FPGA 实现交通灯控制系统的设计
一、实验目的与要求
掌握用FPGA 可编程逻辑器件实现交通灯控制系统的基本功能的设计方法。 熟悉交通灯控制系统的ASM 图和状态转换图的设计方法。
二、实验原理
1、设计要求
设计一个十字路口主干道和支干道的交通灯控制系统，其示意图如图1－1所示。
主干道
支干道主干道
支干道
(a) 交通灯干道示意图 (b) 交通灯控制框图
图1－1 交通灯控制示意图
其功能要求如下:(1)支干道两边安装传感器S ，要求优先保证主干道的畅通。主干道绿灯亮、支干道红灯亮，并且主干道绿灯亮的时间不得少于60秒。(2)主干道无车，支干道有车时，则主干道红灯亮、支干道绿灯亮。但支干道绿灯亮的时间不得超过30秒。(3)主干道或支干道绿灯变红灯时，黄灯先亮5秒钟。
2、系统组成框图
根据上述功能要求，设计的交通灯控制系统组成框图如图1－2所示。其中定时器向控制器发出定时信号T L (主干道绿灯亮60秒) 、Ts(支干道绿灯亮30秒) 和T Y (黄灯亮5秒) ，如果定时时间到，则控制器向定时器发出状态转换信号S T ，定时器清零，准备重新计数。译码电路在控制器的控制下，改变红、绿、黄交通灯的显示。
时钟
1－2 交通灯控制系统组成框图
3、画ASM 图
设HG 、HY 、HR 分别表示主干道绿灯、黄灯、红灯；FG 、FY 、FR 分别表示支干道绿灯、黄灯、红灯。T L 为主干道绿灯亮的最短时间，不少于60秒；T S 为支干道绿灯亮的最长时间，不多于30秒。T Y 为主干道或支干道黄灯亮的时间为5秒。定时器分别产生60秒、30秒、5秒三个定时时间，向控制器发出定时时间已到信号，控制器根据定时器及传感器的信号，决定是否进行状态转换。如果肯定，则控制器发出状态转换信号S T ，定时器开始清零，准备重新计时。
设交通灯控制器的控制过程分为四个阶段，对应的输出有四种状态，分别用S 0、 S 1、 S 2
和S 3表示：
S 0状态：主干道绿灯亮支干道红灯亮，此时若支干道有车等待通过，而且主干道绿灯已亮足规定的时间间隔T L ，控制器发出状态转换信号S T ，输出从状态S 0转换到S 1。 S 1状态：主干道黄灯亮，支干道红灯亮，进入此状态，黄灯亮足规定的时间间隔T Y 时，控制器发出状态转换信号S T ，输出从状态S 1转换到S 2。
S 2状态：支干道绿灯亮，主干道红灯亮，若此时支干道继续有车，则继续保持此状态，但支干道绿灯亮的时间不得超过T S 时间间隔，否则控制器发出状态转换信号S T ，使输出转换到S 3状态。
S 3状态：支干道黄灯亮，主干道红灯亮，此时状态与S 1状态持续的时间间隔相同，均为T Y ，时间到时，控制器发出S T 信号，输出从状态S 3回到S 0状态。
对上述S 0、S 1、S 2和S 3四种状态按照格雷码进行编码分别为00、01、11和10，由此得到交通灯控制系统的ASM 图如图1－3所示。设系统的初始状态为主干道绿灯亮、支干道红灯亮，用S 0状态框表示。当S 0状态持续时间T L 大于等于60秒，并且支干道有车等待通过，传感器S=1时，此时满足判断框中的T L ·S =1条件，系统控制器发出状态转换信号S T ，由条件输出框表示，同时系统从状态S 0转到主干道黄灯亮、支干道红灯亮的S 1状态。依此类推得出1－3所示的ASM 的图。
1－3 交通灯控制器ASM 图
4、设计交通灯控制器的各功能模块电路
（1）设计控制器
T L ⋅S
T Y
图1－4 交通灯控制器状态转换图
根据图1－3所示交通灯控制系统的ASM 图，得出系统状态图如图1－4所示。ASM 图中的状态框与状态图中的状态相对应，判断框中的条件是状态转换的输入条件，条件输出框与控制器状态转换的输出相对应。状态图是描述状态之间的转换，例如在S 0状态，如果条件T L . S=1时，系统状态转移到S 1，同时输出状态转换信号S T 。如果T L ·S = 0，则系统保持在S 0状态。
（2）设计定时器
定时器由与系统秒脉冲同步的计数器构成，时钟脉冲上升沿到来时，在控制信号S T 作
