基于FPGA的交通信号灯设计（二）_fpga丁字路口

详细设计及实现

根据要求，我们可以用典型时序状态机实现功能，共有六个大的状态，现设定：

S0: 四个方向的红灯全亮

S1: 东、西方向绿灯亮，南、北方向红灯亮

S2：东、西方向黄灯闪烁，南、北方向红灯亮

S3：东、西方向红灯亮，南、北方向绿灯亮

S4：东、西方向红灯亮，南、北方向黄灯闪烁

S5：东、西、南、北四个方向的红灯亮

整体控制状态图如下：

图1 整体功能状态机

此状态机是该设计的核心模块，由其控制着东、西、南、北方向的交通。仔细分析设计要求可知，东西方向交通灯状态变化相同，南北方向亦相同，故实际上只需控制两组交通灯，所以状态机有六个输出变量，分别控制东西、南北方向的红、绿、黄灯的亮灭状态。另外，状态机还有三个输入变量，分别为复位信号、紧急状况控制信号、时钟信号。

由于在vhdl语言中，同一个进程内只能有一个时钟，所以紧急信号宜以电平来触发。但实验要求通过单脉冲来控制紧急信号，为了解决这个矛盾，可以设计一个边沿触发的紧急信号发生器，当输入一个单脉冲时，输出电平为高，即进入紧急状态；再输入一单脉冲，输出电平为低，解除紧急状态。

为了控制各个状态持续的时间，需在状态机中设置计时装置。可将输入状态机的时钟信号的频率设计为1Hz,即一个脉冲周期为1s。由于实际试验中，给定的实验器材频率都很大，从Khz到MHz，在这里采用50MHz,这样就只需要计数器来分频。此外，复位信号利用高低电平来控制，当电平为高时，状态机保持东、西、南、北四个方向红灯均亮的状态，若为低则由初始状态进入状态循环。

综上所述，可得总体设计结构框图如下：

图2 总体设计结构框图

clk为输入时钟(用于计时，由计数器分频后提供)；

reset为复位信号，与计数器的复位信号连接在一起，由一个电平开关控制；

hold为紧急信号(由紧急信号发生器控制)；

输出变量red1、green1、yellow1控制东西方向红、绿、黄交通灯的亮灭状态；南北方向则由red2、green2、yellow2控制。

部分模块结构图如下：

图2 控制模块结构图

状态机

状态机用于控制十字路口交通灯的状态变化。此模块中我设计的是异步复位和异步等待(即进入紧急状态)，复位信号是低电平有效，紧急信号是高电平有效。另外，为了控制各个状态的持续时间，此状态机中还设计了一个计数装置，用于计时。

状态SO持续时间为1s,由于输入状态机的时钟频率为1Hz,即一个脉冲持续时间为1s,所以在计数为0～1内状态机为S0状态。同理，在计数为1～31内，为S1状态；在计数为31～36内，为S2状态；S3状态所处的计数范围为36～56；S4状态所处的计数范围为56～61。

状态机部分代码如下：

ENTITY state_machine IS
PORT(
    clk,reset_n,hold,clk_1hz,select_model:     IN STD_LOGIC;       --clk为50M时钟信号，hold为紧急信号，reset为复位信号
    second_count_ge_out: OUT std_logic_vector(3 downto 0);--秒的个位
    second_count_shi_out:OUT std_logic_vector(3 downto 0);--秒的十位
    red1_out,green1_out,yellow1_out:OUT STD_LOGIC; --控制东西方向的交通灯
    red2_out,green2_out,yellow2_out:OUT STD_LOGIC);--控制南北方向的交通灯
END;
 
ARCHITECTURE state_machine_function OF state_machine IS
TYPE states IS(s0,s1,s2,s3,s4);
SIGNAL next_state:states;    
 
 
signal red1:        std_logic;
signal red2:        std_logic;
signal green1:        std_logic;
signal green2:        std_logic;
signal yellow1:        std_logic;
signal yellow2:        std_logic;
signal second_count_ge:  std_logic_vector(3 downto 0);--秒的个位
signal second_count_shi: std_logic_vector(3 downto 0);--秒的十位
signal second_count_ge_reg:  std_logic_vector(3 downto 0);--秒的个位
signal second_count_shi_reg: std_logic_vector(3 downto 0);--秒的十位
signal second_count_ge_model:  std_logic_vector(3 downto 0);--秒的个位
signal second_count_shi_model: std_logic_vector(3 downto 0);--秒的十位
BEGIN
    red1_out<= red1;
    red2_out<= red2;
    green1_out<= green1;
    green2_out<= green2;
    yellow1_out<= yellow1;
    yellow2_out<= yellow2;
    
    second_count_ge_out<=second_count_ge_reg;
    second_count_shi_out<=second_count_shi_reg;
    
    process(clk_1hz,reset_n)
      begin 
        if(reset_n = '0')then
            second_count_ge_reg<="0000";
            second_count_shi_reg<="0000";
        elsif(clk_1hz'event and clk_1hz = '1')then--上升沿触发
            second_count_ge_reg<=second_count_ge;
            second_count_shi_reg<=second_count_shi;
        end if;
    end process;
    process(select_model)
      begin 
        if(select_mode = '1')then--白天模式
            second_count_ge_model1<="1001";--主干道30秒
            second_count_shi_model1<="0010";
            
            second_count_ge_model2<="1001";--次干道20秒
            second_count_shi_model2<="0001";
        else--夜晚模式
            second_count_ge_model1<="1001";--主干道20秒
            second_count_shi_model1<="0010";
            
