【正点原子FPGA连载】第四十九章 交通灯实验--摘自【正点原子】开拓者 FPGA 开发指南
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第四十九章 交通灯实验
交通信号灯是一种生活中非常常见的公共设施， 它在马路上的路口、 斑马线等位置起着疏导交通的作用。 本章我们将使用交通信号灯模块来再现它的功能。
本章包括以下几个部分：
49.1 交通信号灯简介
49.2 实验任务
49.3 硬件设计
49.4 程序设计
49.5 下载验证
49.1 交通信号灯简介
交通信号灯往往由红、 绿、 黄三种颜色的灯组成。 红灯亮的时候， 禁止通行； 绿灯亮的时候， 可以通行； 黄灯亮的时候， 提示通行时间已经结束， 马上要转换为红灯。本次实验要再现的交通信号灯为十字路口处的信号灯， 它由两对信号灯组成。 信号灯实物
如图 49.1.1所示：
图 49.1.1 交通信号灯
图 49.1.2为十字路**通信号灯简化示意图：
图 49.1.2 十字路口信号灯示意图
单独一个方向上的信号灯点亮顺序是： 红灯熄灭后绿灯亮， 绿灯熄灭后黄灯亮， 黄灯熄灭后红灯亮， 这样一直循环下去。 另外， 同一方向上的一对信号灯亮的颜色一致， 且显示的时间是一样的。
为了模拟交通信号灯的功能， 制作了表 49.1.1信号灯状态转换表：
表 49.1.1 交通信号灯状态转换表
表 49.1.1中， 设定一个周期内， 红灯发光30s， 绿灯发光27s， 黄灯发光3s。 以东西方向信号灯状态为例， 红灯发光的时间等于黄灯与绿灯发光的时间和。 所以一个完整的状态转换周期是红灯发光的时间的两倍， 也就是60s。
在东西方向红色信号灯发光的30s内， 南北方向由绿灯切换到了黄灯； 在南北方向红色信号灯发光的30s内， 东西方向也由绿灯切换到了黄灯。 因此我们将东西和南北方向信号灯同时保持在固定状态的时间段， 划为一个状态。 由此产生了循环往复的4个状态：
1、 东西方向红灯亮27s， 南北方向绿灯亮27s， 然后切换到状态2；
2、 东西方向红灯亮3s， 南北方向黄灯亮3s， 然后切换到状态3；
3、 东西方向绿灯亮27s， 南北方向红灯亮27s， 然后切换到状态4；
4、 东西方向黄灯亮3s， 南北方向红灯亮3s， 然后切换到状态1。
图 49.1.3 交通信号灯状态转换图
另外， 以东西方向为例： 一个周期内， 红灯发光30s， 绿灯发光27s， 黄灯发光3s。 那么在红灯发光期间， 数码管上显示的数字要从29递减到0； 同理， 绿灯发光期间， 数码管上显示的数字要从26递减到0； 黄灯发光的时候， 数码管上显示的数字要从2递减到0。
49.2 实验任务
本节实验任务是通过FPGA开发板和外接的交通信号灯扩展模块， 再现交通信号灯的功能。
49.3 硬件设计
我们的开拓者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 49.3.1所示。
图 49.3.1 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。需要注意的是， 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。交通信号灯实物图如图 49.3.2所示， 我们本章实验设定交通信号灯的方向为上北下南，左西右东。
图 49.3.2 交通信号灯实物图
本实验中， 交通信号灯管脚分配如下表所示。
表 49.3.1 交通信号灯实验管脚分配
49.4 程序设计
根据实验任务， 我们可以大致规划出系统的控制流程： 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。 系统框图如图 49.4.1所示，
图 49.4.1 交通灯实验系统框图
各模块端口及信号连接如下图所示：
图 49.4.2 交通信号灯顶层模块原理图
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和sn_time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和sn_time， 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， 驱动东西和南北方向的led发光。
顶层模块的代码如下：
1 module top_traffic(
2 input sys_clk , //系统时钟信号
3 input sys_rst_n , //系统复位信号
4 5
output sel , //数码管位选信号
6 output seg_led , //数码管段选信号
7 output led //LED使能信号
8 );
9 1
0 //wire define
11 wire ew_time; //东西方向状态剩余时间数据
12 wire sn_time; //南北方向状态剩余时间数据
13 wire state ; //交通灯的状态， 用于控制LED灯的点亮
14
15 //*****************************************************
16 //** main code
17 //*****************************************************
18 //交通灯控制模块
19 traffic_light u0_traffic_light(
20 .sys_clk (sys_clk),
21 .sys_rst_n (sys_rst_n),