用下，计数器从零开始计数，并向控制器提供模M5、M30和M60信号，即T Y 、T S 和T L 定时时间信号。
当系统处于S 0状态，为满足主干道绿灯亮、支干道红灯亮的定时时间T L ≥60秒，当二进制计数器从0计数到59时，要将M60的输出端反馈到计数器的使能端EN ，使它计到59时停止计数，并保持在M=60的状态直到支干道有车要通过时，才转换到S 1状态。 要求计数器在状态转换信号S T 作用下，首先清零，然后开始计数。定时器框图如图1－5
S M5
图1－5 定时器框图
计数器具有高电平有效使能端EN ，低电平有效同步清零端CLR 和进位输出端C O 。控制器发出的S T 信号是高电平有效，所以经反相后接至计数器清零端，当计数到Q 5 Q 4Q 3Q 2Q 1Q 0=111011，即M=60时，C o =1，将其反相后接入使能端EN ，就可以保持在M=60状态。
定时器也可以采用可预置计数初始值的递减计数器实现，当计数器从初始值59减到0时停止计数，具体实现方法请读者自己思考。
(3) 设计译码器
系统的输出是在Q 1Q 0驱动下的六个信号灯，各状态与信号灯的关系如表1－1示
表1－1 信号灯与控制器状态编码表
三、实验内容与步骤
全部程序由学生设计，实验步骤如下：
1、设计交通灯控制系统模块程序（参考程序见附录1）。
2、仿真实验：在quartusII9.0开发环境下，对交通灯信号控制系统的程序进行仿真实
验（设计输入－编译设计项目－仿真验证）。
3、分配可编程逻辑器件芯片的引脚，如表1－2示（参考程序）。
表1－2 交通灯控制系统引脚分配（参考程序）
注：（1）引脚49～59：译码器输入，与实验八定义相同。
（2）拨码开关S1-4向上为“0”，表示支干道无车；拨码开关S1-4向下为“1”表示支干道有车。
4、下载程序：将计算机并口与FPGA 下载部分的DB25接口连接，开启数字部分的电源开关S4，运行quartusII9.0的下载程序，下载完成后主干道绿灯亮，从“00”开始计数。
5、功能测试：按照表1－2进行操作。
表1－2 交通灯控制系统功能测试
四、设计性实验报告要求
1、 简述交通灯信号控制系统的工作原理。
2、 描述你设计的交通灯信号控制系统的程序设计思路与ASM 流程图工作原理。 3、 描述各个程序模块的功能，编写各个电路模块的程序，将编写的源程序作为文件
附录。
4、 将仿真的波形作为文件附录。
5、 参考表1－2 所示的交通灯控制系统，列出功能测试表。 6、分析电路装调中出现的故障及解决的措施。
7、实验心得体会（实验中出现的问题及解决的措施，对动手能力的培养，教学建议等。）
预备知识 实验设备电路板结构
一、实验设备电路板的布局图
图1 实验设备电路板布局图
《ZH-1电子线路综合设计实验教学系统》实验设备电路板的布局图如图1所示。它由红外数据传输部分、高频发射-接收部分（含LC 振荡与调频、高频功放、FM 接收、频率合成）、FPGA 数字电路部分以及自主设计电路的实验面包板部分所组成。本实验设备自带稳压电源，接通设备箱外部右边的三相交流电源插座（内带0.5A 保险丝），开启电源开关，交流电源指示灯亮，内部直流稳压电源开始工作。实验电路板上共有4个电源开关，其中红外部分的电源开关是S3，FPGA 数字电路部分的电源开关是S4，频率合成部分的电源开关是S1，LC 振荡与调频、高频功放和FM 接收这三个电路板共用一个电源开关S2。以上电源接通10分钟以后才能做实验。自主设计电路的实验面包板部分的电源可以由外接的稳压电源引入，也可以由FM 接收部分的电源接线柱提供的直流电压（＋5V 、＋12V 、-12V 和GND ）引入。注意这些电压之间不能短路！！以免将本设备的电源损坏！！
二、各实验电路板部分的信号测试端定义
1、红外部分的信号测试端定义 TJ100 37KHz 编码调制信号端
TJ101 红外信号接收端（TTL 电平输出）
TJ104 红外调制信号端
