内容介绍
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1. 项目介绍
本项目旨在设计并实现一个智能交通灯控制系统，该系统能够根据环境光照强度自动控制路灯的开启与关闭，并通过数码管显示红绿灯剩余时间、光照值以及发出警示音。系统采用STEP MXO2-LPC FPGA核心板，结合STEP-BaseBoaed-V4.0开发板，完成了交通灯控制系统。
2. 硬件介绍
- FPGA开发板
使用STEP MXO2-LPC作为控制核心。STEP MXO2-LPC核心板是一款基于Lattice MachXO2系列FPGA的嵌入式开发板，具有低功耗和高性价比的优点，适用于快速原型设计、教学和工业应用。 - 数码管显示模块
使用直连的2段数码管显示交通灯的剩余时间（以秒计），74HC595芯片驱动8位数码管显示当前光照值。 - 蜂鸣器模块
采用单片蜂鸣器模块，用于在绿灯状态下发出提示音报警。 - 接近传感器（PSR-0521RS）
PSR-0521RS传感器用于检测人员的靠近和光照强度。 - 路灯驱动模块
8个红色LED点阵组成路灯阵列，当光照强度低于30lux时自动点亮。
3. 方案框图和设计思路
3.1 任务1、2（使用webide）
3.1.1 方案框图
3.1.2 设计思路
- 生成一个频率为1s的clkout信号，连接到counter模块，以此来进行剩余时间的计数。
- 在counter模块中设计采用有限状态自动机（Finite State Machine, FSM）来控制整个过程，状态包括：红灯状态，绿灯状态和黄灯状态。状态机根据时间控制，实现交通灯的自动切换。图中num1，num2分别代表红灯，绿灯的时长。RGB灯发出对应颜色的光，同时使用bcd模块（bin_to_bcd）+数码管译码器模块（seg_decoder）显示剩余时间。
- 绿灯时使能beep模块，每1s响一次，以1kHz的频率发出声音。
3.1.3 关键代码介绍
counter模块内代码，其中flag作状态机，值为0，1，2分别表示红，绿，黄三种状态。
wire [15:0] num;
reg [7:0] out_temp;
reg [1:0] flag;
reg beep_en_temp;
reg [5:0] rgb_temp;
always @(negedge clk or negedge rst_n) begin
if (rst_n == 1'b0) begin
out_temp <= num1;
rgb_temp <= 6'b100100;
flag <= 2'b00;
beep_en_temp <= 0;
end else if (en)
begin
if (out_temp == 0)begin
if(flag==2'b00) begin //红灯->绿灯
out_temp <= num2;
rgb_temp <= 6'b010010;
flag <= 2'b01;
beep_en_temp <= 1;
end else if(flag==2'b01) begin //绿灯->黄灯
out_temp <= 3;
rgb_temp <= 6'b110110;
flag <= 2'b10;
beep_en_temp <= 0;
end else begin //黄灯->红灯
out_temp <= num1;
rgb_temp <= 6'b100100;
flag <= 2'b00;
beep_en_temp <= 0;
end
end else
out_temp <= out_temp - 8'b1;
end
else
out_temp <= out_temp;
end
assign out = out_temp;
assign rgb = rgb_temp;
assign beep_en = beep_en_temp;
3.1.4 功能展示
红灯 | 绿灯 | 黄灯 |
|---|---|---|
| | |
3.1.5 资源占用
Design Summary:
Number of registers: 78 out of 4635 (2%)
PFU registers: 78 out of 4320 (2%)
PIO registers: 0 out of 315 (0%)
Number of SLICEs: 108 out of 2160 (5%)
SLICEs as Logic/ROM: 108 out of 2160 (5%)
SLICEs as RAM: 0 out of 1620 (0%)
SLICEs as Carry: 66 out of 2160 (3%)
Number of LUT4s: 215 out of 4320 (5%)
Number used as logic LUTs: 83
Number used as distributed RAM: 0
Number used as ripple logic: 132
Number used as shift registers: 0
Number of PIO sites used: 25 + 4(JTAG) out of 105 (28%)
Number of block RAMs: 0 out of 10 (0%)
Number of GSRs: 1 out of 1 (100%)
3.2 任务3、4（使用diamond）
源码见附件/source_2，项目见附件/project2.ldf
3.2.1 方案框图
3.2.2 设计思路
基于官方驱动距离和光照传感器的例程，修改使其适应任务要求：
- 在decoder模块（rpr0521rs_decoder）中，新增hc595_en端口，根据距离控制数码管亮灭。
- 修改Y_out输出逻辑，当光照强度小于30lux时，使所有LED点亮。
3.2.3 关键代码介绍
//rpr0521rs_decoder.v
always@(prox_dat2[11:9]) begin
if (prox_dat2[11:9]<3'b010) begin //
hc595_en <= 1'b0;
end else begin //
