【正点原子FPGA连载】第十六章交通灯实验 -摘自【正点原子】新起点之FPGA开发指南_V2.1
时间：2023-05-22 08:07:00
1)实验平台:正点原子新起点V2开发板
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第十六章交通灯实验
交通信号灯是生活中非常常见的公共设施。它在道路交叉口、斑马线等位置起着疏导交通的作用。本章将使用交通信号灯模块再现其功能。
本章包括以下几个部分：
1616.1简介
16.2实验任务
16.3硬件设计
16.4程序设计
16.5下载验证
16.1简介
交通信号灯通常由红、绿、黄三种颜色的灯组成。红灯亮时，禁止通行；绿灯亮时，可通行；黄灯亮时，提示交通时间结束，立即转换为红灯。
本实验要再现的交通信号灯是十字路口的信号灯，由两对信号灯组成。信号灯的实物如图所示 16.1.1所示：
图 16.1.1 交通信号灯
图 16.1.二是十字路口交通信号灯简化示意图：
图 16.1.2 十字路口信号灯示意图
一个方向上的信号灯点亮顺序是：红灯熄灭后，绿灯熄灭后，黄灯熄灭，黄灯熄灭后，红灯熄灭，所以一直在循环。此外，同一方向上的一对信号灯颜色相同，显示时间相同。
制作模拟交通信号灯的功能，制作了表 16.1.1信号灯状态转换表：
表 16.1.1 交通信号灯状态转换表
表 16.1.1.红灯在一个周期内发光30s，绿灯发光27s，黄灯发光3s。以东西信号灯状态为例，红灯的发光时间等于黄灯和绿灯的发光时间。因此，一个完整的状态转换周期是红灯发光时间的两倍，即60s。
红色信号灯在东西方向发光的30盏s内部，南北方向从绿灯切换到黄灯；30个红色信号灯在南北方向发光s在内部，东西方向也从绿灯切换到黄灯。因此，我们将东西方向和南北方向的信号灯同时保持在一个固定的时间段，并将其划分为一个状态。因此，有四种循环状态：
1.东西红灯亮27s，南北绿灯亮27s，然后切换到状态2；
2.东西方向红灯亮3s，南北黄灯亮3s，然后切换到状态3；
3.东西绿灯亮27s，南北红灯亮27s，然后切换到状态4；
4.东西方向黄灯亮3s，南北红灯亮3s，然后切换到状态1。
如图 16.1.三是交通信号灯状态转换图：
图 16.1.3 交通信号灯状态转换图
另外，以东西方向为例:红灯在一个周期内发光30s，绿灯发光27s，黄灯发光3s。红灯发光期间，数字管上显示的数字应从29递减至0；同样，在绿灯发光期间，数字管上显示的数字应从26递减至0；黄灯发光时，数字管上显示的数字应从2递减至0。
16.2实验任务
本节的实验任务是通过新的起点开发板和外部交通信号灯扩展模块再现交通信号灯的功能。
16.3硬件设计
我们的新起点FPGA左边的开发板P6.扩展端口可用于外部交通信号灯扩展模块如图所示 16.3.1所示。
图 16.3.1 交通信号灯原理图
从上图可以看出，交通信号灯扩展模块交通信号灯扩展模块LED我们用六个灯LED控制信号驱动12个LED这是因为东西方向或南北方向LED灯的亮灭状态总是一样的，所以我们在东西方向或南北方向有相同的颜色LED这种设计的优点是减少了交通信号灯扩展模块LED引脚控制信号。
上图中，四个共阳数码管对应四个路口，每个路口用两个数码管显示当前状态的剩余时间。众所周知，在十字路口，东西方向或南北方向的数字管显示时间总是一样的。以东西方向为例，由于两个方向显示时间一致，所以两个方向的数字管，十个可以用同一位置选择信号控制，另一个位置选择信号控制，使两个位置选择信号控制东西方向共四位数字管，南北数字管。这样设计的好处是减少了交通信号灯扩展模块位选信号的引脚。
需要注意的是，数字管理PNP型三极管驱动，当三极管基极为低电平时，选择数字管相应的位置，因此交通信号灯扩展模块的位置信号为低电平有效。
如图所示 16.3.2.本章实验将交通信号灯设定为上北下南、左西右东。
图 16.3.2 交通信号灯实物图
在本实验中，交通信号灯脚分布如下表所示。
表 16.3.1 交通信号灯实验管脚分配
对应的TCL约束文件如下：
set_location_assignment PIN_M2 -to sys_clk
set_location_assignment PIN_M1 -to sys_rst_n
set_location_assignment PIN_R12 -to sel[0]
set_location_assignment PIN_T13 -to sel[1]
set_location_assignment PIN_R11 -to sel[2]
set_location_assignment PIN_G2 -to sel[3]
set_location_assignment PIN_N8 -to seg_led[0]
set_location_assignment PIN_P8 -to seg_led[1]
set_location_assignment PIN_P6 -to seg_led[2]
set_location_assignment PIN_M8 -to seg_led[3]
set_location_assignment PIN_R14 -to seg_led[4]
set_location_assignment PIN_N6 -to seg_led[5]
set_location_assignment PIN_R13 -to seg_led[6]
set_location_assignment PIN_T14 -to seg_led[7]
