交通燈圖像VGA顯示DE1-SoC開發(fā)板紅綠燈VHDL設(shè)計(jì)報(bào)告

名稱：交通燈圖像VGA顯示DE1-SoC開發(fā)板紅綠燈（代碼在文末下載）

軟件：Quartus II

語言：VHDL

代碼功能：

本設(shè)計(jì)使用VHDL語言設(shè)計(jì)VGA顯示的交通燈，VGA顯示屏上顯示主干道和支干道，道路用白色線條描繪，每個(gè)道路中間用黃色線條隔開分為左右兩個(gè)車道。每條主干道和支干道都對(duì)應(yīng)有3個(gè)紅綠燈，分別為紅色、黃色、綠色。紅黃綠三色交通燈指揮車輛的通行，紅燈停，綠燈行，黃燈為綠燈到紅燈的過渡。其中左轉(zhuǎn)和直行都按紅綠燈的指示通行，右轉(zhuǎn)的話不需要看紅綠燈，在任何時(shí)刻均可右轉(zhuǎn)。

本代碼已在DE1-SoC開發(fā)板驗(yàn)證，其他開發(fā)板可以修改管腳適配，開發(fā)板如下：

實(shí)際上板驗(yàn)證效果如下：

FPGA代碼Verilog/VHDL代碼資源下載：www.hdlcode.com

部分代碼展示:

LIBRARY?ieee;
???USE?ieee.std_logic_1164.all;
ENTITY?vga_controller_top?IS
???PORT?(??????
??????clk_50M???:?IN?STD_LOGIC;
??????rst???????:?IN?STD_LOGIC;
??????hsync?????:?OUT?STD_LOGIC;
??????vsync?????:?OUT?STD_LOGIC;
key_1?????:?IN?STD_LOGIC;
key_2?????:?IN?STD_LOGIC;
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VGA_BLANK_N???:?OUT?STD_LOGIC;
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??????branch_green_add???:?IN?STD_LOGIC;--支路綠燈加
??????branch_green_sub???:?IN?STD_LOGIC;--支路綠燈減
??????HEX0??:?OUT?STD_LOGIC_VECTOR(6?DOWNTO?0);--數(shù)碼管段選
HEX1??:?OUT?STD_LOGIC_VECTOR(6?DOWNTO?0);--數(shù)碼管段選
HEX2??:?OUT?STD_LOGIC_VECTOR(6?DOWNTO?0);--數(shù)碼管段選
HEX3??:?OUT?STD_LOGIC_VECTOR(6?DOWNTO?0);--數(shù)碼管段選
??????rgb???????:?OUT?STD_LOGIC_VECTOR(11?DOWNTO?0)
???);
END?vga_controller_top;
ARCHITECTURE?behave?OF?vga_controller_top?IS
--???COMPONENT?clk_PLL?IS
--??????PORT?(
--?????????refclk???????:?IN?STD_LOGIC;
--?????????rst?????:?IN?STD_LOGIC;
--?????????outclk_0???:?OUT?STD_LOGIC
--??????);
--???END?COMPONENT;
--交通燈控制
COMPONENT?Traffic_Light_Control?IS
???PORT?(
??????clk?????:?IN?STD_LOGIC;--50Mhz
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main_key?:?IN?STD_LOGIC;
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??????main_green_add?????:?IN?STD_LOGIC;--主路綠燈加
??????main_green_sub?????:?IN?STD_LOGIC;--主路綠燈減
??????branch_green_add???:?IN?STD_LOGIC;--支路綠燈加
??????branch_green_sub???:?IN?STD_LOGIC;--支路綠燈減
??????R1??????:?OUT?STD_LOGIC;--高電平亮，主路紅燈
??????G1??????:?OUT?STD_LOGIC;--高電平亮，主路綠燈
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??????R2??????:?OUT?STD_LOGIC;--高電平亮，支路紅燈
??????G2??????:?OUT?STD_LOGIC;--高電平亮，支路綠燈
??????Y2??????:?OUT?STD_LOGIC;--高電平亮，支路黃燈
??????HEX0??:?OUT?STD_LOGIC_VECTOR(6?DOWNTO?0);--數(shù)碼管段選
HEX1??:?OUT?STD_LOGIC_VECTOR(6?DOWNTO?0);--數(shù)碼管段選
HEX2??:?OUT?STD_LOGIC_VECTOR(6?DOWNTO?0);--數(shù)碼管段選
HEX3??:?OUT?STD_LOGIC_VECTOR(6?DOWNTO?0)--數(shù)碼管段選
???);
END?COMPONENT;
???COMPONENT?aiso_rst?IS
??????PORT?(
?????????clk???????:?IN?STD_LOGIC;
?????????reset?????:?IN?STD_LOGIC;
?????????reset_s???:?OUT?STD_LOGIC
??????);
???END?COMPONENT;
???
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?????????clk???????:?IN?STD_LOGIC;
?????????rst???????:?IN?STD_LOGIC;
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?????????vsync?????:?OUT?STD_LOGIC;
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??????);
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???
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??????PORT?(
?????????clk???????:?IN?STD_LOGIC;
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??????);
???END?COMPONENT;
???
???COMPONENT?graphic_generator?IS
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??????G1??????:?IN?STD_LOGIC;--高電平亮，主路綠燈
??????Y1??????:?IN?STD_LOGIC;--高電平亮，主路黃燈
??????R2??????:?IN?STD_LOGIC;--高電平亮，支路紅燈
??????G2??????:?IN?STD_LOGIC;--高電平亮，支路綠燈
??????Y2??????:?IN?STD_LOGIC;--高電平亮，支路黃燈
?????????pixel_x???:?IN?STD_LOGIC_VECTOR(9?DOWNTO?0);
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?????????video_on??:?IN?STD_LOGIC;
?????????rgb???????:?OUT?STD_LOGIC_VECTOR(11?DOWNTO?0)
??????);
???END?COMPONENT;
COMPONENT?display?is
??PORT(
?score:IN?STD_LOGIC_VECTOR(3?DOWNTO?0);
???????HEX:out?STD_LOGIC_VECTOR(6?DOWNTO?0)
?);
end?COMPONENT;
???
SIGNAL?clk?????????:?STD_LOGIC:='0';
???SIGNAL?video_on????:?STD_LOGIC;
???SIGNAL?rst_s???????:?STD_LOGIC;
???SIGNAL?pixel_x?????:?STD_LOGIC_VECTOR(9?DOWNTO?0);
???SIGNAL?pixel_y?????:?STD_LOGIC_VECTOR(9?DOWNTO?0);
???--?Declare?intermediate?signals?for?referenced?outputs
???SIGNAL?hsync_buf?:?STD_LOGIC;
???SIGNAL?vsync_buf?:?STD_LOGIC;
???SIGNAL?rgb_buf???:?STD_LOGIC_VECTOR(11?DOWNTO?0);
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???SIGNAL???G1??????:??STD_LOGIC;--高電平亮，主路綠燈
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???SIGNAL???R2??????:??STD_LOGIC;--高電平亮，支路紅燈
???SIGNAL???G2??????:??STD_LOGIC;--高電平亮，支路綠燈
???SIGNAL???Y2??????:??STD_LOGIC;--高電平亮，支路黃燈
???SIGNAL?main_key?:?STD_LOGIC;
???SIGNAL?branch_key?:?STD_LOGIC;
BEGIN
???--?Drive?referenced?outputs
???hsync?<=?hsync_buf;
???vsync?<=?vsync_buf;
???rgb?<=?rgb_buf;
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--???u_clk_PLL:?clk_PLL
--??????PORT?MAP??(
--?????????refclk??=>?clk_50M,
--?????????rst?????=>?rst_s,
--?????????outclk_0?=>?clk
--??????);?
clk?<=?clk_50M;
--交通燈控制
U_Traffic_Light_Control:?Traffic_Light_Control
???PORT?MAP(
??????clk????=>?clk,--50Mhz
reset?=>?rst_s,--復(fù)位
main_key=>main_key,
branch_key=>branch_key,
??????main_green_add?????=>?main_green_add,--主路綠燈加
??????main_green_sub?????=>?main_green_sub,--主路綠燈減
??????branch_green_add???=>?branch_green_add,--支路綠燈加
??????branch_green_sub???=>?branch_green_sub,--支路綠燈減
??????R1??????=>?R1,--高電平亮，主路紅燈
??????G1??????=>?G1,--高電平亮，主路綠燈
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??????R2??????=>?R2,--高電平亮，支路紅燈
??????G2??????=>?G2,--高電平亮，支路綠燈
??????Y2??????=>?Y2,--高電平亮，支路黃燈
??????HEX0???=>?HEX0,--
??????HEX1???=>?HEX1,--
HEX2???=>?HEX2,--
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???);
???
???u0?:?aiso_rst
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??????);
?
???
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??????PORT?MAP?(
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?????????vsync?????=>?vsync_buf,
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??????);
???
???
???u4?:?graphic_generator
??????PORT?MAP?(
?????????clk???????=>?clk,
?????????rst???????=>?rst_s,
?????????pixel_x???=>?pixel_x,
?????????pixel_y???=>?pixel_y,
??????R1??????=>?R1,--高電平亮，主路紅燈
??????G1??????=>?G1,--高電平亮，主路綠燈
??????Y1??????=>?Y1,--高電平亮，主路黃燈
??????R2??????=>?R2,--高電平亮，支路紅燈
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??????Y2??????=>?Y2,--高電平亮，支路黃燈
?????????video_on??=>?video_on,
?????????rgb???????=>?rgb_buf
??????);
END?behave;

