控制器输入process(clk500)-分频，得到1hz时钟variable n:integer range 0 to 249;beginif rising_edge(clk500) thenif n<249 thenn:=n+1;elsen:=0;cnt_clk<=not cnt_clk;end if;end if;end process;5）主要功能实现：process(cnt_clk,reset,choose,up,down,control,t)-实现各种要求功能，包括倒计时显示，红绿灯（含左转灯）转换，以及转换时间调整variable m:integer range 0 to 4 ;-m表示转换的是哪一个时间（t0-t4中哪一个）variable count : natural range 0 to 99;-计数器，将正计数转换为倒计数variable t0:integer range 0 to 99 :=5;-绿灯闪烁时间variable t1:integer range 0 to 99 :=79;-主干道绿灯亮的时间variable t2:integer range 0 to 99 :=20;-主干道左转灯亮的时间variable t3:integer range 0 to 99:=20;-支干道绿灯亮的时间variable t4:integer range 0 to 99:=10;-支干道左转灯亮的时间beginif reset=1 then-1-复位，计数器清零，m，t0-t4赋初值 countnum<=0; m:=0; t0:=5; t1:=79; t2:=20; t3:=20; t4:=10;elsif control=1 then-可调节时间或暂停if rising_edge(cnt_clk) then-2if choose =1 then 选择t0-t4中的哪一个 3if m=4 then -4m:=0;-m在0-4之间循环else m:=m+1;end if; -4t<=m;-显示melse -choose为0时调节所选时间 3if up=1 then -tx增大 -4if m =0 then -调整t0，即闪烁时间，上限为7s， 5if t0=7 then -6t0:=5;else t0:=t0+1;end if; -6t<=t0;-显示t0elsif m=1 then-调整t1，上限99sif t1=99 then -6t1:=79;else t1:=t1+1;end if; -6t<=t1;-显示t1elsif m=2 then-调整t2，上限为30sif t2=30 then -6t2:=20;else t2:=t2+1;end if; -6t<=t2;-显示t2elsif m=3 then -调整t3，上限为30sif t3=30 then -6t3:=20;else t3:=t3+1;end if; -6t<=t3;-显示t3elsif m=4 then-调整t4，上限为15sif t4=15 then -6t4:=10;else t4:=t4+1;end if; -6t<=t4;-显示t4end if; -5elsif down=1 then -tx减小 4if m =0 then -调整t0，即闪烁时间，下限为2s， 5if t0=2 then -6t0:=5;else t0:=t0-1;end if; -6t<=t0;-显示t0elsif m=1 then-调整t1，下限为39秒if t1=39 then -6t1:=79;else t1:=t1-1;end if; -6t<=t1;-显示t1elsif m=2 then -调整t2，下限为10sif t2=10 then -6t2:=20;else t2:=t2-1;end if; -6t<=t2;-显示t2elsif m=3 then -调整t3，下限10sif t3=10 then -6t3:=20;else t3:=t3-1; end if;-6t<=t3;-显示t3elsif m=4 then-调整t4，下限8sif t4=8 then -6t4:=10;else t4:=t4-1;end if;-6t<=t4; -显示t4end if; -5end if; -4end if; -3end if; -2elsif rising_edge(cnt_clk) then -此时reset=0if countnum=t1+t2+t3+t4 then -2记数到整周期时，记数器清零countnum<=0;elsecountnum<=countnum+1; -计数器小于整周期时，正常记数end if; -2if sensor=1 then -2 sensor信号有效期间，表示紧急情况两组路灯都为红灯reda<=1;redb<=1;greena<=0;greenb<=0;greena1<=0;greenb1<=0;elseif countnum<=t1-t0 then-3主干道绿灯亮且非闪烁，支干道红灯亮 reda<=0;greena<=1;greena1 <= 0;redb<=1;greenb<=0;greenb1<=0; elsif