基于quartusll-交通灯控制系统.doc
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1、一、设计任务要求交通灯控制器: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 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.二、设计思路及总体结构框图设计思路:1硬件:由设计任务要求可知,总体输入电路有:(1)在开始计时之前的等待状态,复位键reset接低电位,接通电源后,首先要将它接高电位,表示计时开始。(2)当按一下(on_off)键,表示紧急情况发生,两个方向均为红灯亮,计时停止
2、,当再次按下(on_off)键时,控制器恢复原来状态,正常工作。输出电路:(1)由于东西和南北方向都要显示时间,因此需要4个数码管,这样在设计中就需要四条输出线choose4,用来选通指定一个LED七段显示数码管。(2)显示器的每一位都采用LED七段显示数码管进行显示,每一个LED七段显示数码管都要有七条输出线控制,一共使用4个七段数码管,故输出电路使用四个七位输出信号:showtime1,showtime2,showtime3,showtime4。(3)东西和南北方向都有交通灯亮的情况,故输出电路中要有两个状态控制信号state1,state2分别控制东西和南北的灯,每个方向上有4个灯(增加
3、了左、右转弯显示控制功能),所以state1,state2的类型应该是4位数组型的。东西方向交通灯外部电路图如下:State1State2Showtime1Showtime2Showtime3Showtime4Choose4 clk 4/ stas reset南北方向交通灯 on_off 4/7/7/7/7/ 4/2软件:(1)在VHDL设计描述中,采用自顶向下的设计思路,该思路,首先要描述顶层的接口,上面的描述已经规定了交通灯控制的输入输出信号:输入信号:复位开关信号reset;紧急情况控制信号on_off;外部时钟信号clk。输出信号:LED七段显示数码管的选通信号choose4(3 do
4、wnto 0);LED七段显示数码管的输出信号showtime1(6 downto 0),showntime2(6 downto 0),showtime3(6 downto 0),showtome4(6 downto 0);交通灯状态控制信号state1(3 downto 0),state2(3 downto 0)。(2)在自顶向下的VHDL设计描述中,通常把整个设计的系统划分为几个模块,然后采用结构描述方式对整个系统进行描述。根据实验设计的结构功能,来确定使用哪些模块以及这些模块之间的关系。由于紧急情况控制信号是采用按键的输入方式,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
5、引起的电平抖动现象,因此必须在每个开关后面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,故需要有防抖动的模块.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,提供给消抖同步电路的频率为50Hz(满足按键)和提供给产生选通信号电路的时钟频率为200Hz(满足视觉暂留效应).当正常计时开始后,需要进行定时计数操作,由于东西和南北两个方向上的时间显示器是由两个LED七段显示数码管组成的,因此需要产生两个2位的计时信息:2个十位信号,2个个位信号,这个定时计数操作可以由一个定时计数器来完成,又因为交通灯的状态变化是在计时为0的情况下才能进行的,因此需要一个计时
6、电路来产生使能信号,因此定时计数的功能就是用来产生2个2位计时信息和使能信号。另外还需要将时间显示出来,为了节省资源,我采用了循环点亮LED七段显示数码管的方法来显示计时输出。通过信号choose4(3 downto 0)来对4个LED七段显示数码管进行选择.由于不能使用7448自动译码集成电路,故在LED七段显示数码管显示时间时,要把计时结果转换为七段码输出到相应的LED七段显示数码管上,因此还需要一个转换电路.交通灯状态控制也需要一个电路,当有使能信号及无紧急情况下,交通灯状态不发生变化,有紧急情况时,两个方向上均为红灯亮,紧急情况消除后,回到原来状态,无使能信号时,交通灯状态不变。通过上
7、面的分析,不难得知可以把交通灯控制系统划分为6个模块:键输入模块,时钟分频模块,计时模块,选通模块,显示模块,控制模块.各个模块之间的连接关系如下:计时模块转换模块键输入模块reset showtimeon_off reset0 on_off0 clk1选通模块时钟分频模块选通模块 timel,times clk2 clk0 choose4三、总体结构框图通电复位 No yes东西为红,南北为绿,计时开始是否有紧急情况 Yes No计时到20s No 两方向均为红,计时停止 Yes东西为黄,南北为绿是否有紧急情况是否消除? No Yes Yes No计时到5s No Yes东西为红,南北为绿是
8、否有紧急情况 Yes No计时到20s No Yes东西为红,南北为黄是否有紧急情况 Yes计时到5s No Yes四、分块电路设计。(1)键输入模块(keyin)输入信号:紧急情况on_off;用来消除抖动的时钟信号clk1,由时钟分频模块提供。输出信号:去抖后的提示信号on_off0。(2)时钟分频模块(clk_div)输入信号:外部时钟信号clk;输出信号:消除抖动的时钟信号clk1;计时内部时钟信号clk2;产生选通信号的时钟信号clk0.(3)计时模块(time):输入信号:定时计时时钟clk2,由时钟分频模块提供;去抖动后的提示信号on_off0;复位信号reset;状态提示信号s