            second_count_ge_model2<="1010";--次干道10秒
            second_count_shi_model2<="0000";
        end if;
    end process;
-- /**********************************************************/
-- //控制模块
-- //
-- /**********************************************************/
     PROCESS(reset_n,hold,clk_1hz)
     VARIABLE countnum:INTEGER RANGE 0 TO 61;  --计数变量
     BEGIN
          IF(reset_n='0') THEN     --复位
             countnum:=0;  
             next_state<=s0;  
             red1<='1';green1<='0';yellow1<='0';
             red2<='1';green2<='0';yellow2<='0';
             
            second_count_ge <= "0001";--1
            second_count_shi <= "0000";--0
          ELSIF(hold='0') THEN   --进入紧急状态
             countnum:=0; 
             next_state<=next_state;
             red1<='1';green1<='0';yellow1<='0';
             red2<='1';green2<='0';yellow2<='0';
          ElSIF(clk_1hz'event AND clk_1hz='1') THEN
             IF(countnum>=60) THEN  --循环后又回到S1状态
               countnum:=1;
             ELSE
               countnum:=countnum+1; --计数加1
             END IF;
             
             CASE next_state IS
                WHEN s0 =>        --东西、南北方向红灯均亮
                  red1<='1';green1<='0';yellow1<='0';
                  red2<='1';green2<='0';yellow2<='0';
                  
                if(second_count_ge = "0000")then
                    second_count_ge <= "0000";--0
                else
                    second_count_ge <= second_count_ge - '1';
 
                end if;
                  
                  IF(countnum=1) THEN
                    next_state<=s1;
                    second_count_ge <= second_count_ge_model1;--9
                    second_count_shi <= second_count_shi_model1;--2
                  ELSIF(countnum>=0 AND countnum<1) THEN
                    next_state<=s0;
                  END IF;
              
                WHEN s1 =>    --东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮。东西方向通车，时间30S
                  red1<='0';green1<='1';yellow1<='0';
                  red2<='1';green2<='0';yellow2<='0';
                  
                if(second_count_ge = "0000")then
                    second_count_ge <= "1001";--
                    if(second_count_shi = "0000")then
                        second_count_shi <= "0000";--0
                    else
                        second_count_shi <= second_count_shi - '1';
                    end if;
                else
                    second_count_ge <= second_count_ge - '1';
                end if;
                  
                  IF(countnum = 31) THEN
                    next_state<=s2;
                    second_count_ge <= "0100";--4
                    second_count_shi <= "0000";--0
                  ELSIF(countnum>=1 AND countnum<31) THEN
                    next_state <= s1;
                  END IF;
 
                WHEN s2 =>    --东西方向黄灯亮，南北方向红灯亮，时间5s。
                  red1<='0';green1<='0';yellow1<='1';  
                  red2<='1';green2<='0';yellow2<='0';
                  
                  if(second_count_ge = "0000")then
                    second_count_ge <= "0000";--0
                 else
                    second_count_ge <= second_count_ge - '1';
                 end if;
                 
                  IF(countnum=36) THEN
                    next_state<=s3;
                    second_count_ge <= second_count_ge_model2;--9
                    second_count_shi <= second_count_shi_model2;--1
                  ELSIF(countnum>=31 AND countnum<36) THEN
                    next_state<=s2;
                  END IF;
 
                  WHEN s3 =>   --东西方向红灯亮，南北方向绿灯亮,南北方向通车，时间20s。
                    red1<='1';green1<='0';yellow1<='0';
                    red2<='0';green2<='1';yellow2<='0';
                    
                    if(second_count_ge = "0000")then
                        second_count_ge <= "1001";--9
                        if(second_count_shi = "0000")then
                            second_count_shi <= "0000";--0
 
                        else
                            second_count_shi <= second_count_shi - '1';
 
                        end if;
                  else
                    second_count_ge <= second_count_ge - '1';
 
                  end if;
                    
                    IF(countnum=56) THEN
                      next_state<=s4;
                       second_count_ge <= "0100";--4
                       second_count_shi <= "0000";--0
                    ELSIF(countnum>=36 AND countnum<56) THEN
                      next_state<=s3;
                    END IF;
 
                  WHEN s4 =>    --东西方向红灯亮，南，北方向黄灯亮，时间5s。
                    red1<='1';green1<='0';yellow1<='0';
                    red2<='0';green2<='0';yellow2<='1';
                    
                    if(second_count_ge = "0000")then
                        second_count_ge <= "0000";--0
                    else
                        second_count_ge <= second_count_ge - '1';
                  end if;
                    
                    IF(countnum=1) THEN
                      next_state<=s1;
                      second_count_ge <= second_count_ge_model1;--9
                      second_count_shi <= second_count_shi_model1;--2
                    ELSIF(countnum>=56 AND countnum<61) THEN
                      next_state<=s4;
                    END IF;
             END CASE;
          END IF;
     END PROCESS;
    
     
END state_machine_function;

状态机的波形图如下：

初始状态为四个方向的红灯全亮，时间1秒。然后东、西方向绿灯亮，南、北方向红灯亮。东、西方向通车，时间30秒。但在此过程中，有一个紧急的信号出现，所以在大概在6秒左右，出现紧急信号，东西南北方向红灯都亮。在11秒左右解除紧急信号，仿真图中恢复S1的状态。经验证，图中均符合题目要求。