22 .ew_time (ew_time),
23 .sn_time (sn_time),
24 .state (state)
25 );
26
27 //数码管显示模块
28 seg_led u1_seg_led(
29 .sys_clk (sys_clk) ,
30 .sys_rst_n (sys_rst_n),
31 .ew_time (ew_time),
32 .sn_time (sn_time),
33 .en (1'b1),
34 .sel (sel),
35 .seg_led (seg_led)
36 );
37
38 //led灯控制模块
39 led u2_led(
40 .sys_clk (sys_clk ),
41 .sys_rst_n (sys_rst_n),
42 .state (state ),
43 .led (led )
44 );
45
46 endmodule
在代码第22行和第23行， 将交通灯控制模块输出的ew_time和sn_time实时时间数据信号连接到数码管显示模块； 在代码的第24行， 将交通灯控制模块输出的state状态连接到led灯控制模块。
交通灯控制模块的代码如下：
1 module traffic_light(
2 //input
3 input sys_clk , //系统时钟
4 input sys_rst_n , //系统复位
5 6
output reg state , //交通灯的状态， 用于控制LED灯的点亮
7 output reg ew_time , //交通灯东西向数码管要显示的时间数据
8 output reg sn_time //交通灯南北向数码管要显示的时间数据
9 );
10
11 //parameter define
12 parameter TIME_LED_Y = 3; //黄灯发光的时间
13 parameter TIME_LED_R = 30; //红灯发光的时间
14 parameter TIME_LED_G = 27; //绿灯发光的时间
15 parameter WIDTH = 25_000_000; //产生频率为1hz的时钟
16
17 //reg define
18 reg time_cnt; //产生数码管显示时间的计数器
19 reg clk_cnt; //用于产生clk_1hz的计数器
20 reg clk_1hz; //1hz时钟
21
22 //*****************************************************
23 //** main code
24 //*****************************************************
25 //计数周期为0.5s的计数器
26 always @ (posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)begin
27 if(!sys_rst_n)
28 clk_cnt <= 25'b0;
29 else if (clk_cnt < WIDTH - 1'b1)
30 clk_cnt <= clk_cnt + 1'b1;
31 else
32 clk_cnt <= 25'b0;
33 end
34
35 //产生频率为1hz的时钟
36 always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)begin
37 if(!sys_rst_n)
38 clk_1hz <= 1'b0;
39 else if(clk_cnt == WIDTH - 1'b1)
40 clk_1hz <= ~ clk_1hz;
41 else
42 clk_1hz <= clk_1hz;
43 end
44
45 //切换交通信号灯工作的4个状态， 并产生数码管要显示的时间数据
46 always @(posedge clk_1hz or negedge sys_rst_n)begin
47 if(!sys_rst_n)begin
48 state <= 2'd0;
49 time_cnt <= TIME_LED_G ; //状态1持续的时间
50 end
51 else begin
52 case (state)
53 2'b0: begin //状态1
54 ew_time <= time_cnt + TIME_LED_Y - 1'b1;//东西方向数码管要显示的时间数据
55 sn_time <= time_cnt - 1'b1; //南北方向数码管要显示的时间数据
56 if (time_cnt > 1)begin //time_cnt等于1的时候切换状态
57 time_cnt <= time_cnt - 1'b1;
58 state <= state;
59 end
60 else begin
61 time_cnt <= TIME_LED_Y; //状态2持续的时间
62 state <= 2'b01; //切换到状态2
63 end
64 end
65 2'b01: begin //状态2
66 ew_time <= time_cnt - 1'b1;
67 sn_time <= time_cnt - 1'b1;
68 if (time_cnt > 1)begin
69 time_cnt <= time_cnt - 1'b1;
70 state <= state;
71 end
72 else begin
73 time_cnt <= TIME_LED_G; //状态3持续的时间
