2023年数电综合实验报告交通灯

数字逻辑与数字系统设计综合实验二

——十字路口交通灯自动控制器的设计

学院电子工程学院

班级卓越001012班

学号00101201

姓名冉艳伟

实验时间2023.6.8

十字路口交通灯自动控制器的设计

一、实验目的

学习QuartusH的使用方法，熟悉可编程逻辑器件的使用。通过

制作来了解交通灯控制系统,交通灯控制系统重要是实现城市十字交

叉路口红绿灯的控制。

二、设计任务

设计一个十字路口交通控制系统,其东西，南北两个方向除了有

红、黄、绿灯指示是否允许通行外，还设有时钟，以倒计时方式显示

每一路允许通行的时间，绿灯,黄灯，红灯的连续时间分别是40、5

和45秒。当东西或南北两路中任一道上出现特殊情况，例如有消防

车，警车要去执行任务，此时交通控制系统应可由交警手动控制立即

进入特殊运营状态，即两条道上的所有车辆皆停止通行，红灯全亮，

时钟停止计时，且其数字在闪烁。当特殊运营状态结束后，管理系统

恢复本来的状态，继续正常运营。

南北jp道

________OOO________

OO

OO

东西干道oo

------------OOOI--------------

图1路口交通管理示意图

ABCD

南北干道交通灯绿（40秒）黄（5秒）红（40秒）红（5秒）

东西干道交通灯红红绿黄

表1交通信号灯的4种状态

三、实验规定

（1）按照设计任务设计，采用VHDL语言编写程序，并在QUARTU

SII工具平台中进行仿真，下载到EDA实验箱进行验证。交通灯用

发光二级管模拟，观测交通灯的运营是否正常，假如不正常，排除故

障直至对的为止。

（2）编写设计报告，规定涉及方案选择、程序清单、调试过程、

测试结果及心得体会。

规定:必须用可编程器件实现电路功能。可以是原理图，也可以是

VHDL代码，也可以混合输入。

五、设计说明

（1）第一模块：CLK时钟秒脉冲发生电路

在红绿灯交通信号系统中，大多数情况是通过自动控制的方

式指挥交通的。因此为了避免意外事件的发生，电路必须给一个稳

定的时钟（cl。ck）才干让系统正常运作，故对1MHz的时钟信

号进行1000000分频。

模块说明：

系统输入信号：

CLKi:由外接信号发生器提供1MHz的时钟信

号;

系统输出信号：CLK:产生每秒一个脉冲的信号;

(2)第二模块：模90倒计数器

按照实验规定，交通灯循环一次为90秒，且显示倒数的计数值，

故设计一模90倒计数器通过主程序运算即可显示各路计数值。

模块说明：

系统输入:CLK:接受由CLK电路的提供的lhz的时钟脉冲信号;

reset:紧急情况输入

系统输出信号：L1：倒计数值秒数十位变化控制信号；

L0：倒计数值秒数个位变化控制信号；

(3)交通灯主程序

说明：

系统输入:CLK：接受由CLK电路的提供的1hz的时钟脉冲信

号；

reset:紧急情况输入

系统输出信号:Lx：东西方向红绿黄灯控制信号；

Ly：南北方向红绿黄灯控制信号；

NUMxl：东西方向倒计数值秒数十位变化控制

信号；

NUMxO:东西方向倒计数值秒数个位变化控制信

号;

NUMxl：南北方向倒计数值秒数十位变化控制信

号;

NUMxO:南北方向倒计数值秒数个位变化控制信

号；

六、设计方案

图2交通灯控制系统示意图

交通控制系统示意图

图2交通信号灯控制器的原理框图

采用VHDL语言输入的方式实现交通信号灯控制器

时间显

次态发生器

信号灯输出信号

信号灯输出

图3交通信号灯控制器程序原理框图

七、程序清单

(1)第一模块：CLK时钟秒脉冲发生电路

entitydefreqis

叩ort(CLKi:instd_logic;

8CLK:outstd_1ogic

。)；

enddefreq;

architecturebehavofdefreqis

signa1q:integerrange999999downto0；

begin

叩rocess(CLKi,q)

4)egin

if(CLKi'eventandCLKi='1')then

。if(q=999999)then

°q<=0;

。else

oooq<=q+1;

sendif;

fendif;

oif(q<500000)then

。CLK<='0'；

else

oCLK<='r；

»endif;

»endprocess；

endbehav;

(2)第二模块：模90倒计数器

libraryieee;

useieee.std_logic_1164.a11;

useieee.std_logic_unsigned.a11；

entitysubcounter90is

叩ort(CLK:instd_logic;

8reset:instd_1ogic;

L1,L0：outstd_1ogic_vector(3downto0)

