Lattice MXO2: 交通燈控制

上圖為十字路口交通示意圖分之路與主路，要求如下： * 交通燈主路上綠燈持續15s的時間，黃燈3s的時間，紅燈10s的時間； * 交通燈支路上綠燈持續7s的時間， 黃燈持續3秒的時間，紅燈18秒的時間；

根據上述要求，狀態機設計框架分析如下： * S1:主路綠燈點亮，支路紅燈點亮，持續15s的時間； * S2:主路黃燈點亮，支路紅燈點亮，持續3s的時間； * S3:主路紅燈點亮，支路綠燈點亮，持續10s的時間； * S4:主路紅燈點亮，支路黃燈點亮，持續3s的時間；

首先是時鐘分頻部分：

//********************************************************
//   Copyright(c)2016, STEP FPGA 
//   All rights reserved
//   File name       :   divide.v
//   Module name     :   divide
//   Author          :   STEP
//   Email           :   info@stepfpga.com
//   Data            :   2016/08/01
//   Version         :   V1.0
//   Description     :   
//
//   Modification history
//   ----------------------------------------------------------------------------
// Version       
// Description
//
//******************************************************** 
//*******************
//DEFINE MODULE PORT
//*******************
module divide(
	//INPUT
	clk			,
	rst_n			,
	//OUTPUT
	clkout			
);
	//*******************
	//DEFINE PARAMETER
	//*******************
	parameter			WIDTH	=	3;
	parameter			N		=	5; 	//*******************
	//DEFINE INPUT
	//*******************
	input 	clk,rst_n;          //*******************
	//DEFINE OUTPUT
	//*******************
	output	clkout; 	//********************
	//OUTPUT ATTRIBUTE
	//********************
	//REGS
	reg 	[WIDTH-1:0]		cnt_p,cnt_n;
	reg						clk_p,clk_n; 	
	assign clkout = (N==1)?clk:(N[0])?(clk_p&clk_n):clk_p; 	//Sequential logic style
	always @ (posedge clk)
		begin
			if(!rst_n)
				cnt_p<=0;
			else if (cnt_p==(N-1))
				cnt_p<=0;
			else cnt_p<=cnt_p+1;
		end 	always @ (negedge clk)
		begin
			if(!rst_n)
				cnt_n<=0;
			else if (cnt_n==(N-1))
				cnt_n<=0;
			else cnt_n<=cnt_n+1;
		end 	always @ (posedge clk)
		begin
			if(!rst_n)
				clk_p<=0;
			else if (cnt_p<(N>>1))  
				clk_p<=0;
			else 
				clk_p<=1;
		end 	always @ (negedge clk)
		begin
			if(!rst_n)
				clk_n<=0;
			else if (cnt_n<(N>>1))  
				clk_n<=0;
			else 
				clk_n<=1;
		end
		endmodule

接下來就是利用三段式狀態機實現的交通燈部分：

// ********************************************************************
// >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> COPYRIGHT NOTICE <<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<
// ********************************************************************
// File name    : traffic.v// Module name  : traffic
// Author       : STE
// Description  : 
// 
// --------------------------------------------------------------------
// Code Revision History : 
// --------------------------------------------------------------------
// Version: |Mod. Date:   |Changes Made:
// V1.0     |2017/03/02   |Initial ver
// --------------------------------------------------------------------
// Module Function:簡易交通燈 
 module traffic(
	clk		,    //時鐘
	rst_n		,    //復位
	out		     //三色led代表交通燈); 	
	input 	clk,rst_n;     
	output	reg[5:0]	out; 	
	parameter      	S1 = 4'b00,    //狀態機狀態編碼
			S2 = 4'b01,
			S3 = 4'b10,
			S4 = 4'b11; 	
			parameter	time_s1 = 4'd15, //計時參數
			time_s2 = 4'd3,
			time_s3 = 4'd10,
			time_s4 = 4'd3;
	//交通燈的控制
	parameter	led_s1 = 6'b101011, // LED2 綠色 LED1 紅色
			led_s2 = 6'b110011, // LED2 藍色 LED1 紅色
			led_s3 = 6'b011101, // LED2 紅色 LED1 綠色
			led_s4 = 6'b011110; // LED2 紅色 LED1 藍色 	
			reg 	[3:0] 	timecont;
	reg 	[1:0] 	cur_state,next_state;  //現態、次態 	
	wire			clk1h;  //1Hz時鐘 	//產生1秒的時鐘周期
	divide #(.WIDTH(32),.N(12000000)) CLK1H (
					.clk(clk),
					.rst_n(rst_n),
					.clkout(clk1h));
	//第一段 同步邏輯 描述次態到現態的轉移
	always @ (posedge clk1h or negedge rst_n)
	begin
		if(!rst_n) 
			cur_state <= S1;
        else 
			cur_state <= next_state;
	end
	//第二段 組合邏輯描述狀態轉移的判斷
	always @ (cur_state or rst_n or timecont)
	begin
		if(!rst_n) begin
		        next_state = S1;
			end
		else begin
			case(cur_state)
				S1:begin
					if(timecont==1) 
						next_state = S2;
					else 
						next_state = S1;
				end 
                S2:begin
					if(timecont==1) 
						next_state = S3;
					else 
						next_state = S2;
				end 
                S3:begin
					if(timecont==1) 
						next_state = S4;
					else 
						next_state = S3;
				end 
                S4:begin
					if(timecont==1) 
						next_state = S1;
					else 
						next_state = S4;
				end 				
				default: next_state = S1;
			endcase
		end
	end
	//第三段  同步邏輯 描述次態的輸出動作
	always @ (posedge clk1h or negedge rst_n)
	begin
		if(!rst_n==1) begin
			out <= led_s1;
			timecont <= time_s1;
			end 
		else begin
			case(next_state)
				S1:begin
					out <= led_s1;
					if(timecont == 1) 
						timecont <= time_s1;
					else 
						timecont <= timecont - 1;
				end 
				S2:begin
					out <= led_s2;
					if(timecont == 1) 
						timecont <= time_s2;
					else 
						timecont <= timecont - 1;
				end 
				S3:begin
					out <= led_s3;
					if(timecont == 1) 
						timecont <= time_s3;
					else 
						timecont <= timecont - 1;
				end 
				S4:begin
					out <= led_s4;
					if(timecont == 1) 
						timecont <= time_s4;
					else 
						timecont <= timecont - 1;
				end 				
				default:begin
					out <= led_s1;
					end
			endcase
		end
	end
	endmodule

小腳丫上正好有4路按鍵和4路開關，可以用來作為輸入信號分別控制數碼管的輸出。按照下面表格定義輸入輸出信號

配置好以后編譯下載程序。您也可以試試修改程序，觀察修改代碼對于FPGA內部電路所造成的影響。

狀態機是一類很重要的時序邏輯電路，是許多數字系統的核心部件，掌握狀態機的使用是利用FPGA與CPLD進行開發的一項必會技能，本小節的交通燈程序即是利用三段式狀態機描述方法實現的，希望讀者能夠快速掌握這項技能。