74 state <= 2'b10; //切换到状态3
75 end
76 end
77 2'b10: begin //状态3
78 ew_time <= time_cnt - 1'b1;
79 sn_time <= time_cnt + TIME_LED_Y - 1'b1;
80 if (time_cnt > 1)begin
81 time_cnt <= time_cnt - 1'b1;
82 state <= state;
83 end
84 else begin
85 time_cnt <= TIME_LED_Y; //状态4持续的时间
86 state <= 2'b11; //切换到转态4
87 end
88 end
89 2'b11: begin //状态4
90 ew_time <= time_cnt - 1'b1;
91 sn_time <= time_cnt - 1'b1;
92 if (time_cnt > 1)begin
93 time_cnt <= time_cnt - 1'b1;
94 state <= state;
95 end
96 else begin
97 time_cnt <= TIME_LED_G;
98 state <= 2'b0; //切换到状态1
99 end
100 end
101 default: begin
102 state <= 2'b0;
103 time_cnt <= TIME_LED_G;
104 end
105 endcase
106 end
107 end
108
109 endmodule
因为交通灯控制模块是以秒为单位计时的， 所以在代码第25行到第43行， 我们通过分频产生频率为1HZ、 周期为1s的时钟。 在前面讲解表 49.3.1的时候， 我们提到信号灯有4个工作状态,并且每个状态的持续时间已经作了详细的说明。 所以在代码第52行至第100行， 通过
time_cnt计数器来切换这4个工作状态， 并且在每个状态里， 将东西和南北方向信号灯的状态剩余时间， 分别赋值给ew_time、 和sn_time寄存器。 在讲解表 49.3.1的时候， 提到状态1里东西向红灯和南北向绿灯一起发光27s， 但是实际上， 红灯一共要发光30s， 绿灯一共要发光27s。
那么， 在状态1开始的时候， 东西方向红灯对应的数码管显示的初始值应该为29， 南北方向绿灯对应的数码管显示的初始值应该为26， 然后每秒各个方向数码管显示的值都递减1； 状态1结束时， 东西方向红灯对应的数码管显示3， 南北方向绿灯对应的数码管显示0。 在状态2开始
的时候， 东西方向红灯对应的数码管显示2， 南北方向黄灯对应的数码管也显示2。 状态结束的时候， 两个方向的数码管都显示0。 其他状态数码管的显示原理也是类似的。需要注意的是， 在代码第56行、 68行、 80行、 92行， 当time_cnt等于1的时候跳转状态，
否则下一秒有的数码管会显示错误， 比如显示63。 这是因为当time_cnt等于0的时候跳转， 由于time_cnt是6位寄存器， time_cnt-1则为6’ b111111， 也就是63。如图 49.4.3为交通灯控制模块的仿真图。 state信号标示当前信号灯所处的工作状态。 通
过仿真图我们可以看出，在state等于00的时候（表 49.1.1处提到的状态1），ew_time和sn_time的信号变化情况符合设计要求。
图 49.4.3 交通灯控制模块仿真图
数码管显示模块的代码如下：
1 module seg_led(
2 input sys_clk , //系统时钟
3 input sys_rst_n , //系统复位
4 input ew_time , //东西方向数码管要显示的数值
5 input sn_time , //南北方向数码管要显示数值
6 input en , //数码管使能信号
7 output reg sel , //数码管位选信号
8 output reg seg_led //数码管段选信号,包含小数点
9 );
10
11 //parameter define
12 parameter WIDTH = 50_000; //计数1ms的计数深度
13
14 //reg define
15 reg cnt_1ms; //计数1ms的计数器
16 reg cnt_state; //用于切换要点亮数码管
17 reg num; //数码管要显示的数据
18
19 //wire define
20 wire data_ew_0; //东西方向数码管的十位
21 wire data_ew_1; //东西方向数码管的各位
22 wire data_sn_0; //南北方向数码管的十位
23 wire data_sn_1; //南北方向数码管的各位
24
25 //*****************************************************
26 //** main code
27 //*****************************************************
28 assign data_ew_0 = ew_time / 10; //取出东西向时间数据的十位
29 assign data_ew_1 = ew_time % 10; //取出东西向时间数据的个位
30 assign data_sn_0 = sn_time / 10; //取出南北向时间数据的十位
31 assign data_sn_1 = sn_time % 10; //取出南北向时间数据的个位
