Quartus II Verilog HDL語(yǔ)言Max10OC簡(jiǎn)易交通燈設(shè)計(jì) 初學(xué)者的小腳丫

ID:828188 · 發(fā)表于 2020-10-28 20:11

之前數(shù)電設(shè)計(jì)時(shí)做的簡(jiǎn)易狀態(tài)燈，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn):由于雙閃黃燈沒有加狀態(tài)，所以在切換狀態(tài)時(shí)下一個(gè)狀態(tài)不固定。

在十字路口的兩個(gè)方向上格設(shè)一組紅燈、綠燈、黃燈。設(shè)南北為為主路、東西方向?yàn)橹贰．?dāng)出現(xiàn)大霧天時(shí)可以設(shè)置兩路交通燈皆為黃燈模式。

設(shè)計(jì)要求

交通燈主路上綠燈持續(xù)22s，黃燈4s，紅燈16s；交通燈支路上綠燈持續(xù)時(shí)間12s，黃燈4s，紅燈26s。
出現(xiàn)大霧天時(shí)，倒計(jì)時(shí)停止，各方向均為黃燈

設(shè)計(jì)方案選擇
- 方案選擇

本設(shè)計(jì)利用Verilog HDL 語(yǔ)言，對(duì)一個(gè)十字路口的交通信號(hào)燈進(jìn)行控制，可控制3個(gè)路口的紅、黃、綠三盞燈按特定規(guī)律進(jìn)行變化

該交通控制燈分別分為為南北方向的主路和東西方向的支路。兩條路的紅綠燈時(shí)間是不一致的——交通燈主路上綠燈持續(xù)22s，黃燈4s，紅燈16s；交通燈支路上綠燈持續(xù)時(shí)間12s，黃燈4s，紅燈26s。持續(xù)期間各燈顯示時(shí)間如主路綠燈自21s開始，于0s結(jié)束。采用分步模板的方式編寫代碼進(jìn)行功能實(shí)現(xiàn)。以下為狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖：

方案優(yōu)缺點(diǎn)

采用Verilog HDL語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)屬于頂層設(shè)計(jì)，不需要耗費(fèi)大量時(shí)間去完成底層設(shè)計(jì)工作，使用代碼完成功能描述會(huì)自動(dòng)分配最優(yōu)搭器件搭配方式。

由于僅使用一塊小腳丫，所以僅選擇主路顯示時(shí)間倒計(jì)時(shí)，支路采用亮燈模式不具體化時(shí)間。

因?yàn)槭怯布M(jìn)行操作，所以會(huì)存在延遲現(xiàn)象，經(jīng)測(cè)試，切換轉(zhuǎn)態(tài)時(shí)會(huì)延遲1s。

軟件設(shè)計(jì)及器件選擇

4.1軟件選擇

軟件方面采用Quartus II對(duì)Verilog HDL 語(yǔ)言進(jìn)行實(shí)現(xiàn)

首先進(jìn)行分頻處理，因?yàn)樾∧_丫的處理頻率是12MHZ，分頻使達(dá)到我們需要1HZ的頻率。

reg clk_1Hz;
reg [23:0] cnt;             //產(chǎn)生 1Hz 信號(hào)
always @(posedge clk_in or negedge rst_n_in)
begin
      if(!rst_n_in) begin
         cnt <= 0;
         clk_1Hz <= 0;
      end else if(cnt == 24'd5_999_999) begin
         cnt<=0;
         clk_1Hz <= ~clk_1Hz;
      end else cnt<=cnt+1'b1;
end
其次進(jìn)行三段式分態(tài)：
1.同步時(shí)序狀態(tài)轉(zhuǎn)移
reg [7:0] timecnt;
reg [1:0] c_state,n_state;
reg flag;                                                       //啟動(dòng)暫停標(biāo)志
//同步狀態(tài)轉(zhuǎn)移
always @(posedge clk_1Hz or negedge rst_n_in)
if(!rst_n_in)
      c_state <= S1;
else
      c_state <= n_state;

2.組合邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)移
//判斷轉(zhuǎn)移條件
always @(c_state or timecnt)
if(!rst_n_in)begin
      n_state = S1;
end else begin
      case(c_state)
         S1: if(!timecnt) n_state = S2; else n_state = S1;
         S2: if(!timecnt) n_state = S3; else n_state = S2;
         S3: if(!timecnt) n_state = S4; else n_state = S3;
         S4: if(!timecnt) n_state = S1; else n_state = S4;
         default:n_state = S1;
      endcase
end

