VHDL数字电路综合实验交通灯

1、数字电路综合实验 -交通灯班级:姓名:学号:班内序号:教师:设计任务要求控制器部分的状态转移图和流程图；交通灯控制器：用于十字路口的交通灯控制器。实验要求：1. 东西方向各有一组红,黄,绿灯用于指挥交通,红,黄,绿的持续时间分别为25s,5s,20s 。2. 当有紧急情况（如消防车）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，正常工作。3. 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。4. 选做：增加左、右转弯显示控制功能；5. 选做：其它自拟功能。设计思路1总体设计：由设计任务要求可知，输入部分有：1) clk时钟频率输入，可由实验板上直接提供。

2、2) 紧急状态按键key，当按一下键，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；当再次按下键时，信号灯和计时器恢复原来状态，正常工作。输出部分有：1) 东西方向和南北方向各使用4个led显示，红黄绿各代表红黄绿灯，绿灯和另一个红灯同时亮时为左转时间。2) 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catn信号控制选择数码管显示，num_out信号输出显示的内容。3) 增加一个voice输出，控制紧急状态下的蜂鸣器。总体设计图，如下clk r1key y1 g1 t1key r2 y2 g2 t2 voice num_out(0

3、-6) catn(0-5)clk按键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main系统复位紧急请求控制器交通灯系统结构图 东西交通灯 南北交通灯蜂鸣器2分块设计：1) 在vhdl设计中，采用自顶向下的设计思路。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:key东西方向状态灯：r1,y1,g1,t1南北方向状态灯：r2,y2,g2,t2蜂鸣器控制：voice数码管显示信号：num_out数码管共阴极控制：catn2) 在底层中，把不同功能分模块设计。u emergency模块：紧急情况控制信号是采用按键的输入方式，当按键按下时候，由emerge

4、ncy模块接收按键信息并输出信号给其它模块。输入端口：btn_in接收按键信息输出端口：btn_out输出紧急信号u debounce模块，由于紧急控制采用btn按键，其产生时刻和持续时间的长短是随机不定的，且存在因开关簧片反弹引起的电平抖动现象，因此必须安排一个消抖和同步化电路模块，以保证系统能捕捉到输入脉冲。输入端口：key按键信息，clk时钟信号输出端口：key_out消抖后信号u frequency1模块，由于外部时钟信号clk的频率为1mhz，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u statussele

5、ct模块，由于共需要显示4个数字，需要循环点亮7位数码管，该模块通过输入的时钟信号，循环输出4个选择信号。当紧急状态信号到来，改变显示状态，通过计数部分，实现闪烁，并输出蜂鸣信号。输入端口：clk时钟信号，show紧急显示输出端口：sel选择信号，voice蜂鸣信号u timeselect模块，接收状态选择信号以及交通灯剩余时间信号，根据状态选择信号，选择剩余时间的位数输出给译码模块，并选择阴极控制显示位置。输入接口：sel状态选择信号， timeh1 timel1 timeh2 timel2剩余时间输出接口：catn共阴极控制，time_out数字输出u display模块，接收数字信号，进

6、行7位数码管显示译码输出。输入接口：num_in输入信号输出接口：num_out译码输出u 信号灯控制模块，东西方向controla，南北方向controlb。自定义一个type类型，包括green,yellow,red,turn状态，接收到分频后的信号，通过case语句，进行状态选择，在每个状态下分别计时，当计时结束后，选择下一个状态，循环显示。当紧急状态下，停止循环，计数停止。输入接口：clk时钟信号，show紧急状态控制输出接口：timeh timel计时数字输出，r g y t信号灯输出总体流程图总体结构框图；clk rshow gconrola ytimehtimelclk rsho

7、w gconrolb ytimehtimel statusselectclk voice seltimeselectsel catntimeh1timel1 timeouttimeh2timel2displaynum_innum_outfrequency1clkclk_outdebouncekeykey_outemergencybtn_inbtn_outclkbtn7segvoice所实现功能说明实现功能：南北和东西方向各有一组绿，转弯，红，黄灯，各自的持续时间分别为10s，10s，25s，5s；当有特殊情况时，两个方向均为红灯，计时暂停，闪烁并伴有蜂鸣声。当特殊情况结束后，控制器恢复原来状态

8、，继续正常工作。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剩余时间。当绿灯和另一红灯同时亮时，允许左拐。编译结果controla模块状态转移图controlb模块状态转移图仿真波形波形方针时，为方便观察，将分频器改为10分频 。通过观察，r1,y1,g1,t1,r2,y2,g2,t2可看出为循环显示，一方向为红灯时，另一方向显示绿灯、转弯灯、黄灯。放大后可看到倒计时显示的变化，以及共阴极控制的选择当按下key键，key信号产生脉冲，进入紧急状态，只有两盏红灯亮，同时蜂鸣器产生蜂鸣信号，当再次按下key键，紧急状态解除放大后，可看出计时暂停，并且数码管共阴极选择会在全1信号和选择

