基于fpga的交通灯的设计

课题一:交通灯控制设计

1.课程设计的目的与要求

1.1目的

以FPGA为核心,设计一个交通灯控制器,每个路口都有红、黄、绿三盏灯。该交通信号灯控制器由一条车道A和一条车道B汇合成十字路口,在每个入口处设置红、绿、黄三色信号灯,红灯亮禁止通行,绿灯亮允许通行,黄灯亮则给行驶中的车辆有时间停在禁行线外。用红、绿、黄发光二极管作信号灯。

1.2要求

(1)东西、南北两个方向的信号灯必须交替工作且两个方向通行时间不同;

(2)显示采用LED光柱或数码管倒计时的方式。

(3)遇有紧急情况可人为将两个方向都置为红灯。

(4)每个路口用2个七段数码管倒计时显示。

FPGA模块方案论证及选择

各模块端口及信号连接如下图所示:
基于fpga的交通灯的设计_第1张图片

由上图可知,FPGA部分包括四个模块,顶层模块(top_traffic)、交通灯控制模块(traffic_light)、数码管显示模块(seg_led)、led灯控制模块(led)。在顶层模块中完
成对其它三个模块的例化,并实现各模块之间的数据传递。

顶层模块(top_traffic):顶层模块完成了对其它三个子模块的例化、实现了子模块间
的信号连接、并将led灯和数码管的驱动信号输出给外接设备(交通信号灯外设)。

交通灯控制模块(traffic_light):交通灯控制模块是本次实验的核心代码,这个模块
控制信号灯的状态转换,将实时的状态信号state[1:0]输出给led灯控制模块(led),同时将
东西和南北方向的实时时间数据ew_time[5:0]和sn_time[5:0]输出给数码管显示模块
(seg_led)。

数码管显示模块(seg_led):接收交通灯控制模块传递过来的东西和南北方向的实时时间数据ew_time[5:0]和sn_time[5:0],并以此驱动对应的数码管,将数据显示出来。

led灯控制模块(led):根据接收到的实时状态信号state[1:0],驱动东西和南北方向的led发光。

原理设计

3.1基本原理

点FPGA开发板上左边的P6扩展口可以用来外接交通信号灯扩展模块,交通信号

灯扩展模块的原理图如图 38.3.1所示。
基于fpga的交通灯的设计_第2张图片

图 38.3.1 交通信号灯原理图

由上图可知,交通信号灯扩展模块四个方向共12个LED灯,而我们使用6个LED控制信号来
驱动12个LED灯,这是因为东西方向或者南北方向LED灯的亮灭状态总是一致的,所以我们将东西方向或者南北方向颜色相同的LED灯并联在一起,这样设计的好处是减少了交通信号灯扩展模块LED控制信号的引脚。

上图中四个共阳型数码管分别对应四个路口,每个路口用两位数码管显示当前状态的剩余
时间。我们知道,在十字路口中,东西方向或者南北方向数码管显示的时间总是一样的。以东西方向为例,正因为这两个方向显示的时间一致,所以这两个方向的数码管,它们的十位可以用同一个位选信号来控制,个位用另一个位选信号来控制,这样的话,就可以实现两个位选信号控制东西方向共4位数码管的亮灭,南北方向的数码管同理。这样设计的好处是减少了交通信号灯扩展模块位选信号的引脚。

数码管由PNP型三极管驱动,当三极管的基极为低电平时,数码管相应的位被选通,所以交通信号灯扩展模块的位选信号是低电平有效的。

3.2系统组成框图

交通灯控制模块将需要显示的时间数据连接到数码管显示模块,同时将状态信号连接到led灯控制模块,然后数码管显示模块和led灯控制模块驱动交通信号灯外设工作。系统总体框架图如图
38.4.1所示,
基于fpga的交通灯的设计_第3张图片

3.3单元电路设计

3.3.1 FPGA最小系统

FPGA最小系统包括:FPGA芯片、下载电路、外部时钟、复位电路和电源。

如果使用NIOS II软嵌入式处理器还要包括SDRAM和Flash。

图3-3 FPGA最小系统基于fpga的交通灯的设计_第4张图片

3.3.2 数码管显示电路

采用简单的4组2位共阳极数码管数码管由PNP型三极管驱动,当三极管的基极为低电平时,数码管相应的位被选通,所以交通信号灯扩展模块的位选信号是低电平有效的。

图3-4数码管显示电路基于fpga的交通灯的设计_第5张图片

3.4总体电路图

交通灯控制模块将需要显示的时间数据连接到数码管显示模块,同时将状态信号连接到led灯控制模块,然后数码管显示模块和
led灯控制模块驱动交通信号灯外设工作。

总体电路图如下图所示:

图3-6整体电路基于fpga的交通灯的设计_第6张图片

3.5 程序设计

3-7 系统软件流程图基于fpga的交通灯的设计_第7张图片

3.6元件列表

发光二极管(红绿黄) 12个
2.54单排针1*40 2排
三极管8550 4个
排母 2排
数码管2位共阳 4组
FPGA模块 1块

4.方案实现与测试(或调试)

实现题上已给要求,在程序调试花费时间较多。

交通灯成品及实验现象基于fpga的交通灯的设计_第8张图片

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