1.?導(dǎo)言

本設(shè)計(jì)使用VHDL語言設(shè)計(jì)VGA顯示的交通燈，VGA顯示屏上顯示主干道和支干道，道路用白色線條描繪，每個(gè)道路中間用黃色線條隔開分為左右兩個(gè)車道。每條主干道和支干道都對(duì)應(yīng)有3個(gè)紅綠燈，分別為紅色、黃色、綠色。紅黃綠三色交通燈指揮車輛的通行，紅燈停，綠燈行，黃燈為綠燈到紅燈的過渡。其中左轉(zhuǎn)和直行都按紅綠燈的指示通行，右轉(zhuǎn)的話不需要看紅綠燈，在任何時(shí)刻均可右轉(zhuǎn)。

2.?背景

2.1 VGA顯示原理

顯示器掃描方式分為逐行掃描和隔行掃描：逐行掃描是掃描從屏幕左上角一點(diǎn)開始，從左向右逐點(diǎn)掃描，每掃描完一行,電子束回到屏幕的左邊下一行的起始位置，在這期間，CRT對(duì)電子束進(jìn)行消隱，每行結(jié)束時(shí)，用行同步信號(hào)進(jìn)行同步；當(dāng)掃描完所有的行，形成一幀，用場(chǎng)同步信號(hào)進(jìn)行場(chǎng)同步，并使掃描回到屏幕左上方，同時(shí)進(jìn)行場(chǎng)消隱,開始下一幀。隔行掃描是指電子束掃描時(shí)每隔一行掃一行，完成一屏后再返回來掃描剩下的行，隔行掃描的顯示器閃爍的厲害，會(huì)讓使用者的眼睛疲勞。

完成一行掃描的時(shí)間稱為水平掃描時(shí)間，其倒數(shù)稱為行頻率；完成一幀（整屏）掃描的時(shí)間稱為垂直掃描時(shí)間，其倒數(shù)稱為場(chǎng)頻率，即刷新一屏的頻率，常見的有60Hz，75Hz等等。標(biāo)準(zhǔn)的VGA顯示的場(chǎng)頻60Hz,行頻31.5KHz。

行場(chǎng)消隱信號(hào):是針對(duì)老式顯像管的成像掃描電路而言的。電子槍所發(fā)出的電子束從屏幕的左上角開始向右掃描，一行掃完需將電子束從右邊移回到左邊以便掃描第二行。在移動(dòng)期間就必須有一個(gè)信號(hào)加到電路上，使得電子束不能發(fā)出。不然這個(gè)回掃線會(huì)破壞屏幕圖像的。這個(gè)阻止回掃線產(chǎn)生的信號(hào)就叫作消隱信號(hào),場(chǎng)信號(hào)的消隱也是一個(gè)道理。

顯示帶寬指的顯示器可以處理的頻率范圍。如果是60Hz刷新頻率的VGA,其帶寬達(dá)640x480x60=18.4MHz,70Hz的刷新頻率1024x768分辨率的SVGA,其帶寬達(dá)1024x768x70=55.1MHz。

VGA時(shí)序圖

VESA中定義行時(shí)序和場(chǎng)時(shí)序都需要同步脈沖（Sync a）、顯示后沿（Back porch b）、顯示時(shí)序段（Display interval c）和顯示前沿（Front porch d）四部分。VGA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)顯示模式要求：行同步，場(chǎng)同步都為負(fù)極性，即同步脈沖要求是負(fù)脈沖。

