交通信号灯控制系统,交通信号灯控制系统设计

交通信号灯控制系统,交通信号灯控制系统设计,交通信号灯控制系统设计 作为一个硬件程序设计民工,最近一直在学习python,写个爬虫,排个序,再画个界面,其实还是挺好玩的。然而这不是我的主业啊!!!-_-|||

交通信号灯控制系统,交通信号灯控制系统设计,交通信号灯控制系统设计

作为一个硬件程序设计民工,最近一直在学习python,写个爬虫,排个序,再画个界面,其实还是挺好玩的。然而这不是我的主业啊!!!-_-|||

下学期开学就要找工作了,明天刚好是新的一个月,还是滚回去调我的FPGA吧。

今天先更新一个很小很小的例子作为开端,这是前几天xxx给我出的一道很随意的题目,主要是看面对一个项目,如何进行需求分析,模块功能划分以及仿真验证,当然还有如何写文档。

 

一、需求分析

设计一个十字路口交通等控制系统,其要求如下:

(1)东西(用A表示)、南北(用B表示)方向均有红灯、绿灯、黄灯指示,东西向持续时间暂定为50s、5s和45s(对应南北向持续时间为40s、5s和55s),要求可以更改该时间。交通灯正常运行的切换示意图如图1.1所示。

交通信号灯控制系统,交通信号灯控制系统设计

图1.1 交通控制系统正常运行切换示意图

(2)系统设有时钟,以倒计时方式显示每一路允许通行的时间。

(3)当任何一个方向出现特殊情况时,系统可由交警手动控制进入特殊运行状态,即红灯全亮,时钟停止计时,东西、南北向所有车辆停止通行;当特殊运行状态结束后,系统恢复工作,继续正常运行。

二、原理分析

本系统以秒为时间单位运行,其核心工作过程可用状态机进行描述:

EMRG:紧急制动状态,东西(A)方向红灯亮,南北(B)方向红灯亮,当紧急制动信号(hold=’0’)时进入这种状态;

AgBr:东西(A)方向绿灯亮,南北(B)方向红灯亮,此状态持续50秒的时间;

AyBr:东西(A)方向黄灯亮,南北(B)方向红灯亮,此状态持续5秒的时间;

ArBg:东西(A)方向红灯亮,南北(B)方向绿灯亮,此状态持续40秒的时间;

ArBy:东西(A)方向红灯亮,南北(B)方向黄灯亮,此状态持续5秒的时间。

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图2.1 交通控制系统状态转移图

当紧急制动信号无效(hold=’1’)时,状态机按照AgBr- AyBr- ArBg- ArBy- AgBr循环;当紧急制动信号有效(hold=’0’) 时,状态机进入EMRG,两个方向红灯全亮,计数器停止计数;当紧急制动信号再恢复无效时,状态机会回到原来的状态继续执行。

三、系统框架

如图3.1所示,本系统主要有分频器、控制器、计数器和数码管译码器组成。

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图3.1交通信号灯控制系统原理图

分频器将系统时钟分频成1Hz时钟信号,将其输出到信号灯控制器和倒计时计数器模块;控制器实现100s的计数(该计数值为AgBr,AyBr,ArBg,ArBy四个状态的时间总和,可由用户自行修改),100s是交通信号控制系统完成一次大循环所需的时间,在该时间内控制系统的状态转移以及AB两路信号的输出;倒计时模块实现50s、45s和5s的倒计时,该计数值可由用户自行修改;数码管译码模块负责将一位十进制数转换成对应的数码管段码值。

四、模块设计 1、分频器设计

负责将输入的系统时钟(通常以MHz为量级)分频成1Hz时钟信号,供后级模块使用。

其接口信号如图4.1所示,clk为系统时钟信号;rst_n为系统复位信号,低电平有效;clk_1Hz为输出信号。除此之外,该模块向上一级模块提供一个参数接口,用于配置当前系统时钟。

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图4.1 分频器模块接口

2、控制器设计

负责在时钟信号的控制下,交替控制两路红绿黄信号的输出;当出现紧急状态时,可手动控制两路的信号灯输出红色;当紧急状态解除后,恢复到进入紧急状态之前的状态。

各个状态之间的切换使用状态机来实现,状态机采用三段式独热编码,其中5'b00001表示EMRG、5'b00010表示AgBr、5'b00100表示AyBr、5'b01000表示ArBg、5'b10000表示ArBy。

其接口信号如图4.2所示,clk为1Hz时钟信号;rst_n为系统复位信号,低电平有效;hold_n为紧急制动输入,低电平有效;red_a,green_a,yellow_a, red_b,green_b,yellow_b分别为AB两路的红绿黄交通信号灯输出;state表示当前交通信号灯的状态,该信号输出到倒计时模块。

