基于FPGA的交通灯控制电路的设计

编号：

EDA技术

实训 (论文)说明书

题 目： 交通灯控制电路的设计 院 （系）： 信息与通信学院 专 业： 电子信息工程 学生姓名： 学 号： 指导教师：

2013年 1 月 10 日

桂林电子科技大学实训说明书用纸

摘 要

EDA工具对于电子设计人员来说极其重要，它可以在电子设计的各个阶段、层次进行计算机模拟验证，确保设计的准确性，可缩短设计周期，降低设计成本。交通灯可以实现十字路口红绿灯的自动控制。基于FPGA的交通灯设计系统具有可靠性强、实时快速擦写、运算速度高、故障率低、电路简单,且体积小的特点。本设计采用的是Altera公司CycloneII系列的EP2C5T144芯片作为核心最小系统，它可以方便嵌入到实际的交通灯应用系统中，可以完成简单的逻辑控制、数据采集、信号处理、数学计算等功能；使用QuartusII软件作为开发平台；采用自顶向下的设计思路对系统进行模块化设计和综合，并通过波形仿真和硬件实现两种方式实现并验证交通灯的功能。 关键词：交通灯、EDA、FPGA

1

桂林电子科技大学实训说明书用纸

Abstract

EDA tools for electronic design personnel is very important, it can be in the electronic design of each stage, levels of computer simulation verification, to ensure the accuracy of the design, can shorten the design cycle, reduce design cost. The traffic light can realize intersection traffic light automatic control. Based on the FPGA of traffic light design system has the reliability, real-time fast operation speed is high, integration.it, low failure rate, circuit is simple, and the characteristics of small volume. This design USES is Altera company CycloneII series of EP2C5T144 chip as the core minimum system, it can be convenient to the actual traffic lights embedded application system, can complete the simple logic control, data acquisition, signal processing, mathematical calculations, etc; Use QuartusII software as a development platform, Using the top-down design idea of system modular design and comprehensive, and through the waveform simulation and hardware realization two ways to realize and verify the function of the traffic lights. Key words: traffic lights；EDA；FPGA

2

桂林电子科技大学实训说明书用纸

引言

“EDA技术”是一门实践性和实用性都很强的课程，学习的目的在于应用。本设计实训是配合“EDA技术”课堂教学的一个重要的实践教学环节，在本课程设计指导书中列举了一些常用的小型设计系统，旨在起到巩固课堂和书本上所学知识，加强综合能力，提高系统设计水平，启发创新思想的效果。

1设计任务与要求

1.1本综合设计实训任务的内容和要求

① 用EDA实训仪上的4只八段数码管分别显示道路东西和南北通行和禁止的倒计时时间。

② 能设置道路东西和南北两侧通行和禁止的倒计时时间，最大设置时间为99秒，最小设置时间为1秒。

③ 交通灯用红、绿、黄三种发光二极管（LED）显示控制的结果。 ④ 红、绿、黄灯显示的次序应符合实际交通道路控制的要求。

2 系统概述及设计原理

2.1 系统的主要功能

交通灯控制电路是用于城市交通疏导的管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。交通信号灯指挥着人和各种车辆的安全运行,实现红、黄、绿灯的自动指挥是城乡交通管理现代化的重要课题。在城乡街道的十字交叉路口,为了保证交通秩序和行人安全,一般在每条道路上各有一组红、黄、绿交通信号灯。交通灯控制电路自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换,指挥各种车辆和行人安全通行,实现十字路口城乡交通管理自动化。设计一个十字路口交通控制器，方向分为东南西北四个方向。东西方向的红绿灯状态一样，南北方向的红绿灯状态一样。每个方向上，有四盏灯，分别是左转灯、红灯、绿灯和黄灯。左拐灯亮表示左转车辆可以通行；红灯亮表示左转和直行车辆禁行；绿灯亮表示直行车辆和右转的车辆可以通行；黄灯亮表示左转和直行的车辆即将禁行。

本论文简要介绍了FPGA器件的特点和设计意义，以QuartusII软件为开发平台，通过VHDL硬件描述语言以及原理图的输入方式来设计交通灯。交通灯控制器用于自动控制十字路口交通灯和计时器。

