状态机实现的LED交通灯2
–作者：肖肖肖
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1.1 总体设计
1.1.1 概述
发光二极管简称为LED，是一种常用的发光器件，通过电子与空穴复合释放能量发光，可以高效的将电能转化为光能，在现代社会具有广泛的用途，如照明、平板显示、医疗器件等。可通过高低电平的变化来控制LED灯的明灭状态，当输出信号为低电平时，LED灯亮，反之，当输出信号为高电平时，LED灯灭。
1.1.2 设计目标
内容：开发板上有红黄绿 LED 灯各四个，分别放在东西南北方向。参考交通灯的情况，即每个方向都是绿灯亮 10 秒，然后黄灯亮 5 秒，然后红灯亮 15 秒。绿灯按照东西和南北的顺序依次亮。
具体思路：
- 首先分东西方向和南北方向来设计电路。设计两个不同的状态机来指示不同的状态。东西方向的灯状态相同，南北方向的灯状态相同。
- 4 个方向的灯依次为红绿黄的依次循环时间为 15+10+5=30 秒，所以可以设计一个计数器，计时 30 秒钟，表示一个循环。计数器可以分两个写，一个计时 1 秒，一个计时 30秒。
- 然后再根据计数器的计数值的不同，决定状态机的不同状态。
- 首先设计东西方向的状态机，复位的时候，绿灯亮，计数器计到 10 秒，黄灯亮，计到15 秒，红灯亮，计满 30 秒，又是绿灯亮…依次循环。
- 接着设计南北方向的状态机，复位的时候，红灯亮，计数器计到 15 秒，绿灯亮，计到20 秒，黄灯亮，计满 30 秒，又是红灯亮…依次循环。
1.1.3 信号列表
| 信号名 | I/O | 位宽 | 定义 |
|---|---|---|---|
| clk | I | 1 | 系统工作时钟 50M |
| rst_n | I | 1 | 系统复位信号，低电平有效 |
| led_east | O | 3 | 3 比特信号，表示东面三个 led 灯，最高位为红灯，最低位为绿灯，低电平时灯亮。 |
| led_south | O | 3 | 3 比特信号，表示南面三个 led 灯，最高位为红灯，最低位为绿灯，低电平时灯亮。 |
| led_west | O | 3 | 3 比特信号，表示西面三个 led 灯，最高位为红灯，最低位为绿灯，低电平时灯亮。 |
| led_north | O | 3 | 3 比特信号，表示北面三个 led 灯，最高位为红灯，最低位为绿灯，低电平时灯亮。 |
1.1.4 设计思路
根据题目功能要求，东西南北四个方向LED灯按照“红灯-绿灯-黄灯”的顺序依次循环时间为 15+10+5=30 秒，所以可以设计一个计数器，计时 30 秒钟表示一个循环。该计数器可以分两个写，一个计时 1 秒，一个计时 30秒。
因为在数字电路中的延时都是通过计数器实现的，计数器*时钟周期=延时时间。本模块中，由于输入时钟是50MHz，时钟周期为20ns，功能要求每1秒变化一次。我们通过counter来表示延时，当其值为1s/20ns=5000_0000时，表示1秒时间到。
两个计数器的架构图：
时钟计数器counter：该计数器用于计算1s的时钟个数，加一条件为1，表示一直计数；数到5000_0000下，则表示数到1秒的时间了。
秒计数器：该计数器用于计算1个周期内三色LED按顺序各点亮1次的时间，1周期的时间为30秒，加一条件为时钟计数器的结束条件，表示时钟计数器每数完1s，秒计数器计数加一；数到30下，则表示数到30秒的时间了。
下面是两个计数器的代码：
1.parameter COUNT_TIME = 26'd5000_0000;
2.parameter CYCLE_TIME = 5'd30 ;
3.parameter COUNT_WID = 26 ;
4.parameter SEC_WID = 5 ;
5.
6.reg [COUNT_WID-1:0] counter ;
7.wire add_counter ;
8.wire end_counter ;
9.reg [SEC_WID-1:0] second ;
10.wire add_second ;
11.wire end_second ;
12.