JP100短路子 单片机89S51的P31与红外发射部分的连接端。如果发射单片机的信号，将JP100的短路子短接。如果发射自己设计的电路信号就断开JP100，信号由TJ104引入。
J100（20芯插座） 单片机89S51的P2和P3与外部的I/O接口 DB25插座 89S51系列单片机的程序下载接口
S101 滑动开关，向上拨下载程序；向下拨运行程序。
TP-WDOG2 89S51系列单片机的程序下载接口，此接口电路必须自行设计。
2、LC 振荡与调频部分的信号测试端定义
TJ400 LC 振荡电路的输出端（5.35MHz 正弦波信号） TJ401 模拟调制信号（1KHz ）输入端 TJ402 数字调制信号（TTL ）输入端
J5短路子 调频信号的输出与功放部分的输入连接端。
3、频率合成部分的信号测试端定义
TJ300 MC145151的4脚输出的直流信号 TJ301 频率合成信号的输出端
TJ303 频率合成信号转变为TTL 电平后经1024分频信号的输出端 UD300 八组拨码开关（SW8最高位，SW1最低位）
J300 频率合成器外部信号输入端（拨码开关UD300的1－8全向下拨）。
4、功放部分的信号测试端定义 TJ500 丙类功放的输出端 TJ501 射随器的输出端 TJ502 丙类功放的输入端
TJ503 射随器的输入端，自行设计LC 振荡调频电路时，J5短路子开路， 振
荡调频电路由此端接入。
J6短路子 功放部分输出与FM 接收部分输入连接端，无线传输时短路子开路。
5、FM 接收部分的信号测试端定义 TJ600 MC3361输入信号测试端 TJ601 解调信号经放大后的输出端 TJ602 解调信号经整形后的TTL 输出端
TJ603 解调信号经功放后的输出端（调节电阻R605，可衰减输入信号。）
6、FPGA 数字部分的信号端定义
DB25插座 FPGA 程序下载接口, 与计算机的并口直接相连 EPF10K10LC84-4的资源分配 见附录1
7、电源接线柱 ＋5V 接线柱 ＋12V 接线柱 -12V 接线柱 GND 接线柱
FPGA 实现交通灯控制系统的设计
一、实验目的与要求
掌握用FPGA 可编程逻辑器件实现交通灯控制系统的基本功能的设计方法。 熟悉交通灯控制系统的ASM 图和状态转换图的设计方法。
二、实验原理
1、设计要求
设计一个十字路口主干道和支干道的交通灯控制系统，其示意图如图1－1所示。
主干道
支干道主干道
支干道
(a) 交通灯干道示意图 (b) 交通灯控制框图
图1－1 交通灯控制示意图
其功能要求如下:(1)支干道两边安装传感器S ，要求优先保证主干道的畅通。主干道绿灯亮、支干道红灯亮，并且主干道绿灯亮的时间不得少于60秒。(2)主干道无车，支干道有车时，则主干道红灯亮、支干道绿灯亮。但支干道绿灯亮的时间不得超过30秒。(3)主干道或支干道绿灯变红灯时，黄灯先亮5秒钟。
2、系统组成框图
根据上述功能要求，设计的交通灯控制系统组成框图如图1－2所示。其中定时器向控制器发出定时信号T L (主干道绿灯亮60秒) 、Ts(支干道绿灯亮30秒) 和T Y (黄灯亮5秒) ，如果定时时间到，则控制器向定时器发出状态转换信号S T ，定时器清零，准备重新计数。译码电路在控制器的控制下，改变红、绿、黄交通灯的显示。
时钟
1－2 交通灯控制系统组成框图
3、画ASM 图
设HG 、HY 、HR 分别表示主干道绿灯、黄灯、红灯；FG 、FY 、FR 分别表示支干道绿灯、黄灯、红灯。T L 为主干道绿灯亮的最短时间，不少于60秒；T S 为支干道绿灯亮的最长时间，不多于30秒。T Y 为主干道或支干道黄灯亮的时间为5秒。定时器分别产生60秒、30秒、5秒三个定时时间，向控制器发出定时时间已到信号，控制器根据定时器及传感器的信号，决定是否进行状态转换。如果肯定，则控制器发出状态转换信号S T ，定时器开始清零，准备重新计时。
设交通灯控制器的控制过程分为四个阶段，对应的输出有四种状态，分别用S 0、 S 1、 S 2
和S 3表示：
