设计课题：交通信号灯控制器
学院：电气与信息工程学院
专业：电气工程及其自动化
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目录
一、设计任务及技术要求 (2)
1.设计任务 (2)
2.设计要求 (3)
二、系统分析与总体方案 (3)
1.系统分析 (3)
2.使用FPGA和VHDL的优点 (5)
3.设计的总体方案 (7)
三、电路与模块 (9)
1.交通灯的主程序模块 (10)
2.频率转换模块 (10)
四、程序 (11)
1.交通灯的主程序模块的VHDL语言程序 (12)
2.频率转换模块的VHDL语言程序 (16)
五、心得体会 (19)
六、参考文献 (20)
七、教师评语 (21)
一、设计任务及技术要求
设计一个十字路口两道路的交通灯控制器，两道路交替通行。由主干道A和支干道B的汇合点形成十字交叉路口，在交叉路口的-每个入口处设置有红，黄，绿三色信号灯。
①用红，绿，黄三色发光二极管作信号灯，主干道A为南北向，设
红，黄，绿三色灯为AR，AY，AG，支干道B为东西向，三色灯为BR，BY，BG。
②主干道车辆较多，所以亮绿灯的时间为50s，支干道亮绿灯的时间
为30s，当主干道允许通行亮绿灯的时候支干道亮红灯，相反，支干道允许通行的时候主干道亮红灯。每次由绿灯转变为红灯的时候，其间要亮5s的黄灯作为过渡，以便行驶中的车辆有时间停到禁止线以内。
③交通灯正常运行时，用四位数码管M1,M2,M3,M4显示主干道和支
干道的倒计时时间，M1M2显示主干道在当前状态的剩余时间；M3M4显示支干道在当前状态的剩余时间。
④能实现系统清0，清0后计数器由初始状态开始计数，指示灯指示
主干道亮绿灯。
⑤具有一定的扩展功能：
它能实现特殊状态的功能显示，用开关S作为特殊信号传感器，S 为1时进入特殊状态并实现下列特殊状态功能：
A显示器M1M2M3M4闪烁，即全在0和当前计时时间中交替显示。
B计数器停止计数并保持原来的时间数据。
C东西，南北方向的三色灯全显示红色状态。
D特殊状态解除后能继续返回工作状态。
①分析任务，拟定多种方案，根据当时的制作条件，选择一种方案
绘制系统框图和设计流程。
②设计部分单元电路或编写VHDL描述程序。计算元件参数，确定元
器件型号和数量，提出元器件清单。
③安装调试硬件电路，或制作CPLD/FPGA为基础的专用集成电路芯
片ASIC。
④对制作的电路进行功能测试，分析各项计数指标，或对设计的电
路进行功能仿真，分析仿真波形。
⑤总结设计资料，打印包括原理图仿真波形的设计报告，校验并演
示电路装置。
二、系统分析与总体方案
1.系统分析
通过分析可以知道，所要求设计的十字路口交通灯控制电路要能够使南北、东西各三个灯（绿，黄，红），能够按顺序依次亮灭。红灯亮表示禁止通行，绿灯亮表示可以通行，在绿灯变红灯时先要求黄灯亮几秒钟，以便让停车线以外的车辆停止运行。因为主干道上的车辆多，所以主干道放行的时间要长。因此可以得到路口交通灯系统示意图如图1所示。
黄干
图1路口交通灯系统示意图
主干道车辆较多，所以亮绿灯的时间为50s ，支干道亮绿灯的时间为30s ，当主干道允许通行亮绿灯的时候支干道亮红灯，相反，支干道允许通行的时候主干道亮红灯。每次由绿灯转变为红灯的时候，其间要亮5s 的黄灯作为过渡，以便行驶中的车辆有时间停到禁止线以内。还要求三种灯的点亮时间能够以倒计时的形式显示出来。可以用VHDL 语言合理设计系统功能，使红黄绿灯的转换有一个准确的时间间隔和转换顺序。分析可得状态顺序与灯亮对应表以及交通灯控制状态图。
表1状态顺序与灯亮对应表
图2交通灯控制状态图
2.使用FPGA和VHDL的优点
交通灯控制器的设计是数字电路教学中的经典问题，传统的设计方法是基于中、小规模集成电路进行的，采用的电路原件多、接线复杂、故障率高、可靠性低，修改电路的功能就要修改硬件电路，在教学上费时、费力还不容易调试，成功率极低。随着电子设计自动化
（EDA）技术的发展，在线可编程逻辑器件的出现，使实验室中制作专用集成电路成为可能。我们用FPGA作为设计载体，以硬件描述语言（VHDL）作为系统设计的主要表达手段，以计算机、大规模可编程器件的开发以及开发实验系统为设计工具，使得我们在实验室就可以制作专用集成电路。
使用基于FPGA的方法具有周期短、使用灵活、易于修改的优点。而且，随着FPGA器件，设计语言和电子设计自动化的工具发展和改进，越来越多的电子系统采用FPGA来设计。未来使用FPGA器件设计的产品将出现在各个领域。因此此次的交通灯控制器将基于FPGA的设计方案来实现所需要的功能。
与传统的自底向上的设计方法不同，VHDL设计是从系统的总体需求出发，采用自顶向下的设计方法。其程序结构特点是将一项工程设计或设计实体分成外部（即端口）和内部（即功能和算法）。在对一个设计实体定义了外部端口后，一旦内部开发完成，其他设计就可以直接调用这个实体。VHDL语言设计的过程一般如下：代码编写，由综合器综合成门级网表，前仿真/功能仿真，装备、布线至某一类CPLD/FPGA。
此次设计所用VHDL设计平台是Altium Designer。Altium Designer界面友好，使用便捷。
3.设计的总体方案
设计过程：设计采用自上而下的设计方法，首先根据交通灯控制系统的功能要求，将功能要求转化成系统状态图，然后再对系统进行