13.always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
14. if (rst_n==0) begin
15. counter <= 0;
16. end
17. else if(add_counter) begin
18. if(end_counter)
19. counter <= 0;
20. else
21. counter <= counter+1 ;
22. end
23.end
24.assign add_counter = 1;
25.assign end_counter = add_counter && counter == COUNT_TIME-1 ;
26.
27.
28.always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
29. if (rst_n==0) begin
30. second <= 0;
31. end
32. else if(add_second) begin
33. if(end_second)
34. second <= 0;
35. else
36. second <= second+1 ;
37. end
38.end
39.assign add_second = end_counter;
40.assign end_second = add_second && second == CYCLE_TIME-1 ;
按照题目要求：分东西方向和南北方向来设计电路，因此设计两个不同的状态机来指示不同的状态——同一时间内，东西方向的灯状态相同，南北方向的灯状态相同。
两个状态机的架构：
东西方向的状态机：该状态机用于设定东西方向LED的颜色跳转状态。
1)上电后，就跳转到绿灯亮状态，绿灯亮；
2)10 秒后，黄灯亮，跳转条件为秒计数器计数10下，即add_second && second== 10-1，则表示数到10秒了；
3)5 秒后，红灯亮，跳转条件为秒计数器计数15下，即add_second && second== 15-1，则表示数到15秒了；
4)15 秒后，又是绿灯亮，跳转条件为秒计数器计满30下，即add_second && second== 30-1，则表示数到30秒了…依次循环。
南北方向的状态机：该状态机用于设定南北方向LED的颜色跳转状态。
1)上电后，就跳转到红灯亮状态，红灯亮；
2)15 秒后，绿灯亮，跳转条件为秒计数器计数15下，即add_second && second== 15-1，则表示数到15秒了；
3)10 秒后，黄灯亮，跳转条件为秒计数器计数25下，即add_second && second== 25-1，则表示数到25秒了；
4)5 秒后，又是红灯亮，跳转条件为秒计数器计满30下，即add_second && second== 30-1，则表示数到30秒了…依次循环。
下面是东西、南北方向的两个状态机代码：
41.parameter LED_NUM = 3 ;
42.parameter STA_W = 2 ;
43.
44.parameter STA_G = 2'd1 ;
45.parameter STA_Y = 2'd2 ;
46.parameter STA_R = 2'd3 ;
47.parameter IDLE = 2'd0 ;
48.parameter GREEN = 3'b110 ;
49.parameter YELLOW = 3'b101 ;
50.parameter RED = 3'b011 ;
51.
52.input clk ;
53.input rst_n ;
54.output [LED_NUM-1:0] led_east ;
55.output [LED_NUM-1:0] led_south ;
56.output [LED_NUM-1:0] led_west ;
57.output [LED_NUM-1:0] led_north ;
58.
59.reg [LED_NUM-1:0] led_east ;
60.reg [LED_NUM-1:0] led_south ;
61.reg [LED_NUM-1:0] led_west ;
62.reg [LED_NUM-1:0] led_north ;
63.
64.reg [STA_W-1:0] ew_state_c ;
65.reg [STA_W-1:0] ew_state_n ;
66.wire idle2sta_g_start_ew ;
67.wire sta_g2sta_y_start_ew ;
68.wire sta_y2sta_r_start_ew ;
69.wire sta_r2sta_g_start_ew ;
70.
71.reg [STA_W-1:0] sn_state_c ;
72.reg [STA_W-1:0] sn_state_n ;
73.wire idle2sta_r_start_sn ;
74.wire sta_r2sta_g_start_sn ;
75.wire sta_g2sta_y_start_sn ;
76.wire sta_y2sta_r_start_sn ;
77.
78.always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
79. if (rst_n==0) begin
80. ew_state_c <= STA_G ;
81. end
82. else begin
83. ew_state_c <= ew_state_n;
84. end
85.end
86.
87.always @(*) begin
88. case(ew_state_c)
89. STA_G :begin
90. if(sta_g2sta_y_start_ew)
91. ew_state_n = STA_Y ;
92. else
93. ew_state_n = ew_state_c ;
94. end
95. STA_Y :begin
96. if(sta_y2sta_r_start_ew)
97. ew_state_n = STA_R ;
98. else
99. ew_state_n = ew_state_c ;
100. end
101. STA_R :begin
102. if(sta_r2sta_g_start_ew)
103. ew_state_n = STA_G ;
104. else
105. ew_state_n = ew_state_c ;
106. end
107. default : ew_state_n = STA_G ;
108. endcase
109.end
110.
