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交通信号灯控制系统的Verilog实现
作为数字系统设计入门案例，下面简单介绍最简单的交通控制系统，说明设计思路。
首先给出要求：设计一个主干道和支干道十字路口的交通信号灯控制电路
（1）一般情况下保持主干道通畅，主干道绿灯亮、支干道红灯亮，并且主干道绿灯亮时间不少于60秒。
（2）主干道绿灯亮超过60秒，且支干道有车时，主干道红灯亮，支干道绿灯亮，但支干道亮灯时间不超过30秒。
（3）每次主干道或支干道绿灯变红灯时，黄灯先亮5秒。
1.逻辑抽象，明确输入输出。
主干道和支干道的十字路口交通灯系统求优先保证主干道的畅通。平时处于主干道绿灯、支干道红灯的状态。当支干道有车时，传感器发出信号S=1，主干道绿灯先转换成黄灯、再变成红灯，支干道由红灯变成绿灯。如果支干道继续有车通过时，则传感器继续有信号，使支干道保持绿灯亮，但支干道绿灯持续亮的时间不得超过30s，否则支干道绿灯先转换成黄灯再变成红灯，同时主干道由红灯变成绿灯。主干道每次通行时间不得短于60s，在此期间，即使支干道S有信号，也不能中止主干道的绿灯亮。
输入信号有时钟、复位、传感器信号；输出有主干道红黄绿灯和支干道红黄绿灯。
2.确定系统框图
首先用状态机作为主控制，状态机转换条件根据计时器信息判断转换条件，译码电路中根据所在状态输出对应干道信号灯状态。
控制单元根据时钟和传感信号向计数器发出信号，计时器向控制单元发出60s（t1）、30s(t2)、5s(t3)计时信号。主干道红黄绿用h_r,h_y,h_g表示，支干道红黄绿用f_r,f_y,f_g表示。
因此，用计时分别产生三个持续的时间段后，向控制单元发出时间已到信号，控制单元根据计时器及传感器的信号，决定是否进行状态转换。如果肯定，则控制单元发出状态转换信号St，计时器开始清零，准备重新计时。
交通灯控制单元的控制过程分为四个阶段，对应的输出有四种状态，分别用S0、S1、S2和S3表示:
S0状态 主干道绿灯亮支干道红灯亮，此时若支干道有车等待通过，而且主干道绿灯已亮足规定的时间t1，控制器发出状态转换信号St，输出从状态S0转换到S1 （转换条件：绿灯亮够60s且检测到支干道有车即 t1&&s=1）
S1状态 主干道黄灯亮，支干道红灯亮，进人此状态，黄灯亮足规定的时间t3时，控制器发出状态转换信号St，输出从状态S1转换到S2。 （转换条件：黄灯亮够5s就转换状态即 t3=1）
S2状态 支干道绿灯亮，主干道红灯亮，若此时支干道继续有车，则继续保持此状态，但支干道绿灯亮的时间不得超过t2，否则控制单元发出状态转换信号St，使输出转换到S3状态。若此时支干道没有车，则控制单元立即发出状态转换信号St，使输出转换到S3状态。
（转换条件：支干道绿灯亮够30s或者检测到支干道没车即 t2+（~s）=1）
S3状态 支干道黄灯亮，主干道红灯亮，此时状态与S1状态持续的时间相同均为t3，时间到时，控制器发出St信号，输出从状态S3回到S0状态。对上述S0、S1、S2和S3四种状态按照格雷码进行编码分别为00，01，11和10。
/控制状态机/
always@(posedge clk or negedge rst)
begin
if(!rst)
current_state<=2’d0;
else
current_state<=next_state;
end
always@(s,current_state,t1,t2,t3)
begin
case(current_state)
s0: begin
next_state=(t1&&s)?s1:s0;
ST=(t1&&s)?1'b1:1'b0;
end
s1: begin
next_state=(t3)?s2:s1;
ST=(t3)?1'b1:1'b0;
end
s2: begin
next_state=(t2||~s)?s3:s2;
ST=(t2||~s)?1'b1:1'b0;
end
s3: begin
next_state=(t3)?s0:s3;
ST=(t3)?1'b1:1'b0;
end
endcase
end
计时部分采用2个寄存器代表十位（t_h）和个位（t_l）计数，同时每次检测到转换信号都要清零重新计时
always@(posedge clk or negedge rst) //计时模块
begin
if(!rst)
{
t_h,t_l}<=8'd0; else if(ST) //控制信号有效说明灯的颜色改变重新计数 {t_h,t_l}<=8'd0;
else if((t_h==4'd5)&(t_l==4'd9)) //判断是否计数到60
begin
{
t_h,t_l}<={
t_h,t_l};
end
else if(t_l==4'd9) //判断个位是否计数满，是则十位加一 begin t_h<=t_h+1'b1;
t_l<=4'd0; end else begin t_h<=t_h; t_l<=t_l+1'b1;
end
end
assign t3=(t_h==4'd0)&(t_l==4'd4); //主干道绿灯计数时间
assign t2=(t_h==4'd2)&(t_l==4'd9); // 支干道绿灯计数时间
assign t1=(t_h==4'd5)&(t_l==4'd9); //黄灯计数时间
译码部分根据状态机所在状态输出对应信号灯状态
always@(current_state)
begin
case(current_state)
s0: begin
{
hg,hy,hr}=3'b100; //主干道绿灯 {fg,fy,fr}=3'b001; //支干道红灯
end
s1: begin
{
hg,hy,hr}=3'b010; //主干道黄灯 {fg,fy,fr}=3'b001; //支干道红灯
end
s2: begin
{
hg,hy,hr}=3'b001; //主干道红灯 {fg,fy,fr}=3'b100; //支干道绿灯
end
s3: begin
{
hg,hy,hr}=3'b001; //主干道红灯 {fg,fy,fr}=3'b010; //支干道黄灯
end
endcase
end
仿真结果图
总结：本文设计较简单，对于复杂交通还需改善，但是能够从中慢慢建立对系统架构的认知和联系，从中理清各模块间关系。后续还需多查资料研究，如有错误不合理之处，请告知。
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