实验课题:基于verilog的交通灯设计(状态机)
一、Verilog程序（主程序+激励）
1）主程序
/*顶层模块*/
module traffic_light(clk,rst,out);
input clk,rst;
output [5:0]out;
wire [4:0] x;
delay D(.clk(clk),.rst(rst),.cnt(x));
state S(.in(x),.rst(rst),.clk(clk),.out(out));
endmodule
/*延时模块*/
module delay(clk,rst,cnt);
input clk,rst;
output[4:0]cnt;
reg[4:0]cnt;
always@(posedge clk)
begin
if(!rst)cnt<=0;
else if(cnt<29)
cnt<=cnt+1;
else cnt<=0;
end
endmodule
/*状态机模块*/
module state(clk,in,rst,out);
input clk,rst;
input[4:0]in;
output [5:0]out;
reg [5:0]out;
reg[3:0]state;
parameter r1_g2or1_2_y=6'b100010,r1_y2og1_r2=6'b001100,g1_r2oy1_r2=6'b010100, y1_r2or1_g2=6'b100001,A='b0001,B='b0010,C='b0100,D='b1000;
always@(posedge clk)
begin
if(!rst)
begin
state<=A;
out<= y1_r2or1_g2;
end
else
begin
case(state)
A: begin
if(in<25)state<=A;
else
begin
state<=B;
out<=r1_g2or1_2_y;
end
end
B: begin
if(in>24)state<=B;
else
begin
state<=C;
out<=r1_y2og1_r2;
end
end
C: begin
if(in<25)state<=C;
else
begin
state<=D;
out<=g1_r2oy1_r2;
end
end
D: begin
if(in>24)state<=D;
else
begin
state<=A;
out<=y1_r2or1_g2;
end
end
endcase
end
end
endmodule
2）激励
module test;
reg clk,rst;
wire [5:0]out;
traffic_light test(clk,rst,out);
initial
begin
clk='b1;
forever #5 clk=~clk;
end
initial
begin
rst='b0;
#10 rst='b1;
#500 rst='b0;
#10 rst='b1;
end
endmodule
二、实验波形图截图
三、波形分析
输出out[5:0]分别对应：
out[5]：主干道红灯out[4]：主干道黄灯out[3]：主干道绿灯
out[2]：支干道红灯out[1]：支干道黄灯out[0]：支干道绿灯
初始状态为：主干道红灯亮，支干道绿灯亮。
当rst=0时，状态机复位，输出为初始状态。如图中开始段。
当rst=1时，依据当前状态，状态依次更迭。图中复位后段。
图中：从初始状态开始，当过25个时间单位后，进入下一个状态；再经过5个时间单位后进入下一个状态。如此循环。
Moore型verilog源代码：FSM实现10010串的检测Moore状态转移图 module moorefsm(clk,rst,a,z); input clk,rst; input a; output z; reg z; reg [3:0] currentstate,nextstate; parameter S0 = 4'b0000; parameter S1 = 4'b0001; parameter S2 = 4'b0010; parameter S3 = 4'b0011; parameter S4 = 4'b0100; parameter S5 = 4'b0101; always@(posedge clk or negedge rst) begin if(!rst) currentstate <= S0; else
currentstate <= nextstate; end always@(currentstate or a or rst) begin if(!rst) nextstate = S0; else case(currentstate) S0: nextstate = (a==1)?S1:S0; S1: nextstate = (a==0)?S2:S1; S2: nextstate = (a==0)?S3:S1; S3: nextstate = (a==1)?S4:S0; S4: nextstate = (a==0)?S5:S1; S5: nextstate = (a==0)?S3:S1; default: nextstate = S0; endcase end always@(rst or currentstate) begin if(!rst) z = 0; else case(currentstate) S0: z = 0;S1: z = 0;S2: z = 0; S3: z = 0;S4: z = 0;S5: z = 1; default: z = 0; endcase end endmodule