S 0状态：主干道绿灯亮支干道红灯亮，此时若支干道有车等待通过，而且主干道绿灯已亮足规定的时间间隔T L ，控制器发出状态转换信号S T ，输出从状态S 0转换到S 1。 S 1状态：主干道黄灯亮，支干道红灯亮，进入此状态，黄灯亮足规定的时间间隔T Y 时，控制器发出状态转换信号S T ，输出从状态S 1转换到S 2。
S 2状态：支干道绿灯亮，主干道红灯亮，若此时支干道继续有车，则继续保持此状态，但支干道绿灯亮的时间不得超过T S 时间间隔，否则控制器发出状态转换信号S T ，使输出转换到S 3状态。
S 3状态：支干道黄灯亮，主干道红灯亮，此时状态与S 1状态持续的时间间隔相同，均为T Y ，时间到时，控制器发出S T 信号，输出从状态S 3回到S 0状态。
对上述S 0、S 1、S 2和S 3四种状态按照格雷码进行编码分别为00、01、11和10，由此得到交通灯控制系统的ASM 图如图1－3所示。设系统的初始状态为主干道绿灯亮、支干道红灯亮，用S 0状态框表示。当S 0状态持续时间T L 大于等于60秒，并且支干道有车等待通过，传感器S=1时，此时满足判断框中的T L ·S =1条件，系统控制器发出状态转换信号S T ，由条件输出框表示，同时系统从状态S 0转到主干道黄灯亮、支干道红灯亮的S 1状态。依此类推得出1－3所示的ASM 的图。
1－3 交通灯控制器ASM 图
4、设计交通灯控制器的各功能模块电路
（1）设计控制器
T L ⋅S
T Y
图1－4 交通灯控制器状态转换图
根据图1－3所示交通灯控制系统的ASM 图，得出系统状态图如图1－4所示。ASM 图中的状态框与状态图中的状态相对应，判断框中的条件是状态转换的输入条件，条件输出框与控制器状态转换的输出相对应。状态图是描述状态之间的转换，例如在S 0状态，如果条件T L . S=1时，系统状态转移到S 1，同时输出状态转换信号S T 。如果T L ·S = 0，则系统保持在S 0状态。
（2）设计定时器
定时器由与系统秒脉冲同步的计数器构成，时钟脉冲上升沿到来时，在控制信号S T 作
用下，计数器从零开始计数，并向控制器提供模M5、M30和M60信号，即T Y 、T S 和T L 定时时间信号。
当系统处于S 0状态，为满足主干道绿灯亮、支干道红灯亮的定时时间T L ≥60秒，当二进制计数器从0计数到59时，要将M60的输出端反馈到计数器的使能端EN ，使它计到59时停止计数，并保持在M=60的状态直到支干道有车要通过时，才转换到S 1状态。 要求计数器在状态转换信号S T 作用下，首先清零，然后开始计数。定时器框图如图1－5
S M5
图1－5 定时器框图
计数器具有高电平有效使能端EN ，低电平有效同步清零端CLR 和进位输出端C O 。控制器发出的S T 信号是高电平有效，所以经反相后接至计数器清零端，当计数到Q 5 Q 4Q 3Q 2Q 1Q 0=111011，即M=60时，C o =1，将其反相后接入使能端EN ，就可以保持在M=60状态。
定时器也可以采用可预置计数初始值的递减计数器实现，当计数器从初始值59减到0时停止计数，具体实现方法请读者自己思考。
(3) 设计译码器
系统的输出是在Q 1Q 0驱动下的六个信号灯，各状态与信号灯的关系如表1－1示
表1－1 信号灯与控制器状态编码表
三、实验内容与步骤
全部程序由学生设计，实验步骤如下：
1、设计交通灯控制系统模块程序（参考程序见附录1）。
2、仿真实验：在quartusII9.0开发环境下，对交通灯信号控制系统的程序进行仿真实
验（设计输入－编译设计项目－仿真验证）。
3、分配可编程逻辑器件芯片的引脚，如表1－2示（参考程序）。
表1－2 交通灯控制系统引脚分配（参考程序）
注：（1）引脚49～59：译码器输入，与实验八定义相同。
（2）拨码开关S1-4向上为“0”，表示支干道无车；拨码开关S1-4向下为“1”表示支干道有车。
4、下载程序：将计算机并口与FPGA 下载部分的DB25接口连接，开启数字部分的电源开关S4，运行quartusII9.0的下载程序，下载完成后主干道绿灯亮，从“00”开始计数。
