Verilog HDL基礎(chǔ)之：實例5 交通燈控制器
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實例的內(nèi)容及目標(biāo)
1．實例的主要訓(xùn)練內(nèi)容
本實例通過Verilog HDL語言設(shè)計一個簡易的交通等控制器，實現(xiàn)一個具有兩個方向、共8個燈并具有時間倒計時功能的交通燈功能。
2．實例目標(biāo)
通過本實例，讀者應(yīng)達(dá)到下面的目標(biāo)。
- 掌握Verilog設(shè)計一個交通等控制器的方法。
- 初步掌握Verilog語言的設(shè)計方法。
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。本實例就是實現(xiàn)一個常見的十字路口交通燈功能。讀者通過學(xué)習(xí)這個交通燈控制器，可以實現(xiàn)一個更加完整的交通燈。例如實現(xiàn)實時配置各種燈的時間，手動控制各個燈的狀態(tài)等。
一個十字路口的交通一般分為兩個方向，每個方向具有紅燈、綠燈和黃燈3種，另外每個方向還具有左轉(zhuǎn)燈，因此每個方向具有4個燈。
這個交通燈還為每一個燈的狀態(tài)設(shè)計了倒計時數(shù)碼管顯示功能?？梢詾槊恳粋€燈的狀態(tài)設(shè)置一個初始值，燈狀態(tài)改變后，開始按照這個初始值倒計時。倒計時歸零后，燈的狀態(tài)將會改變至下一個狀態(tài)。
值得注意的是，交通燈兩個方向的燈的狀態(tài)是相關(guān)的。也就是說，每個方向的燈的狀態(tài)影響著另外一個方向的燈的狀態(tài)，這樣才能夠協(xié)調(diào)兩個方向的車流。如果每個方向的燈是獨立變化的，那么交通燈就沒有了意義。
如表1所示是兩個方向（假設(shè)為A，B方向）燈的狀態(tài)的對應(yīng)情況。
表1 交通燈兩個方向燈狀態(tài)對應(yīng)表
方向A | 方向B |
紅燈亮 | 黃燈亮或綠燈亮 |
直行綠燈亮 | 紅燈亮 |
黃燈亮 | 紅燈亮 |
左轉(zhuǎn)燈 | 紅燈亮 |
在實際的交通系統(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的黃燈亮的時間持續(xù)5s，直行綠燈燈亮的時間持續(xù)40s，左轉(zhuǎn)燈燈亮的時間持續(xù)15s，則方向B紅燈燈亮的時間持續(xù)為（直行綠燈+黃燈+左轉(zhuǎn)綠燈+黃燈）所消耗的時間，一共為65s。
同樣假設(shè)方向B黃燈亮的時間持續(xù)5s，直行綠燈燈亮的時間持續(xù)30s，左轉(zhuǎn)燈燈亮的時間持續(xù)15s，則方向B紅燈燈亮的時間持續(xù)為（直行綠燈+黃燈+左轉(zhuǎn)綠燈+黃燈）所消耗的時間，一共為55s。
具體時間參數(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的定義及說明，讀者可以通過這些端口將此交通燈模塊實例化至自己的工程設(shè)計中。
- CLK：同步時鐘。
- EN：使能信號，為高電平時，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方向燈的時間顯示，8位，可驅(qū)動兩個數(shù)碼管。
- BCOUNT：用于B方向燈的時間顯示，8位，可驅(qū)動兩個數(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)部信號說明
reg［7:0］ numa,numb; //ACOUNT和BCOUNT的內(nèi)部信號
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)時間初始化值，紅燈的值由另一個方向的黃燈和綠燈計算得出。
always @(EN)
if(!EN) begin //使能信號EN無效時，對交通燈的計數(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，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 //每一個狀態(tài)的倒計時
if(numa>1) //判斷倒計時未歸零時分別對高地位進(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; //倒計時結(jié)束，返回?zé)魻顟B(tài)變化判斷，將進(jìn)入下一個狀態(tài)
end
end
else begin
LAMPA=4b1000; //使能無效時，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 //倒計時
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Verilog HDL模塊，基本實現(xiàn)了交通燈控制器的基本功能。讀者可將此設(shè)計應(yīng)用于實際的硬件系統(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現(xiàn)。
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