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# 数字电路课程设计

# 1. 课设要求

学习利用计数器和状态机设计十字路口交通灯控制器。设计一个简单十字路口交通灯控制器。该控制器控制甲乙两道的红、黄、绿三色灯，指挥交通和行人安全通行。复杂十字路口交通灯控制器要比简单交通灯控制器增加一些功能，如倒计时时间显示，左转弯（左拐）、指示灯闪烁及特殊紧急情况的处理等.

# 2. 设计方案

甲道 --> 绿灯 25s 黄灯 5s 左转灯 15s 黄灯 5s 红灯 40s
乙道 --> 红灯 50s 绿灯 20s 黄灯 5s 左转灯 10s 黄灯 5s

# 3. 设计思想描述

  1. 保证主干道的绿灯时间大于支路的绿灯时间，保证主干道的通行能力大于支路的通行能力.

  2. 当使能端为高电平时，甲道状态为 绿->黄->左->黄->红 ，乙道状态为 红->绿->黄->左->黄 ，并依次循环进行下去.

  3. 每个方向上的红灯时间都应该为绿灯 + 黄灯 + 左转灯 + 黄灯时间

  4. 状态 LAMPA: 控制 A 方向的四盏灯的亮灭，状态 LAMPB: 控制 B 方向的四盏灯的亮灭，状态如下表所示.
    <table>
    <tr>
    <th colspan="4">LAMPA</th>
    <th colspan="4">LAMPB</th>
    </tr>
    <tr>
    <th> 绿 </th>
    <th> 黄 </th>
    <th> 左 </th>
    <th> 红 </th>
    <th> 绿 </th>
    <th> 黄 </th> <!-- 高电平亮 -->
    <th> 左 </th>
    <th> 红 </th>
    </tr>
    <tr>
    <th>0</th>
    <th>0</th>
    <th>0</th>
    <th>1</th>
    <th>0</th>
    <th>0</th>
    <th>0</th>
    <th>1</th>
    </tr>
    <tr>
    <th>0</th>
    <th>0</th>
    <th>1</th>
    <th>0</th>
    <th>0</th>
    <th>0</th>
    <th>1</th>
    <th>0</th>
    </tr>
    <tr>
    <th>0</th>
    <th>1</th>
    <th>0</th>
    <th>0</th>
    <th>0</th>
    <th>1</th>
    <th>0</th>
    <th>0</th>
    </tr>
    <tr>
    <th>1</th>
    <th>0</th>
    <th>0</th>
    <th>0</th>
    <th>1</th>
    <th>0</th>
    <th>0</th>
    <th>0</th>
    </tr>
    </table>

  5. 将 DE2-70 实验板上的 50MHz 时钟信号分频为 1Hz 的时钟信号，用于计时.

  6. 使用七段数字显示器显示甲乙两道上的倒计时时间，将每条通道的倒计时时间分为两个部分，一个部分为十位数，一个部分为个位数，使用两个七段数字显示器分别显示十位数和个位数.

  7. 对应 DE2-70 管脚图屏蔽掉开发板上的小数点位显示

  8. 当遇到紧急情况时，甲乙两道全部变成无倒计时的红灯.

  9. 夜间警惕模式，甲乙两道都变成黄灯闪烁

# 4. 代码实现

# 4.1 BCD 码转七段显示译码器

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// 实现将BCD码转为七段显示译码器
module _BCDto7LED(
    input [3:0] bcd_high,//高位BCD码
    input [3:0] bcd_low,//低位BCD码
    output reg [6:0] segh,//高位七段显示码
    output reg [6:0] segl//低位七段显示码
);
    always @(bcd_high , bcd_low)
    begin
        //高位七段显示码
        // g~a 7~1
        case(bcd_high):
        4'h0: segh = 7'b1000000;//数字0   ---a----
        4'h1: segh = 7'b1111001;//数字1   |      |
        4'h2: segh = 7'b0100100;//数字2   f      b
        4'h3: segh = 7'b0110000;//数字3   |      |
        4'h4: segh = 7'b0011001;//数字4   ---g----
        4'h5: segh = 7'b0010010;//数字5   |      |
        4'h6: segh = 7'b0000010;//数字6   e      c
        4'h7: segh = 7'b1111000;//数字7   |      |
        4'h8: segh = 7'b0000000;//数字8   ---d----
        4'h9: segh = 7'b0010000;//数字9
        default : segh = 7'b1111111;//其他情况全灭                   
        endcase
        //低位七段显示码
        // g~a 7~1
        case(bcd_low):
        4'h0: segl = 7'b1000000;//数字0   ---a----
        4'h1: segl = 7'b1111001;//数字1   |      |
        4'h2: segl = 7'b0100100;//数字2   f      b
        4'h3: segl = 7'b0110000;//数字3   |      |
        4'h4: segl = 7'b0011001;//数字4   ---g----
        4'h5: segl = 7'b0010010;//数字5   |      |
        4'h6: segl = 7'b0000010;//数字6   e      c
        4'h7: segl = 7'b1111000;//数字7   |      |
        4'h8: segl = 7'b0000000;//数字8   ---d----
        4'h9: segl = 7'b0010000;//数字9
        default : segl = 7'b1111111;//其他情况全灭
        endcase
    end
endmodule