由VGA的行時(shí)序可知：每一行都有一個(gè)負(fù)極性行同步脈沖（Sync a），是數(shù)據(jù)行的結(jié)束標(biāo)志，同時(shí)也是下一行的開始標(biāo)志。在同步脈沖之后為顯示后沿（Back porch b），在顯示時(shí)序段（Display interval c）顯示器為亮的過程，RGB數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)一行上的每一個(gè)像素點(diǎn)，從而顯示一行。在一行的最后為顯示前沿（Front porch d）。在顯示時(shí)間段（Display interval c）之外沒有圖像投射到屏幕是插入消隱信號(hào)。同步脈沖(Sync a)、顯示后沿（Back porch b）和顯示前沿（Front porch d）都是在行消隱間隔內(nèi)(Horizontal Blanking Interval)，當(dāng)消隱有效時(shí)，RGB信號(hào)無效，屏幕不顯示數(shù)據(jù)。

VGA的場(chǎng)時(shí)序與行時(shí)序基本一樣，每一幀的負(fù)極性脈沖（Sync a）是一幀的結(jié)束標(biāo)志，同時(shí)也是下一幀的開始標(biāo)志。而顯示數(shù)據(jù)是一幀的所有行數(shù)據(jù)。

2.2 交通燈原理

道路交通信號(hào)燈是用于給互相沖突的交通流分配有效的通行權(quán)，以提高道路交通安全和道路容量的一類交通燈。當(dāng)今，紅綠燈安裝在各個(gè)道口上，已經(jīng)成為疏導(dǎo)交通車輛最常見和最有效的手段，這一技術(shù)已經(jīng)有相當(dāng)長(zhǎng)的發(fā)展歷史了。

1858年，在英國(guó)倫敦主要街頭安裝了以燃煤氣為光源的紅，藍(lán)兩色的機(jī)械扳手式信號(hào)燈，用以指揮馬車通行。這是世界上最早的交通信號(hào)燈。1868年，英國(guó)機(jī)械工程師納伊特在倫敦威斯敏斯特區(qū)的議會(huì)大廈前的廣場(chǎng)上，安裝了世界上最早的煤氣紅綠燈。它由紅綠兩以旋轉(zhuǎn)式方形玻璃提燈組成，紅色表示“停止”，綠色表示“注意”。1869年1月2日，煤氣燈爆炸，使警察受傷，遂被取消。

電氣啟動(dòng)的紅綠燈出現(xiàn)在美國(guó)，這種紅綠燈由紅綠黃三色圓形的投光器組成，1914年始安裝于紐約市5號(hào)大街的一座高塔上。紅燈亮表示“停止”，綠燈亮表示“通行”。

1918年，又出現(xiàn)了帶控制的紅綠燈和紅外線紅綠燈。帶控制的紅綠燈，一種是把壓力探測(cè)器安在地下，車輛一接近紅燈便變?yōu)榫G燈；另一種是用擴(kuò)音器來啟動(dòng)紅綠燈，司機(jī)遇紅燈時(shí)按一下嗽叭，就使紅燈變?yōu)榫G燈。紅外線紅綠燈當(dāng)行人踏上對(duì)壓力敏感的路面時(shí)，它就能察覺到有人要過馬路。紅外光束能把信號(hào)燈的紅燈延長(zhǎng)一段時(shí)間，推遲汽車放行，以免發(fā)生交通事故。

又經(jīng)過前人的設(shè)計(jì)和改造，交通信號(hào)燈終于普及整個(gè)城市的十字路口。

交通信號(hào)燈的出現(xiàn)，使交通得以有效管制，對(duì)于疏導(dǎo)交通流量、提高道路通行能力，減少交通事故有明顯效果，更改變了交警輪流指揮和疏散交通擁擠的現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)了人，車，路三者的同步協(xié)調(diào)?，F(xiàn)階段，許多設(shè)計(jì)工作者又設(shè)計(jì)出許多智能化，自動(dòng)化，數(shù)字化等更先進(jìn)的交通燈控制方案，這更方便于維護(hù)管理，給人們提供了更加便利的交通環(huán)境。

目前，城市規(guī)模還在不斷的擴(kuò)大，人們對(duì)交通信號(hào)燈的控制也越來越高，我們需要更高層次的去了解交通信號(hào)燈，結(jié)合城市十字路口交通的需要，不斷地去創(chuàng)新，才能達(dá)到發(fā)展的需求，所以研究交通信號(hào)燈的極為重要。

3.?工作章節(jié)

