数字电路交通灯控制器.doc

数字系统与逻辑设计实验课题三：交通灯控制器 PAGE1 / NUMPAGES24 课题三：交通灯控制器 课题三：交通灯控制器 一．设计课题的任务要求 (一)、实验目的 1. 熟练掌握 VHDL 语言和QuartusII 软件的使用； 2. 理解状态机的工作原理和设计方法； 3. 掌握利用 EDA 工具进行自顶向下的电子系统设计方法； (二)、相关知识 本实验要利用 CPLD 设计实现一个十字路口的交通灯控制系统，与其他控制系统一样，本系统划分为控制器和受控电路两部分。控制器使整个系统按设定的工作方式交替指挥车辆及行人的通行，并接收受控部分的反馈信号，决定其状态转换方向及输出信号，控制整个系统的工作过程。 路口交通灯控制系统的有东西路和南北路交通灯 R(红)、Y(黄)、G(绿)三色，所有灯均为高电平点亮。设置20s 的通行时间和5s 转换时间的变模定时电路，用数码管显示剩余时间。提供系统正常工作/复位和紧急情况两种工作模式。 (三)、实验任务 1.基本任务： 设计制作一个用于十字路口的交通灯控制器。 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.提高要求： 1）. 增加左、右转弯显示控制功能； 2）. 紧急状况时增加声光警告功能； 3）. 自拟其它功能。 二．系统设计（包括设计思路、总体框图、分块设计） （一）设计思路 1.总体设计输入部分： CLK时钟频率输入，可由实验板上直接提供，为准确确定时间长度，选择High挡的1MHz高频信号。 紧急状态按键拨码开关EMERGENCY，当将其置为高电平，表示紧急情况发生，两个方向均为红灯亮，计时停止，蜂鸣器蜂鸣；当置其为低电平，信号灯和计时器恢复原来状态，正常工作。 复位拨码开关RESET，当将其置为高电平，表示复位，工作停止，全部回到初始状态；当置其为低电平，重新开始工作。 2.总体设计输出部分： 东西方向和南北方向各使用4个LED显示，LIGHT1，LIGHT2，红黄绿各代表红黄绿灯，剩下两个红灯分别表示限制两个方向的禁止左转。 东西方向和南北方向计时均为2位数，共需要4个LED七段数码管显示。由于为共阴极控制，输出一个CAT_TEMP信号控制选择数码管显示，NUM信号输出显示的内容。 增加一个BELL输出，控制紧急状态下的蜂鸣器。 （二）总体框图 1.输入输出示意图 CLK CLK LIGHT1 EMERGENCY LIGHT2 RESET BELL NUM CAT——TEMP CLK 开关1 数码管显示输出 数码管共阴极控制 东西向 交通灯 南北向 交通灯 蜂鸣器 开关2 2.模块示意图 控制器 控制器 紧急请求 系统复位 BELL 控制器 控制器 南北灯（包括禁止左转灯） 东西灯（包括禁止左转灯） 复位 紧急请求 分频器 时钟 时间计数器 译码器 时间倒计时显示 警铃 3.流程图 YES YES 南北绿，东西红 东西禁止左转灯亮 是否绿灯时间到20s？ 对黄灯开始计时 南北黄，东西红 东西禁止左转灯亮 是否黄灯时间到5s？ 对绿灯开始计时 南北红，东西绿 南北禁止左转灯亮 是否绿灯时间到20s？ 对黄灯开始计时 南北红，东西黄 南北禁止左转灯亮 是否黄灯时间到5s？ 对绿灯开始计时 YES YES YES NO NO NO NO 启动/复位 任何/当前正常运行状态 任何/当前正常运行状态 警报开关 是否打开？ 全部亮红灯+警铃 YES NO 4.RTL图 5.状态转移列表（状态机） 红绿灯显示状态 状态 S0 南北绿灯亮，东西红灯亮，东西禁止左转 S1 南北黄灯亮，东西红灯亮，东西禁止左转 S2 南北红灯亮，东西绿灯亮，南北禁止左转 S3 南北红灯亮，东西黄灯亮，南北禁止左转 S4 南北东西红灯都亮，南北东西都禁止左右转 （三）分块设计 在VHDL设计中，采用自顶向下的设计思路。 1.顶层模块中，根据硬件设计，设置如下端口： 外部时钟信号：CLK 紧急状态按键:EMERGENCY 南北方向状态灯：LIGHT1 东西方向状态灯：LIGHT2 蜂鸣器控制：BELL 数码管显示信号：NUM 数码管共阴极控制：CAT_TEMP 2.在底层中，把不同功能分模块设计。 FREQUENCY模块，由于外部时钟信号CLK的频率为50MHz，而实际需要的内部计时时钟频率为1Hz，需要一个分频电路。 输入端口：CLK外部时钟信号 输出端口：CLK_OUT分频后信号 COUNT