交通灯控制系统设计Verilog代码VIVADO仿真

名称：交通灯控制系统设计Verilog代码VIVADO仿真

软件：VIVADO

语言：Verilog

代码功能：

交通灯控制系统

要求设计一个交通灯控制系统。信号灯分为红黄绿三种。道路分为东西方向和南北方向。为便于描述，本文将东西方向称为干路，南北方向称为支路。红灯停绿灯行，黄灯时是预备时间，也要停止。

要求：

1：干路绿灯时间20秒，黄灯时间5秒，红灯时间25秒。

2：支路绿灯时间20秒，红灯时间25秒，黄灯时间5秒。

FPGA代码Verilog/VHDL代码资源下载：www.hdlcode.com

设计文档：

一、系统设计

设计系统功能模块如下所示：

系统分为分频模块、红绿灯控制模块、倒计时控制模块、数码管显示模块四个子模块，然后通过顶层模块将这四个模块连接起来。

分频模块用于将系统时钟50MHz分频为1Hz，1Hz对应1秒，可用于后续的倒计时控制。

红绿灯控制模块用于实现主路支路的红绿灯切换控制，即控制红绿灯按干路绿灯时间20秒，黄灯时间5秒，红灯时间25秒。支路绿灯时间20秒，红灯时间25秒。黄灯时间5秒的规律变化。该模块使用状态机控制，状态图如下：

状态分为复位状态，主路绿灯状态，主路黄灯状态，支路绿灯状态，支路黄灯状态。当按下复位复位按键时状态机进入复位状态，然后自动进入主路绿灯状态，在该状态下，主路绿灯亮，支路红灯亮。经过20秒后，进入主路黄灯状态，在该状态下，主路黄灯亮，支路红灯亮。经过5秒后，进入支路绿灯状态，在该状态下，主路红灯亮，支路绿灯亮。经过20秒后，进入支路黄灯状态，在该状态下，主路红灯亮，支路黄灯亮。经过5秒后，进入主路绿灯状态，在该状态下，主路绿灯亮，支路红灯亮。

倒计时控制模块用于根据红黄绿灯的状态和总时间计算倒计时，例如干路绿灯时间是20秒，在干路绿灯亮时，开始计数，计数时钟用分频模块输出的1Hz信号，即可以计数0~19，然后再用总时间20减去计数值，就能得到倒计时数。其他灯的倒计时同理。然后在绿灯亮时，只显示绿灯的倒计时，在红灯亮时，只显示红灯的倒计时，在黄灯亮时，只显示黄灯的倒计时。

数码管显示模块用于将倒计数显示在数码管上，即需要实现数码管译码功能，将倒计时值译码为数码管显示值。

二、功能模块设计分析

分频模块框图如下所示：

分频模块框图

模块中输入信号为clk，为系统时钟50MHZ，输出信号为clk_out,为1Hz的信号。

红绿灯控制模块框图如下所示：

输入clk_1Hz为分频模块输出的1Hz时钟，输入main_green_time、main_yellow_time、branch_green_time、branch_yellow_time分别表示主路绿灯时间（8’h37为十六进制，对应十进制的55）、主路黄灯时间、支路绿灯时间、支路黄灯时间。

输出main_red、main_green、main_yellow分别表示主路红、绿、黄灯。branch_red、branch_green、branch_yellow分别表示支路红、绿、黄灯。输出main_green_BCD、main_yellow_BCD、main_red_BCD分别表示主路绿灯正计数、主路黄灯正计数、主路红灯正计数。branch_green_BCD、branch_yellow_BCD、branch_red_BCD分别表示支路绿灯正计数、支路黄灯正计数、支路红灯正计数。

倒计时控制模块框图如下所示：

输入clk为系统时钟50MHz，输入main_red、main_green、main_yellow分别表示主路红、绿、黄灯。branch_red、branch_green、branch_yellow分别表示支路红、绿、黄灯。输入main_green_time、main_yellow_time、branch_green_time、branch_yellow_time分别表示主路绿灯时间、主路黄灯时间、支路绿灯时间、支路黄灯时间。输入main_green_BCD、main_yellow_BCD、main_red_BCD分别表示主路绿灯正计数、主路黄灯正计数、主路红灯正计数。branch_green_BCD、branch_yellow_BCD、branch_red_BCD分别表示支路绿灯正计数、支路黄灯正计数、支路红灯正计数。

输出main_data_out表示主路倒计时数据显示值，branch_data_out表示支路倒计时数据显示。

数码管显示模块框图如下所示：

输入clk为系统时钟50MHz，输入main_data表示主路倒计时数据显示值，branch_data表示支路倒计时数据显示。输出为数码管的位选和段选信号。

系统顶层模块将上述四个模块连接起来，如下图所示：

顶层端口输入为50MHz时钟，输出main_red、main_green、main_yellow分别表示主路红、绿、黄灯。branch_red、branch_green、branch_yellow分别表示支路红、绿、黄灯。输出为数码管的位选和段选信号。

三、仿真分析

代码设计完成后，经过编译综合，成功后可以编写TB文件进行仿真验证，TB文件验证的原理是模拟产生代码的输入信号，将输入信号加载到代码中观察输出信号是否满足设计要求。设计的TB文件如下所示：

TB文件中模拟了系统输入信号50MHz，然后通过仿真图观察各个模块的信号是否满足设计要求。

分频模块仿真图如下：

图中输入clk为50MHz信号，输出clk_out信号正确分频为1Hz，模块功能验证正确。

交通灯控制模块仿真图如下：

局部放大后

图中clk_1Hz为1秒时钟频率，输入main_green_time、main_yellow_time、branch_green_time、branch_yellow_time分别表示主路绿灯时间（20 秒）、主路黄灯时间（5秒）、支路绿灯时间（20秒）、支路黄灯时间（5秒）。

