Verilog HDL基礎之：實例5 交通燈控制器

實例的內容及目標

1．實例的主要訓練內容

本實例通過Verilog HDL語言設計一個簡易的交通等控制器，實現一個具有兩個方向、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

通過本實例，讀者應達到下面的目標。

• 掌握Verilog設計一個交通等控制器的方法。
• 初步掌握Verilog語言的設計方法。

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。本實例就是實現一個常見的十字路口交通燈功能。讀者通過學習這個交通燈控制器，可以實現一個更加完整的交通燈。例如實現實時配置各種燈的時間，手動控制各個燈的狀態等。

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設計了倒計時數碼管顯示功能。可以為每一個燈的狀態設置一個初始值，燈狀態改變后，開始按照這個初始值倒計時。倒計時歸零后，燈的狀態將會改變至下一個狀態。

值得注意的是，交通燈兩個方向的燈的狀態是相關的。也就是說，每個方向的燈的狀態影響著另外一個方向的燈的狀態，這樣才能夠協調兩個方向的車流。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（假設為A，B方向）燈的狀態的對應情況。

表1 交通燈兩個方向燈狀態對應表

在實際的交通系統中，直行綠燈、左轉綠燈和紅燈的變化之間都應該有黃燈作為緩沖，以保證交通的安全。因此假如我們假設方向A的黃燈亮的時間持續5s，直行綠燈燈亮的時間持續40s，左轉燈燈亮的時間持續15s，則方向B紅燈燈亮的時間持續為（直行綠燈+黃燈+左轉綠燈+黃燈）所消耗的時間，一共為65s。

同樣假設方向B黃燈亮的時間持續5s，直行綠燈燈亮的時間持續30s，左轉燈燈亮的時間持續15s，則方向B紅燈燈亮的時間持續為（直行綠燈+黃燈+左轉綠燈+黃燈）所消耗的時間，一共為55s。

具體時間參數的設定讀者可以根據需要進行修改，但是一定要保證兩個方向的燈的狀態符合表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；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；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，可驅動兩個數碼管。
• BCOUNT：用于B方向燈的時間顯示，8位，可驅動兩個數碼管。

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; //內部信號說明

reg［7:0］ numa,numb; //ACOUNT和BCOUNT的內部信號

reg tempa,tempb;

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

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

reg［3:0］ LAMPA,LAMPB;

//設置各交通燈的持續時間初始化值，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，對交通燈的計數值進行初始化

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位數碼管輸出

assign BCOUNT=numb; //8位數碼管輸出

//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) //控制燈狀態的順序

0: begin //狀態0

numa=agreen; //直行綠燈亮

LAMPA=2; //輸出0010

counta=1; //進入下一個狀態

end

1: begin //狀態1

numa=ayellow; //黃燈亮

LAMPA=4; //輸出0100

counta=2; //進入下一個狀態

end

2: begin //狀態2

numa=aleft; //左轉綠燈亮

LAMPA=1; //輸出0001

counta=3; //進入下一個狀態

end

3: begin //狀態3

numa=ayellow; //黃燈亮

LAMPA=4; //輸出0100

counta=4; //進入下一個狀態

end

4: begin //狀態4

numa=ared; //紅燈亮

LAMPA=8; //輸出1000

counta=0; //進入下一個狀態（狀態0）

end

default: //默認狀態

LAMPA=8; //紅燈亮，輸出1000

endcase

end

else begin //每一個狀態的倒計時

if(numa>1) //判斷倒計時未歸零時分別對高地位進行遞減

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; //倒計時結束，返回燈狀態變化判斷，將進入下一個狀態

end

end

else begin

LAMPA=4b1000; //使能無效時，紅燈亮

counta=0; //返回方向A的狀態0(綠燈狀態)

tempa=0; //進入狀態變化判斷

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，基本實現了交通燈控制器的基本功能。讀者可將此設計應用于實際的硬件系統中，通過晶振、FPGA、開關、LED燈及數碼管等資源即可完成硬件實現。