通行时间可变的交通灯控制器设计 module tr1(ng,clk,reset,resets,emergency,lighta,lightb,seg,select); input ng,clk,reset,emergency,resets; output[6:0]seg;//显示用的 output[3:0] lighta,lightb;//a是主干道，b是支干道 output [3:0] select;//选择那一个管子进行显示 reg clk1,clk2;//clk1要5HZ clk2要几千HZ reg [3:0] select; reg tim1,tim2;//这是看你的等有没有变过颜色的控制信号 reg [1:0] cont; reg[2:0]state1,state2,ste;两个控制颜色变化状态的信号。 reg[3:0]lighta,lightb;//a是主干道，b是支干道 reg[3:0]num;//译码器是根据这个东西来译码的 reg [35:0] fout; reg[6:0]seg;//显示 reg[7:0] numa,numb; reg[7:0] red1,red2,green1,green2,yellow1,yellow2,left1,left2; always @(ng ) if(!ng) begin //设置计数初值 green1 <=8'b00110000;//30S red1 <=8'b01010001;//51S yellow1<=8'b00000011;//3S left1 <=8'b00010101; //15S green2 <=8'b00110000;//30S
题目1:串行通讯中，经常要检测数据包的开始标志，例如：USB 数据包的起 始数据是8‘b00101010设计一个电路，能够检测串行数据流中的特殊数据串，并在数据串有效时，给出相应的指示信号； (1)RTL Code /*信号定义与说明 Clk:同步时钟 rstb: 异步复位信号，低电平复位 up_down: 加/减计数方向控制信号，1为加计数 Din：串行数据输入 pat_det: 检测结果输出 */ `timescale 1ns/1ns module serialdata(din,clk,rstb,pat_det); input clk,rstb; input din; output pat_det; parameter S0='d0,S1='d1,S2='d2,S3='d3,S4='d4,S5='d5,S6='d6,IDLE='d7; reg[2:0] state; assign pat_det=(state= =S6&&din= =0)?1:0; always@(posedge clk or negedge rstb) begin if(!rstb) state<=IDLE; else begin case(state) IDLE: begin if(din==0) state<=S0; else state<=IDLE; end S0: begin if(din==0) state<=S1; else state<=IDLE; end S1: begin if(din==1) state<=S2; else state<=S1; end S2:
begin if(din==0) state<=S3; else state<=IDLE; end S3: begin if(din==1) state<=S4; else state<=S1; end S4: begin if(din==0) state<=S5; else state<=IDLE; end S5: begin if(din==1) state<=S6; else state<=S1; end S6: state<=IDLE; default: state<=IDLE; endcase end end endmodule (2)Test File `timescale 1ns/1ns `include "serialdata.v" module tb_serialdata; reg clk,rstb; wire din; wire pat_det; reg[31:0] data; assign din=data[31]; serialdata t1(din,clk,rstb,pat_det); initial begin clk=1'b0; rstb=1'b0; data=32'b1001_0010_1010_1100_1010_1000_1010_1010; #10 rstb=1'b1; #640 $stop; end
/module traffic (clock, reset, sensor1, sensor2, red1, yellow1, green1, red2, yellow2, green2); input clock, reset, sensor1, sensor2; output red1, yellow1, green1, red2, yellow2, green2; // Define the states. Enumerated type pragma allows Spectrum to chose encoding. parameter /*exemplar enum ee1 */ st0 = 0, st1 = 1, st2 = 2, st3 = 3, st4 = 4, st5 = 5, st6 = 6, st7 = 7; reg [2:0] /* exemplar enum ee1 */ state, nxstate ; reg red1, yellow1, green1, red2, yellow2, green2; // Update the state with the next state on the clock edge // or reset value. always @(posedge clock or posedge reset) begin if (reset) state = st0 ; else state = nxstate; end // // Calculate the next state and the outputs // based on the present state and the inputs // always @(state or sensor1 or sensor2) begin // Default values for the outputs
