《新起点之FPGA开发指南 V2.1》第十六章交通灯实验

正点原子运营 · 发表于 2021-10-10 10:34:39

本帖最后由正点原子运营于 2021-10-30 10:07 编辑

1）实验平台：正点原子新起点V2FPGA开发板
2) 章节摘自【正点原子】《新起点之FPGA开发指南 V2.1》
3）购买链接:https://detail.tmall.com/item.htm?id=609758951113
4）全套实验源码+手册+视频下载地址：http://www.openedv.com/docs/boards/fpga/zdyz_xinqidian(V2).html
5）正点原子官方B站：https://space.bilibili.com/394620890
6）正点原子FPGA技术交流QQ群：712557122

第十六章交通灯实验

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：
16.1简介
16.2实验任务
16.3硬件设计
16.4程序设计
16.5下载验证

16.1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 16.1.1所示：

图 16.1.1 交通信号灯

图 16.1.2为十字路口交通信号灯简化示意图：

图 16.1.2 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 16.1.1信号灯状态转换表：

表 16.1.1 交通信号灯状态转换表

表 16.1.1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。
如图 16.1.3为交通信号灯的状态转换图：

图 16.1.3 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。
16.2实验任务
本节实验任务是通过新起点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。
16.3硬件设计
我们的新起点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 16.3.1所示。

图 16.3.1 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 16.3.2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 16.3.2 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 16.3.1 交通信号灯实验管脚分配
表1.png

对应的TCL约束文件如下所示：

set_location_assignment PIN_M2 -to sys_clk
set_location_assignment PIN_M1 -to sys_rst_n
set_location_assignment PIN_R12 -to sel[0]
set_location_assignment PIN_T13 -to sel[1]
set_location_assignment PIN_R11 -to sel[2]
set_location_assignment PIN_G2 -to sel[3]
set_location_assignment PIN_N8 -to seg_led[0]
set_location_assignment PIN_P8 -to seg_led[1]
set_location_assignment PIN_P6 -to seg_led[2]
set_location_assignment PIN_M8 -to seg_led[3]
set_location_assignment PIN_R14 -to seg_led[4]
set_location_assignment PIN_N6 -to seg_led[5]
set_location_assignment PIN_R13 -to seg_led[6]
set_location_assignment PIN_T14 -to seg_led[7]
set_location_assignment PIN_L9 -to led[0]
set_location_assignment PIN_M9 -to led[1]
set_location_assignment PIN_P9 -to led[2]
set_location_assignment PIN_K9 -to led[3]
set_location_assignment PIN_L10 -to led[4]
set_location_assignment PIN_N9 -to led[5]

复制代码

16.4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 16.4.1所示，

图 16.4.1 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 16.4.2 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[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。
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 [3:0] sel , //数码管位选信号
6 output [7:0] seg_led , //数码管段选信号
7 output [5:0] led //LED使能信号
8 );
9
10 //wire define
11 wire [5:0] ew_time; //东西方向状态剩余时间数据
12 wire [5:0] sn_time; //南北方向状态剩余时间数据
13 wire [1:0] 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

复制代码

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 [1:0] state , //交通灯的状态，用于控制LED灯的点亮
7 output reg [5:0] ew_time , //交通灯东西向数码管要显示的时间数据
8 output reg [5:0] 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 [5:0] time_cnt; //产生数码管显示时间的计数器
19 reg [24:0] 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 [url=home.php?mod=space&uid=95564]@[/url] (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

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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 16.3.1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 16.3.1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 16.4.3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 16.1.1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 16.4.3 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 [5:0] ew_time , //东西方向数码管要显示的数值
5 input [5:0] 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 [3:0] sel , //数码管位选信号
8 output reg [7:0] 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 [15:0] cnt_1ms; //计数1ms的计数器
16 reg [1:0] cnt_state; //用于切换要点亮数码管
17 reg [3:0] num; //数码管要显示的数据
18
19 //wire define
20 wire [3:0] data_ew_0; //东西方向数码管的十位
21 wire [3:0] data_ew_1; //东西方向数码管的各位
22 wire [3:0] data_sn_0; //南北方向数码管的十位
23 wire [3:0] 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

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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 16.4.4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 16.4.4 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 [1:0] state , //交通灯的状态
5 output reg [5:0] 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 [24:0] 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[5:1]<=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[0] <= ~led[0];
37 else
38 led[0] <= led[0];
39 end
40 2'b10:led<=6'b010100;
41 2'b11: begin
42 led[5:4]<=2'b00;
43 led[2:0]<=3'b100;
44 if(cnt == TWINKLE_CNT - 1'b1)
45 led[3] <= ~led[3];
46 else
47 led[3] <= led[3];
48 end
49 default:led<=6'b100100;
50 endcase
51 end
52 end
53
54 endmodule

复制代码

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[5:3]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[2:0]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 16.4.5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。