2023年數(shù)電綜合實驗報告交通燈

數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計綜合實驗二

——十字路口交通燈自動控制器的設(shè)計

學(xué)院電子工程學(xué)院

班級卓越001012班

學(xué)號00101201

姓名冉艷偉

實驗時間2023.6.8

十字路口交通燈自動控制器的設(shè)計

一、實驗?zāi)康?/p>

學(xué)習(xí)QuartusH的使用方法，熟悉可編程邏輯器件的使用。通過

制作來了解交通燈控制系統(tǒng),交通燈控制系統(tǒng)重要是實現(xiàn)城市十字交

叉路口紅綠燈的控制。

二、設(shè)計任務(wù)

設(shè)計一個十字路口交通控制系統(tǒng),其東西，南北兩個方向除了有

紅、黃、綠燈指示是否允許通行外，還設(shè)有時鐘，以倒計時方式顯示

每一路允許通行的時間，綠燈,黃燈，紅燈的連續(xù)時間分別是40、5

和45秒。當(dāng)東西或南北兩路中任一道上出現(xiàn)特殊情況，例如有消防

車，警車要去執(zhí)行任務(wù)，此時交通控制系統(tǒng)應(yīng)可由交警手動控制立即

進入特殊運營狀態(tài)，即兩條道上的所有車輛皆停止通行，紅燈全亮，

時鐘停止計時，且其數(shù)字在閃爍。當(dāng)特殊運營狀態(tài)結(jié)束后，管理系統(tǒng)

恢復(fù)本來的狀態(tài)，繼續(xù)正常運營。

南北jp道

________OOO________

OO

OO

東西干道oo

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

圖1路口交通管理示意圖

ABCD

南北干道交通燈綠（40秒）黃（5秒）紅（40秒）紅（5秒）

東西干道交通燈紅紅綠黃

表1交通信號燈的4種狀態(tài)

三、實驗規(guī)定

（1）按照設(shè)計任務(wù)設(shè)計，采用VHDL語言編寫程序，并在QUARTU

SII工具平臺中進行仿真，下載到EDA實驗箱進行驗證。交通燈用

發(fā)光二級管模擬，觀測交通燈的運營是否正常，假如不正常，排除故

障直至對的為止。

（2）編寫設(shè)計報告，規(guī)定涉及方案選擇、程序清單、調(diào)試過程、

測試結(jié)果及心得體會。

規(guī)定:必須用可編程器件實現(xiàn)電路功能?？梢允窃韴D，也可以是

VHDL代碼，也可以混合輸入。

五、設(shè)計說明

（1）第一模塊：CLK時鐘秒脈沖發(fā)生電路

在紅綠燈交通信號系統(tǒng)中，大多數(shù)情況是通過自動控制的方

式指揮交通的。因此為了避免意外事件的發(fā)生，電路必須給一個穩(wěn)

定的時鐘（cl。ck）才干讓系統(tǒng)正常運作，故對1MHz的時鐘信

號進行1000000分頻。

模塊說明：

系統(tǒng)輸入信號：

CLKi:由外接信號發(fā)生器提供1MHz的時鐘信

號;

系統(tǒng)輸出信號：CLK:產(chǎn)生每秒一個脈沖的信號;

(2)第二模塊：模90倒計數(shù)器

按照實驗規(guī)定，交通燈循環(huán)一次為90秒，且顯示倒數(shù)的計數(shù)值，

故設(shè)計一模90倒計數(shù)器通過主程序運算即可顯示各路計數(shù)值。

模塊說明：

系統(tǒng)輸入:CLK:接受由CLK電路的提供的lhz的時鐘脈沖信號;

reset:緊急情況輸入

系統(tǒng)輸出信號：L1：倒計數(shù)值秒數(shù)十位變化控制信號；

L0：倒計數(shù)值秒數(shù)個位變化控制信號；

(3)交通燈主程序

說明：

系統(tǒng)輸入:CLK：接受由CLK電路的提供的1hz的時鐘脈沖信

號；

reset:緊急情況輸入

系統(tǒng)輸出信號:Lx：東西方向紅綠黃燈控制信號；

Ly：南北方向紅綠黃燈控制信號；

NUMxl：東西方向倒計數(shù)值秒數(shù)十位變化控制

信號；

NUMxO:東西方向倒計數(shù)值秒數(shù)個位變化控制信

號;

NUMxl：南北方向倒計數(shù)值秒數(shù)十位變化控制信

號;

NUMxO:南北方向倒計數(shù)值秒數(shù)個位變化控制信

號；

六、設(shè)計方案

圖2交通燈控制系統(tǒng)示意圖

交通控制系統(tǒng)示意圖

圖2交通信號燈控制器的原理框圖

采用VHDL語言輸入的方式實現(xiàn)交通信號燈控制器

時間顯

次態(tài)發(fā)生器

信號燈輸出信號

信號燈輸出

圖3交通信號燈控制器程序原理框圖

七、程序清單

(1)第一模塊：CLK時鐘秒脈沖發(fā)生電路

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)第二模塊：模90倒計數(shù)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)交通燈主程序

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、仿真結(jié)果

1.第一模塊：CLK時鐘秒脈沖發(fā)生電路

(1)功能仿真:

(2)時序仿真

(2)第二模塊：模90倒計數(shù)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)時序仿真

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

電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兩⑸X一叵Txzzs[i]X⑼X~~i^T

8xzna

"8-LI[3]_「

-LI[2]

Q10-Ll[l]

Q11-LI[0]

in

(3)交通燈總程序仿真

(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)時序仿真

QMastaTimeBar?|?|Pontef35023usInieivat

A32788w983.04us

芟

r-n

KlfflxO畿電懶盥懦就獻煙幽㈱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)燼冰而T"(31x⑶⑴X~~t5T⑶X~~^3~mWWCEECZn

■NlMxl

-NtHxl

-NlBxl

-NIHxlJ~31MMMMIMIMIMMMIM—~I_

㈱㈱微XTOM姒㈱x姒瞰x怫㈱麗xmwmmx愀x㈱怫颯嫄x麗wwwcfoT

—in__in_in_in_in_n_in_in_u___in_in_L

n_m_m_o_rn_n_n_rn_rrun_n_m_r_u_

I.TIIITlTUl.TJTilllTITIHTJTIIITITIIITITIllT.ITJimTin1011^1110111111UTUJTU.

ummuuuuinjwuuumjiruumRnjirimumjmjuinjinonzywmjuumrmruuuijmnnn.

(ojXtTT；*?酗?弼蹴嬲:嬲：嬲:嬲E嬲嬲嬲嬲:嬲E嬲嬲嬲嬲嬲嬲嬲嬲嬲明臉n而曲

,L_u—r-n-nvuwwwwiwwwwuwwwwwwwwiii=L^

九、引腳設(shè)立

接下來就要選擇目的器件并對相應(yīng)的引腳進行鎖定了，引腳鎖定方法如下圖

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飪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