# 4.2 时钟降频

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//降频模块
// 50MHz -> 1Hz 计数范围0~24999999
module Divider50MHz(
    input  CLK_50MHzInput;//50MHz时钟输入
    input  RST;//复位
    output reg CLK_1HzOut//1Hz时钟输出
);
reg[24:0] Count;//计数器,达到最大值输出信号翻转
always@(posedge CLK_50MHzInput,negedge RST)
begin
    if(!RST)  
        begin
            CLK_1HzOut <= 0;//输出信号清零
            Count <= 0;//计数器清零
        end
    else 
        begin
            if(Count<25000000) 
                begin
                    Count <= Count+1'b1;//计数器加1
                end
            else    
                begin
                    Count<=0;//计数器清零
                    CLK_1HzOut<=~CLK_1HzOut;//输出信号翻转
                end
        end
end
endmodule

# 4.3 主体逻辑代码

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module traffic(
    input CLK,//时钟
    input EN,//使能
    input [1:0] mode ,//设置模式：00为正常模式，01为紧急模式，10为夜间模式
    output reg [3:0] LAMPA,//A路灯,控制A方向上四盏灯的亮灭
    output reg [3:0] LAMPB,//B路灯,控制B方向上四盏灯的亮灭
    output  [7:0] ACOUNT,//A路计数器,控制A方向上两个数码管的显示
    output  [7:0] BCOUNT//B路计数器,控制B方向上两个数码管的显示
);

//信号定义
reg [7:0] numa,numb;//倒计时时间
reg [3:0] Anext,Bnext;//定义灯切换顺序
reg [7:0] ared,ayellow,agreen,aleft,bred,byellow,bgreen,bleft;
assign ACOUNT=numa;//采用无阻塞赋值,使得ACOUNT和BCOUNT的值在同一时刻更新
assign BCOUNT=numb;//
reg tempa,tempb;//定义临时变量,用于判断是否需要切换灯 0表示需要切换灯,1表示不需要切换灯
reg [2:0] counta,countb;//控制黄灯闪烁
//倒计时参数初始化
always @(EN)
if(!EN)
begin
    ared[3:0] <=0;
    ared[7:4] <=4;//A道红灯40s
    ayellow <=5;//A道黄灯5s
    agreen[3:0] <=5;
    agreen[7:4] <=2;//A道绿灯25s
    aleft[3:0] <=5;
    aleft[7:4] <=1;//A道左转灯15s
    bred[3:0] <=0;
    bred[7:4] <=5;//B道红灯50s
    byellow <=5;//B道黄灯5s
    bleft[3:0] <=0;
    bleft[7:4] <=1;//B道左转灯10s
    bgreen[3:0] <=0;
    bgreen[7:4] <=2;//B道绿灯20s
end

//灯参数初始化
parameter RED=4'b0001;
parameter LEFT=4'b0010;
parameter YELLOW=4'b0100;
parameter GREEN=4'b1000;
parameter DARK=4'b0000;

