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案例十 交通灯
一、案例说明
1.设计一个十字路口的交通灯控制系统，用实验平台上的LED发光二极管显示车辆通过的方向（东西和南北各一组），用数码管显示该方向的剩余时间。要求：工作顺序为东西方向红灯亮45秒，前40秒南北方向绿灯亮，后5秒黄灯亮。然后南北方向红灯亮45秒，前40秒东西方向绿灯亮，后5秒黄灯亮。依次重复。有紧急事件时允许将某方向一直开绿灯或者开红灯，另外允许特定情况两方向均为红灯，车辆禁行，比如十字路口恶性交通事故时，东西，南北两个方向均有两位数码管适时显示该方向亮灯时间。
2.题目分析与整体构思
(1).该交通灯控制器应具备的功能
设东西和南北方向的车流量大致相同，因此红、黄、绿灯的时长也相同，定为红灯45sec，黄灯5sec，绿灯40sec，同时用数码管指示当前状态（红、黄、绿）剩余时间。另外，设计一个紧急状态，当紧急状态出现时，两个方向都禁止通行，指示红灯。紧急状态解除后，重新计数并指示时间。
(2).实现方案
从题目中计数值与交通灯的亮灭的关系如图（1）所示
二、硬件电路结构图
（1）分频器
分频器实现的是将高频时钟信号转换成底频的时钟信号，用于触发控制器、计数器和扫描显示电路。该分频器实现的是一千分频，将一千赫兹的时钟信号分频成一赫兹的时钟信号。
（2）控制器设计
控制器的作用是根据计数器的计数值控制发光二极管的亮、灭，以及输出倒计时数值给七段数码管的分位译码电路。此外，当检测到特殊情况（HOLD=‘1’）发生时，无条件点亮红灯的二极管。本控制器可以有两种设计方法，一种是利用时钟烟的下降沿读取前级计数器的计数值，然后作出反应；另一种则是将本模块设计成纯组合逻辑电路，不需要时钟驱动。这两种方法各有所长，必须根据所用器件的特性进行选择：比如有些FPGA有丰富的寄存器资源，而且可用与组合逻辑的资源则相对较少，那么使用第一种方法会比较节省资源；而有些CPLD的组合逻辑资源则比较多，用第二种方法可能更好。
（3）计数器设计
这里需要的计数器的计数范围为0-90。计到90后，下一个时钟沿回复到0，开始下一轮计数。此外，当检测到特殊情况（HOLD=‘1’）发生是，计数器暂停计数，而系统复位信号RESET则使计数器异步清零。
（4）分位译码电路设计--1
因为控制器输出的到计时数值可能是1位或者2位十进制数，所以在七段数码管的译码电路前要加上分位电路（即将其分为2个1位的十进制数，如25分为2和5，7分为0和7）。
与控制器一样，分位电路同样可以由时钟驱动，也可以设计成纯组合逻辑电路。控制器中，引入了寄存器。为了让读者开拓眼界，分位电路就用组合逻辑电路实现。
（5）分位译码电路设计—2
（6）数码管驱动设计
串行连接，即每个数码管对应的引脚都接在一起（如每个数码管的a引脚都接到一起，然后再接到CPLD/FPGA上的一个引脚上），通过控制公共端为高电平控制相应数码管的亮、灭（共阴极数码管的公共端为高电平时，LED不亮；共阳极的公共端为低电平时，LED不亮）。
串行法的优点在于消耗的系统资源少，占用的I/O口少，N个数码管只需要（7+N）个引脚（如果需要小数点，则是（8+N）个引脚）。其缺点是控制起来不如并行法容易。
（7）下图为交通灯控制器的顶层文件连接图
三、软件设计
（1）分频器的设计
LIBRARY IEEE;
USE IEEE.Std_Logic_1164.ALL;
ENTITY FreDevider IS
PORT
(Clkin:IN Std_Logic;
Clkout:OUT Std_Logic);
END;
ARCHITECTURE Devider OF FreDevider IS
CONSTANT N:Integer:=499;
signal counter:Integer range 0 to N;
signal Clk:Std_Logic;
BEGIN
PROCESS(Clkin)
begin
IF rising_edge(Clkin)THEN
IF Counter=N then
counter<=0;
Clk<=not clk;
else
counter<=counter+1;
end if;
end if;
end process;
clkout<=clk;
end;
（2）控制设计
控制器的作用是根据计数器的计数值控制发光二极管的亮、灭，以及输出倒计时数值给七段译管的分译码电路。此外，当检测到特殊情况（Hold=‘1’）发生时，无条件点亮红色的发光二极管。
LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITY countroller IS
PORT (Clock:IN STD_LOGIC;
Hold:in std_logic;
CountNum:in INTEGER RANGE 0 TO 89;
NumA,NumB:out INTEGER RANGE 0 TO 45;
RedA,GreenA,YellowA:out std_logic;
RedB,GreenB,YellowB:out std_logic);
END;
ARCHITECTURE behavior OF Countroller IS
BEGIN
process(Clock)
BEGIN
IF falling_edge(Clock)THEN
IF Hold='1' THEN
RedA<='1';
RedB<='1';
GreenA<='0';
GreenA<='0';
YellowA<='0';
YellowB<='0';
ELSIF CountNum<=39 THEN
NumA<=40-CountNum;
RedA<='0';
GreenA<='1';
YellowA<='0';
ELSIF CountNum<=44 THEN
NumA<=45-CountNum;
RedA<='0';
GreenA<='0';
YellowA<='1';
ELSE
NumA<=90-CountNum;
RedA<='1';
GreenA<='0';
YellowA<='0';
END IF;
IF CountNum<=44 THEN
NumB<=45-CountNum;
RedB<='1';
GreenB<='0';
YellowB<='0';
ELSIF CountNum<=84 THEN
NumB<=85-CountNum;
RedB<='0';
GreenB<='1';
YellowB<='0';
ELSe
NumB<=90-CountNum;
RedB<='0';
GreenB<='0';
YellowB<='1';
END IF;
END IF;
END PROCESS;
END;
（3）计数器的设计
这里计数器的计数范围为0—45S 。计到45后,下一个时钟沿回复到0,开始下一轮计数.此外,当检测到特殊情况(Hold=‘1‘)发生时，计数器暂停计数，而系统复位号Reset则使计数器异步清0。
程序如下：
LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITY counter IS
PORT (clock:IN STD_LOGIC;