hc595_en <= 1'b1;
end
end
always @(lux) begin
if (lux >= 32'd30000) begin
Y_out <= 8'h00;
end else begin
Y_out <= 8'hff;
end
end
//project_top_module.v
HC595_Driver HC595_Driver_inst(
// 连接系统时钟信号
.sys_clk (sys_clk ),
// 连接系统复位信号
.sys_rst_n (sys_rst_n ),
// 连接光照数据的第31-28位
.dat_1 (lux_data[31:28] ),
// 连接光照数据的第27-24位
.dat_2 (lux_data[27:24] ),
// 连接光照数据的第23-20位
.dat_3 (lux_data[23:20] ),
// 连接光照数据的第19-16位
.dat_4 (lux_data[19:16] ),
// 连接光照数据的第15-12位
.dat_5 (lux_data[15:12] ),
// 连接光照数据的第11-8位
.dat_6 (lux_data[11:08] ),
// 连接光照数据的第7-4位
.dat_7 (lux_data[07:04] ),
// 连接光照数据的第3-0位
.dat_8 (lux_data[03:00] ),
// 根据HC595使能信号决定数据使能
.dat_en (hc595_en ? 8'b1111_1111 : 8'b0000_0000),
.dot_en (hc595_en ? 8'b0000_0100 : 8'b0000_0000),
.seg_rck (seg_rck ),
.seg_sck (seg_sck ),
.seg_din (seg_din )
);
3.2.4 功能展示
距离远 光照强 | 距离远 光照弱 |
|---|---|
| |
距离近 光照强 | 距离近 光照弱 |
| |
3.2.5 资源占用
Design Summary:
Number of registers: 328 out of 4635 (7%)
PFU registers: 323 out of 4320 (7%)
PIO registers: 5 out of 315 (2%)
Number of SLICEs: 1288 out of 2160 (60%)
SLICEs as Logic/ROM: 1288 out of 2160 (60%)
SLICEs as RAM: 0 out of 1620 (0%)
SLICEs as Carry: 475 out of 2160 (22%)
Number of LUT4s: 2574 out of 4320 (60%)
Number used as logic LUTs: 1624
Number used as distributed RAM: 0
Number used as ripple logic: 950
Number used as shift registers: 0
Number of PIO sites used: 38 + 4(JTAG) out of 105 (40%)
Number of block RAMs: 0 out of 10 (0%)
Number of GSRs: 1 out of 1 (100%)
3.3 总系统的实验（整合四个任务）
源码见附件/source_total，项目见附件/project_total.ldf
3.3.1 方案框图
线路说明：
- 绿线为系统时钟（12MHz），divider模块为分频器，产生1Hz的信号（即红线）。
3.3.2 资源占用
Design Summary:
Number of registers: 406 out of 4635 (9%)
PFU registers: 401 out of 4320 (9%)
PIO registers: 5 out of 315 (2%)
Number of SLICEs: 1381 out of 2160 (64%)
SLICEs as Logic/ROM: 1381 out of 2160 (64%)
SLICEs as RAM: 0 out of 1620 (0%)
SLICEs as Carry: 534 out of 2160 (25%)
Number of LUT4s: 2756 out of 4320 (64%)
Number used as logic LUTs: 1688
Number used as distributed RAM: 0
Number used as ripple logic: 1068
Number used as shift registers: 0
Number of PIO sites used: 38 + 4(JTAG) out of 105 (40%)
Number of block RAMs: 0 out of 10 (0%)
Number of GSRs: 1 out of 1 (100%)
4. 难题与解决方法
Verilog代码复杂
- 解决方法：采用模块化设计，将系统分解为独立的小型功能单元（如倒计时counter、传感器驱动等），降低代码复杂性，使得调试和维护更加容易。
5. 项目完成情况
- 功能实现
系统均完成了核心功能：灯光开关闭合，时间与光照值显示以及报警音输出。数码管可实时显示剩余时间和光照强度，蜂鸣器在绿灯状态下发出每秒一次的提示音。 - 系统稳定性
通过多次实验验证系统运行稳定，能够满足实际应用场景中的实时性需求。
6. 心得与展望
通过本项目，我入门了fpga的数字逻辑世界。参与此次项目让我掌握了Verilog编码、硬件电路设计等技能，为下学期的数电实验课程打下了良好的基础。
软硬件
附件下载
project.zip
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仅本人
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