数电课程设计 学生姓名： 专业：电子信息工程 指导教师： 完成日期： 2016-6-30
摘要 Verilog HDL作为一种规范的硬件描述语言,被广泛应用于电路的设计中。它的设计描述可被不同的工具所支持,可用不同器件来实现。利用Verilog HDL语言自顶向下的设计方法设计交通灯控制系统，使其实现道路交通的正常运转，突出了其作为硬件描述语言的良好的可读性、可移植性和易理解等优点，并通过Quartus5.0完成综合、仿真。此程序通过下载到FPGA芯片后,可应用于实际的交通灯控制系统中。 关键词：Verilog HDL；硬件描述语言；状态；FPGA Abstract As a common language for the description of hardware, Verilog HDL is widely applied in circuit designing. The design description can be supportted by differenttools and implemented by different devices.In this paper, the process of design ing traffic light controller system by the Verilog HDL topdown design method is presented, which has made the road traffic work well, the design of t his system has shown the readability, portability and easily understanding of Verilog HDL as a hard description language Circuit synthesis and simulation are pe rformed by Quartus5.0. The program can be used in the truly traffic light controller system by downloading to the FPGA chip Keywords：Verilog HDL; hardware description language; state; FPGA
verilog可综合有限状态机的4种写法（夏文宇书注） 第一种：自然编码 module fsm1( input i_clk, input rst_n, input A, output reg K1, output reg K2, output reg [1:0] state ); parameter Idle=2'b00, Start=2'b01, Stop=2'b10, Clear=2'b11; [email=always@(posedge]always@(posedge[/email] i_clk) if(!rst_n) begin state<=Idle; K2<=0; K1<=0; end else case(state) Idle:if(A) begin state<=Start; K1<=0; end else begin state<=Idle; K2<=0; K1<=0; end Start:if(!A) state<=Stop; else state<=Start; Stop:if(A) begin state<=Clear; K2<=1;
else begin state<=Stop; K2<=0; K1<=0; end Clear:if(!A) begin state<=Idle; K1<=1; K2<=0; end else begin state<=Clear; K2<=0; K1<=1; end default: state<=Idle; endcase endmodule 这种大家应该都熟悉的 第二种：采用独热编码，据说其可靠性和速度都不错module fsm2( input i_clk, input rst_n, input A, output reg K1, output reg K2, output reg [3:0] state ); parameter Idle=4'b1000; parameter Start=4'b0100; parameter Stop=4'b0010; parameter Clear=4'b0001; always@(posedge i_clk) begin if(!rst_n)
《FPGA原理及应用》 大作业 题目用有限状态机法设计交通灯学院专业 姓名学号 指导教师 2017年11月