//產(chǎn)生標(biāo)志信號(hào)(霧天黃燈)
always @(posedge clk_1Hz or negedge rst_n_in)
            begin
if(!rst_n_in)
      flag = 1'b1;
else if(!key)
   begin
      flag = ~flag;
      end
else
begin
      flag = flag;
      end
end
3.同步邏輯輸出
//同步邏輯輸出
always @(posedge clk_1Hz or negedge rst_n_in) begin
                        if(!rst_n_in)begin
      timecnt <= 8'h21;             //初始值
      led_master <= GREEN;
      led_slave <= RED;
                           end
                        else if(flag)
                        begin
   case(n_state)
         S1: begin
            led_master <= GREEN;
            led_slave <= RED;
            if(timecnt==0) begin
                  timecnt <= 8'h21;
            end else begin
                  if(timecnt[3:0]==0) begin             //個(gè)位為0十位減一
                     timecnt[7:4] <= timecnt[7:4] - 1'b1;
                     timecnt[3:0] <= 4'd9;
                  end else timecnt[3:0] <= timecnt[3:0] - 1'b1;             //個(gè)位減一,為0時(shí)切換狀態(tài)
            end
         end
         S2: begin
            led_master <= YELLOW;
            led_slave <= RED;
            if(timecnt==0) begin
                  timecnt <= 8'h03;             //S2時(shí)的初態(tài)值
            end else begin
                  if(timecnt[3:0]==0) begin
                     timecnt[7:4] <= timecnt[7:4] - 1'b1;
                     timecnt[3:0] <= 4'd9;
                  end else timecnt[3:0] <= timecnt[3:0] - 1'b1;
            end
         end
         S3: begin
            led_master <= RED;
            led_slave <= GREEN;
            if(timecnt==0) begin
                  timecnt <= 8'h15;
            end else begin
                  if(timecnt[3:0]==0) begin
                     timecnt[7:4] <= timecnt[7:4] - 1'b1;
                     timecnt[3:0] <= 4'd9;
                  end else timecnt[3:0] <= timecnt[3:0] - 1'b1;
            end
         end
         S4: begin
            led_master <= RED;
            led_slave <= YELLOW;
            if(timecnt==0) begin
                  timecnt <= 8'h03;
            end else begin
                  if(timecnt[3:0]==0) begin
                     timecnt[7:4] <= timecnt[7:4] - 1'b1;
                     timecnt[3:0] <= 4'd9;
                  end else timecnt[3:0] <= timecnt[3:0] - 1'b1;
            end
         end
         default:;
      endcase
                           end
               else begin
                           timecnt<=0;
                           led_master <= YELLOW;
      led_slave <= YELLOW;
               end
end
最后使用segment模塊進(jìn)行對(duì)數(shù)碼管的操作
//segment模塊進(jìn)行對(duì)數(shù)碼管的操作，體現(xiàn)了模塊思想。

module Segment_led
(
input  [3:0] seg_data_1,  //四位輸入數(shù)據(jù)信號(hào)
input  [3:0] seg_data_2,  //四位輸入數(shù)據(jù)信號(hào)
output [8:0] segment_led_1,  //數(shù)碼管1,MSB~LSB = SEG,DP,G,F,E,D,C,B,A
output [8:0] segment_led_2 //數(shù)碼管2,MSB~LSB = SEG,DP,G,F,E,D,C,B,A
);

reg[8:0] seg [9:0];
initial
begin
      seg[0] = 9'h3f; //  0
      seg[1] = 9'h06; //  1
      seg[2] = 9'h5b; //  2
      seg[3] = 9'h4f; //  3
      seg[4] = 9'h66; //  4
      seg[5] = 9'h6d; //  5
      seg[6] = 9'h7d; //  6
      seg[7] = 9'h07; //  7
      seg[8] = 9'h7f; //  8
      seg[9] = 9'h6f; //  9
end

assign segment_led_1 = seg[seg_data_1];
assign segment_led_2 = seg[seg_data_2];

endmodule

4.2 硬件選擇

硬件方面采用小腳丫STEP FPGA MAX 10開發(fā)板,具體參數(shù)為：

· 核心器件 Altera MAX10 10M02S153I7G
· 1 路MicroUSB接口
· 2 位7段數(shù)碼管
· 2 個(gè)RGB三色LED
· 4 路撥碼開關(guān)
· 4 路按鍵
· 8 路用戶LED
· 36 個(gè)用戶可擴(kuò)展I/O

結(jié)論
5.1 問題分析

將代碼綜合下載到版上，有如下四種狀態(tài)和雙黃燈倒計(jì)時(shí)停止打的特殊狀態(tài)

狀態(tài)1 主綠燈從紅燈倒計(jì)時(shí)

狀態(tài)2 主黃燈從紅燈

狀態(tài)3 主紅燈從綠燈

狀態(tài)4 主紅燈從黃燈

特殊狀態(tài)：雙黃燈閃爍數(shù)碼管顯示00 停止倒計(jì)時(shí)

綜上小腳丫展示的四個(gè)狀態(tài)與預(yù)設(shè)邏輯狀態(tài)相符，運(yùn)行過程中也確實(shí)存在1s延遲情況。當(dāng)使用暫停按鈕達(dá)到雙黃燈模式時(shí)缺乏下一個(gè)狀態(tài)，無(wú)法自動(dòng)轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)態(tài)。所以我們采用復(fù)位措施使其重新循環(huán)。

5.2心得體會(huì)

通過這次設(shè)計(jì)，加強(qiáng)我們動(dòng)手、思考和解決問題的能力。在準(zhǔn)備期間，我們小組在B站上進(jìn)行視頻學(xué)習(xí)和上網(wǎng)查閱資料進(jìn)行軟硬件了解數(shù)字電子技術(shù)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的，而數(shù)電設(shè)計(jì)是實(shí)踐環(huán)節(jié)的重要組成部分，它給我們提供了一個(gè)理論聯(lián)系實(shí)際、檢驗(yàn)知識(shí)、加深認(rèn)識(shí)、開拓思維、汲取新知識(shí)的機(jī)會(huì)。數(shù)電的內(nèi)容雖然只是一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)字系統(tǒng)，但在思考問題、提出問題、解決疑難、排除障礙的過程中，卻能達(dá)到升華所學(xué)知識(shí)、訓(xùn)練綜合、創(chuàng)新能力及團(tuán)隊(duì)合作能力之目的。在完成的過程中，可以學(xué)到QUARTUSII軟件的使用方法，并且掌握狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)方法及利用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的思路和方法。