verilog hdl与fpga数字系统设计_简易交通信号灯控制系统

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1、系统设计要求

该交通灯控制器用于主干道与支道公路的交叉路口，要求是优先保证主干道的畅通，因此，设计要求如下。

1、平时处于“主干道绿灯，支道红灯”状态，只有在支道有车辆要穿过主干道时，才将交通灯切向“主干道红灯，支道绿灯”，一旦支道无车辆通过路口，交通灯又回到“主干道绿灯，支道红灯”的状态。

2、主干道每次通行的时间不得短于1min，支路每次通行的时间不得长于20s，而这两个状态交换过程中出现“主干道黄灯，支道红灯”和“主干道红灯，支道黄灯”的状态，持续时间都为4s。

2、设计分析

1、用状态机来设计实现交通信号灯的颜色状态。交通信号灯状态可以分成4种，s4：主干道绿灯、支道红灯；s3：主干道黄灯、支道红灯；s2：主干道红灯、支道绿灯；s1：主干道红灯、支道黄灯。状态转移图：

2、用计数器分频来实现状态之间的切换。当支道无车（因此需要定义一个“支道来车”变量has_car）时，将一直处于s4状态；若主干道绿灯超过1min且支道来车时，切换为s3状态；s3状态持续4s后切换为s2状态；s2状态持续20s后切换为s1状态；支道无车又恢复为s4状态。

3、具体实现过程

1、输入信号有时钟信号clk，使能信号en，支路来车信号has_car。输出信号有主干道信号l_m，支路信号灯l_v，主干道计时器t_m，支路计时器t_v。模块内部信号：表示状态信号state；计数信号count_m、count_v。计数为二位十进制因此用_1表示个位，_2表示十位。

2、信号灯用3位二进制数表示红绿黄三个灯，其中只有1位值为1，另外两个值为0，值为1代表该位灯亮，如100表示为红灯、010表示绿灯、001表示黄灯。

3、用二段状态机进行设计。第一段进行状态计数以及状态转移，第二段进行信号灯输出。

第一段：进行状态计数。触发信号为clk、en，触发方式为边沿触发。如果使能信号en为0，则重置计数信号；如果en信号为1，则根据状态信号state进行相应操作。

（1）状态为s4:主干道绿灯、支道红灯。计数器count_m正常每次加1计数，计数器count_v不工作，值为0。如果支路有车，即has_car由0变为1，并且count_m的计数值已经大于60，说明此时已经满足改变信号灯的条件，可以改变信号灯的状态，则状态变为s3，同时给count_m重新赋值4，以便进行下一状态计数。如果不能同时满足上述两个条件，则状态不变。

（2）状态为s3:主干道黄灯、支道红灯。计数器count_m从4开始每次减1，计数器count_v不工作。当count_m为1时，状态变为s2，同时给count_v赋值20。其他情况状态不变。

（3）状态为s2:主干道红灯、支道绿灯。计数器count_v计数从20开始递减。计数器count_m此时不工作，值为0。在此状态下，如果支路汽车通行完毕，即has_car由1变为0，或者count_v计数从20减为1，说明此时已经满足改变信号灯的条件，要改变信号灯的状态，则状态变为s1，同时给count_v赋值4。其他情况状态不变。

（4）状态为s1:主干道红灯、支道黄灯。此状态需要实现倒计时4s，只需count_v从4减为1就改变状态，当count_v为1时，状态变为s4。其他情况状态不变。

第二段：进行信号灯输出。触发信号为state，触发方式为电平触发，根据状态信号state进行相应输出。

（1）状态为s4：主干道绿灯、支道红灯。即输出为：l_m=3’b010; l_v=3’b100

（2）状态为s3：主干道黄灯、支道红灯。即输出为：l_m=3’b001; l_v=3’b100

（3）状态为s2：主干道红灯、支道绿灯。即输出为：l_m=3’b100; l_v=3’b010

（4）状态为s1：主干道红灯、支道黄灯。即输出为：l_m=3’b100; l_v=3’b001

4、最后用assign语句将时钟输出信号和内部计数信号连接。

4、Verilog HDL源码：

module Traffic(clk,en,has_car,l_m,l_v,t_m1,t_m2,t_v1,t_v2);
input clk,en,has_car;    //时钟信号1Hz，使能信号，支路来车信号
output reg [2:0]l_m,l_v;  //信号灯控制信号
output [3:0]t_m1,t_m2,t_v1,t_v2; //主干道m、支路v计时信号(1为个位，2为十位)
reg [3:0]count_m1,count_m2,count_v1,count_v2;   //计数
reg [1:0] state;
parameter s1=2'b00,s2=2'b01,s3=2'b10,s4=2'b11;   //定义状态

always@ (posedge clk or negedge en)
begin
	if(!en)begin 
		state<=s4;
		count_m1<=4'b0;
		count_m2<=4'b0;
		count_v1<=4'b0;
		count_v2<=4'b0;
	end
	else case(state)
	s4:begin		
		count_m1<=count_m1+1;   //主干道十进制计时
		count_v1<=4'b0;
		count_v2<=4'b0;
		if(count_m1==4'b1001)begin
			count_m1<=4'b0;
			count_m2<=count_m2+1;
			end
		if(has_car==1&&count_m2>=4'b0110) begin   //判断状态转移条件
			state<=s3;
			count_m1<=4'b0100;
			count_m2<=4'b0;
		end
		else
			state<=s4;
	end
	s3:begin	
		count_v1<=4'b0;     //主干道4s黄灯倒计时
		count_v2<=4'b0;
		count_m1<=count_m1-1;
		if(count_m1==4'b1)	begin 
			state<=s2;
			count_v2<=4'b10;
			count_v1<=4'b0;
		end
		else state<=s3;
			
	end
	s2:begin
		count_m1<=0;    //支路20s绿灯倒计时
		count_m2<=0;
		count_v1<=count_v1-1;	
		if(count_v1==4'b0)begin
			count_v1<=4'b1001;
			count_v2<=count_v2-1;
			end
		if(has_car==0||(count_v1==4'b1)&&(count_v2==4'b0))begin 
			state<=s1;
			count_v1<=4'b0100;
			count_v2<=4'b0;
		end
		else
			state<=s2;
	end
	s1:begin      //支路4s黄灯倒计时
		count_m1<=4'b0;
		count_m2<=4'b0;
		count_v1<=count_v1-1;	
		if(count_v1==4'b1)	state<=s4;			
		else state<=s1;
	end
	default:begin l_m<=0;l_v<=0;end
   endcase
end

always@ (state)
begin
	case(state)
	s4:begin
		l_m<=3'b010;		//G
		l_v<=3'b100;		//R
	end
	s3:begin
		l_m<=3'b001;		//Y
		l_v<=3'b100;		//R
	end
	s2:begin
		l_m<=3'b100;		//R
		l_v<=3'b010;		//G
	end
	s1:begin
		l_m<=3'b100;		//R
		l_v<=3'b001;		//Y
	end
	default:begin
		l_m<=3'bxxx;
		l_v<=3'bxxx;
	end
	endcase
end

assign t_m1=count_m1;
assign t_m2=count_m2;
assign t_v1=count_v1;
assign t_v2=count_v2;

endmodule

如有错漏之处，敬请指正，不吝赐教。