111.assign sta_g2sta_y_start_ew = ew_state_c==STA_G && add_second && second == 10-1;
112.assign sta_y2sta_r_start_ew = ew_state_c==STA_Y && add_second && second == 15-1;
113.assign sta_r2sta_g_start_ew = ew_state_c==STA_R && add_second && second == 30-1;
114.
115.always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
116. if(rst_n==1'b0)begin
117. led_east<=GREEN;
118. end
119. else if(ew_state_c==STA_G)begin
120. led_east<=GREEN;
121. end
122. else if(ew_state_c==STA_Y)begin
123. led_east<=YELLOW;
124. end
125. else if(ew_state_c==STA_R)begin
126. led_east<=RED;
127. end
128. else begin
129. led_east<=GREEN;
130. end
131.end
132.
133.always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
134. if(rst_n==1'b0)begin
135. led_west<=GREEN;
136. end
137. else if(ew_state_c==STA_G)begin
138. led_west<=GREEN;
139. end
140. else if(ew_state_c==STA_Y)begin
141. led_west<=YELLOW;
142. end
143. else if(ew_state_c==STA_R)begin
144. led_west<=RED;
145. end
146. else begin
147. led_west<=GREEN;
148. end
149.end
150.
151.
152.
153.always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
154. if (rst_n==0) begin
155. sn_state_c <= STA_R ;
156. end
157. else begin
158. sn_state_c <= sn_state_n;
159. end
160.end
161.
162.always @(*) begin
163. case(sn_state_c)
164. STA_R :begin
165. if(sta_r2sta_g_start_sn)
166. sn_state_n = STA_G ;
167. else
168. sn_state_n = sn_state_c ;
169. end
170. STA_G :begin
171. if(sta_g2sta_y_start_sn)
172. sn_state_n = STA_Y ;
173. else
174. sn_state_n = sn_state_c ;
175. end
176. STA_Y :begin
177. if(sta_y2sta_r_start_sn)
178. sn_state_n = STA_R ;
179. else
180. sn_state_n = sn_state_c ;
181. end
182. default : sn_state_n = STA_R ;
183. endcase
184.end
185.
186.assign sta_r2sta_g_start_sn = sn_state_c==STA_R && add_second && second == 15-1;
187.assign sta_g2sta_y_start_sn = sn_state_c==STA_G && add_second && second == 25-1;
188.assign sta_y2sta_r_start_sn = sn_state_c==STA_Y && add_second && second == 30-1;
189.
190.always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
191. if(rst_n==1'b0)begin
192. led_south<=RED;
193. end
194. else if(sn_state_c==STA_G)begin
195. led_south<=GREEN;
196. end
197. else if(sn_state_c==STA_Y)begin
198. led_south<=YELLOW;
199. end
200. else if(sn_state_c==STA_R)begin
201. led_south<=RED;
202. end
203. else begin
204. led_south<=GREEN;
205. end
206.end
207.
208.always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
209. if(rst_n==1'b0)begin
210. led_north<=RED;
211. end
212. else if(sn_state_c==STA_G)begin
213. led_north<=GREEN;
214. end
215. else if(sn_state_c==STA_Y)begin
216. led_north<=YELLOW;
217. end
218. else if(sn_state_c==STA_R)begin
219. led_north<=RED;
220. end
221. else begin
222. led_north<=GREEN;
223. end
224.end
1.1.5 参考设计代码
225./************************************************************************************
226.The code is designed and produced by MDY Science and Education Co., Ltd, which has the entire ownership. It is only for personal learning, which cannot be used for commercial or profit-making purposes without permission.
227.
228. MDY's Mission: Develop Chip Talents and Realize National Chip Dream.
229.
230. We sincerely hope that our students can learn the real IC / FPGA code through our standard and rigorous code.
231.
232. For more FPGA learning materials, please visit the Forum: http://fpgabbs.com/ and official website: http://www.mdy-edu.com/index.html
233.
234. *************************************************************************************/
235.
236.