reset:in std_logic;
Hold:in std_logic;
countNum:BuFFeR INTEGER RANGE 0 TO 90);
END;
ARCHITECTURE behavior OF counter IS
BEGIN
process(reset,Clock)
BEGIN
IF Reset='1' THEN
countNum<=0;
ELSIF rising_edge(Clock) THEN
IF Hold='1' then
countNum<=countNum;
ELSE
IF countNum=90 THEN
countNum<=0;
ELSE
countNum<=countNum+1;
END IF;
END IF;
END IF;
END PROCESS;
END;
（4）分位译码电路设计--1
LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITY Fenwei IS
PORT
(Numin:IN integer RANGE 0 TO 45;
NumA,NumB:OUT Integer RANGE 0 to 9
);
END;
ARCHITECTURE behavior OF Fenwei IS
BEGIN
process(Numin)
BEGIN
IF Numin>=40 THEN
NumA<=4;
NumB<=Numin-40;
ELSIF Numin>=30 THEN
NumA<=3;
NumB<=Numin-30;
ELSIF Numin>=20 THEN
NumA<=2;
NumB<=Numin-20;
ELSIF Numin>=10 THEN
NumA<=1;
NumB<=Numin-10;
ELSE
NumA<=0;
NumB<=Numin;
END IF;
END PROCESS;
END;
（5）分位译码电路设计—2
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITY Fenwei2 IS
PORT
(Numin:IN integer RANGE 0 TO 45;
NumC,NumD:OUT Integer RANGE 0 to 9
);
END;
ARCHITECTURE behavior OF Fenwei2 IS
BEGIN
process(Numin)
BEGIN
IF Numin>=40 THEN
NumC<=4;
NumD<=Numin-40;
ELSIF Numin>=30 THEN
NumC<=3;
NumD<=Numin-30;
ELSIF Numin>=20 THEN
NumC<=2;
NumD<=Numin-20;
ELSIF Numin>=10 THEN
NumC<=1;
NumD<=Numin-10;
ELSE
NumC<=0;
NumD<=Numin;
END IF;
END PROCESS;
END;
（6）数码管驱动设计
LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITY bcd_data IS
PORT
(bcd_data:in STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0);
segout: out STD_LOGIC_VECTOR(6 downto 0)
);
END;
ARCHITECTURE behavior OF bcd_data IS
BEGIN
process(bcd_data)
BEGIN
case bcd_data is
when "0000"=>segout<="1111110";
when "0001"=>segout<="0110000";
when "0010"=>segout<="1101101";
when "0011" =>segout<="1111001" ;
when "0100" =>segout<="0110011" ;
when "0101"=>segout<="1011011" ;
when "0110"=>segout<="0011111" ;
when "0111"=>segout<="1110000" ;
when "1000" =>segout<="1111111" ;
when "1001" =>segout<="1110011";
when others =>null;
END CASE;
END PROCESS;
END;
LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
USE IEEE.STD_LOGIC_unsigned.ALL;
ENTITY dtsm IS
PORT(clk:in STD_LOGIC;
NumA,NumB,NumC,NumD: in STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0);
segout1:out STD_LOGIC_VECTOR(6 downto 0);
led_sel: out STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0));
END dtsm;
architecture bhv of dtsm is
component bcd_data is
port (bcd_data:in STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0);
segout:out STD_LOGIC_VECTOR(6 downto 0));
end component;
signal x:STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0);
signal q:STD_LOGIC_VECTOR(1 downto 0);
begin
p1:process(clk)
begin
if clk'event and clk ='1' then
Q<= Q + '1';
end if;
end process;
p2:process(Q)
begin
case Q is
when"00"=>led_sel<="1110";x<=NumD;
when"01"=>led_sel<="1101";x<=NumC;
when"10"=>led_sel<="1011";x<=NumB;
when"11"=>led_sel<="0111";x<=NumA;
when others=>null;
end case;
end process;
u1:bcd_data PORT map(bcd_data=>x,segout=>segout1);
end
四﹑设计创新
1.模块化编程，模块化接线，再编译总原理图，思路比较清楚解容易。
2.可以比较容易的改变红绿灯的时间。
3.有的模块可以供其它任务通用。
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