系统的主要功能模块方框图如图2-1所示

3

桂林电子科技大学实训说明书用纸

图2-1 系统主要功能模块

2.2交通灯的设计原理

交通灯控制电路的原理框图如图1.3所示。其中，clkgen是分频器，将EDA实训仪主板提供的20MHz的主频经20000000分频后，得到电路所需的1Hz（秒）时钟。Cnt10de（两个）是十进制减法计数器，产生道路东西和南北通行和禁止的倒计时时间。Contr是控制电路，控制整个系统的工作。控制器接收倒计时的结果，当倒计时归0时，改变电路的控制模式，输出倒计时的初始时间和交通灯亮灭控制信号。

图2-2 交通灯控制电路的原理图

3 系统各个模块的的设计与仿真

3.1 分频器模块的设计

由于采用的FPGA芯片的时钟频率是50MHz，需要将其分频为1Hz。该模块即是实现50M的分频，将频率变为1Hz的脉冲波，从而得到周期为1s的脉冲波。如果要真正的实现分频50M，在仿真结果图中是很难观察的，甚至是没有办法验证的，故在仿真过程中，将分频的倍数变小，变为20分频，这样从图中可容易的得到并验证对时钟输入信号的20分频，如图3-1所示， Reset是复位信号，CLK_50MHz是输入时钟频率，CLK_1Hz是

4

桂林电子科技大学实训说明书用纸

输出时钟频率，从图中可以看出，输出频率CLK_1Hz确实是输入时钟频率CLK_50MHz的20分频。

图3-1 分频器仿真图

3.2 状态控制模块的设计

状态控制模块根据输入CLK_1Hz的脉冲信号输出不同的STATUS值，下游的模块依据STATUS的值来确定红绿灯的状态；于此同时对倒计时信号赋初值。在状态控制模块仿真图中，输入信号CLK是一个频率为1Hz的时钟脉冲信号,RESET是复位信号；输出信号STATUS是状态转换信号，控制着下游交通信号灯显示模块的显示情况；LOAD_EW、LOAD_SN是东西、南北方向倒计时开始控制信号，DJS_EW、DJS_SN是东西、南北方向倒计时间信号。其仿真结果图如图3-2所示，由图可得，STATUS共有000（S1）、001(S2)、010(S3)、011(S4)、100(S5)、101(S6)共6个状态，80s为红灯和左转灯的倒计时间，45s为绿灯的倒计时间，5s是黄灯的倒计时间,和状态转换表的状态一致。

图3-2 状态控制模块仿真图

3.3 交通灯信号灯显示模块的设计

交通信号灯显示模块根据输入的STATUS信号，输出对应的红绿黄灯信号，并直接驱动交通信号灯的亮灭。在交通灯信号灯显示模块程序仿真结果图中，STATUS为输入信号，而它依赖于状态控制模块产生的信号STATUS信号，一种六种状态，依次为000（S1）、001(S2)、010(S3)、011(S4)、100(S5)、101(S6)；EW_LRGY（8位）是东西方向上交通信号灯的状态， SN_LRGY（8位）是南北方向上交通信号灯的状态，依次为左转、红、绿、黄，对应着EW_LRGY、SN_LRGY的前四位，‘1’表示点亮，‘0’表示熄灭，后四位均为0，表示四个灯的阴极接负极。例如，在STATUS为001时，对应的是东西方向红灯亮，南北方向绿灯亮，仿真结果符合预期,完全正确。其仿真图如3-3所示：

图3-3 信号灯显示模块仿真图

5

桂林电子科技大学实训说明书用纸

3.4东西方向倒计时模块设计

东西方向倒计时模块用来接收状态控制模块的输出并作为初值，每检测到一个CLK脉冲信号，就进行减一动作，最后把减一结果输出。在该模块仿真图中，CLK为1Hz的输入信号，LOAD_EW为计数器的装载信号，当其为高电平时，将输入信号DJS_EW_IN的值装载到计数器中，并开始进行减一操作，每遇一个CLK脉冲，进行一次减一操作，并将结果输出，由于输入的时钟频率是1Hz，所以显示的时间间隔是1s，与现实生活中的时间保持一致。其仿真结果如图3-4所示，由图可得，该模块首先将80秒的倒计时信号装载进去，并进行减一操作。