5、功能测试：按照表1－2进行操作。
表1－2 交通灯控制系统功能测试
四、设计性实验报告要求
1、 简述交通灯信号控制系统的工作原理。
2、 描述你设计的交通灯信号控制系统的程序设计思路与ASM 流程图工作原理。 3、 描述各个程序模块的功能，编写各个电路模块的程序，将编写的源程序作为文件
附录。
4、 将仿真的波形作为文件附录。
5、 参考表1－2 所示的交通灯控制系统，列出功能测试表。 6、分析电路装调中出现的故障及解决的措施。
7、实验心得体会（实验中出现的问题及解决的措施，对动手能力的培养，教学建议等。）
预备知识 实验设备电路板结构
一、实验设备电路板的布局图
图1 实验设备电路板布局图
《ZH-1电子线路综合设计实验教学系统》实验设备电路板的布局图如图1所示。它由红外数据传输部分、高频发射-接收部分（含LC 振荡与调频、高频功放、FM 接收、频率合成）、FPGA 数字电路部分以及自主设计电路的实验面包板部分所组成。本实验设备自带稳压电源，接通设备箱外部右边的三相交流电源插座（内带0.5A 保险丝），开启电源开关，交流电源指示灯亮，内部直流稳压电源开始工作。实验电路板上共有4个电源开关，其中红外部分的电源开关是S3，FPGA 数字电路部分的电源开关是S4，频率合成部分的电源开关是S1，LC 振荡与调频、高频功放和FM 接收这三个电路板共用一个电源开关S2。以上电源接通10分钟以后才能做实验。自主设计电路的实验面包板部分的电源可以由外接的稳压电源引入，也可以由FM 接收部分的电源接线柱提供的直流电压（＋5V 、＋12V 、-12V 和GND ）引入。注意这些电压之间不能短路！！以免将本设备的电源损坏！！
二、各实验电路板部分的信号测试端定义
1、红外部分的信号测试端定义 TJ100 37KHz 编码调制信号端
TJ101 红外信号接收端（TTL 电平输出）
TJ104 红外调制信号端
JP100短路子 单片机89S51的P31与红外发射部分的连接端。如果发射单片机的信号，将JP100的短路子短接。如果发射自己设计的电路信号就断开JP100，信号由TJ104引入。
J100（20芯插座） 单片机89S51的P2和P3与外部的I/O接口 DB25插座 89S51系列单片机的程序下载接口
S101 滑动开关，向上拨下载程序；向下拨运行程序。
TP-WDOG2 89S51系列单片机的程序下载接口，此接口电路必须自行设计。
2、LC 振荡与调频部分的信号测试端定义
TJ400 LC 振荡电路的输出端（5.35MHz 正弦波信号） TJ401 模拟调制信号（1KHz ）输入端 TJ402 数字调制信号（TTL ）输入端
J5短路子 调频信号的输出与功放部分的输入连接端。
3、频率合成部分的信号测试端定义
TJ300 MC145151的4脚输出的直流信号 TJ301 频率合成信号的输出端
TJ303 频率合成信号转变为TTL 电平后经1024分频信号的输出端 UD300 八组拨码开关（SW8最高位，SW1最低位）
J300 频率合成器外部信号输入端（拨码开关UD300的1－8全向下拨）。
4、功放部分的信号测试端定义 TJ500 丙类功放的输出端 TJ501 射随器的输出端 TJ502 丙类功放的输入端
TJ503 射随器的输入端，自行设计LC 振荡调频电路时，J5短路子开路， 振
荡调频电路由此端接入。
J6短路子 功放部分输出与FM 接收部分输入连接端，无线传输时短路子开路。
5、FM 接收部分的信号测试端定义 TJ600 MC3361输入信号测试端 TJ601 解调信号经放大后的输出端 TJ602 解调信号经整形后的TTL 输出端
TJ603 解调信号经功放后的输出端（调节电阻R605，可衰减输入信号。）
6、FPGA 数字部分的信号端定义
DB25插座 FPGA 程序下载接口, 与计算机的并口直接相连 EPF10K10LC84-4的资源分配 见附录1
7、电源接线柱 ＋5V 接线柱 ＋12V 接线柱 -12V 接线柱 GND 接线柱