always @(posedge CLK) //A道灯
begin
    if(EN)
        begin
            case (mode)
                2'b00: //紧急情况和夜间模式均为激活
                    begin
                        if(!tempa)
                            begin
                                tempa<=1;
                                case (Anext)//确定灯顺序
                                    0: begin numa<=agreen; LAMPA<=GREEN; Anext<=1; end
                                    1: begin numa<=ayellow; LAMPA<=YELLOW; Anext<=2; end
                                    2: begin numa<=aleft; LAMPA<=LEFT; Anext<=3; end
                                    3: begin numa<=ayellow; LAMPA<=YELLOW; Anext<=4; end
                                    4: begin numa<=ared; LAMPA<=RED; Anext<=0; end
                                    default: ;
                                endcase
                            end
                        else
                            begin
                                if(numa>1)
                                    if(!numa[3:0])
                                        begin
                                            numa[3:0]<=4'b1001;
                                            numa[7:4]<=numa[7:4]-1;
                                        end
                                    else
                                        numa[3:0]<=numa[3:0]-1;
									if(numa==2)
										tempa<=0; 
                            end//注意这段代码.
                            /*1.为什么选择numa>1而不是numa>0：
                                因为numa=1时,倒计时为0,此时灯应该切换,而不是继续倒计时
                                2.为什么判断numa==2时tempa<=0:
                                注意此时要实现灯倒计时的切换,有一个时间周期的延迟,所以要在numa==2时,将tempa<=0,这样在numa==1时,才能切换灯
                            */

                    end
                2'b01://紧急情况下灯变成红色,无倒计时
                    begin
                        numa<=8'b11111111;
                        LAMPA<=RED;
                        tempa<=0;
                    
                    end
                2'b10://夜间模式,黄灯闪烁
					begin
						if(counta<1)
							begin
							counta<=counta+1'b1;
							LAMPA<=DARK;
							end
						else
							begin
								counta<=0;
								LAMPA<=YELLOW;
								numa<=8'b11111111;
							end
						tempa<=0;
					end
                default: ;
            endcase
        end
    else
		begin
		LAMPA<=DARK;
		Anext<=0;
		tempa<=0;
		numa<=8'b11111111;
		end
end

always @(posedge CLK) //B道灯
begin
    if(EN)
        begin
            case (mode)
                2'b00: //紧急情况和夜间模式均为激活
                    begin
                        if(!tempb)
                            begin
                                tempb<=1;
                                case (Bnext)//确定灯顺序
                                    0: begin numb<=bred; LAMPB<=RED; Bnext<=1; end
                                    1: begin numb<=bgreen; LAMPB<=GREEN; Bnext<=2; end
                                    2: begin numb<=byellow; LAMPB<=YELLOW; Bnext<=3; end
                                    3: begin numb<=bleft; LAMPB<=LEFT; Bnext<=4; end
                                    4: begin numb<=byellow; LAMPB<=YELLOW; Bnext<=0; end
                                    default: ;
                                endcase
                            end
                        else
                            begin
                                if(numb>1)
                                    if(!numb[3:0])
                                        begin
                                            numb[3:0]<=4'b1001;
                                            numb[7:4]<=numb[7:4]-1;
                                        end
                                    else
                                        numb[3:0]<=numb[3:0]-1;
									if(numb==2)
										tempb<=0; 
							
                            end
                    end
                2'b01://紧急情况下灯变成红色,无倒计时
                    begin
                        numb<=8'b11111111;
                        LAMPB<=RED;
                        tempb<=0;
                    end
                2'b10://夜间模式,黄灯闪烁
					begin
						if(countb<1)
							begin
							countb<=countb+1'b1;
							LAMPB<=DARK;
							end
						else
						begin
								countb<=0;
								LAMPB<=YELLOW;
								numb<=8'b11111111;
						end
						tempb<=0;
					end
                default: ;
            endcase
        end
    else
		begin
		LAMPB<=DARK;
		Bnext<=0;
		tempb<=0;
		numb<=8'b11111111;
		end
end
endmodule

# 4.4 顶层模块

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module TrafficTop (
    input CLK,
    input EN,
    input[1:0]mode,
    output[6:0] segAH,//A道倒计时高位七段数字显示码
    output[6:0] segAL,//A道倒计时低位七段数字显示码
    output[6:0] segBH,//B道倒计时高位七段数字显示码
    output[6:0] segBL,//B道倒计时低位七段数字显示码
    output[3:0] LAMPA,//A道四盏灯
    output[3:0] LAMPB,//B道四盏灯
    output reg [7:0] dis//小数点
);
wire clk_1Hz;//1Hz时钟信号
wire [7:0] ACOUNT,BCOUNT;
wire RST=1'b1;//复位信号
//调用分频
Divider50MHz(CLK,RST,clk_1Hz);
//调用交通灯控制模块
traffic(clk_1Hz,EN,mode,LAMPA,LAMPB,ACOUNT,BCOUNT);
//显示倒计时
_BCDto7LED(ACOUNT[7:4],ACOUNT[3:0],segAH,segAL);
_BCDto7LED(BCOUNT[7:4],BCOUNT[3:0],segBH,segBL);
//隐藏小数点
always@(EN)
    if(EN)
    begin
        dis<=8'hFF;
    end
endmodule

