交通灯控制器设计答案

交通灯控制器
随着各种交通工具的发展和交通指挥的需要，交通灯的诞生大大改善了城市交通状
况。本题将设计一个交通控制器，控制十字路口主、支两条道路的红、绿、黄三色灯，
指挥车辆和行人安全通行。
一、 系统设计要求
设计一个十字路口的交通灯控制器，能显示十字路口东西、南北两个方向的红、黄、
绿灯的指示状态。用两组红、黄、绿三种颜色的灯分别作为东西、南北两个方向的红、
黄、绿灯。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……，这样依
次循环。
南北方向是主干道车道，东西方向是支干道车道，要求两条交叉道路上的车辆交替
运行，主干道每次通行时间都设为30秒，支干道每次通行时间为20秒，时间可设置修
改。
在绿灯转为红灯时，要求黄灯先亮5秒钟，才能变换运行车道。
要求交通灯控制器有复位功能，在复位信号使能的情况下能够实现交通灯的自动复
位，并且要求所有交通灯的状态变化，包括复位信号引起的均发生在时钟脉冲的上升沿
处。

主路

主路
支路支路

二、 系统设计方案
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，明确两组交通灯的状态，这两组交通灯总共有四种状态，我们用st0，
st1，st2，st3来表示：
st0表示主路绿灯亮、支路红灯亮；
st1表示主路黄灯亮、支路红灯亮；
st2表示主路红灯亮、支路绿灯亮；
st3表示主路红灯亮、支路黄灯亮；

根据上述四种状态描述列出的状态转换表如下：
当前状态 下一状态 转换条件
st0 st1 主路绿灯亮了25秒
st1 st2 主路黄灯亮了5秒
st2 st3 支路绿灯亮了15秒
st3 st0 支路黄灯亮了5秒
st0 or st1 or st2 or st3 st0 复位信号使能
三、 VHDL编程
交通灯控制器系统的VHDL有限状态机实现如下：
Library IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

ENTITY traffic_ctrl IS
GENERIC ( green1_cnt: INTEGER:=25; --定义主通道绿灯亮的时间
yellow1_cnt: INTEGER:= 5; --定义主通道黄灯亮的时间
green2_cnt: INTEGER:=15; --定义支路绿灯亮的时间
yellow2_cnt: INTEGER:= 5); --定义支路黄灯亮的时间);
PORT ( clk : IN STD_LOGIC;
reset : IN STD_LOGIC;
lgt1_red: OUT STD_LOGIC; --主通道红、黄、绿灯控制信号
lgt1_yellow: OUT STD_LOGIC;
lgt1_green: OUT STD_LOGIC;
lgt2_red: OUT STD_LOGIC; --支路红、黄、绿灯控制信号
lgt2_yellow: OUT STD_LOGIC;
lgt2_green: OUT STD_LOGIC);
END ENTITY traffic_ctrl;

ARCHITECTURE rtl OF traffic_ctrl IS
TYPE STATES IS --定义枚举类型，描述状态机各状态
(st0, st1, st2, st3);
SIGNAL state: STATES:=st0; --初始化状态
SIGNAL cnt: integer range 0 to 30 :=1; --定义计数器
SIGNAL cnt_enb: std_logic :='0'; --初始化计数器使能信号
BEGIN
PROCESS (RESET, CLK) --当敏感信号RESET和CLK发生变化时，启动进程
BEGIN
IF RESET='1' THEN --如果清零信号为有效
state<=st0;
cnt<=1;
ELSIF (rising_edge(clk)) then
IF (cnt_enb='1') THEN --计数器计数
cnt<=cnt+1;
ELSE
cnt<=1;
end if;
CASE state IS
WHEN st0=> --主通道绿灯亮了一段时间时转换状态st1
IF (cnt=green1_cnt) THEN
state<=st1;
cnt<=1;
ELSE state<=st0;
END IF;
WHEN st1=> --主通道黄灯亮了一段时间时转换状态st2
IF (cnt=yellow1_cnt) THEN
state<=st2;
cnt<=1;
ELSE state<=st1;
END IF;
WHEN st2=> --支路绿灯亮了一段时间时转换状态st3
IF (cnt=green2_cnt) THEN
state<=st3;
cnt<=1;
ELSE state<=st2;
END IF;
WHEN st3=> --支路黄灯亮了一段时间时转换状态st0
IF (cnt=yellow2_cnt) THEN
state<=st0;
cnt<=1;
ELSE state<=st3;
END IF;
END CASE;
END IF;
END PROCESS;

PROCESS (state)
BEGIN
CASE state IS
WHEN st0=> --st0表示主路绿灯亮、支路红灯亮
lgt1_red<='0';
lgt1_yellow<='0';
lgt1_green<='1';
lgt2_red<='1';
lgt2_yellow<='0';
lgt2_green<='0';
cnt_enb<='1';
IF(cnt=green1_cnt) then cnt_enb<='0';
END if;
WHEN st1=> --st1表示主路黄灯亮、支路红灯亮
lgt1_red<='0';
lgt1_yellow<='1';
lgt1_green<='0';
lgt2_red<='1';
lgt2_yellow<='0';
lgt2_green<='0';
cnt_enb<='1';
IF(cnt=yellow1_cnt) then cnt_enb<='0';
END if;
WHEN st2=> --st2示主路红灯亮、支路绿灯?lgt1_red<=’1’;
lgt1_yellow<='0';
lgt1_green<='0';
lgt2_red<='0';
lgt2_yellow<='0';
lgt2_green<='1';
cnt_enb<='1';
IF(cnt=green2_cnt) then cnt_enb<='0';
END if;
WHEN st3=> --st3表示主路红灯亮、支路黄灯亮
lgt1_red<='1';
lgt1_yellow<='0';
lgt1_green<='0';
lgt2_red<='0';
lgt2_yellow<='1';
lgt2_green<='0';
cnt_enb<='1';
IF(cnt=yellow2_cnt) then cnt_enb<='0';
END if;
END CASE;
END PROCESS;
END rtl;