°);

endsubcounter90；

architecturebehavofsubcounter90is

osigna1ltl,ltO:std_1ogic_vector(3downto0);

begin

process(CLK,reset,Itl,1tO)

begin

»if(reset='O')then

。if(CLK'eventandCLK='1')then

。oif(lt0="0000")then

ooif(It1="0000")then

»«ltl<="1000"；

8o]t0<="1001"；

。eIse

oltl<=ltl-1;

»ltO<="1001";

ooendif;

else

8ltO<=ltO—1;

endif;

endif;

eIse

ItO<=lt0;

。1t1<=lt1;

endif;

»endprocess;

oL0<=ItO;

endbehav;

(3)交通灯主程序

libraryieee;

useieee.std_logic_1164.a11;

useieee.std」ogic_unsigned.all;

entitytrafficlightis

port(CLK:instd_1ogic;

。reset:instd_logic;

aLx,Ly：outstd_logic_vector(2downto0)；

。NUMxl,NUMx0,NUMyl,NUMyO:outstd_logic_vect

or(3downto0)

0)；

endtrafficlight；

architecturestructureoftraffic1ightis

osigna1It1,1t0,NUMxt1,NUMxtO,NUMytl,NUMytO:std_1

ogic_vector(3downto0);

signalCLKt:std_logic;

componentdefreq

port(CLKi：instd」ogic;

oCLK:outstd」ogic

)；

。endcomponent；

0componentsubcounter90

。port(CLK：instd_logic;

8。reset：instd_logic；

8L1,LO：outstd_logic_vector(3downto0)

)；

endcomponent；

begin

Ul:defreqportmap(CLK,CLKt);

»U2:subcounter90portmap(CLKt,reset,1tl,1tO);

aprocess(ltl,ltO,reset,NUMxtl,NUMxtO,NUMytl,NUMyt0)

obegin

if(reset='O')then

ooif(111>"0100")then

。。Lx<="100";

NUMxtl<=ltl-5;

NUMxt0<=lt0;

。e1sif(lt1="0100"andlt0>"0100")then

oooLx<="010";

oNUMxtl<=ltl-4;

»»NUMxt0<=lt0—5；

«else

Lx<="001";

。oNUMxtl<=ltl;

gNUMxtO<=1t0；

sendif;

if((ltl>"0100")or(1tl^"0100"andlt0>"0100"))then

»Ly<="001";

o»if(lt0>"0100")then

oNUMyt1<=1t1-4；

。NUMytO<=1tO-5；

eIse

。»NUMyt1<=1tl-5;

NUMyt0<=1tO+5；

endif；

«elsif((It1>"0000")or(1tl="0000"andlt0>"0100"))t

hen

ooLy<="100"；

«if(lt0>"0100")then

NUMytl<=1t1;

“NUMyt0<=lt0-5；

oaoelse

。。»NUMyt1<=1t1-1;

。NUMytO<=lt0+5;

endif；

else

。Ly<="010";

。NUMytl<=lt1;

oNUMytO<=ltO;

oendif;

o(>NUMxl<=NUMxtl;

，NUMx0<=NUMxtO;

。NUMy1<=NUMytl;

»NUMy0<=NUMyt0;

else

Lx<="001";

。Ly<="001";

。if(CLKt='0')then

NUMxl<=NUMxtl;

o»NUMxO<=NUMxt0；

ooNUMy1<=NUMyt1;

oNUMy0<=NUMytO；

oelse

。»NUMxl<="0000

OOONUMX0<="0000"；

NUMyl<="0000"；

oNUMy0<="0000";

»endif;

endif；

»endprocess;

endstructure;

八、仿真结果

1.第一模块：CLK时钟秒脉冲发生电路

(1)功能仿真:

(2)时序仿真

(2)第二模块：模90倒计数器

(1)功能仿真:

SimulationWaveforms

Simulationmode：Functional

QMasterTimeBar:15.75ns小|Pointer:8.28n5Interval:[-7.47n$Start:

SO.pns16O.pns24O.pns32O.pns400.p"480.,0ns560.pns640.,0m720.pns800.pns880.pns96P.i0ns

1575ns

J

nuinwnmnnnfwmROTJiflnRJimmTOwnnnnjinnnjinnnnnnfWMnnnmRnmnnwmmnnwinnnnr

n___nnnnnnnn

_j_i__r_j_ii_i___r

unn_rm_nn_rLn_nji_rm_rr^_rm_n_n_

rjLrmrLnjinjLmuumnjinAnjwLnjLrLmuumruTnannjTnArLnjinjumrmjTn

~X-THYT6]Y[5]Y[4]--Y[3]x[2]X[1]X[0]x[ST

(2)时序仿真

SimulationWaveforms

Simulationmode：Timing

底MasterTimeBar:1575nsPointer:2.76nsInterval:-1299nsStart:End

A)ps80«ns160/ns240,0ns320.,0ns400.,0ns480/ns560.pns640/ns720.pns800.,0ns880/ns96O.pns|