set_location_assignment PIN_L9 -to led[0]
set_location_assignment PIN_M9 -to led[1]
set_location_assignment PIN_P9 -to led[2]
set_location_assignment PIN_K9 -to led[3]
set_location_assignment PIN_L10 -to led[4]
set_location_assignment PIN_N9 -to led[5]
16.4程序设计
我们可以根据实验任务粗略规划统的控制流程：交通灯控制模块将需要显示的时间数据连接到数码管显示模块，同时将状态信号连接到led灯控制模块，然后数码管显示模块和led灯控制模块驱动交通信号灯外设工作。系统框图如图 16.4.1所示，
图 16.4.1 交通灯实验系统框图
各模块端口及信号连接如下图所示：
图 16.4.2 交通信号灯顶层模块原理图
由上图可知，FPGA部分包括四个模块，顶层模块（top_traffic）、交通灯控制模块（traffic_light）、数码管显示模块（seg_led）、led灯控制模块（led）。在顶层模块中完成对其它三个模块的例化，并实现各模块之间的数据传递。
顶层模块（top_traffic）：顶层模块完成了对其它三个子模块的例化、实现了子模块间的信号连接、并将led灯和数码管的驱动信号输出给外接设备（交通信号灯外设）。
交通灯控制模块（traffic_light）：交通灯控制模块是本次实验的核心代码，这个模块控制信号灯的状态转换，将实时的状态信号state[1:0]输出给led灯控制模块（led），同时将东西和南北方向的实时时间数据ew_time[5:0]和sn_time[5:0]输出给数码管显示模块（seg_led）。
数码管显示模块（seg_led）：接收交通灯控制模块传递过来的东西和南北方向的实时时间数据ew_time[5:0]和sn_time[5:0]，并以此驱动对应的数码管，将数据显示出来。
led灯控制模块（led）：根据接收到的实时状态信号state[1:0]，驱动东西和南北方向的led发光。
顶层模块的代码如下：
1 module top_traffic(
2 input sys_clk , //系统时钟信号
3 input sys_rst_n , //系统复位信号
4
5 output [3:0] sel , //数码管位选信号
6 output [7:0] seg_led , //数码管段选信号
7 output [5:0] led //LED使能信号
8 );
9
10 //wire define
11 wire [5:0] ew_time; //东西方向状态剩余时间数据
12 wire [5:0] sn_time; //南北方向状态剩余时间数据
13 wire [1:0] state ; //交通灯的状态，用于控制LED灯的点亮
14
15 //*****************************************************
16 //** main code
17 //*****************************************************
18 //交通灯控制模块
19 traffic_light u0_traffic_light(
20 .sys_clk (sys_clk),
21 .sys_rst_n (sys_rst_n),
22 .ew_time (ew_time),
23 .sn_time (sn_time),
24 .state (state)
25 );
26
27 //数码管显示模块
28 seg_led u1_seg_led(
29 .sys_clk (sys_clk) ,
30 .sys_rst_n (sys_rst_n),
31 .ew_time (ew_time),
32 .sn_time (sn_time),
33 .en (1'b1),
34 .sel (sel),
35 .seg_led (seg_led)
36 );
37
38 //led灯控制模块
39 led u2_led(
40 .sys_clk (sys_clk ),
41 .sys_rst_n (sys_rst_n),
42 .state (state ),
43 .led (led )
44 );
45
46 endmodule
在代码第22行和第23行，将交通灯控制模块输出的ew_time和sn_time实时时间数据信号连接到数码管显示模块；在代码的第24行，将交通灯控制模块输出的state状态连接到led灯控制模块。
交通灯控制模块的代码如下：
1 module traffic_light(
2 //input
3 input sys_clk , //系统时钟
4 input sys_rst_n , //系统复位
5
6 output reg [1:0] state , //交通灯的状态，用于控制LED灯的点亮
7 output reg [5:0] ew_time , //交通灯东西向数码管要显示的时间数据
8 output reg [5:0] sn_time //交通灯南北向数码管要显示的时间数据
9 );
10
11 //parameter define
12 parameter TIME_LED_Y = 3; //黄灯发光的时间
13 parameter TIME_LED_R = 30; //红灯发光的时间