9、tate(1 downto 0);输出信号:东西方向的十位信号eq1(3 downto 0);东西方向的个位信号eq0(3 downto 0);南北方向的十位信号sq1(3 downto 0);南北方向的个位信号sq0(3 downto 0);使能信号timel,times.(4)选通模块(choose):输入信号:选通时钟信号clk0,由时钟分频模块提供。输出信号:选通信号choose4(3 downto 0)。(5)显示模块(display):输入信号:计时的十位或个位信号;输出信号:控制LED七段显示数码管的七位数组型信号.(6)控制模块(keep):输入信号:复位信号reset;去抖后
10、的紧急情况提示信号on_off0;定时计时时钟信号clk2;使能信号timel,times;输出信号:东西方向交通灯状态控制信号state1(3 downto 0);南北方向交通灯状态控制信号state2(3 downto 0);交通灯状态提示信号state(1 downto 0)。五、总体电路图(图形法).六、仿真波形状态变化仿真图:以下显示选通信号的仿真波形七、源程序主模块:-traffic module-library ieee;use ieee。std_logic_1164。all;use ieee。std_logic_arith。all;use ieee。std_logic_unsi
11、gned.all;entity tracfic is port(reset : in std_logic;-复位信号 clk : in std_logic;-外部时钟信号 showtime1,showtime2,showtime3,showtime4: out std_logic_vector(6 downto 0);- 控制LED七段显示数码管的七位数组型信号 choose4 : out std_logic_vector(3 downto 0);-选通信号 on_off : in std_logic;-紧急情况控制信号 state1,state2 : out std_logic_vector
12、(3 downto 0));-交通灯状态控制信号 end tracfic;architecture system of tracfic is-元件例化调用 component keyin-去抖动模块 port(a,b:in std_logic; c :out std_logic); end component; component time-计时模块 port(a,b,k:in std_logic; c:in std_logic_vector(1 downto 0); d,e,f,g:out std_logic_vector(3 downto 0); j,h:out std_logic); e
13、nd component; component choose -选通模块 port(a:in std_logic; b:out std_logic_vector(3 downto 0); end component; component display -显示模块 port(a:in std_logic_vector(3 downto 0); b:out std_logic_vector(6 downto 0); end component; component clk_div-时钟分频模块 port(a:in std_logic; b,c,d:out std_logic); end comp
14、onent; component keep-状态控制模块 port(a,b,c,g,j:in std_logic; d,e:out std_logic_vector(3 downto 0); f:out std_logic_vector(1 downto 0); end component; signal on_off0:std_logic; 紧急情况经去抖后的输出信号; signal state:std_logic_vector(1 downto 0); 控制计数器的状态提示信号; signal clk0,clk1,clk2:std_logic; 时钟分频后的输出信号; signal eq0
15、,sq0:std_logic_vector(3 downto 0); 南北和东西计数器的个位输出; signal eq1,sq1:std_logic_vector(3 downto 0); 南北和东西计数器的十位输出; signal timel,times:std_logic; 计数器对控制器的反馈信号;begin 用信号把各个模块连起来; u1:keyin port map(clk1,on_off,on_off0); u3:time port map(clk2,on_off0,reset,state,eq0,eq1,sq0,sq1,timel,times); u4:choose port m
16、ap(clk0,choose4); u5:display port map(eq0,showtime1); u6:display port map(eq1,showtime2); u7:display port map(sq0,showtime3); u8:display port map(sq1,showtime4); u9:keep port map(on_off0,timel,times,clk2,reset,state1,state2,state); u10:clk_div port map(clk,clk0,clk1,clk2); end system;去抖模块:-keyin mod
17、ule-library ieee;use ieee.std_logic_1164。all;entity keyin is port(A,B :in std_logic; C :out std_logic);end keyin;architecture keyin_arc of keyin is component kand2 port(A,B :in std_logic; C :out std_logic);end component; component kdf port(A,B :in std_logic; C,D :out std_logic);end component; compon
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