实验八用有限状态机设计交通灯 （综合性实验） 一、实验目的 掌握有限状态机的编程和使用方法。 二、实验内容 设计一个十字路口交通灯控制器，东西、南北方向有红灯、黄灯、绿灯，持续时间分别为35、5、30秒，并在实验箱上验证。 方案一：利用状态机设计 本报告通过用状态机对交通信号灯的设计，完成对红、绿、黄三盏灯状态变换的控制，进而完成对十字路口交通通断的控制。本实验以VHDL语言为基础，状态机为工具，完成四种交通状态的控制，即主道有车支道无车，主道无车支道有车，主道支道均有车，主道支道均无车四种状态。以主支道的安装的传感器为信号输入，感应道路有无车辆，实现交通自动化控制。 状态机一般用来描述数字系统的控制单元，是许多数字电路的核心元件。状态机包括输入信号、输出信号、状态译码器和状态寄存器。状态寄存器用来记忆状态机的内部状态。状态寄存器的下一个状态及输出不仅同输入信号有关，而且还与寄存器的当前状态有关，即下一个状态根据当前状态和输入决定。VHDL程序如下：
方案二：利用接线图设计 设计一个五秒计时器，VHDL程序如下： 结果用二进制表示，需要输出三个变量。 仿真无误后，新建波形仿真文件，得到结果如下：
对五秒计时器进行封装。 设计三十秒计时器： 结果有三十个，用二进制表示，最少需要五个输出变量。 仿真无误后新建仿真波形，仿真波形如下： 对三十秒计时器进行封装。 设计三十五秒计时器，VHDL程序如下： 程序结构大致与五秒计时器、三十秒计时器相似，并且用二进制表示，需要输出六个变量。
课程论文 论文题目基于DE2的交通灯设计完成时间 课程名称Verilog语言设计 任课老师 专业 年级
1.交通信号控制器设计要求与思路 1.1设计背景 FPGA是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路,其种类很多,内部结构也不同,但共同的特点是体积小、使用方便。本文介绍了用VerilogHDL语言设计交通灯控制器的方法,并在QuartusII系统对FPGA芯片进行编译下载,由于生成的是集成化的数字电路,没有传统设计中的接线问题,所以故障率低、可靠性高,而且体积非常小。本文通过EDA设计，利用VerilogHDL语言模拟仿真交通灯控制电路。 1.2设计要求 根据交通灯控制器要实现的功能，考虑用两个并行执行的always语句来分别控制A方向和B方向的3盏灯。这两个always语句使用同一个时钟信号，以进行同步，也就是说，两个进程的敏感信号是同一个。每个always语句控制一个方向的3种灯按如下顺序点亮，并往复循环：绿灯----黄灯----红灯，每种灯亮的时间采用一个减法计数器进行计数，计数器用同步预置数法设计，这样只需改变预置数据，就能改变计数器的模，因此每个方向只要一个计数器进行预置数就可以。为便于显示灯亮的时间，计数器的输出均采用BCD码，显示由4个数码管来完成，A方向和B方向各用两个数码管。设定A方向红灯、黄灯、绿灯亮的时间分别为:35s、5s、35s，B方向的红灯、黄灯、绿灯亮的时间分别为:35s、5s、35s。假如要改变这些时间，只需要改变计数器的预置数即可。 1.3设计思路 两个方向各种灯亮的时间能够进行设置和修改，此外，假设B方向是主干道，车流量大，因此B方向通行的时间应该比A方向长。交通灯控制器的状态转换表见下表。表中，1表示灯亮，0表示灯不亮。A方向和B方向的红黄绿分别用R1、Y1、G1、R2、Y2、G2来表示。
Verilog三段式状态机(FSM) 网上收集整理…… 时序电路的状态是一个状态变量集合，这些状态变量在任意时刻的值都包含了为确定电路的未来行为而必需考虑的所有历史信息。 状态机采用VerilogHDL语言编码，建议分为三个always段完成。这是为什么呢？ 设计FSM的方法和技巧多种多样，但是总结起来有两大类：第一种，将状态转移和状态的操作和判断等写到一个模块（process、block）中。另一种是将状态转移单独写成一个模块，将状态的操作和判断等写到另一个模块中（在Verilog代码中，相当于使用两个“always”block）。其中较好的方式是后者。其原因如下。 首先FSM和其他设计一样，最好使用同步时序方式设计，好处不再累述。而状态机实现后，状态转移是用寄存器实现的，是同步时序部分。状态的转移条件的判断是通过组合逻辑判断实现的，之所以第二种比第一种编码方式合理，就在于第二种编码将同步时序和组合逻辑分别放到不同的程序块（process，block）中实现。这样做的好处不仅仅是便于阅读、理解、维护，更重要的是利于综合器优化代码，利于用户添加合适的时序约束条件，利于布局布线器实现设计。 三段式建模描述FSM的状态机输出时，只需指定case敏感表为次态寄存器，然后直接在每个次态的case分支中描述该状态的输出即可，不用考虑状态转移条件。 三段式描述方法虽然代码结构复杂了一些，但是换来的优势是使FSM做到了同步寄存器输出，消除了组合逻辑输出的不稳定与毛刺的隐患，而且更利于时序路径分组，一般来说在FPGA/CPLD等可编程逻辑器件上的综合与布局布线效果更佳。 示例如下： //第一个进程，同步时序always模块，格式化描述次态寄存器迁移到现态寄存器 always @ (posedge clk or negedge rst_n) //异步复位 if(!rst_n) current_state <= IDLE; else current_state <= next_state;//注意，使用的是非阻塞赋值 //第二个进程，组合逻辑always模块，描述状态转移条件判断 always @ (current_state) //电平触发 begin next_state = x; //要初始化，使得系统复位后能进入正确的状态 case(current_state) S1: if(...) next_state = S2; //阻塞赋值 ... endcase end