14 parameter TIME_LED_G = 27; //绿灯发光的时间
15 parameter WIDTH = 25_000_000; //产生频率为1hz的时钟
16
17 //reg define
18 reg [5:0] time_cnt; //产生数码管显示时间的计数器
19 reg [24:0] clk_cnt; //用于产生clk_1hz的计数器
20 reg clk_1hz; //1hz时钟
21
22 //*****************************************************
23 //** main code
24 //*****************************************************
25 //计数周期为0.5s的计数器
26 always @ (posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)begin
27 if(!sys_rst_n)
28 clk_cnt <= 25'b0;
29 else if (clk_cnt < WIDTH - 1'b1)
30 clk_cnt <= clk_cnt + 1'b1;
31 else
32 clk_cnt <= 25'b0;
33 end
34
35 //产生频率为1hz的时钟
36 always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)begin
37 if(!sys_rst_n)
38 clk_1hz <= 1'b0;
39 else if(clk_cnt == WIDTH - 1'b1)
40 clk_1hz <= ~ clk_1hz;
41 else
42 clk_1hz <= clk_1hz;
43 end
44
45 //切换交通信号灯工作的4个状态，并产生数码管要显示的时间数据
46 always @(posedge clk_1hz or negedge sys_rst_n)begin
47 if(!sys_rst_n)begin
48 state <= 2'd0;
49 time_cnt <= TIME_LED_G ; //状态1持续的时间
50 end
51 else begin
52 case (state)
53 2'b0: begin //状态1
54 ew_time <= time_cnt + TIME_LED_Y - 1'b1;//东西方向数码管要显示的时间数据
55 sn_time <= time_cnt - 1'b1; //南北方向数码管要显示的时间数据
56 if (time_cnt > 1)begin //time_cnt等于1的时候切换状态
57 time_cnt <= time_cnt - 1'b1;
58 state <= state;
59 end
60 else begin
61 time_cnt <= TIME_LED_Y; //状态2持续的时间
62 state <= 2'b01; //切换到状态2
63 end
64 end
65 2'b01: begin //状态2
66 ew_time <= time_cnt - 1'b1;
67 sn_time <= time_cnt - 1'b1;
68 if (time_cnt > 1)begin
69 time_cnt <= time_cnt - 1'b1;
70 state <= state;
71 end
72 else begin
73 time_cnt <= TIME_LED_G; //状态3持续的时间
74 state <= 2'b10; //切换到状态3
75 end
76 end
77 2'b10: begin //状态3
78 ew_time <= time_cnt - 1'b1;
79 sn_time <= time_cnt + TIME_LED_Y - 1'b1;
80 if (time_cnt > 1)begin
81 time_cnt <= time_cnt - 1'b1;
82 state <= state;
83 end
84 else begin
85 time_cnt <= TIME_LED_Y; //状态4持续的时间
86 state <= 2'b11; //切换到转态4
87 end
88 end
89 2'b11: begin //状态4
90 ew_time <= time_cnt - 1'b1;
91 sn_time <= time_cnt - 1'b1;
92 if (time_cnt > 1)begin
93 time_cnt <= time_cnt - 1'b1;
94 state <= state;
95 end
96 else begin
97 time_cnt <= TIME_LED_G;
98 state <= 2'b0; //切换到状态1
99 end
100 end
101 default: begin
102 state <= 2'b0;
103 time_cnt <= TIME_LED_G;
104 end
105 endcase
106 end
107 end
108
109 endmodule