countnum<=t1 then -主干道绿灯亮且闪烁，支干道红灯亮 reda<=0;greena<=not greena;greena1<= 0;redb<=1;greenb<=0;greenb1<=0;elsif countnum<=t1+t2-t0 then -主干道左转绿灯亮且非闪烁，支干道红灯亮 reda<=0;greena<=0;greena1 <= 1;redb<=1;greenb<=0;greenb1<=0;elsif (countnum<=t1+t2) then -主干道左转绿灯亮且闪烁，支干道红亮reda<=0;greena<=0;greena1 <= not greena1;redb<=1;greenb<=0;greenb1<=0;elsif (countnum<=t1+t2+t3-t0) then -支干道绿灯亮且非闪烁，主干道红灯亮 reda<=1;greena<=0;greena1 <= 0;redb<=0;greenb<=1;greenb1<=0;elsif (countnum<=t1+t2+t3) then -支干道绿灯亮且闪烁，主干道红灯亮 reda<=1;greena<=0;greena1 <= 0;redb<=0;greenb<=not greenb;greenb1<=0;elsif (countnum<=t1+t2+t3+t4-t0) then -支干道左转绿灯亮且非闪烁，主干道红灯亮 reda<=1;greena<=0;greena1 <= 0;redb<=0;greenb<=0;greenb1<=1;elsif (countnum<=t1+t2+t3+t4) then -支干道左转绿灯亮且闪烁，主干道红灯亮 reda<=1;greena<=0;greena1 <= 0;redb<=0;greenb<=0;greenb1<=not greenb1;end if; -3end if; -2-下面将正计数转换为倒计数-if countnum<=t1 then -2count:=t1-countnum; -主干道绿灯亮，支干道红灯亮时倒计时elsif countnum<=t1+t2 then -主干道左转绿灯亮，支干道红灯亮时倒计时count:=t1+t2-countnum;elsif countnum<=t1+t2+t3 then-支干道绿灯亮，主干道红灯亮 时倒计时count:=t1+t2+t3-countnum;elsif countnum<=t1+t2+t3+t4 then-支干道左转绿灯亮，主干道红灯亮 时倒计时count:=t1+t2+t3+t4-countnum; end if; -2-上面将正计数转换为倒计数- t<=count;-显示countend if; -1-以下代码为分位译码-if t>=90 then -1cntnumh<=9;cntnuml<=t-90;elsif t>=80 thencntnumh<=8;cntnuml<=t-80;elsif t>=70 thencntnumh<=7;cntnuml<=t-70;elsif t>=60 thencntnumh<=6;cntnuml<=t-60;elsif t>=50 thencntnumh<=5;cntnuml<=t-50;elsif t>=40 thencntnumh<=4;cntnuml<=t-40;elsif t>=30 thencntnumh<=3;cntnuml<=t-30;elsif t>=20 thencntnumh<=2;cntnuml<=t-20;elsif t>=10 thencntnumh<=1;cntnuml<=t-10;elsecntnumh<=0;cntnuml<=t;end if;-1-以上代码为分位译码-各信号赋给各输出的交通灯greenax<=greena;-主干绿灯greenay<=greena1;-主干左转绿灯greenbx<=greenb;-支干道绿灯greenby<=greenb1;-支干道左转绿灯redax<=reda;-主干红灯redbx<=redb;-支干道绿灯end process;主要功能仿真如下：a)、reset为1时，初始化。为0时，会从79倒计时，主干道绿灯亮，支干道红灯亮，sensor为1时，主干道和支干道都为红灯亮：b)默认情况下倒计时到最后5S时会闪烁显示，并切换到下一状态，继续倒计时：c）如果reset=0且control为1时，暂停计数，此时若choose为1，则会在0-4之间循环计数，选择调节哪一个时间（t0-t4），若choose改为0，就会暂停计数：d）此时（reset=0，control=1，choose=0）若选择down=1或up=1，则会减计数（默认值到最小值循环）或加计数（默认值到最大值循环）调整当前选中的时间t：（当前选的t0，闪烁时间，最后调整为7s）e）若将control置于0 ，则会接着倒计时，就像最初初始化时，但此时调整后的时间生效（这里闪烁时间改为7s）：6）显示process(clk500,reset)-lcd上显示数字和字符beginif