图3-4 东西方向倒计时仿真图

3.5 南北方向倒计时模块设计

南北方向倒计时模块用来接收状态控制模块的输出并作为初值，每检测到一个CLK脉冲信号，就进行减一动作，最后把减一结果输出。在该模块仿真图中，CLK为1Hz的输入信号，LOAD_SN为计数器的装载信号，当其为高电平时，将输入信号DJS_SN_IN的值装载到计数器中，并开始进行减一操作，每遇一个CLK脉冲，进行一次减一操作，并将结果输出，由于输入的时钟频率是1Hz，所以显示的时间间隔是1s，与现实生活中的时间保持一致。其仿真结果如图3-5所示，由图可得，该模块将45秒的倒计时信号装载进去，并进行减一操作。

图3-5南北方向倒计时仿真图

3.6 译码模块设计

译码模块程序用来将输入的两位倒计时数值，分解成两个整形数值，以此供后面的译码显示模块译码显示。在译码程序TO_8421_BCD模块仿真图中，DJS_EW_OUT,DJS_SN_OUT为上一倒计时模块的输出信号，其范围在0～80，所有倒计时的范围都包含其内；DJS_EW_OUT_SW,DJS_EW_OUT_GW,DJS_SN_OUT_SW,DJS_SN_OUT_GW为输出信号，其范围为0～9，代表了各个方向的倒计时的十位和个位，且数码管所有显示数字的范围均在其内。例如图中DJS_EW_OUT的值不断变化，相应的依次将其分解为十位（DJS_EW_OUT_SW）和个位（DJS_EW_OUT_GW），并依次递减，仿真结果符合预期，完全正确。仿真结果如图3-6所示：

6

桂林电子科技大学实训说明书用纸

图3-6 译码仿真结果图

3.7 译码显示模块设计

译码显示模块将上一模块译码模块输出的四个一位数译码成相对应的七位数码管段码，完成倒计时的译码和显示。在译码显示模块仿真图中，DJS_ EW_OUT_ SW,DJS_EW_OUT_GW,DJS_SN_OUT_SW,DJS_SN_OUT_GW是四位的输入信号，也是上一模块TO_8421_BCD的输出信号，它们的范围为数字0～9，DJS_EW_ OUT_SW1,DJS_ EW_ OUT_GW1,DJS_SN_OUT_SW1,DJS_SN_OUT_GW1对应的是相应的七位数码管显示段码的值。图中输出信号的值随着输入信号的变化而相应的变化，例如DJS_EW_OUT_SW为7,DJS_EW_OUT_GW为5时，DJS_EW_OUT_SW1为00000111（a、b、c、d、e、f、g依次对应着1110000，最高位的0表示是数码管的类型是共阴的）,表示数码管显示7,DJS_EW_OUT_GW1为01101101，表示数码管显示5。仿真完全正确，符合预期。其仿真结果如图3-7所示：

图3-7 译码显示模块仿真图

3.8 顶层文件模块设计

顶层设计采用VHDL语言描述方式实现，并在工程文件仿真过后通过工具菜单自动生成原理图文件，从而是设计原理更加清晰明朗。

在顶层设计VHDL描述中，共包含7个元件，分别是：1、分频器模块，2、状态控制模块，3、交通信号灯显示模块，4、东西方向倒计时模块设计，5、南北方向倒计时模块设计，6、译码模块设计，7、译码显示模块设计。这7个模块经过程序设计、编译仿真，结果均能够达到设计要求。最后在顶层设计中，通过元件例化语句将这7个模块连接起来，生成顶层文件。在顶层设计中，RESET是复位信号，输入的时钟频率CLK是50MHz，经过分频50M的分频器后，变为频率为1Hz的时钟信号，周期为1s，用此时钟信号来控制整个系统的步调，与现实生活中交通灯的步调保持一致。EW_LRGY、SN_LRGY分别为东西和南北方向上交通信号灯的状态，EW_DJS_DISPLAY、SN_DJS_DISPLAY为东西

7

桂林电子科技大学实训说明书用纸

和南北方向红绿灯倒计时间。另外，所有的数码管和二极管均为共阴极显示。例如，在EW_LRGY为01000000（即东西方向红灯亮）、SN_LRGY为10000000（即南北方向左转灯亮）时，EW_DJS_DISPLAY的前八位表示倒计时的十位，后八位表示倒计时的个位；图中EW_DJS_DISPLAY的前八位都是00000111表示7，后八位01111101表示6，后八位01101101表示5，后八位01100110表示4；SN_DJS_DISPLAY的前八位是01001111表示3，后八位01011011表示2，后八位00000110表示1，后八位00111111表示0，以上表明红绿灯和倒计时时间显示符合预期。仿真结果如图3-8所示：