输出main_red、main_green、main_yellow分别表示主路红、绿、黄灯。branch_red、branch_green、branch_yellow分别表示支路红、绿、黄灯。输出main_green_BCD、main_yellow_BCD、main_red_BCD分别表示主路绿灯正计数、主路黄灯正计数、主路红灯正计数。branch_green_BCD、branch_yellow_BCD、branch_red_BCD分别表示支路绿灯正计数、支路黄灯正计数、支路红灯正计数。图中可以看到主路主路红绿灯切换正确，时长正确。因此交通灯控制模块功能验证正确。

倒计时控制模块仿真图如下：

输入clk为系统时钟50MHz，输入main_red、main_green、main_yellow分别表示主路红、绿、黄灯。branch_red、branch_green、branch_yellow分别表示支路红、绿、黄灯。输入main_green_time、main_yellow_time、branch_green_time、branch_yellow_time分别表示主路绿灯时间、主路黄灯时间、支路绿灯时间、支路黄灯时间。输入main_green_BCD、main_yellow_BCD、main_red_BCD分别表示主路绿灯正计数、主路黄灯正计数、主路红灯正计数。branch_green_BCD、branch_yellow_BCD、branch_red_BCD分别表示支路绿灯正计数、支路黄灯正计数、支路红灯正计数。

输出main_data_out表示主路倒计时数据显示值，branch_data_out表示支路倒计时数据显示。观察图中main_data_out信号和branch_data_out信号，可以清楚看到倒计时计数正确，对应的红绿灯也正确。因此倒计时控制模块功能验证正确。

数码管显示模块仿真图如下：

输入main_data表示主路倒计时数据显示值，branch_data表示支路倒计时数据显示。输出branch_data_one为支路倒计时个位，branch_data_ten为支路倒计时十位，输出main_data_one为主路倒计时个位，main_data_ten为主路倒计时十位。顶层模块仿真图为：

顶层端口输入为50MHz时钟，输出main_red、main_green、main_yellow分别表示主路红、绿、黄灯。branch_red、branch_green、branch_yellow分别表示支路红、绿、黄灯。可以清楚看到倒计时计数正确，对应的红绿灯也正确。

四、结论与体会

本文设计的交通灯控制系统采用自顶向下的设计方法，系统采用模块化设计，并对每个模块进行了单独仿真，仿真验证正确，最终整体仿真功能也正确。本设计可以在代码中灵活修改红绿灯时间，具有适应性好的优点。当然本系统也有改进的空间，比如后续可以改为按键控制修改红绿灯时间。

参考文献

[1] 袁玉卓等.FPGA自学笔记-设计与验证[M].北京：北京航空航天大学出版社

[2] 王振红. FPGA电子系统设计项目实践[M]. 北京：清华大学出版社

[3] 南志贤等. 基于Quartus Prime的FPGA/CPLD数字系统设计实例[M]. 北京：电子工业出版社

[4] 姜书艳等. 数字设计FPGA应用[M]. 北京：科学出版社

[5] 赵艳华等.实例讲解：基于Quartus II的FPGACPLD数字系统设计快速入门[M].北京：电子工业出版社

[6] 张晋荣等. FPGA实战训练精粹[M]. 北京：清华大学出版社

部分代码展示:

/*
红->绿?绿->黄?黄->红
1、红--计时main_red_times------------------------绿--计时main_green_times---main_yellow_times黄灯---------------红
2、绿--计时branch_green_times---branch_yellow_times黄灯--------------------红--计时branch_reg_times-------------------绿
*/
//东西为支路
//南北为主路
module?traffic_light(
input?clk,//100Mhz
input?en,
//led?1亮0灭
output?main_red,//主路灯
output?main_green,//主路灯
output?main_yellow,//主路灯
output?branch_red,//支路灯
output?branch_green,//支路灯
output?branch_yellow,//支路灯
output?[3:0]?weixuan,//数码管位选
output?[7:0]?duanxian//数码管段选
);
?wire?clk_1Hz;
?wire?[7:0]?main_green_BCD;
?wire?[7:0]?main_yellow_BCD;
?wire?[7:0]?main_red_BCD;
?wire?[7:0]?branch_green_BCD;
?wire?[7:0]?branch_yellow_BCD;
?wire?[7:0]?branch_red_BCD;
?wire?[7:0]?main_data_out;
?wire?[7:0]?branch_data_out;
?
wire?main_red_led;//主路灯
wire?main_green_led;//主路灯
wire?main_yellow_led;//主路灯
wire?branch_red_led;//支路灯
wire?branch_green_led;//支路灯
wire?branch_yellow_led;//支路灯
//led?0亮1灭
assign?main_red=main_red_led;//主路灯
assign?main_green=main_green_led;//主路灯
assign?main_yellow=main_yellow_led?;//主路灯
assign?branch_red=branch_red_led;//支路灯
assign?branch_green=branch_green_led;//支路灯
assign?branch_yellow=branch_yellow_led?;//支路灯?
//分频模块
div?div100
(
.?clk(clk),
.?clk_out(clk_1Hz)
);
//定义路口个灯持续时间，修改此处时间
//主路绿灯+主路黄灯=支路红灯时间
//支路绿灯+支路黄灯=主路红灯时间
wire?[7:0]main_green_time;
wire?[7:0]main_yellow_time;
wire?[7:0]branch_green_time;
wire?[7:0]branch_yellow_time;

点击链接获取代码文件：http://www.hdlcode.com/index.php?m=home&c=View&a=index&aid=1102