本設(shè)計(jì)主要分為兩大部分，一部分是VGA顯示的控制，另一部分是交通燈的控制。系統(tǒng)的整體框圖如下所示。

上圖中，aiso_rst、vga_sync、vga_sync這三個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)VGA顯示的控制，Traffic_Light_Control模塊實(shí)現(xiàn)交通燈的控制。其中Traffic_Light_Control模塊內(nèi)部又分為RGY、SMG、display、CLOCK、time_ctrl等模塊，具體內(nèi)部框圖如下所示：

3.1?VGA顯示控制部分

aiso_rst模塊

該模塊實(shí)現(xiàn)復(fù)位的同步控制，將系統(tǒng)外部的異步復(fù)位信號(hào)轉(zhuǎn)換為同步復(fù)位信號(hào)，外部輸入信號(hào)為開發(fā)板上的按鍵，低電平有效。將該信號(hào)通過兩級(jí)觸發(fā)器進(jìn)行同步，然后再通過一個(gè)非門實(shí)現(xiàn)低電平復(fù)位到高電平復(fù)位的轉(zhuǎn)換。內(nèi)部電路如下圖所示：

vga_sync模塊

該模塊實(shí)現(xiàn)VGA時(shí)序的控制，用于產(chǎn)生VGA的CLK信號(hào)，BLANK信號(hào)，hsync信號(hào)和vsync信號(hào)，模塊框圖如下圖所示。

本設(shè)計(jì)使用25MHz的時(shí)鐘，屏幕分辨率為640x480，刷新頻率60Hz，每場(chǎng)對(duì)應(yīng)525個(gè)行周期(525=10+2+480+33),其中480為顯示行。每場(chǎng)有場(chǎng)同步信號(hào),該脈沖寬度為2個(gè)行周期的負(fù)脈沖，每顯示行包括800點(diǎn)時(shí)鐘,其中640點(diǎn)為有效顯示區(qū),每一行有一個(gè)行同步信號(hào)，該脈沖寬度為96個(gè)點(diǎn)時(shí)鐘。由此可知：行頻為525*59.94=31469Hz,需要的時(shí)鐘頻率：525*800*59.94約25MHz。25MHz的時(shí)鐘通過50MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘分頻得到，hsync信號(hào)和vsync信號(hào)通過計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)控制，其中hcount計(jì)數(shù)到最大799，vcount計(jì)數(shù)最大到524，再通過對(duì)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)區(qū)域的選擇控制輸出hsync信號(hào)和vsync信號(hào)。下圖為本模塊實(shí)現(xiàn)的VGA時(shí)序圖，

本模塊還輸出pixel_x、pixel_y用于指示當(dāng)前屏幕上的坐標(biāo)。其中pixel_x=hcount（橫坐標(biāo)），pixel_y=vcount（縱坐標(biāo)）。video_on信號(hào)指示當(dāng)前區(qū)域?yàn)橛行э@示區(qū)，范圍為640*480，即hcount<640,vcount<480.

graphic_generator模塊

該模塊控制顯示器顯示交通燈的圖案，包括道路、斑馬線、紅綠燈等部分。模塊框圖如下圖所示。

該模塊接收vga_sync模塊輸出的pixel_x、pixel_y信息和Traffic_Light_Control模塊輸出的紅綠燈控制信息，其中pixel_x、pixel_y信息用于在顯示器繪制道路和紅綠燈，Traffic_Light_Control模塊輸出的紅綠燈控制信息用于控制對(duì)應(yīng)的紅綠燈什么時(shí)候亮滅。對(duì)應(yīng)的圖案如下圖所示，其中左下角為坐標(biāo)原點(diǎn)，X軸最大值為640，Y軸坐標(biāo)最大值為480。

圖中上下方向的車道為主路，左右方向的車道為支路，下面以圖中用紅色框標(biāo)識(shí)的主路道路線為例，說明如何繪制該線條，該段代碼對(duì)應(yīng)如下：

road1_on <= '1' when ((pixel_x >= 220) AND (pixel_x <= 223) AND (pixel_y >= 0) AND (pixel_y <= 143)) else '0';--定義線條的位置

road1_rgb <= "111111111111";--顯示白色

將該段線條命名為road1_on，其范圍為X坐標(biāo)的（220~223），即從X軸的220到223，共占4個(gè)橫坐標(biāo)像素；Y坐標(biāo)為（0~143），即從Y軸的0到143，共占144個(gè)縱坐標(biāo)像素。該段線條根據(jù)XY軸的范圍定義即對(duì)應(yīng)圖中的位置。road1_rgb表示該段線條的顏色，111111111111表示紅色、綠色、藍(lán)色三色的混合，混合色為白色。至此該段線條的位置和顏色均通過代碼進(jìn)行了規(guī)定，其他圖案的設(shè)計(jì)以此類推。