32
33 //计数1ms
34 always @ (posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
35 if (!sys_rst_n)
36 cnt_1ms <= 15'b0;
37 else if (cnt_1ms < WIDTH - 1'b1)
38 cnt_1ms <= cnt_1ms + 1'b1;
39 else
40 cnt_1ms <= 15'b0;
41 end
42
43 //计数器， 用来切换数码管点亮的4个状态
44 always @ (posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
45 if (!sys_rst_n)
46 cnt_state <= 2'd0;
47 else if (cnt_1ms == WIDTH - 1'b1)
48 cnt_state <= cnt_state + 1'b1;
49 else
50 cnt_state <= cnt_state;
51 end
52
53 //先显示东西方向数码管的十位， 然后是个位。 再显示南北方向数码管的十位， 然后个位
54 always @ (posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
55 if(!sys_rst_n) begin
56 sel <= 4'b1111;
57 num <= 4'b0;
58 end
59 else if(en) begin
60 case (cnt_state)
61 3'd0 : begin
62 sel <= 4'b1110; //驱动东西方向数码管的十位
63 num <= data_ew_0;
64 end
65 3'd1 : begin
66 sel <= 4'b1101; //驱动东西方向数码管的个位
67 num <= data_ew_1;
68 end
69 3'd2 : begin
70 sel <= 4'b1011; //驱动南北方向数码管的十位
71 num <= data_sn_0;
72 end
73 3'd3 : begin
74 sel <= 4'b0111; //驱动南北方向数码管的个位
75 num <= data_sn_1 ;
76 end
77 default : begin
78 sel <= 4'b1111;
79 num <= 4'b0;
80 end
81 endcase
82 end
83 else begin
84 sel <= 4'b1111;
85 num <= 4'b0;
86 end
87 end
88
89 //数码管要显示的数值所对应的段选信号
90 always @ (posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
91 if (!sys_rst_n)
92 seg_led <= 8'b0;
93 else begin
94 case (num)
95 4'd0 : seg_led <= 8'b1100_0000;
96 4'd1 : seg_led <= 8'b1111_1001;
97 4'd2 : seg_led <= 8'b1010_0100;
98 4'd3 : seg_led <= 8'b1011_0000;
99 4'd4 : seg_led <= 8'b1001_1001;
100 4'd5 : seg_led <= 8'b1001_0010;
101 4'd6 : seg_led <= 8'b1000_0010;
102 4'd7 : seg_led <= 8'b1111_1000;
103 4'd8 : seg_led <= 8'b1000_0000;
104 4'd9 : seg_led <= 8'b1001_0000;
105 default : seg_led <= 8'b1100_0000;
106 endcase
107 end
108 end
109
110 endmodule
由动态数码管实验可知， 数码管显示刷新速度在毫秒级是比较合适。 所以在代码第33行至第41行， 产生一个计时周期为1ms的计数器。 为了产生数码管位选控制信号， 在代码第16行设置了一个2位计数器cnt_state。 每经过1ms， 计数器累加1次。 总共能计数0,1,2,3这四个10进
制数。 在代码第60行至80行， 依据cnt_state的值， 通过给sel寄存器赋值来驱动数码管不同的位选， 并将选中位要显示的数值赋值给num寄存器。 在代码第94行至代码第104行， 根据num的值可以产生相应的段选控制信号seg_led。
如图 49.4.4为数码管显示模块的仿真图。 在ew_time和sn_time的值分别为24和21时， 在这1s期间， 数码管位选信号sel循环切换数码管对应的位选信号， 然后依据num寄存器产生对应的段选信号seg_led。
图 49.4.4 数码管显示模块仿真图
led灯控制模块的代码如下：
1 module led (
2 input sys_clk , //系统时钟
3 input sys_rst_n , //系统复位
4 input state , //交通灯的状态
5 output reg led //红黄绿LED灯发光使能
6 );
7 8
//parameter define
9 parameter TWINKLE_CNT = 20_000_000; //让黄灯闪烁的计数次数
10