美1T5.75n_s_________________________________________

ia^oCLKJIumniuinnfuuinwinnninjuinnwOTTOWiiOTWMfwuiiminiwinjinnnwiwuinnwwuimnnr

电7^7reset

文LO

♦3-L0[3]nnn-nnnn

04-L0[2]_j_L_j_ii_i___r

Q5-L0[l]...TLn_rm_nj-\_rm_rm__nj~\_rm_rm_rLn

36-U)[0]juvumanrumnjiruuinjmnnnnjwirumjijmjumjmru™rinjirmnnnrir

LITsTTny两⑸X一叵Txzzs[i]X⑼X~~i^T

8xzna

"8-LI[3]_「

-LI[2]

Q10-Ll[l]

Q11-LI[0]

in

(3)交通灯总程序仿真

(1)功能仿真:

xwo

-NW1x0[3]

-NWIxO[2]

-NWIxOtl]

-NlfNxO(O)

MWxl

-mfflxi[3]

-NVJ1xl[2]

-NUflxlfl]

-NWIxltO)

MlNyO

-NV»lyO[3]

-NWIyO[2]

-NVHyO[1]

-NWIR[0]

□HWyl

-iwiiyiiai

-NW1yl[l]

-NUHyttO]

(2)时序仿真

QMastaTimeBar«|»|Pontef35023usInieivat

A32788w983.04us

芟

r-n

KlfflxO畿电懒盥懦就献烟幽㈱mm

-HIHxOjuu_n__n__n__n__n__n__ri

-NIWxO

-SIWxO_rLn_n_n_n_n_rLn_rurL_n_rL_n_n_JTn_rLrL_nn_n_n_rin_n_

■NIWxOnMQIlOOyywiIlIWuwiJuyiaQnJifyioyilWliywyiiyiaooMiiwwwfwiwiwwwvwmiiimiwiiwiiwwiiwiiiruumr

miwxik(3j)r-^r[0)烬冰而T"(31x⑶⑴X~~t5T⑶X~~^3~mWWCEECZn

■NlMxl

-NtHxl

-NlBxl

-NIHxlJ~31MMMMIMIMIMMMIM—~I_

㈱㈱微XTOM姒㈱x姒瞰x怫㈱丽xmwmmx愀x㈱怫飒嫄x丽wwwcfoT

—in__in_in_in_in_n_in_in_u___in_in_L

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I.TIIITlTUl.TJTilllTITIHTJTIIITITIIITITIllT.ITJimTin1011^1110111111UTUJTU.

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,L_u—r-n-nvuwwwwiwwwwuwwwwwwwwiii=L^

九、引脚设立

接下来就要选择目的器件并对相应的引脚进行锁定了，引脚锁定方法如下图

所示。

NodeNameDrectionLocation1/0BankVrefGroup1/0StandardReserx

1eCLKInputPIN584B4N13.3-VLVTTL(default)

23Lx[2]OutputPIN_1342B2_N13.3-VLVTTL(default)

3QLx[l]OutputPIN_1352B2_N13.3-VLVTTL(default)

40Lx[0]OutputPIN1362B2N13.3-VLVTTL(default)

5饪Ly[2]OutputPIN_1372B2_N13.3-VLV1TL(default)

6QLy[i]OutputPIN_1392B2.N13.3-VLVTTL(default)

70Ly[O]OutputPIN_1412B2.N13.3-VLVm.(defeult)

83NUMx0[3]OutputPIN_414B4.N13.3-VLVTTL(default)

90NUMxO[2]OutputPIN.301Bl.Nl3.3-VLVTTL(default)

102NUMx0[l]OutputPIN_281B1_N13.3-VLVTTL(default)

110NUMxO[O]OutputPIN_251B1_N13.3-VLVTTL(default)

123NUMxl[3]OutputPIN_241Bl.Nl3.3-VLVTTL(default)

130NUMxl[2]OutputPIN_91B1_NO3.3-VLVm.(default)

14@NUMxl[l]OutputPIN_81B1_NO3.3-VLVTTL(default)

15QNUMxl[0]OutputPIN_71B1_NO3.3-VLVTTL(default)

16&NUMyO口]OutputPIN.1033B3_N03.3-VLVTTL(default)

17妙NUMyO[2]OutputPIN_1043B3.N03.3-VLVTTL(default)

183NUMyO[l]OutputPIN_1122B2_N03.3-VLVTTL(default)

192NUMyO[O]OutputPIN_U32B2JI03.3-VLVm.(default)

202NUMyl[3]Outpu