9、信号间交替，产生闪烁效果。故障及问题分析；u 开始时，选用了低频clk信号，无法准确控制时间长短，经老师指点换用了高频信号，同时修改了分频电路以准确分频。u 对程序的选择分支认识不清楚，case语句嵌套不正确，编译后系统宏单元超出，修改嵌套关系后，宏单元大幅下降。总结和结论；通过综合实验的思考和设计，对一个项目的整体设计有了进一步认识。当看到要求后，应该对项目进行分功能和模块的设计，自顶向下，完成顶层的设计后，再编写功能模块。模块化设计便于修改和查错。通过程序的编写，加深了对vhdl语言的了解，提高了编程能力。同时，锻炼了独立发现问题解决问题的能力，提高了个人素质。所用元器件及测试仪表清单u

10、稳压电源u 万用表u 示波器u 计算机u 实验板一块u quartus ii 完整源程序u emergency模块library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;entity emergency is port(btn_in:in std_logic;-接收按键信息btn_out:out std_logic-输出紧急信号);end emergency;architecture emergency_arc of emergency isbeginprocess(btn_in)variable temp: std_logic;beginif btn_inevent

11、 and btn_in=1 thentemp:= not temp;-当有紧急信号时，输出信号切换end if;btn_out=temp;end process;end;u debounce模块library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;entity debounce isport(key,clk: in std_logic;-按键信息key_out: out std_logic-时钟信号 );end debounce;architecture debounce_arc of debounce issignal temp1,temp2: std_logic

12、;beginprocess(key,clk)beginif clkevent and clk=0 then-与时钟信号同步，并且temp2=temp1;-与存储先前值temp1=key;end if;end process;key_out=temp1 and (not temp2) and clk;-消抖输出end;u frequency1模块library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity frequency1 isport(clk:in std_logic;-外部时钟信号clk_o

13、ut:out std_logic-分频后信号);end frequency1;architecture frequency1_arc of frequency1 isbeginprocess(clk)variable temp:integer range 0 to 999999;beginif(clkevent and clk=1)thenif(temp=999999)then-分频计数temp:=0;clk_out=0;elsetemp:=temp+1;clk_out-非紧急状态voicetemptemptemptemptemp-紧急状态voicetemptemptemptemptemp=0

14、00;end case;elsetemp=111;end if;end case;end if;seltime_out=timeh1; catntime_out=timel1; catntime_out=timeh2; catntime_out=timel2; catntime_out=0000; catnnum_outnum_outnum_outnum_outnum_outnum_outnum_outnum_outnum_outnum_outnum_out-非紧急状态case temp_color iswhen yellow=-黄灯tempr:=0;tempg:=0;tempy:=1;tem

15、pt:=0;case reset is-计时部分when 0 =-归零temp_h:=0000;temp_l:=0100;reset:=1;when others =-计时case temp_l iswhen 0000=temp_l:=1001;temp_h:=temp_h-1;when 0001=case temp_h iswhen 0000 =temp_h:=0000;temp_l:=0000;reset:=0;temp_color:=red;when others =temp_l:=0000;end case;when others=temp_l:=temp_l-1; end case;

16、end case;when green=-绿灯tempr:=0;tempg:=1;tempy:=0;tempt:=0;case reset is-计时部分when 0 =-归零temp_h:=0000;temp_l:=1001;reset:=1;when others =-计时case temp_l iswhen 0000=temp_l:=1001;temp_h:=temp_h-1;when 0001=case temp_h iswhen 0000 =temp_h:=0000;temp_l:=0000;reset:=0;temp_color:=turn;when others =temp_l:

17、=0000;end case;when others=temp_l:=temp_l-1; end case;end case;when red=-红灯tempr:=1;tempg:=0;tempy:=0;tempt:=0;case reset is-计时部分when 0 =-归零temp_h:=0010;temp_l:=0100;reset:=1;when others =-计时case temp_l iswhen 0000=temp_l:=1001;temp_h:=temp_h-1;when 0001=case temp_h iswhen 0000 =temp_h:=0000;temp_l:

18、=0000;reset:=0;temp_color:=green;when others =temp_l:=0000;end case;when others=temp_l:=temp_l-1; end case;end case;when turn=-转弯tempr:=0;tempg:=1;tempy:=0;tempt:=1;case reset is-计时部分when 0 =-归零temp_h:=0000;temp_l:=1001;reset:=1;when others =-计时case temp_l iswhen 0000=temp_l:=1001;temp_h:=temp_h-1;when 0001=case temp_h iswhen 0000 =temp_h:=000