237.module traf_light2(
238. clk ,
239. rst_n ,
240. led_east ,
241. led_south ,
242. led_west ,
243. led_north
244. );
245.
246.
247.
248.parameter COUNT_TIME = 26'd5000_0000;
249.parameter CYCLE_TIME = 5'd30 ;
250.parameter COUNT_WID = 26 ;
251.parameter SEC_WID = 5 ;
252.parameter LED_NUM = 3 ;
253.parameter STA_W = 2 ;
254.
255.parameter STA_G = 2'd1 ;
256.parameter STA_Y = 2'd2 ;
257.parameter STA_R = 2'd3 ;
258.parameter GREEN = 3'b110 ;
259.parameter YELLOW = 3'b101 ;
260.parameter RED = 3'b011 ;
261.
262.
263.input clk ;
264.input rst_n ;
265.output [LED_NUM-1:0] led_east ;
266.output [LED_NUM-1:0] led_south ;
267.output [LED_NUM-1:0] led_west ;
268.output [LED_NUM-1:0] led_north ;
269.
270.reg [LED_NUM-1:0] led_east ;
271.reg [LED_NUM-1:0] led_south ;
272.reg [LED_NUM-1:0] led_west ;
273.reg [LED_NUM-1:0] led_north ;
274.
275.reg [COUNT_WID-1:0] counter ;
276.wire add_counter ;
277.wire end_counter ;
278.reg [SEC_WID-1:0] second ;
279.wire add_second ;
280.wire end_second ;
281.
282.reg [STA_W-1:0] ew_state_c ;
283.reg [STA_W-1:0] ew_state_n ;
284.wire idle2sta_g_start_ew ;
285.wire sta_g2sta_y_start_ew ;
286.wire sta_y2sta_r_start_ew ;
287.wire sta_r2sta_g_start_ew ;
288.
289.reg [STA_W-1:0] sn_state_c ;
290.reg [STA_W-1:0] sn_state_n ;
291.wire idle2sta_r_start_sn ;
292.wire sta_r2sta_g_start_sn ;
293.wire sta_g2sta_y_start_sn ;
294.wire sta_y2sta_r_start_sn ;
295.
296.
297.always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
298. if (rst_n==0) begin
299. counter <= 0;
300. end
301. else if(add_counter) begin
302. if(end_counter)
303. counter <= 0;
304. else
305. counter <= counter+1 ;
306. end
307.end
308.assign add_counter = 1;
309.assign end_counter = add_counter && counter == COUNT_TIME-1 ;
310.
311.
312.always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
313. if (rst_n==0) begin
314. second <= 0;
315. end
316. else if(add_second) begin
317. if(end_second)
318. second <= 0;
319. else
320. second <= second+1 ;
321. end
322.end
323.assign add_second = end_counter;
324.assign end_second = add_second && second == CYCLE_TIME-1 ;
325.
326.
327.always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
328. if (rst_n==0) begin
329. ew_state_c <= STA_G ;
330. end
331. else begin
332. ew_state_c <= ew_state_n;
333. end
334.end
335.
336.always @(*) begin
337. case(ew_state_c)
338. STA_G :begin
339. if(sta_g2sta_y_start_ew)
340. ew_state_n = STA_Y ;
341. else
342. ew_state_n = ew_state_c ;
343. end
344. STA_Y :begin
345. if(sta_y2sta_r_start_ew)
346. ew_state_n = STA_R ;
347. else
348. ew_state_n = ew_state_c ;
349. end
350. STA_R :begin
351. if(sta_r2sta_g_start_ew)
352. ew_state_n = STA_G ;
353. else
354. ew_state_n = ew_state_c ;
355. end
356. default : ew_state_n = STA_G ;
357. endcase
358.end
359.
360.assign sta_g2sta_y_start_ew = ew_state_c==STA_G && add_second && second == 10-1;
361.assign sta_y2sta_r_start_ew = ew_state_c==STA_Y && add_second && second == 15-1;
362.assign sta_r2sta_g_start_ew = ew_state_c==STA_R && add_second && second == 30-1;
363.