3.2?交通燈控制部分

交通燈控制部分用于實(shí)現(xiàn)紅、黃、綠三種信號(hào)燈的控制及對(duì)應(yīng)數(shù)碼管的顯示，其中主路和支路的綠燈時(shí)間可以通過板子外部的按鍵增加或者減小。內(nèi)部具體包含RGY、SMG、display、CLOCK、time_ctrl等模塊。

RGY模塊

該模塊根據(jù)輸入的主路、支路時(shí)間，實(shí)現(xiàn)紅、黃、綠三種信號(hào)燈的控制，使用狀態(tài)機(jī)進(jìn)行控制。模塊框圖如下圖所示：

狀態(tài)機(jī)一共分為4個(gè)狀態(tài)，分別用001、010、011、100表示。狀態(tài)轉(zhuǎn)移順序?yàn)椋?/p>

001->010->011->100->001

其中001表示主路綠燈狀態(tài)，010表示主路黃燈黃燈狀態(tài)，011表示支路綠燈狀態(tài)，100表示支路黃燈狀態(tài)。每個(gè)狀態(tài)下通過計(jì)數(shù)器來控制對(duì)應(yīng)燈的時(shí)間，當(dāng)計(jì)數(shù)達(dá)到設(shè)置的時(shí)間后，切換到下一個(gè)狀態(tài)。主路綠燈狀態(tài)和主路黃燈狀態(tài)下支路為紅燈，支路綠燈狀態(tài)和支路黃燈狀態(tài)下主路為紅燈。將紅黃綠三色燈對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值輸出到SMG模塊。

本模塊還有行人按鍵控制功能，分主路控制信號(hào)main_key和支路控制信號(hào)branch_key。main_key由主路4個(gè)行人斑馬線位置的控制按鍵進(jìn)行或運(yùn)算得到，branch_key由支路4個(gè)行人斑馬線位置的控制按鍵進(jìn)行或運(yùn)算得到，當(dāng)main_key為1時(shí)表示主路有人按下，則狀態(tài)機(jī)狀態(tài)先轉(zhuǎn)換到主路黃燈狀態(tài)（010），然后自動(dòng)進(jìn)入到主路紅燈狀態(tài)。當(dāng)branch_key為1時(shí)表示支路有人按下，則狀態(tài)機(jī)狀態(tài)先轉(zhuǎn)換到支路黃燈狀態(tài)（100），然后自動(dòng)進(jìn)入到支路紅燈狀態(tài)。

SMG模塊

該模塊接收主路和支路紅黃綠三種燈的控制信號(hào)和對(duì)應(yīng)燈計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)信號(hào)，再將其轉(zhuǎn)換為倒計(jì)時(shí)。模塊框圖如下圖所示：

由于RGY模塊內(nèi)是按加法計(jì)數(shù)，因而所得的計(jì)數(shù)信號(hào)為正計(jì)數(shù)，故需要將正計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)換為倒計(jì)數(shù)。轉(zhuǎn)換原理為將總時(shí)間減去正計(jì)時(shí)的時(shí)間，例如主路綠燈時(shí)間為20秒，正計(jì)數(shù)的順序?yàn)?~20，將20減去正計(jì)數(shù)即可以得到19~0的倒計(jì)數(shù)。

Display模塊

該模塊用于控制數(shù)碼管顯示倒計(jì)時(shí)，模塊輸入主路和支路的倒計(jì)時(shí)信號(hào)，再通過數(shù)碼管顯示出來。首先需要將輸入的倒計(jì)時(shí)信號(hào)轉(zhuǎn)換為十位和個(gè)位，再將十位個(gè)位分別通過數(shù)碼管顯示。模塊框圖如下圖所示：

