Verilog HDL基礎(chǔ)之：實(shí)例5 交通燈控制器

實(shí)例的內(nèi)容及目標(biāo)

1．實(shí)例的主要訓(xùn)練內(nèi)容

本實(shí)例通過Verilog HDL語言設(shè)計(jì)一個(gè)簡易的交通等控制器，實(shí)現(xiàn)一個(gè)具有兩個(gè)方向、共8個(gè)燈并具有時(shí)間倒計(jì)時(shí)功能的交通燈功能。

2．實(shí)例目標(biāo)

通過本實(shí)例，讀者應(yīng)達(dá)到下面的目標(biāo)。

• 掌握Verilog設(shè)計(jì)一個(gè)交通等控制器的方法。
• 初步掌握Verilog語言的設(shè)計(jì)方法。

原理簡介

交通燈是城市交通中不可缺少的重要工具，是城市交通秩序的重要保障。本實(shí)例就是實(shí)現(xiàn)一個(gè)常見的十字路口交通燈功能。讀者通過學(xué)習(xí)這個(gè)交通燈控制器，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)更加完整的交通燈。例如實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)配置各種燈的時(shí)間，手動(dòng)控制各個(gè)燈的狀態(tài)等。

一個(gè)十字路口的交通一般分為兩個(gè)方向，每個(gè)方向具有紅燈、綠燈和黃燈3種，另外每個(gè)方向還具有左轉(zhuǎn)燈，因此每個(gè)方向具有4個(gè)燈。

這個(gè)交通燈還為每一個(gè)燈的狀態(tài)設(shè)計(jì)了倒計(jì)時(shí)數(shù)碼管顯示功能?？梢詾槊恳粋€(gè)燈的狀態(tài)設(shè)置一個(gè)初始值，燈狀態(tài)改變后，開始按照這個(gè)初始值倒計(jì)時(shí)。倒計(jì)時(shí)歸零后，燈的狀態(tài)將會(huì)改變至下一個(gè)狀態(tài)。

值得注意的是，交通燈兩個(gè)方向的燈的狀態(tài)是相關(guān)的。也就是說，每個(gè)方向的燈的狀態(tài)影響著另外一個(gè)方向的燈的狀態(tài)，這樣才能夠協(xié)調(diào)兩個(gè)方向的車流。如果每個(gè)方向的燈是獨(dú)立變化的，那么交通燈就沒有了意義。

如表1所示是兩個(gè)方向（假設(shè)為A，B方向）燈的狀態(tài)的對應(yīng)情況。

表1 交通燈兩個(gè)方向燈狀態(tài)對應(yīng)表

在實(shí)際的交通系統(tǒng)中，直行綠燈、左轉(zhuǎn)綠燈和紅燈的變化之間都應(yīng)該有黃燈作為緩沖，以保證交通的安全。因此假如我們假設(shè)方向A的黃燈亮的時(shí)間持續(xù)5s，直行綠燈燈亮的時(shí)間持續(xù)40s，左轉(zhuǎn)燈燈亮的時(shí)間持續(xù)15s，則方向B紅燈燈亮的時(shí)間持續(xù)為（直行綠燈+黃燈+左轉(zhuǎn)綠燈+黃燈）所消耗的時(shí)間，一共為65s。

同樣假設(shè)方向B黃燈亮的時(shí)間持續(xù)5s，直行綠燈燈亮的時(shí)間持續(xù)30s，左轉(zhuǎn)燈燈亮的時(shí)間持續(xù)15s，則方向B紅燈燈亮的時(shí)間持續(xù)為（直行綠燈+黃燈+左轉(zhuǎn)綠燈+黃燈）所消耗的時(shí)間，一共為55s。

具體時(shí)間參數(shù)的設(shè)定讀者可以根據(jù)需要進(jìn)行修改，但是一定要保證兩個(gè)方向的燈的狀態(tài)符合表1的要求。

代碼分析

下面給出交通燈控制器的Verilog HDL源代碼，首先介紹交通燈端口信號(hào)的定義及說明，讀者可以通過這些端口將此交通燈模塊實(shí)例化至自己的工程設(shè)計(jì)中。

• CLK：同步時(shí)鐘。
• EN：使能信號(hào)，為高電平時(shí)，控制器開始工作。
• LAMPA：控制A方向4盞燈的狀態(tài)；其中，LAMPA0～LAMPA3分別控制A 方向的左拐燈、綠燈、黃燈和紅燈。
• LAMPB：控制B方向4盞燈的狀態(tài)；其中，LAMPB0～LAMPB3分別控制B 方向的左拐燈、綠燈、黃燈和紅燈。
• ACOUNT：用于A方向燈的時(shí)間顯示，8位，可驅(qū)動(dòng)兩個(gè)數(shù)碼管。
• BCOUNT：用于B方向燈的時(shí)間顯示，8位，可驅(qū)動(dòng)兩個(gè)數(shù)碼管。