图3-8 顶层文件波形仿真图

4 实训心得体会

本次EDA技术实训的交通灯采用的是Altera公司CycloneII系列的EP2C5T144芯片作为核心最小系统，它可以方便嵌入到实际的交通灯应用系统中，可以完成简单的逻辑控制、数据采集、信号处理、数学计算等功能；使用QuartusII软件作为开发平台；采用自顶向下的设计思路对系统进行模块化设计和综合，并通过波形仿真和硬件实现两种方式实现并验证交通灯的功能。为期两周的实训，我利用网络和图书馆的有效资源，搜集并下载了大量的关于用FPGA做交通灯设计的资料；然后精心阅读，在老师的指导督促下，并和周围同学进行有效学习和沟通，最终确定了自己的设计方案；最后按照既定的设计方案，通过努力有步骤的实现了交通灯的设计。

通过此次实训设计，让我加深了FPGA的理解，更加熟练了VHDL语言，同时，我深深体会到了通过FPGA设计数字电路的方便、简洁的特点，这让我相信未来数字电路的应用必将更加广泛。另外，我还体会到：从事开发设计工作，一定要保持个勤奋、踏实、严谨的工作态度，这样才能更好的完成工作。最后，我觉得在交通灯控制系统设计中还可以增加一些实用功能，如：1、针对弱视或色盲人群进行声音提示；2、在遇到突发状况时，可以将红绿灯改为紧急模式控制；3、当有119、120等特种车辆通过时，系统可转为特种车放行，其他车辆禁行。

但是这次实训我也发现自己的很多不足之处。在设计过程中我发现自己考虑问题很不全面，自己的专业知识掌握的很不牢靠，所掌握的编程语句还不够，很多程序都看不懂，我希望自己的这些不足之处能在今后的工作和学习中得到改善。而且，通过这次实训，我懂得了学习的重要性，学会了坚持和努力，这将为以后的学习做出了最好的榜样！

8

桂林电子科技大学实训说明书用纸

还有光有知识是不行的，还得有能力、有技术，单干也是不行的，要适当寻求合作，那样才能更好实现我们的价值。在实训中及社会上，我们都要懂得虚心地向别人学习，即使你觉得自己很厉害，但总有一些东西你是不懂的，所以不懂要多向别人请教，这样才能更好地提高自己的水平和能力，全面发展自己。

9

桂林电子科技大学实训说明书用纸

谢 辞

在这短短的两周EDA实训中，在这期间同学们都在努力学习，认真做自己各自的实训。在此我要特别感谢各位指导老师们对我的指导，还有各位同学对我的帮助，尤其感谢老师在百忙之中抽出时间为我们讲解设计原理，同时，还要感谢和我一起努力的各位同学，在他们对我的帮助很我自己的努力下，我才能顺利地完成这次实训。

这次实训我受匪颇多，但这多是得益于老师无微不至的关心和细心的教导。在实训中，让我学到了不少知识，给了我一次复习学过的知识的机会，巩固了基础知识。也多亏同学们的无私的帮助和支持，在我无助的时候还是他们伸出他们的友爱之手，帮我渡过难关，在此我也真心的多谢他们默默的帮助。最后再次对老师们说声：谢谢！！

10

桂林电子科技大学实训说明书用纸

参考文献

[1] 潘松,黄继业.EDA技术实用教程(第三版).北京:科学出版社,2010.1 [2] 刘江海,涂传威,陈玮.EDA技术课程设计.武汉:华中科技大学出版社,2009.5 [3] 夏路易.基于EDA的电子技术课程设计.北京:电子工业出版社,2009.1 [4] 王金明,周顺.数字系统设计与VHDL.北京:电子工业出版社,2010.5 [5] 邹彦,庄严,邹宁.EDA技术与数字系统设计.北京:电子工业出版社,2007.4 [6] 林明权,马维旻. VHDL数字控制系统设计范例.北京:电子工业出版社,2003.1

11