先將輸入的倒計(jì)時(shí)信號(hào)轉(zhuǎn)換為int類型，便于使用乘法和除法運(yùn)算。將倒計(jì)時(shí)除以10得到的商即為十位，再用倒計(jì)時(shí)信號(hào)減去十位乘以10得到的差即為個(gè)位。倒計(jì)時(shí)使用開發(fā)板的7段數(shù)碼管顯示，每個(gè)數(shù)碼管輸入為7位，對(duì)應(yīng)下圖中的abcdefg7段，當(dāng)輸入0時(shí)對(duì)應(yīng)的段點(diǎn)亮，當(dāng)輸入為1時(shí)，對(duì)應(yīng)的段滅。

根據(jù)上圖可以觀察到，若要顯示數(shù)字0，需要G滅，ABCDEF亮，也就是對(duì)應(yīng)編碼為“1000000”，其中從左到右依次對(duì)應(yīng)GFEDCBA。以此類推可以得到0~9的所有編碼。

CLOCK模塊

分頻模塊的功能是將系統(tǒng)數(shù)字50MHz分頻為1Hz，1Hz對(duì)應(yīng)周期為1秒，用分頻后的1Hz信號(hào)控制秒計(jì)時(shí)。分頻方法使用計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)，原理為將50MHz信號(hào)計(jì)數(shù)50000000次就是1秒，將50000000計(jì)數(shù)分為0~25000000和25000000~50000000兩段，計(jì)數(shù)值在0~25000000時(shí)輸出低電平，25000000~50000000時(shí)輸出高電平，得到的信號(hào)就是1Hz的信號(hào)。模塊框圖如下圖所示

time_ctrl模塊

該模塊功能為通過外部的時(shí)間控制按鍵控制主路綠燈和支路綠燈的時(shí)間。外部按鍵首先通過按鍵消抖模塊消抖，然后使用消抖后的按鍵控制綠燈時(shí)間。模塊框圖如下圖所示：

消抖模塊一方面將按鍵的機(jī)械抖動(dòng)消除，另一方面將按鍵信號(hào)轉(zhuǎn)換為一個(gè)時(shí)鐘周期的高電平時(shí)間。按鍵包括主路綠燈加鍵、主路綠燈減鍵、支路綠燈加鍵、支路綠燈減鍵。當(dāng)加鍵按下時(shí)，綠燈時(shí)間加1，當(dāng)加到99時(shí)不再響應(yīng)按鍵。當(dāng)按下減按鍵時(shí)，綠燈時(shí)間減1，當(dāng)減到5時(shí)，不再響應(yīng)按鍵按下。主路支路都有對(duì)應(yīng)按鍵，一共4個(gè)按鍵，分別對(duì)應(yīng)主路加減和支路加減。

4.?仿真圖

代碼設(shè)計(jì)完成后，編寫testbench對(duì)代碼進(jìn)行仿真，仿真工具為Modelsim，對(duì)應(yīng)不同模塊的仿真圖如下:

4.1 VGA時(shí)序控制部分仿真圖

aiso_rst模塊仿真圖如下圖所示，圖中可以看到，輸入的reset信號(hào)為低電平有效，且輸入與時(shí)鐘clk的上升沿不對(duì)齊，經(jīng)過時(shí)鐘同步后，輸出的reset_s信號(hào)與clk信號(hào)的時(shí)鐘上升沿對(duì)齊，即將異步的復(fù)位信號(hào)轉(zhuǎn)換為同步復(fù)位信號(hào)。

vga_sync模塊仿真圖如下圖所示，圖中可以看到25MHz的時(shí)鐘通過50MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘分頻得到，即VGA_CLK頻率為系統(tǒng)時(shí)鐘clk的一半。

hsync信號(hào)和vsync信號(hào)通過計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)控制，其中hcount從0開始計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)到最大799，vcount從零開始計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)最大到524。

下圖為完整的一行數(shù)據(jù)時(shí)序圖，圖中可以看到，在hcount從0計(jì)數(shù)到799后，第0行掃描完成，Vcount加1，開始掃描第1行。以此類推一直掃描到第479行。

下圖為完整的行掃描時(shí)序，可以看到VGA_BLANK_N信號(hào)、Video_on信號(hào)、hsync信號(hào)和vsync信號(hào)的時(shí)序關(guān)系。

下圖可以看到VGA_BLANK_N信號(hào)在hcount計(jì)數(shù)到639時(shí)變?yōu)榈碗娖健?/p>

下圖可以看到VGA_BLANK_N信號(hào)在hcount計(jì)數(shù)到799時(shí)變?yōu)楦唠娖健?/p>

graphic_generator模塊仿真圖如下所示，可以看到程序中描述的XY軸范圍內(nèi)的線條對(duì)應(yīng)與圖中的_on信號(hào)，下圖中_on信號(hào)為高電平時(shí)，表示顯示對(duì)應(yīng)的線條。與_on對(duì)應(yīng)的_rgb信號(hào)表示該線條的顏色。

