基于FPGA的交通灯控制器设计(VHDl代码全,各个模块均调试通过)

按照自顶向下的层次化设计方法,整个系统可分为4 个模块,系统时序发生电路、红绿灯计数时间选择模块、定时控制电路、红绿灯信号译码电路。

2.3 FPGA主控实现方案设计

结合已有的PLC实现和单片机应用实现的经验,并吸收两种设计的优势之处，再根据交通灯控制系统的设计要求和FPGA模块化功能实现,确定了以下方案，因每个方向相对的信号灯状态及倒计时显示器的显示完全一致,根据设计要求和系统所具有的功能,交通灯控制器系统框图如图2-6 所示。

图2-6 交通灯控制器系统框图

确定的方案中，系统具有复位功能，能使系统重新开始计时；在红绿灯交通信号系统中，大多数的情况是通过自动控制的方式指挥交通的，但为了配合高峰时段，防止交通拥挤，有时还必须使用手动控制。为此主体包括系统复位，手动/自动，红绿灯切换，主控模块，显示器，报警器。具体主控部分用FPGA来实现。

图2-7 交通灯通行示意图

结合实现方案，主要有东西、南北、南北左拐，东西左拐，跟手动控制5种工作方式，具体由M2～M0设定,具体如表2-1。

表

2-1 交通灯工作方式表

按照自顶向下的层次化设计方法,整个系统可分为4 个模块,系统时序发生电路、红绿灯计数时间选择模块、定时控制电路、红绿灯信号译码电路。

方式 M2(0:自动, M1(0:A向, M0(O:直行,

1:手动)

1 2 3 4 5

0 0 0 0 1

1:B向)

0 0 1 1 *

1:左拐)

0 1 0 1 *

当出现特殊情况时,可选择方式1 到方式4 中的任何一种方式,停止正常运行,进入特殊运行状态。此时交通灯按工作方式显示,计时电路停止计时,计时时间闪烁显示。当系统总复位时,控制电路和计时电路复位,信号灯全部熄灭。

3 各功能模块的设计与实现

3.1总体设计思路

3.1.1系统组成框图

结合设计任务要求和确定的实现方案，假设某个十字路口是由一条主干道和一条次干道回合而成，在每个方向设置红绿黄3种信号灯，红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行。黄灯亮允许行驶中车辆有时间停考到禁止线以外。

按照自顶向下的层次化设计方法，整个系统可分为4个模块，系统时序发生电路、红绿灯计数时间选择模块、定时控制电路、红绿灯信号译码电路。其系统组成方框图如图3-1所示。

按照自顶向下的层次化设计方法,整个系统可分为4 个模块,系统时序发生电路、红绿灯计数时间选择模块、定时控制电路、红绿灯信号译码电路。

图3-1 交通灯控制器系统组成框图

在自动控制模块时，绿灯亮为55秒，黄灯亮为5秒，红灯亮为60秒。其外部硬件电路方面包括：两组红绿灯（配合十字路口的双向指挥控制）、两级七段显示器（配合绿灯倒计时显示）、一组手动与自动控制开关（针对交通警察指挥交通控制使用）。

3.1.2交通灯的状态转换图

图3-2 主干道状态转换

按照自顶向下的层次化设计方法,整个系统可分为4 个模块,系统时序发生电路、红绿灯计数时间选择模块、定时控制电路、红绿灯信号译码电路。

图3-3 支干道状态转换

由上面的两个干道的状态转换图可知，两个方向的先设计成并列的，即都是按照倒计时信号进行状态跳转，然后再加入两者之间的限制关系和SIGNAL信号。

交通灯的控制过程可以分为四个阶段，对应的输出有四种状态，分别为S0,S1,S2,S3，四个阶段的灯亮状态如表3-2。

表3-2 四个阶段的灯亮状态表

状态

灯亮情况

格雷码 00 01 11 10

S0状态 主干道绿灯亮，支干道红灯亮 S1状态 主干道黄灯亮，支干道红灯亮 S2状态 主干道红灯亮，支干道绿灯亮 S3状态 主干道红灯亮，支干道黄灯亮

对于上述的S0和S2状态要加以说明：首先，当主干道方向55秒计时结束时，若支干道方向无车时，这时控制器应继续运行在S0状态，再运行55秒，等到下一次计时结束时再行判断；当主干道55秒计时结束，若支干道方向有车，则按照状态转换图进行跳转。同理，支干道也执行相同的处理。