下面是交通燈的Verilog HDL源代碼及說明。

module traffic(CLK,EN,LAMPA,LAMPB,ACOUNT,BCOUNT); //端口說明

output［7:0］ ACOUNT,BCOUNT;

output［3:0］ LAMPA,LAMPB;

input CLK,EN; //內(nèi)部信號(hào)說明

reg［7:0］ numa,numb; //ACOUNT和BCOUNT的內(nèi)部信號(hào)

reg tempa,tempb;

reg［2:0］ counta,countb; //方向A和方向B的燈的狀態(tài)

reg［7:0］ ared,ayellow,agreen,aleft,bred,byellow,bgreen,bleft;

reg［3:0］ LAMPA,LAMPB;

//設(shè)置各交通燈的持續(xù)時(shí)間初始化值，紅燈的值由另一個(gè)方向的黃燈和綠燈計(jì)算得出。

always @(EN)

if(!EN) begin //使能信號(hào)EN無效時(shí)，對交通燈的計(jì)數(shù)值進(jìn)行初始化

ared =8d55; //55 s , 30 + 5 + 15 + 5

ayellow =8d5; //5 s

agreen =8d40; //40 s

aleft =8d15; //15 s

bred =8d65; //65 s , 40 + 5 + 15 + 5

byellow =8d5; //5 s

bleft =8d15; //15 s

bgreen =8d30; //30 s

end

assign ACOUNT=numa; //8位數(shù)碼管輸出

assign BCOUNT=numb; //8位數(shù)碼管輸出

//控制A方向4種燈的模塊

always @(posedge CLK) begin

if(EN) begin //使能有效時(shí)，交通燈開始工作

if(!tempa) begin

tempa=1;

case(counta) //控制燈狀態(tài)的順序

0: begin //狀態(tài)0

numa=agreen; //直行綠燈亮

LAMPA=2; //輸出0010

counta=1; //進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)

end

1: begin //狀態(tài)1

numa=ayellow; //黃燈亮

LAMPA=4; //輸出0100

counta=2; //進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)

end

2: begin //狀態(tài)2

numa=aleft; //左轉(zhuǎn)綠燈亮

LAMPA=1; //輸出0001

counta=3; //進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)

end

3: begin //狀態(tài)3

numa=ayellow; //黃燈亮

LAMPA=4; //輸出0100

counta=4; //進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)

end

4: begin //狀態(tài)4

numa=ared; //紅燈亮

LAMPA=8; //輸出1000

counta=0; //進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)（狀態(tài)0）

end

default: //默認(rèn)狀態(tài)

LAMPA=8; //紅燈亮，輸出1000

endcase

end

else begin //每一個(gè)狀態(tài)的倒計(jì)時(shí)

if(numa>1) //判斷倒計(jì)時(shí)未歸零時(shí)分別對高地位進(jìn)行遞減

if(numa［3:0］==0) begin

numa［3:0］=4b1001;

numa［7:4］=numa［7:4］-1;

end

else

numa［3:0］=numa［3:0］-1;

if (numa==2)

tempa=0; //倒計(jì)時(shí)結(jié)束，返回?zé)魻顟B(tài)變化判斷，將進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)

end

end

else begin

LAMPA=4b1000; //使能無效時(shí)，紅燈亮

counta=0; //返回方向A的狀態(tài)0(綠燈狀態(tài))

tempa=0; //進(jìn)入狀態(tài)變化判斷

end

end

//控制B方向4種燈的模塊，模塊的語言描述與方向A的描述基本一致，這里不再重復(fù)注釋

always @(posedge CLK) begin

if (EN) begin

if(!tempb) begin

tempb=1;

case (countb)

0: begin

numb=bred;

LAMPB=8;

countb=1;

end

1: begin

numb=bgreen;

LAMPB=2;

countb=2;

end

2: begin

numb=byellow;

LAMPB=4;

countb=3;

end

3: begin

numb=bleft;

LAMPB=1;

countb=4;

end

4: begin

numb=byellow;

LAMPB=4;

countb=0;

end

default:

LAMPB=8;

endcase

end

else begin //倒計(jì)時(shí)

if(numb>1)

if(!numb［3:0］) begin

numb［3:0］=9;

numb［7:4］=numb［7:4］-1;

end

else

numb［3:0］=numb［3:0］-1;

if(numb==2)

tempb=0;

end

end

else begin

LAMPB=4b1000;

tempb=0;

countb=0;

end

end

endmodule

通過上面這個(gè)Verilog HDL模塊，基本實(shí)現(xiàn)了交通燈控制器的基本功能。讀者可將此設(shè)計(jì)應(yīng)用于實(shí)際的硬件系統(tǒng)中，通過晶振、FPGA、開關(guān)、LED燈及數(shù)碼管等資源即可完成硬件實(shí)現(xiàn)。