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图4.2 控制器模块接口

3、计数器设计

负责在时钟信号的控制下,对每一个state进行倒计时,倒计时的初值由用户设置;并将该倒计时按十位和个位分别输出。

其接口信号如图4.3所示,clk为1Hz时钟信号;rst_n为系统复位信号,低电平有效;state为控制器输出,每当state改变时,计数器重载计数初值并开始倒计时;count_h,count_l分别为倒计时数值的十位和个位,输出到数码管译码模块。 

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图4.3 计数器模块接口

4、数码管译码器设计

将一位十进制数转换为数码管对应的段码值,数码管采用共阳极接法。

其接口信号如图4.4所示,data为一位十进制数输入;seg为8比特段码值输出,信号按照从低到高的顺序依次为数码管的dp、seg_a、seg_b、seg_c、seg_d、seg_e、seg_f、seg_g。

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  图4.4 数码管译码模块接口

五、验证项

由于该设计顶层除时钟和复位信号外,仅有一个紧急制动(hold)信号,因此只需要对该信号进行验证即可。

方法:产生一个随机的时间(时间值为5000000 ± 500ns),系统运行到该时间以后,使hold_n拉低并保持10000 ± 1000ns,观察此时系统的运行状态;重复5次。

六、仿真结果 1、分频器仿真结果

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图6.1分频器仿真结果

在仿真环境下使用的分频系数是100。

2、控制器仿真结果

如图6.2所示,当系统复位或初始化时,控制器会短暂的进入一个紧急状态,1s以后开始正常工作。

 

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图6.2 复位之后仿真结果

系统正常运行仿真结果如图6.3所示,A路绿灯持续50s后进入黄灯状态,此时B路一直处于红灯状态;B路绿灯持续40s后进入黄灯状态,此时A路一直处于红灯状态。

 

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图6.3 正常运行仿真结果

如图6.4所示,当hold按下时,系统进入紧急制动状态。此时AB两路均亮红灯,倒计时暂停;当hold释放时,系统恢复到进入紧急状态之前的状态,倒计时继续。

 

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图6.4 紧急制动状态仿真

3、计数器仿真结果

系统正常运行时计数器各信号如图6.5所示,此时A路绿灯时间为50s,黄灯时间为5s,红灯时间45秒;B路绿灯时间为40s,黄灯时间为5s,红灯时间55秒。

 

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图6.5 正常运行仿真结果

当出现紧急状态时,两路均停止计时;退出紧急状态后恢复计时。

 

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图6.6 紧急状态仿真结果

4、数码管译码仿真结果

数码管采用共阳极接法:

 

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图6.7 数码管译码仿真结果

 

以下是控制器的部分代码:

 1 //==================================================================================================
 2 // Filename : control.v
 3 // Created On : 2016-06-19 10:21:38
 4 // Last Modified : 2016-06-22 20:15:01
 5 // Revision : 
 6 // Author : christ_song
 7 // Company : Xidian ISN
 8 // Email : christsong0127@gmail.com
 9 //
 10 // Description : 控制两路红绿灯的状态切换
 11 // hold信号表示紧急制动
 12 //
 13 //==================================================================================================
 14 `include "define.v"
 16 module CONTROL(
 17 input clk,
 18 input rst_n,
 19 input hold_n,
 20 output reg red_a,
 21 output reg green_a,
 22 output reg yellow_a,
 23 output reg red_b,
 24 output reg green_b,
 25 output reg yellow_b,
 26 //与倒计时模块的接口
 27 output reg [4:0] state
 28 );
 30 // localparam EMRG = 5'b00001;
 31 // localparam AgBr = 5'b00010;
 32 // localparam AyBr = 5'b00100;
 33 // localparam ArBg = 5'b01000;
 34 // localparam ArBy = 5'b10000;
 35 localparam TimeRound = `AgBr_time + `AyBr_time + `ArBg_time + `ArBy_time + 8'd3;
 37 reg [4:0] next_state;
 38 reg [7:0] time_cnt;
 39 always @(posedge clk or negedge rst_n)
 40 if (!rst_n) 
 41 time_cnt =#1 8'b0;
 42 else if(!hold_n)
 43 time_cnt =#1 time_cnt;
 44 else if(time_cnt = TimeRound)
 45 time_cnt =#1 8'b0;
 46 else 
 47 time_cnt =#1 time_cnt + 1'b1;
 49 always @(posedge clk or negedge rst_n)
 50 if (!rst_n)
 51 state =#1 `EMRG;
 52 else 
 53 state =#1 next_state;
 54 always @(*)
 55 case(state)
 56 `EMRG:
 57 if(!hold_n)
 58 next_state = `EMRG;
 59 else if(time_cnt `AgBr_time)
 60 next_state = `AgBr;
 61 else if(time_cnt `AgBr_time + `AyBr_time + 8'd1)
 62 next_state = `AyBr;
 63 else if(time_cnt `AgBr_time + `AyBr_time + `ArBg_time + 8'd2)
 64 next_state = `ArBg;
 65 else
 66 next_state = `ArBy; 
 67 `AgBr:
 68 if(!hold_n)
 69 next_state = `EMRG;
 70 else if(time_cnt `AgBr_time)
 71 next_state = `AgBr;
 72 else
 73 next_state = `AyBr;
 74 `AyBr:
 75 if(!hold_n)
 76 next_state = `EMRG;
 77 else if(time_cnt `AgBr_time + `AyBr_time + 8'd1)
 78 next_state = `AyBr;
 79 else
 80 next_state = `ArBg; 
 81 `ArBg:
 82 if(!hold_n)
 83 next_state = `EMRG;
 84 else if(time_cnt `AgBr_time + `AyBr_time + `ArBg_time + 8'd2)
 85 next_state = `ArBg;
 86 else
 87 next_state = `ArBy;
 88 `ArBy:
 89 if(!hold_n)
 90 next_state = `EMRG;
 91 else if(time_cnt TimeRound)
 92 next_state = `ArBy;
 93 else
 94 next_state = `AgBr;
 95 default:
 96 next_state = `EMRG;
 97 endcase
 98 always @(posedge clk or negedge rst_n)
 99 if (!rst_n) begin
100 {red_a, green_a, yellow_a} =#1 3'b100;
101 {red_b, green_b, yellow_b} =#1 3'b100;
102 end
103 else
104 case(state)
105 `EMRG:
106 begin
107 {red_a, green_a, yellow_a} =#1 3'b100;
108 {red_b, green_b, yellow_b} =#1 3'b100;
109 end
110 `AgBr:
111 begin
112 {red_a, green_a, yellow_a} =#1 3'b010;
113 {red_b, green_b, yellow_b} =#1 3'b100;
114 end
115 `AyBr:
116 begin
117 {red_a, green_a, yellow_a} =#1 3'b001;
118 {red_b, green_b, yellow_b} =#1 3'b100;
119 end
120 `ArBg:
121 begin
122 {red_a, green_a, yellow_a} =#1 3'b100;
123 {red_b, green_b, yellow_b} =#1 3'b010;
124 end
125 `ArBy:
126 begin
127 {red_a, green_a, yellow_a} =#1 3'b100;
128 {red_b, green_b, yellow_b} =#1 3'b001;
129 end
130 endcase
132 endmodule