364.always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
365. if(rst_n==1'b0)begin
366. led_east<=GREEN;
367. end
368. else if(ew_state_c==STA_G)begin
369. led_east<=GREEN;
370. end
371. else if(ew_state_c==STA_Y)begin
372. led_east<=YELLOW;
373. end
374. else if(ew_state_c==STA_R)begin
375. led_east<=RED;
376. end
377. else begin
378. led_east<=GREEN;
379. end
380.end
381.
382.always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
383. if(rst_n==1'b0)begin
384. led_west<=GREEN;
385. end
386. else if(ew_state_c==STA_G)begin
387. led_west<=GREEN;
388. end
389. else if(ew_state_c==STA_Y)begin
390. led_west<=YELLOW;
391. end
392. else if(ew_state_c==STA_R)begin
393. led_west<=RED;
394. end
395. else begin
396. led_west<=GREEN;
397. end
398.end
399.
400.
401.
402.always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
403. if (rst_n==0) begin
404. sn_state_c <= STA_R ;
405. end
406. else begin
407. sn_state_c <= sn_state_n;
408. end
409.end
410.
411.always @(*) begin
412. case(sn_state_c)
413. STA_R :begin
414. if(sta_r2sta_g_start_sn)
415. sn_state_n = STA_G ;
416. else
417. sn_state_n = sn_state_c ;
418. end
419. STA_G :begin
420. if(sta_g2sta_y_start_sn)
421. sn_state_n = STA_Y ;
422. else
423. sn_state_n = sn_state_c ;
424. end
425. STA_Y :begin
426. if(sta_y2sta_r_start_sn)
427. sn_state_n = STA_R ;
428. else
429. sn_state_n = sn_state_c ;
430. end
431. default : sn_state_n = STA_R ;
432. endcase
433.end
434.
435.assign sta_r2sta_g_start_sn = sn_state_c==STA_R && add_second && second == 15-1;
436.assign sta_g2sta_y_start_sn = sn_state_c==STA_G && add_second && second == 25-1;
437.assign sta_y2sta_r_start_sn = sn_state_c==STA_Y && add_second && second == 30-1;
438.
439.always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
440. if(rst_n==1'b0)begin
441. led_south<=RED;
442. end
443. else if(sn_state_c==STA_G)begin
444. led_south<=GREEN;
445. end
446. else if(sn_state_c==STA_Y)begin
447. led_south<=YELLOW;
448. end
449. else if(sn_state_c==STA_R)begin
450. led_south<=RED;
451. end
452. else begin
453. led_south<=GREEN;
454. end
455.end
456.
457.always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
458. if(rst_n==1'b0)begin
459. led_north<=RED;
460. end
461. else if(sn_state_c==STA_G)begin
462. led_north<=GREEN;
463. end
464. else if(sn_state_c==STA_Y)begin
465. led_north<=YELLOW;
466. end
467. else if(sn_state_c==STA_R)begin
468. led_north<=RED;
469. end
470. else begin
471. led_north<=GREEN;
472. end
473.end
474.
475.endmodule
476.
1.2 效果和总结
点拨板
1.复位，东西绿灯亮，南北红灯亮
2.10秒后，东西黄灯亮，南北还是红灯亮
3.15秒后，东西红灯亮，南北绿灯亮
4.20秒后。东西还是红灯亮，南北黄灯亮
5.30秒后，东西绿灯亮，南北红灯亮
Mp801
1.复位，东西绿灯亮，南北红灯亮
2.10秒后，东西黄灯亮，南北还是红灯亮
3.15秒后，东西红灯亮，南北绿灯亮
4.20秒后。东西还是红灯亮，南北黄灯亮
5.30秒后，东西绿灯亮，南北红灯亮
实验箱
1.复位，东西绿灯亮，南北红灯亮
2.10秒后，东西黄灯亮，南北还是红灯亮
3.15秒后，东西红灯亮，南北绿灯亮
4.20秒后。东西还是红灯亮，南北黄灯亮
5.30秒后，东西绿灯亮，南北红灯亮
观看上面的现象，可以发现，各项功能正常：开发板上有红黄绿三色 LED 灯各四个，在东西南北方向各有一组。参考交通灯的情况，即每个方向都是绿灯亮 10 秒，然后黄灯亮 5 秒，然后红灯亮 15 秒。绿灯按照东西和南北的顺序依次亮。成功完成设计目标。
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