4.2 交通燈控制模塊部分仿真圖

RGY模塊仿真圖如下圖所示，圖中默認(rèn)的主路綠燈時(shí)間為30s，主路黃燈時(shí)間為5s，支路綠燈為20s，黃燈為5s。R1，G1，Y1對(duì)應(yīng)主路的紅燈、綠燈、黃燈信號(hào)，高電平表示對(duì)應(yīng)的燈亮。R2，G2，Y2對(duì)應(yīng)支路的紅燈、綠燈、黃燈信號(hào)，高電平表示對(duì)應(yīng)的燈亮。R1_BCD，G1_BCD，Y1_BCD對(duì)應(yīng)主路的紅燈、綠燈、黃燈的正計(jì)時(shí)時(shí)間。R2_BCD，G2_BCD，Y2_BCD對(duì)應(yīng)支路的紅燈、綠燈、黃燈的正計(jì)時(shí)時(shí)間。可以看到，主路支路的紅綠燈亮滅變化正確，且對(duì)應(yīng)的亮燈時(shí)間也正確。

下圖為SMG模塊的仿真圖，該模塊接收主路和支路紅黃綠三種燈的控制信號(hào)和對(duì)應(yīng)燈計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)信號(hào)，再將其轉(zhuǎn)換為倒計(jì)時(shí)。圖中R1，G1，Y1對(duì)應(yīng)主路的紅燈、綠燈、黃燈信號(hào)。R2，G2，Y2對(duì)應(yīng)支路的紅燈、綠燈、黃燈信號(hào)。R1_BCD，G1_BCD，Y1_BCD對(duì)應(yīng)主路的紅燈、綠燈、黃燈的正計(jì)時(shí)時(shí)間。R2_BCD，G2_BCD，Y2_BCD對(duì)應(yīng)支路的紅燈、綠燈、黃燈的正計(jì)時(shí)時(shí)間。最終計(jì)算得到的倒計(jì)時(shí)時(shí)間分別為主路倒計(jì)時(shí)SMG1和支路倒計(jì)時(shí)SMG2。圖中可以看到，倒計(jì)時(shí)與對(duì)應(yīng)的紅綠燈匹配，計(jì)時(shí)正確。

Display模塊仿真圖如下圖所示，以主路倒計(jì)時(shí)為29，舉例說明，圖中主路十位為2，個(gè)位為9，根據(jù)數(shù)碼管顯示原理，2對(duì)應(yīng)的編碼為0100100，9對(duì)應(yīng)的編碼為0010000，對(duì)應(yīng)仿真圖的HEX3和HEX2,可以看到仿真圖的編碼正確。

Clock模塊通過計(jì)時(shí)分頻得到1Hz信號(hào)，分頻截圖如下所示?？梢钥吹捷敵龅?Hz信號(hào)低電平時(shí)間和高電平時(shí)間分別占一半，即占空比為50%。

time_ctrl模塊用于調(diào)整交通燈的時(shí)間，按鍵分為主路綠燈加、減按鍵和支路綠燈加、減按鍵。下圖可以看到，主路綠燈加按下后，主路綠燈時(shí)間由30變?yōu)?1，按下主路綠燈減按鍵，又從31變?yōu)?0。同理可以看到支路綠燈在加減按鍵的控制下，從20變?yōu)?1,22,又變?yōu)?1。因此按鍵控制模塊仿真正確。

5. 結(jié)論

經(jīng)過對(duì)代碼的仿真調(diào)試后，對(duì)代碼進(jìn)行管腳分配后實(shí)際下載到開發(fā)板驗(yàn)證，驗(yàn)證經(jīng)過如下圖所示，圖中完整的顯示了主路、支路的位置，并且在每個(gè)路口有對(duì)應(yīng)的紅黃綠三色信號(hào)燈指示車輛的通行和停止，并且每個(gè)路口有供行人通行的斑馬線。經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，交通燈信號(hào)變化符合設(shè)計(jì)要求，每個(gè)燈對(duì)應(yīng)的倒計(jì)時(shí)在數(shù)碼管顯示正確，且可以通過開發(fā)板按鍵控制主路和支路的通行時(shí)間。

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