11 //reg define
12 reg cnt; //让黄灯产生闪烁效果的计数器
13
14 //计数时间为0.2s的计数器， 用于让黄灯闪烁
15 always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)begin
16 if(!sys_rst_n)
17 cnt <= 25'b0;
18 else if (cnt < TWINKLE_CNT - 1'b1)
19 cnt <= cnt + 1'b1;
20 else
21 cnt <= 25'b0;
22 end
23
24 //在交通灯的四个状态里， 使相应的led灯发光
25 always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)begin
26 if(!sys_rst_n)
27 led <= 6'b100100;
28 else begin
29 case(state)
30 2'b00:led<=6'b100010; //led寄存器从高到低分别驱动： 东西向
31 //红绿黄灯， 南北向红绿黄灯
32 2'b01: begin
33 led<=5'b10000;
34 if(cnt == TWINKLE_CNT - 1'b1) //计数满0.2秒让黄灯的亮灭状况切换一次
35 //产生闪烁的效果
36 led <= ~led;
37 else
38 led <= led;
39 end
40 2'b10:led<=6'b010100;
41 2'b11: begin
42 led<=2'b00;
43 led<=3'b100;
44 if(cnt == TWINKLE_CNT - 1'b1)
45 led <= ~led;
46 else
47 led <= led;
48 end
49 default:led<=6'b100100;
50 endcase
51 end
52 end
53
54 endmodule
在代码的第25行至第48行， 根据所处的状态值state， 驱动相应的led灯发光。 输出的高3位led从高到低分别驱动东西方向的红、 黄、 绿三个LED灯， 输出的低3位led分别驱动南北方向红、 黄、 绿灯三个LED灯。在黄灯亮的状态期间， 为了产生闪烁的效果， 需要在一段时间内使其发光， 在另一段时间内使其熄灭， 这样循环直到黄灯发光的状态结束。 在代码第14行至代码第22行， 产生一个计数周期为0.2s的计数器， 每0.2s让黄灯的亮灭状态切换一次， 实现闪烁的效果。
图 49.4.5为led控制模块的仿真图。 可以看到， 在state的值为01和11时（东西方向或者南北方向有黄灯发光的状态） ， led寄存器的值在一直在变化。
图 49.4.5 led控制模块仿真图
仿真文件代码如下所示， ：
1 `timescale 1ns/1ns
2 module tb_top_traffic ;
3 reg sys_clk ; //系统时钟
4 reg sys_rst_n ; //系统复位
5 6
wire sel ; //数码管位选信号
7 wire seg_led ; //数码管段选信号
8 wire led ; //led灯控制信号
9 1
0 initial begin
11 sys_clk <= 1'b0;
12 sys_rst_n <= 1'b0;
13 # 20 sys_rst_n <= 1'b1;
14 end
15
16 always # 10 sys_clk = ~sys_clk; //产生频率为50Mhz的时钟
17
18 //例化交通灯顶层模块
19 top_traffic u_top_traffic(
20 .sys_clk (sys_clk ),
21 .sys_rst_n (sys_rst_n ),
22 .sel (sel ),
23 .seg_led (seg_led ),
24 .led (led )
25 );
26
27 endmodule
49.5 下载验证
首先我们打开交通灯实验工程， 在工程所在的路径下打开top_traffic/par文件夹， 在里面找到“top_traffic.qsf” 并双击打开。 注意工程所在的路径名只能由字母、 数字以及下划线组成， 不能出现中文、 空格以及特殊字符等。 工程打开后如图 49.5.1所示：
图 49.5.1 交通信号灯工程
将交通信号灯模块按照排母上丝印标识插在开发板上左边的P6扩展口上， 然后将下载器一端连接电脑， 另一端与开发板上对应端口连接， 最后连接电源线并打开电源开关（如图 49.5.3所示） 。
接下来我们下载程序， 验证交通灯实验的功能。 工程打开后通过点击工具栏中的“Programmer” 图 标 打 开 下 载 界 面 ， 通 过 “Add File” 按 钮 选 择top_traffic/par/output_files目录下的“top_traffic.sof” 文件。 开发板电源打开后， 在程序 下载 界面 点击 “Hardware Setup” ， 在 弹出 的对 话框 中选 择当前 的硬 件连 接为“USB-Blaster” 。然后点击“Start” 将工程编译完成后得到的sof文件下载到开发板中， 如图 49.5.2所示：
图 49.5.2 程序下载完成界面
程序下载完成后， 可以观察到交通信号灯开始工作， 说明交通灯实验验证成功， 实验结果如下图所示：
图 49.5.3 实验效果
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