# 5. 实验过程

# 5.1 New Project Wizard

  1. 新建工程文件
    注意输入的顶层实体名必须与之后设计文件的顶层实体名一致
  2. 添加 traffictop.v 文件
  3. 选择设计器件，本次实验采用的是 Altera 公司提供的 DE2-70 开发板.
    Device family 选择 CycloneⅡ,Package 选择 FBGA,PinCount 选择 896,speed grade 选择 6

# 5.2 Start Analysis & Synthesis

将 RTL (寄存器传输级) 转换为网表级，并进行综合分析，生成综合报告

# 5.3 Start Compilation

# 5.4 Pins Assignment

手工分配引脚

NodeNameLocation
CLKPIN_AD15
ENPIN_AA23
mode[1]PIN_AB25
mode[0]PIN_AB26
dis[7]PIN_G2
dis[6]PIN_K2
dis[5]PIN_K6
dis[4]PIN_L6
dis[3]PIN_M4
dis[2]PIN_AC19
dis[1]PIN_AC17
dis[0]PIN_AF12
LAMPA[3]PIN_AJ7
LAMPA[2]PIN_AD8
LAMPA[1]PIN_AD9
LAMPA[0]PIN_AC11
LAMPB[3]PIN_AB12
LAMPB[2]PIN_AC12
LAMPB[1]PIN_AB13
LAMPB[0]PIN_AC13
segAH[6]PIN_G1
segAH[5]PIN_H3
segAH[4]PIN_H2
segAH[3]PIN_H1
segAH[2]PIN_J2
segAH[1]PIN_J1
segAH[0]PIN_K3
segAL[6]PIN_E4
segAL[5]PIN_F4
segAL[4]PIN_G4
segAL[3]PIN_H8
segAL[2]PIN_H7
segAL[1]PIN_H4
segAL[0]PIN_H6
segBH[6]PIN_K5
segBH[5]PIN_K4
segBH[4]PIN_K1
segBH[3]PIN_L3
segBH[2]PIN_L2
segBH[1]PIN_L1
segBH[0]PIN_M3
segBL[6]PIN_M2
segBL[5]PIN_M1
segBL[4]PIN_N3
segBL[3]PIN_N2
segBL[2]PIN_P3
segBL[1]PIN_P2
segBL[0]PIN_P1

# 5.5 Programmer

将设计下载到 FPGA 中

# 5.6 功能仿真

  1. 添加波形文件
  2. 插入信号结点
  3. CLK 设为周期为 20ns 的时钟信号，EN 设为 1,mode 设为 00
  4. 设置仿真模式为 Functional
  5. 生成功能仿真网表
  6. 启动仿真

# 6. 实验结果

见视频

# 7. 实验收获与体会

  1. 注意 verilog 语言的书写规范，如 begin 和 end 要成对出现， case 和 endcase 要成对出现， if 和 else 要成对出现， always 和 end 要成对出现， always 和 begin 要成对出现， always 和 endcase 要成对出现， always 和 case 要成对出现， always 和 if 要成对出现
  2. 名称命名要规范，如 CLK_1HzOut 和 CLK_50MHzInput 中的 CLK 表示时钟， 1Hz 表示 1Hz 时钟， Out 表示输出， 50MHz 表示 50MHz 时钟， Input 表示输入， Divider50MHz 表示 50MHz 时钟的分频模块， Divider 表示分频， 50MHz 表示 50MHz 时钟， traffic 表示交通灯控制模块， trafficTop 表示顶层模块， _BCDto7LED 表示 BCD 码转七段显示译码器
  3. 引脚设置要仔细，要与开发板上的引脚对应，否则会出现无法下载的情况或者下载后无法正常工作的情况
  4. 功能仿真时，要注意时钟信号的周期，要与设计时的时钟信号周期一致，否则会出现仿真结果与实际结果不一致的情况