其次，当支干道开始绿灯亮时，规定必须保持支干道方向一直有车时，支干道方向的绿灯才能继续维持，否则在计数未结束但支干道无车时，执行从S2状态跳转到S3状态；若支干道有车一直维持到55秒计数结束，那么也要执行状态转换。

3.2 功能模块设置及实现

结合前面的系统设计框图和状态设置，把主控部分分为主控制模块，55秒倒计时模块，5秒倒计时模块，倒计时时间选择驱动模块，倒计时时间选择模块，1KHz时钟信号模块，1Hz计数时钟信号模块，倒计时时间数据多路选择模块，动态显示驱动模块，显示数据多路选择模块，显示数据译码模块。

系统采用的是系统级层次设计方法，对整个系统进行方案设计和功能划分，系统的关键电路用一片FPGA芯片实现，首先用VHDL语言编写各个功能模块程序，最后通过综合器和适配器生成最终的目标器件，然后用顶层原理图将各个功能模

按照自顶向下的层次化设计方法,整个系统可分为4 个模块,系统时序发生电路、红绿灯计数时间选择模块、定时控制电路、红绿灯信号译码电路。

块连接起来。下面分别来介绍各个功能模块的实现和调试过程。

3.2.1主控制模块

该模块主要完成根据外部输入信号Reset、SW控制输出，用于控制交通灯的信号Red1，Red2，Yellow1，Yellow2，Green1，Green2。这中间包含了必要的内部模块之间的信号EN_in（来自倒计时时间选择驱动模块）。其源代码见附录1，其仿真结果与编译后的结果如图3-4，3-5所示。

图3-4 主控模块

图3-5 仿真结果

从图3-5可以简单地检查主控模块设计的逻辑上的正确性，同时也可以看到一些简单的延时信息。确认基本正确后，进行下面模块的设计与分析。

3.2.2 55秒倒计时模块

该模块主要完成55秒的倒计时，控制红灯的点亮时间。实际中在1分钟内还要有绿到黄灯的转换以提醒车辆与行人，所以选择了55秒作为绿灯的点亮时间。其源代码见附录1，其仿真结果与编译后的结果如图3-6，3-7所示。

按照自顶向下的层次化设计方法,整个系统可分为4 个模块,系统时序发生电路、红绿灯计数时间选择模块、定时控制电路、红绿灯信号译码电路。

图3-6 55秒倒计时模块

图3-7 仿真结果

从图3-7可以简单地检查55秒倒计时模块的逻辑上的正确性，同时也可以看到一些简单的延时信息。确认基本正确后，进行下面模块的设计与分析。

3.2.3 5秒倒计时模块

该模块主要完成5秒的倒计时，控制黄灯的点亮时间。实际中在1分钟内还要有红到黄灯的转换以提醒车辆与行人，所以选择了55秒作为红灯的点亮时间后，黄灯的点亮时间必定为5秒。其源代码见附录1，其仿真结果与编译后的结果如图3-8，3-9

所示。

图3-8 5秒倒计时模块

按照自顶向下的层次化设计方法,整个系统可分为4 个模块,系统时序发生电路、红绿灯计数时间选择模块、定时控制电路、红绿灯信号译码电路。

图3-9 仿真结果

从图3-9可以简单地检查5秒倒计时模块的逻辑上的正确性，同时也可以看到一些简单的延时信息。确认基本正确后，进行下面模块的设计与分析。

3.2.4倒计时时间选择驱动模块

该模块只要完成倒计时时间长短选择的功能，输入信号来自两个倒计时模块，当倒计数完成是产生一个脉冲用于驱动 …… 此处隐藏：5411字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……