Verilog HDL代码描述对状态机综合的研究 1 引言 Verilog HDL作为当今国际主流的HDL语言,在芯片的前端设计中有着广泛的应用。它的语法丰富,成功地应用于设计的各个阶段：建模、仿真、验证和综合等。可综合是指综合工具能将Verilog HDL代码转换成标准的门级结构网表,因此代码的描述必须符合一定的规则。大部分数字系统都可以分为控制单元和数据单元两个部分,控制单元的主体是一个状态机,它接收外部信号以及数据单元产生的状态信息,产生控制信号,因而状态机性能的好坏对系统性能有很大的影响。 有许多可综合状态机的Verilog代码描述风格,不同代码描述风格经综合后得到电路的物理实现在速度和面积上有很大差别。优秀的代码描述应当易于修改、易于编写和理解,有助于仿真和调试,并能生成高效的综合结果。 2 有限状态机 有限状态机(Finite State Machine,FSM)在数字系统设计中应用十分广泛。根据状态机的输出是否与输入有关,可将状态机分为两大类：摩尔(Moore)型状态机和米莉(Mealy)型状态机。Moore型状态机的输出仅与现态有关;Mealy型状态机的输出不仅与现态有关,而且和输入也有关。图1是有限状态机的一般结构图,它主要包括三个部分,其中组合逻辑部分包括状态译码器和输出译码器,状态译码器确定状态机的下一个状态,输出译码器确定状态机的输出,状态寄存器属于时序逻辑部分,用来存储状态机的内部状态。 图1 状态机的结构框图 2.1 好的状态机标准 好的状态机的标准很多,最重要的几个方面如下： 第一,状态机要安全,是指FSM不会进入死循环,特别是不会进入非预知的状态,而且由于某些扰动进入非设计状态,也能很快的恢复到正常的状态循环中来。这里面有两层含义。其一要求该FSM的综合实现结果无毛刺等异常扰动,其二要求FSM要完备,即使受到异常扰动进入非设计状态,也能很快恢复到正常状态。 第二,状态机的设计要满足设计的面积和速度的要求。 第三,状态机的设计要清晰易懂、易维护。 需要说明的是,以上各项标准,不是割裂的,它们有着直接紧密的内在联系。在芯片设计中,对综合结果评判的两个基本标准为：面积和速度。“面积”是指设计所占用的逻辑资源数量;“速度”指设计在芯片上稳定运行所能够达到的最高频率。两者是对立统一的矛盾体,要求一个设计同时具备设计面积最小,运行频率最高,这是不现实的。科学的设计目标应该是：在满足设计时序要求(包含对设计最高频率的要求)的前提下,占用最小
. 基于Verilog语言交通灯设计报告 院系：工学院自动化系 年级：14级 班级：10班 姓名：周博 学号：14032291
这学期我学习了EDA技术及其创新实践这门课程，通过自己学习的内容和自己查找的一些资料用Verilog语言编写交通灯的程序，并且完成了仿真。Verilog HDL是工业和学术界的硬件设计者所使用的两种主要的HDL之一，另一种是VHDL。现在它们都已成为IEEE标准。两者各有特点，但Verilog HDL拥有更悠久的历史、更广泛的设计群体,资源也远比VHDL丰富,且非常容易学习掌握。一、设计背景和意义 交通灯控制系统主要是实现城市十字交叉路口红绿灯的控制。在现代化的大城市中，十字交叉路口越来越多，在每个交叉路口都需要使用红绿灯进行交通指挥和管理，红、黄、绿灯的转换要有一个准确的时间间隔和转换顺序，这就需要有一个安全、自动的系统对红、黄、绿灯的转换进行管理，本系统就是基于此目的而开发的。 二、设计任务 （1）设计一个交通红绿灯。要求分主干道和支干道，每条道上安装红（主：red1,支：red2）绿（主：green1，支：green2）黄（主：yellow1，支：yellow2）三种颜色灯，由四种状态自动循环构成; （2）在交通灯处在不同的状态时，设计一个计时器以倒计时方式显示计时，主干道上绿灯亮30S，支干道上绿灯亮20S。每个干道上，在绿灯转为红灯时，要
求黄灯先亮5S。 在完成基本要求的基础上，可进一步增加功能、提高性能，如绿灯亮的时间可调。 三、设计方案 1.工作原理： 城市十字交叉路口红绿灯控制系统主要负责控制主干道走向和从干道走向的红绿灯的状态和转换顺序，关键是各个状态之间的转换和进行适当的时间延时，正是基于以上考虑，采用如下设计： S0:当主干道走向的绿灯亮时，从干道走向的红灯亮，并保持30s S1:当主干道走向的黄灯亮时，从干道走向的黄灯亮，并保持5s S2:当主干道走向的红灯亮时，从干道走向的绿灯亮，并保持20s S3:当主干道走向的黄灯亮时，从干道走向的黄灯亮，并保持5s 在S3结束后又回到（1）状态，并周期重复进行。 状态图如下： 30秒 5秒5秒
有限状态机实验报告 一、实验目的 ●进一步学习时序逻辑电路 ●了解有限状态机的工作原理 ●学会使用“三段式”有限状态机设计电路 ●掌握按键去抖动、信号取边沿等处理技巧 二、实验内容 用三段式有限状态机实现序列检测功能电路 a)按从高位到低位逐位串行输入一个序列，输入用拨动开关实现。 b)每当检测到序列“1101”（不重叠）时，LED指示灯亮，否则灭，例如 i.输入：1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 ii.输出：0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 c)用八段数码管显示最后输入的四个数，每输入一个数，数码管变化一次 d)按键按下的瞬间将拨动开关状态锁存 i.注意防抖动（按键按下瞬间可能会有多次的电平跳变） 三、实验结果 1.Rst_n为0时数码管显示0000，led灯不亮，rst_n拨为1，可以开始输入，将输 入的开关拨到1，按下按钮，数码管示数变为0001，之后一次类推分别输入1， 0,1，按下按钮后，数码管为1101，LED灯亮，再输入1，LED灯灭，之后再输 入0，1（即共输入1101101使1101重叠，第二次LED灯不亮），之后单独输入
1101，LED灯亮 2.仿真图像 刚启动时使用rst_n 一段时间后 其中Y代表输出，即控制led灯的信号，sel表示数码管的选择信号，seg表示数码管信号 四、实验分析 1、实验基本结构