reset=1 then-复位时不显示state<=write_instr;LCD_RS<=0;cnt<=0;elsif rising_edge(clk500) then-显示数字或字符case state iswhen write_instr=>LCD_RS<=0;case cnt is when 0=> data<="0011"when 1=> data<="0011"when 2=> data<="0011"when 3=> data<="0010"when 4=> data<="0010"when 5=> data<="1000"when 6=> data<="0000"when 7=> data<="0110"when 8=> data<="0000"when 9=> data<="1100"when 10=> data<="0000"when 11=> data<="0001"when others=> data<="0000"end case;if cnt=11 thencnt<=0;state<=write_dataup4;elsecnt<=cnt+1;state<=write_instr;end if;when write_dataup4=>LCD_RS<=1;case cnt iswhen 0=> data<=putc(C)(7 downto 4);when 1=> data<=putc(o)(7 downto 4);when 2=> data<=putc(u)(7 downto 4);when 3=> data<=putc(n)(7 downto 4);when 4=> data<=putc(t)(7 downto 4);when 5=> data<=putc(e)(7 downto 4);when 6=> data<=putc(r)(7 downto 4);when 7=> data<=putc(:)(7 downto 4);when 8=> data<=putn(cntnumh)(7 downto 4);when 9=> data<=putn(cntnuml)(7 downto 4);when others=>data<="0000"end case;state<=write_datadown4;when write_datadown4=>case cnt iswhen 0=> data<=putc(C)(3 downto 0);when 1=> data<=putc(o)(3 downto 0);when 2=> data<=putc(u)(3 downto 0);when 3=> data<=putc(n)(3 downto 0);when 4=> data<=putc(t)(3 downto 0);when 5=> data<=putc(e)(3 downto 0);when 6=> data<=putc(r)(3 downto 0);when 7=> data<=putc(:)(3 downto 0);when 8=> data<=putn(cntnumh)(3 downto 0);when 9=> data<=putn(cntnuml)(3 downto 0);when others=>data<="0000"end case;if cnt=7 thencnt<=8;state<=set_addrup;elsif cnt=9 thencnt<=0;state<=ret_homeup;elsecnt<=cnt+1;state<=write_dataup4;end if;when set_addrup=>LCD_RS<=0;data<="1100"state<=set_addrdown;when set_addrdown=>data<="0111"state<=write_dataup4;when ret_homeup=>LCD_RS<=0;data<="0000"state<=ret_homedown;when ret_homedown=>data<="0010"state<=write_dataup4;when others=>state<=write_instr;end case;end if;end process;end Behavioral;5、 位置约束、下载与配置最终，在实验板正常运行，实现所有功能。实验小结：a) 心得体会通过这次实验，我进一步掌握了VHDL语言的一些常用的语法规则，熟悉了ISE软件的使用，对Spartan 3E开发板有了更深的认识，了解了管脚的分配和FPGA的下载和配置方法。通过对于交通灯的设计，我学会了如何写LCD驱动，对于FPGA较深了兴趣。b) 待改进的问题1、模块化做的不够好，主要功能都在同一个进程里实现，使得代码可读性不够强；2、基本功能完成之后才开始实现扩展功能，只是对源代码的修改、添加新内容，整个程序逻辑不够明确，没有在最开始规划好；3、所有时间的调节都是同步的，需要时钟配合，可以改进为按键调节；4、程序中很多命名不够规范。c) 功能扩展1、 添加了紧急路况处理功能；2、 实现了各灯亮的时间以及闪烁时间的调整。15