因为交通灯控制模块是以秒为单位计时的，所以在代码第25行到第43行，我们通过分频产生频率为1HZ、周期为1s的时钟。在前面讲解表 16.3.1的时候，我们提到信号灯有4个工作状态，并且每个状态的持续时间已经作了详细的说明。所以在代码第52行至第100行，通过time_cnt计数器来切换这4个工作状态，并且在每个状态里，将东西和南北方向信号灯的状态剩余时间，分别赋值给ew_time、和sn_time寄存器。在讲解表 16.3.1的时候，提到状态1里东西向红灯和南北向绿灯一起发光27s，但是实际上，红灯一共要发光30s，绿灯一共要发光27s。那么，在状态1开始的时候，东西方向红灯对应的数码管显示的初始值应该为29，南北方向绿灯对应的数码管显示的初始值应该为26，然后每秒各个方向数码管显示的值都递减1；状态1结束时，东西方向红灯对应的数码管显示3，南北方向绿灯对应的数码管显示0。在状态2开始的时候，东西方向红灯对应的数码管显示2，南北方向黄灯对应的数码管也显示2。状态结束的时候，两个方向的数码管都显示0。其他状态数码管的显示原理也是类似的。
需要注意的是，在代码第56行、68行、80行、92行，当time_cnt等于1的时候跳转状态，否则下一秒有的数码管会显示错误，比如显示63。这是因为当time_cnt等于0的时候跳转，由于time_cnt是6位寄存器，time_cnt-1则为6’b111111，也就是63。
如图 16.4.3为交通灯控制模块的仿真图。state信号标示当前信号灯所处的工作状态。通过仿真图我们可以看出，在state等于00的时候（表 16.1.1处提到的状态1），ew_time和sn_time的信号变化情况符合设计要求。
图 16.4.3 交通灯控制模块仿真图
数码管显示模块的代码如下：
1 module seg_led(
2 input sys_clk , //系统时钟
3 input sys_rst_n , //系统复位
4 input [5:0] ew_time , //东西方向数码管要显示的数值
5 input [5:0] sn_time , //南北方向数码管要显示数值
6 input en , //数码管使能信号
7 output reg [3:0] sel , //数码管位选信号
8 output reg [7:0] seg_led //数码管段选信号,包含小数点
9 );
10
11 //parameter define
12 parameter WIDTH = 50_000; //计数1ms的计数深度
13
14 //reg define
15 reg [15:0] cnt_1ms; //计数1ms的计数器
16 reg [1:0] cnt_state; //用于切换要点亮数码管
17 reg [3:0] num; //数码管要显示的数据
18
19 //wire define
20 wire [3:0] data_ew_0; //东西方向数码管的十位
21 wire [3:0] data_ew_1; //东西方向数码管的各位
22 wire [3:0] data_sn_0; //南北方向数码管的十位
23 wire [3:0] data_sn_1; //南北方向数码管的各位
24
25 //*****************************************************
26 //** main code
27 //*****************************************************
28 assign data_ew_0 = ew_time / 10; //取出东西向时间数据的十位
29 assign data_ew_1 = ew_time % 10; //取出东西向时间数据的个位
30 assign data_sn_0 = sn_time / 10; //取出南北向时间数据的十位
31 assign data_sn_1 = sn_time % 10; //取出南北向时间数据的个位
32
33 //计数1ms
34 always @ (posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
35 if (!sys_rst_n)
36 cnt_1ms <= 15'b0;
37 else if (cnt_1ms < WIDTH - 1'b1)
38 cnt_1ms <= cnt_1ms + 1'b1;
39 else
40 cnt_1ms <= 15'b0;
41 end
42
43 //计数器，用来切换数码管点亮的4个状态
44 always @ (posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
45 if (!sys_rst_n)
46 cnt_state <= 2'd0;
47 else if (cnt_1ms == WIDTH - 1'b1)
48 cnt_state <= cnt_state + 1'b1;
49 else
50 cnt_state <= cnt_state;
51 end
52
53 //先显示东西方向数码管的十位，然后是个位。再显示南北方向数码管的十位，然后个位
54 always @ (posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
55 if(!sys_rst_n) begin
56 sel <= 4'b1111;
57 num <= 4'b0;
58 end
59 else if(en) begin
60 case (cnt_state)
61 3'd0 : begin