其中状态机部分使用三段式结构： 2、整体结构为：
建立一下模块： Anti_dither.v 输入按键信号和时钟信号，输出去除抖动的按键信号生成的脉冲信号op 这一模块实现思路是利用按钮按下时会持续10ms以上而上下抖动时接触时间不超过10ms来给向下接触的时间计时，达到上限时间才产生输出。 Num.v 输入op和序列输入信号A,时钟信号clk和复位信号，复位信号将num置零，否则若收到脉冲信号则将num左移一位并将输入存进最后一位。输出的num即为即将在数码管上显示的值 Scan.v 输入时钟信号，对其降频以产生1ms一次的扫描信号。 Trigger.v 这一模块即为状态机模块，按三段式书写。 整个模块的输入为时钟信号，脉冲信号，序列输入变量，复位信号，输出LED灯控制信号Y。 第一段是状态转换模块，为时序逻辑电路，功能是描述次态寄存器迁移到现态寄存器。即如果收到复位信号将现态置零，否则将上次得到的next_state赋给current_state。
电子科技大学 实 验 报 告 一、实验室名称：虚拟仪器实验室 二、实验项目名称：交通灯设计实验 三、实验学时：4学时 四、实验原理
假设交通灯处于南北和东西两条大街的“十”字路口，如图1所示。用FPGA 开发板的LED 灯来模拟红、黄、绿3种颜色信号，并按一定顺序、时延来点亮LED ，如图2所示。图3给出了交通灯的状态转移图。设计使用频率为1Hz 的时钟来驱动电路（注1：仿真时采用1MHz 的时钟来驱动电路），则停留1个时钟可得到1S 的延时，类似停留3个时钟可得到3S 的延时，停留15个时钟可得到15S 的延时（注2：开发板工作时钟为50MHz ）。 北 南 西东 图1. 六个彩色LED 可以表示一组交通信号灯 图2. 交通灯状态 南北 东西 红 黄 绿 红 黄 绿 S0 1 0 0 0 0 1 S1 1 0 0 0 1 0 S2 1 0 0 1 0 0 S3 0 0 1 1 0 0 S4 0 1 0 1 0 0 S5 1 0 0 1 0 0
图3. 交通灯的状态转移图 顶层模块 时钟分频模块状态机跳转模块 图4. 交通灯的原理框图 五、实验目的 本实验是有限状态机的典型综合实验，掌握如何使用状态转移图来定义Mealy状态机和Moore状态机，熟悉利用HDL代码输入方式进行电路的设计和仿真的流程，掌握Verilog语言的基本语法。并通过一个交通灯的设计掌握利用EDA软件（Xilinx ISE 13.2）进行HDL代码输入方式的电子线路设计与仿真的详细流程。。 六、实验内容 在Xilinx ISE 13.2上完成交通灯设计，输入设计文件，生成二进制码流文件下载到FPGA开发板上进行验证。 七、实验器材（设备、元器件）
EDA实验报告 一、课程设计题目及要求 题目: 十字路口交通灯 具体要求: 设计一个十字路口得交通灯控制器,能显示十字路口东西、南北两个方向红、黄、绿灯得指示状态。用两组红、黄、绿三种颜色得灯分别作为东西、南北两个方向红、黄、绿等。变化规律为:东西绿灯亮,南北红灯亮——东西黄灯亮,南北红灯亮——东西红灯亮,南北绿灯亮——东西红灯亮,南北黄灯亮——东西绿灯亮,南北红灯亮······,这样循环下去。南北方向每次通行时间为45秒,东西方向每次通行时间为45秒,要求两条交叉道路上得车辆交替运行,时间可设置修改。绿灯转为红灯时,要求黄灯先亮5秒钟,才能变换运行车道。并要求所有交通灯得状态变化在时钟脉冲上升沿处。 二、实验编程环境 QuartusII 8、0 三、课程设计得详细设计方案 (一)、总体设计方案得描述 1、1、根据交通灯系统设计要求,可以用一个有限状态机来实现这个交通灯控制器。首先根据功能要求,明确两组交通灯得状态,这两组交通灯总共共有四种状态,我们用ST0,ST1,ST2,ST3 来表示: St0表示东西路绿灯亮,南北路红灯亮; St1表示东西路黄灯亮,南北路红灯亮; St2表示东西路红灯亮,南北路绿灯亮; St3表示东西路红灯亮,南北路黄灯亮; 1、2、根据上述四种状态描述列出得状态转换表 1、3、根据状态转换表得到交通灯控制器得状态转移图如图所示。
交通灯控制器得状态转移图 (二)各个模块设计 2、1、控制器模块 控制器模块示意图 其中,clk 为时钟信号,时钟上升沿有效。hold 为紧急制动信号,低电平有效。ared,agreen,ayellow 分别表示东西方向得红灯,黄灯,绿灯显示信号,高电平有效。 bred,bgreen,byellow 分别表示南北方向得红灯,黄灯,绿灯显示信号,高电平有效。 用于控制红绿黄灯得亮暗情况。 2、2、45秒倒计时计数器模块 45秒倒计时计数器模块示意图 其中,CLK 为时钟信号,时钟上升沿有效。EN 为使能端,高电平有效。CR 为紧急制动信号低电平有效。QL{3、、0}就是计数低位。QH{3、、0}就是计数高位。 用于45秒得倒计时计数。 2、3、7位译码器模块 7位译码器模块示意图 其中dat{3、、0}为要译码得信号。a,b,c,d,e,f,g 为译码后得信号。 用于将45秒倒计时计数得信号译码成数码管可以识别得信号。 2、4、50MHZ 分频器模块 50MHZ 分频器模块示意图 其中clk 为50MHZ 时钟信号,时钟上升沿有效。输出clk_out 为1HZ 时钟信号,时钟上升CLK EN CR QL[3、、0] QH[3、、0] OC m45 inst2
课程设计 课程名称__EDA技术综合设计与实践__ 题目名称交通灯控制系统 学生学院信息工程学院 专业班级通信工程08（4） 学号 3108002925 学生姓名高高 指导教师李学易 2011 年12 月26 日