仿真代码:

 1 //==================================================================================================
 2 // Filename : TB.v
 3 // Created On : 2016-06-19 10:05:43
 4 // Last Modified : 2016-06-21 21:03:59
 5 // Revision : 
 6 // Author : christ_song
 7 // Company : Xidian ISN
 8 // Email : christsong0127@gmail.com
 9 //
10 // Description : Testbench for Urban Traffic Control system
11 //
12 //
13 //==================================================================================================
14 `timescale 1ns/1ps
16 module TB;
18 reg clk;
19 reg rst_n;
20 reg hold_n;
21 wire red_a;
22 wire green_a;
23 wire yellow_a;
24 wire red_b;
25 wire green_b;
26 wire yellow_b;
27 wire [7:0] A_seg_l;
28 wire [7:0] A_seg_h;
29 wire [7:0] B_seg_l;
30 wire [7:0] B_seg_h;
32 UTC_top #(100) U_UTC_top
34 .clk(clk),
35 .rst_n(rst_n),
36 .hold_n(hold_n),
37 .red_a(red_a),
38 .green_a(green_a),
39 .yellow_a(yellow_a),
40 .red_b(red_b),
41 .green_b(green_b),
42 .yellow_b(yellow_b),
43 .A_seg_l(A_seg_l),
44 .A_seg_h(A_seg_h),
45 .B_seg_l(B_seg_l),
46 .B_seg_h(B_seg_h)
47 );
49 initial begin
50 clk = 0;
51 rst_n = 1;
52 hold_n = 1;
53 #30
54 sys_rst(100);
55 repeat(5) hold;
56 #10000;
57 $stop;
58 end
60 always #5 clk = ~clk;
62 task sys_rst;
63 input [10:0] rst_time; //调用task的时候,将参数赋值给rst_time
64 begin
65 rst_n = 0;
66 #rst_time;
67 rst_n = 1;
68 end
69 endtask
71 task hold;
72 integer i,hold_time;
73 begin
74 i = 5000000 + $random % 500;
75 hold_time = 10000 + $random % 1000;
76 #i 
77 hold_n = 0;
78 #hold_time;
79 hold_n = 1;
80 end
81 endtask
83 endmodule

 

 

 

 

 

#2020.10.23  更新#

早就不维护博客了,没想到还有人会看,放个链接吧,不提供任何帮助,需要请自取!

链接: https://pan.baidu.com/s/1_5UXqXqatNDOjauQODLUDg 提取码: sd8t 

标题:交通信号灯控制系统,交通信号灯控制系统设计|http://www.wc10086.cn/362454.html

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