62 sel <= 4'b1110; //驱动东西方向数码管的十位
63 num <= data_ew_0;
64 end
65 3'd1 : begin
66 sel <= 4'b1101; //驱动东西方向数码管的个位
67 num <= data_ew_1;
68 end
69 3'd2 : begin
70 sel <= 4'b1011; //驱动南北方向数码管的十位
71 num <= data_sn_0;
72 end
73 3'd3 : begin
74 sel <= 4'b0111; //驱动南北方向数码管的个位
75 num <= data_sn_1 ;
76 end
77 default : begin
78 sel <= 4'b1111;
79 num <= 4'b0;
80 end
81 endcase
82 end
83 else begin
84 sel <= 4'b1111;
85 num <= 4'b0;
86 end
87 end
88
89 //数码管要显示的数值所对应的段选信号
90 always @ (posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
91 if (!sys_rst_n)
92 seg_led <= 8'b0;
93 else begin
94 case (num)
95 4'd0 : seg_led <= 8'b1100_0000;
96 4'd1 : seg_led <= 8'b1111_1001;
97 4'd2 : seg_led <= 8'b1010_0100;
98 4'd3 : seg_led <= 8'b1011_0000;
99 4'd4 : seg_led <= 8'b1001_1001;
100 4'd5 : seg_led <= 8'b1001_0010;
101 4'd6 : seg_led <= 8'b1000_0010;
102 4'd7 : seg_led <= 8'b1111_1000;
103 4'd8 : seg_led <= 8'b1000_0000;
104 4'd9 : seg_led <= 8'b1001_0000;
105 default : seg_led <= 8'b1100_0000;
106 endcase
107 end
108 end
109
110 endmodule
由动态数码管实验可知，数码管显示刷新速度在毫秒级是比较合适。所以在代码第33行至第41行，产生一个计时周期为1ms的计数器。为了产生数码管位选控制信号，在代码第16行设置了一个2位计数器cnt_state。每经过1ms，计数器累加1次。总共能计数0，1，2，3这四个10进制数。在代码第60行至80行，依据cnt_state的值，通过给sel寄存器赋值来驱动数码管不同的位选，并将选中位要显示的数值赋值给num寄存器。在代码第94行至代码第104行，根据num的值可以产生相应的段选控制信号seg_led。
如图 16.4.4为数码管显示模块的仿真图。在ew_time和sn_time的值分别为24和21时，在这1s期间，数码管位选信号sel循环切换数码管对应的位选信号，然后依据num寄存器产生对应的段选信号seg_led。
图 16.4.4 数码管显示模块仿真图
led灯控制模块的代码如下：
1 module led (
2 input sys_clk , //系统时钟
3 input sys_rst_n , //系统复位
4 input [1:0] state , //交通灯的状态
5 output reg [5:0] led //红黄绿LED灯发光使能
6 );
7
8 //parameter define
9 parameter TWINKLE_CNT = 20_000_000; //让黄灯闪烁的计数次数
10
11 //reg define
12 reg [24:0] cnt; //让黄灯产生闪烁效果的计数器
13
14 //计数时间为0.2s的计数器，用于让黄灯闪烁
15 always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)begin
16 if(!sys_rst_n)
17 cnt <= 25'b0;
18 else if (cnt < TWINKLE_CNT - 1'b1)
19 cnt <= cnt + 1'b1;
20 else
21 cnt <= 25'b0;
22 end
23
24 //在交通灯的四个状态里，使相应的led灯发光
25 always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)begin
26 if(!sys_rst_n)
27 led <= 6'b100100;
28 else begin
29 case(state)
30 2'b00:led<=6'b100010; //led寄存器从高到低分别驱动：东西向
31 //红绿黄灯，南北向红绿黄灯
32 2'b01: begin
33 led[5:1]<=5'b10000;
34 if(cnt == TWINKLE_CNT - 1'b1) //计数满0.2秒让黄灯的亮灭状况切换一次
35 //产生闪烁的效果
36 led[0] <= ~led[0];
37 else
38 led[0] <= led[0元器件数据手册、IC替代型号，打造电子元器件IC百科大全！