基于FPGA 的交通灯控制器的设计 摘要：Verilog 是广泛应用的硬件描述语言，可以用在硬件设计流程的建模、综合和模拟等多个阶段。随着硬件设计规模的不断扩大，应用硬件描述语言进行描述的CPLD 结构，成为设计专用集成电路和其他集成电路的主流。现代城市在日常运行控制中，越来越多的使用红绿灯对交通进行指挥和管理。而一套完整的交通灯控制系统通常要实现自动控制和手动控制去实现其红绿灯的转换。 基于FPGA 设计的交通灯控制系统电路简单、可靠性好。本设计利用Verilog HDL 语言、采用层次化混合输入方式,可控制4个路口的红、黄、绿、左转四盏信号灯,让其按特定的规律进行变化。在QUARTUSⅡ下对系统进行了综合与仿真。仿真结果表明系统可实现十字路口红绿灯及左转弯控制和倒计时显示，并能够自动控制交通灯转变。通过应用Verilog HDL 对交通灯控制器的设计，达到对Verilog HDL 的理解 关键词：FPGA；交通灯自动控制；V erilog HDL；Quartus Ⅱ 1.交通信号控制器设计要求与思路 1.1设计要求 在交通灯系统中（图1）,路口1、2、3、4均需要红、黄、绿、左转四盏灯(用RYGL分别表示) ,并且每个路口都需要一个倒数的计时器,假设绿灯每次维持的时间是40 s ,黄灯为5 s ,左转灯10s，红灯60s，黄灯亮时以一定的频率闪动。交通灯系统大多是自动控制来指挥交通的,但有时需要由交警手动控制红绿灯,所以要求设 计的该交通信号系统需要具有该功能。 实现设计目标如下： （1）设计一个十字路口的交通灯控制电路，每条路配有红、黄、绿交通信号灯，通过电路对十字路口的两组交通灯的状态实现自动循环控制； （2）实现东西车道和南北车道上的车辆交替运行，绿灯每次维持的时间是40 s ,黄灯为5 s ,左转灯10s，红灯60s； （3）要求黄灯亮5 秒后，红灯才能转为绿灯，黄灯亮时以一定的频率闪动； （4）东西车道和南北车道每次通行的时间不同且可调； 图1 交通灯系统示意图
一、设计任务 设计一个十字路口的红、绿、黄三色信号交通灯控制电路，具体要求如下：1）用红、绿、黄三色发光二极管作信号灯。主干道为东西向，有红、绿、黄三个灯；另一支干道为南北向，也有红、绿、黄三个灯。红灯亮禁止通行；绿灯亮允许通行；黄灯亮则给行驶中的车辆有时间停靠到禁行线之外。 2）东西和南北每次绿灯放行26s，红灯禁止30s。在每次由亮绿灯变成亮红灯的转换过程中间，需要亮5s的黄灯作为过渡，以使行驶中的车辆有时间停靠到禁行线以外。 3）能实现正常的、即时显示功能，用实验箱上的4个七段数码管作为到计时显示器，分别显示东西、南北方向的红灯、绿灯、黄灯时间。 二、设计原理 首先要对时钟进行分频。由于系统时钟频率比较大，因此首先分频产生时钟，用于下面的电路的控制；然后是各种颜色之间的转换，在此在添加一个使能端en，当使能端en为1的时候，就开始进行状态循环以及倒计时，然后en就立即变为0；在状态机中一共有四个状态，如下图所示： 然后，我们这里用了BCD码表示倒计时时间。灯亮或闪烁时间（绿、黄、红分别为26s、130s、5s）用BCD码表示（分别为26h、30h、5h）,倒计时的时候个位和十位分别是BCD码的高四位和低四位，首先是低四位倒数，当倒数到0时，给它重新赋值为9，且高四位减1，如此循环，直到这个数减到0，此时表示某一个灯亮的时间到，接着进行下一个状态，为了能使进入下一个状态，必须在时间减到0的时候，给使能端en 赋值1；由于用的BCD码，高四位和低四位就分别是我们要在译码模块的要用数码管显示的十位和个位。用数据选择器来控制东西、南北的灯亮。 三、程序流程图
1．1分频器的设计流程图 1.2 5进制的设计流程图
目录 第一章设计原理 (1) 1.1设计要求 (1) 1.2设计思路和原理 (1) 1.3实现方法 (1) 第二章Verilog 程序设计 (2) 2.1整体设计 (2) 2.2 具体设计 (3) 第三章仿真 (7) 3.1 波形仿真 (7) 第四章设计总结 (9) 4.1 总结 (9) 4.2参考资料 (9) 程序清单 (10)
交通灯控制器设计 第一章 设计原理 1.1设计要求 设计一个交通控制器，用LED 显示灯表示交通状态，并以7段数码显示器显示当前状态剩余秒数 主干道绿灯亮时，支干道红灯亮；反之亦然，二者交替允许通行，主干道每次放行35s ，支干道每次放行25s 。每次由绿灯变为红灯的过程中，亮光的黄灯作为过渡，黄灯的时间为5s 。能进行特殊状态显示，特殊状态时东西、南北路口均显示红灯状态。用LED 灯显示倒计时，并且能实现总体清零功能，计数器由初始状态开始计数，对应状态的显示灯亮。 1.2设计思路和原理 本次设计是针对十字路口，进行南北和东西直行情况下交通灯控制。设定东西方向为主干道方向，根据交通灯的亮的规则，在初始状态下四个方向的都为红灯亮启，进入正常工作状态后，当主干道上绿灯亮时，支干道上红灯亮，持续35S 后，主干道和支干道上的黄灯都亮启，持续5S 后，主干道上红灯亮启，支干道上绿灯亮启持续25S ，之后主干道和支干道上的黄灯都亮启5s ，一个循环完成。循环往复的直行这个过程。其过程如下图所示： 0s 30s 25s 主干道方向 支干道方向 图1.交通灯点亮时间控制说明 1.3实现方法 本次采用文本编辑法，即利用Verilog 语言描述交通控制器，通过状态机计数法，实现设计所要求的交通灯控制及时间显示。设计中用两组红黄绿LED 模拟两个方向上的交通灯，用4个7段数码管分别显示两个方向上的交通灯剩余时间，控制时钟由试验箱上频率信号提供。
Verilog状态机的写法－转 1 引言 Verilog HDL作为当今国际主流的HDL语言,在芯片的前端设计中有着广泛的应用。它的语法丰富，成功地应用于设计的各个阶段：建模、仿真、验证和综合等。可综合是指综合工具能将Verilog HDL代码转换成标准的门级结构网表，因此代码的描述必须符合一定的规则。大部分数字系统都可以分为控制单元和数据单元两个部分，控制单元的主体是一个状态机，它接收外部信号以及数据单元产生的状态信息，产生控制信号，因而状态机性能的好坏对系统性能有很大的影响。 有许多可综合状态机的Verilog代码描述风格，不同代码描述风格经综合后得到电路的物理实现在速度和面积上有很大差别。优秀的代码描述应当易于修改、易于编写和理解，有助于仿真和调试，并能生成高效的综合结果。 2 有限状态机 有限状态机(Finite State Machine,FSM)在数字系统设计中应用十分广泛。根据状态机的输出是否与输入有关，可将状态机分为两大类：摩尔(Moore)型状态机和米莉 (Mealy)型状态机。Moore型状态机的输出仅与现态有关；Mealy型状态机的输出不仅与现态有关，而且和输入也有关。图1是有限状态机的一般结构图，它主要包括三个部分，其中组合逻辑部分包括状态译码器和输出译码器，状态译码器确定状态机的下一个状态，输出译码器确定状态机的输出，状态寄存器属于时序逻辑部分，用来存储状态机的内部状态。 图1 状态机的结构框图 2.1 好的状态机标准 好的状态机的标准很多，最重要的几个方面如下： 第一，状态机要安全，是指FSM不会进入死循环，特别是不会进入非预知的状态，而且由于某些扰动进入非设计状态，也能很快的恢复到正常的状态循环中来。这里面有两层含义。其一要求该FSM的综合实现结果无毛刺等异常扰动，其
时序状态机的设计入门与提高 计算机及具有存储器或按照所存储信息执行一系列操作的其他数字系统统称为“时序状态机”，其电路可以通过时序逻辑进行建模。时序状态机的性能与组合逻辑不同，因为时序状态机的输出不仅仅取决于当前的输入值，而且取决于历史的输入值。时序状态机被广泛应用于需要指定顺序操作的应用中。所有的时序状态机都具有如图的通用反馈结构，在这种结构中时序状态机的下一状态是由当前状态和当前输入一起形成的： 时序状态机可以按是否受一个公共的时钟控制（钟控）分为同步状态机和异步状态机；根据状态数目是否有限分为有限状态机和无限状态机。此处只讨论有限状态机。 有限状态机的（FSM）分类 有限状态机有米利（Mealy）机和摩尔（Moore）机： 米利（Mealy）机： 米利（Mealy）机的下一状态和输出都取决于当前状态和当前输入。 摩尔（Moore）机： 摩尔（Moore）机的下一状态取决于当前状态和当前输入，而输出仅仅取决于当前状态。 有限状态机常用的描述、开发方法 有限状态机可以借助时序图、状态表、状态图以及ASM图进行系统的描述与设计。
?时序图可以用于说明系统中及系统与周围环境的接口中信号的有效输入与状态转移之间的关系。 ?状态表与状态转移表以表格的形式表示在当前状态和输入的各种组合下状态机的下一状态和输出 ?状态转移图（STG）是一种有向图，图中带有标记的节点或顶点与时序状态机的状态一一对应。当系统处于弧线起点的状态时，用有向边或弧线表示在输入信号的作用下可能发生的状态转移。米利机STG的顶点用状态进行标记，状态转移图的有向边有下面两种标记方法： （1）用能够导致状态向指定的下一状态转移的输入信号来标记 （2）在当前状态下，用输入信号的输出来进行标记 摩尔机的状态转移图与米利机相类似，但它的输出是由各状态的顶点来表示的，而不是在弧线上表示 ?算法状态机（ASM）图是时序状态机功能的一种抽象，是模拟其行为特性的关键工具。 它类似于软件流程图，但显示的是计算流程图（如寄存器操作）的时间顺序，以及在状态机输入影响下发生的时序步骤。ASM图描述的是状态机的行为动作，而不是存储元件所存储的内容。有时候用机器工作期间的行为动作来描述状态机的状态，比起用状态机产生的数据进行描述更为方便也更为重要 ?ASMD图是ASM图的扩展。状态机的一个重要应用就是控制时序状态机数据通道上的寄存器操作，而该时序状态机已被分为控制器和数据通道。控制器可以用ASM图来描述，我们修改ASM图的目的是把它连接到状态机所控制的数据通道上。当控制器的状态沿着通道发生转移时，通过标注每个数据通道来指出那些在相关数据通道单元中所发生的寄存器操作以这种方式连接到数据通道的ASM图被称为算法状态机和数据通道（ASMD）图。在把时序状态机数据通道的设计从控制器的设计中分离出来，并在两个单元之间保持清晰联系的情况下，ASMD图有助于阐明这样的时序状态机设计方法。与状态转移并行发生的寄存器操作是在图的通道上标注的，而不是在通道上的条件框或状态框中标注的，因为这些寄存器并不是控制器的一部分。由控制器产生的输出是那些控制数据通道寄存器的信号，以及引发ASM图上标注的寄存器操作的信号。 基于状态转移图（STG）的设计 对于一个同步时序状态机的给定的STG，设计的任务就是确定下一状态和输出逻辑。如果用一个二进制码来表示时序状态机的状态，那么其值可以存储在触发器中。在时钟的各个有效沿处，状态保持触发器的输入变成下一个时钟周期的状态。同步时序状态机的设计就是要根据机器的状态和外部输入来确定能形成触发器输入的逻辑，该逻辑为组合逻辑，并且应该是最简逻辑。对于有效地STG而言，其每个顶点必须表示一个唯一的状态；每个弧线则表示在指定输入信号的作用下，从给定状态到下一状态的转移，并且从一个节点出发的各弧线必须对应一个唯一的输入。通常，与从一个节点出发的一组弧线有关的布尔条件必须满足和为1（即状态转移图必须考虑到从一个节点出发的所有的可能的状态转移），并且在给定状态下与输入变量判定有关的每个分支条件必须对应于一条唯一的弧线（即时序状态机仅可以由一个节点经过一条弧线转移到下一状态）。根据时钟到来之前的状态值和当前输入值，由同步时序状态机的STG所表示的状态转移将在时钟信号的有效沿处发生。 基于状态转移图（STG）的有限状态机的系统设计方法通常包括以下几个步骤： （1）构建状态机的STG （2）消去等价状态