1、项目概况

本设计旨在利用小脚丫FPGA STEP BaseBoard V4.0开发板构建一个模拟交通控制系统，主要的需求如下：

• 在数码管上显示计时信息
• 蜂鸣器报警
• 接近传感器检测人员走近
• 环境光感知，自动点亮路灯

根据以上需求，可以细化上述需求，主要的交通控制系统功能如下：

• 基本的交通灯倒计时功能，倒计时结束后切换成对应的灯光，例如红灯之后绿灯，绿灯之后黄灯
• 黄灯时，蜂鸣器报警，也可以通过按键控制其不报警
• 接近传感器的数值可以在数码管显示，接近人员时，自动蜂鸣器报警，也可以控制其不报警
• 根据环境光照强度自动亮LED灯光，光照越弱，灯光越强，模拟路灯，同时数码管显示光照强度
• 光照强度和接近传感器的数值通过按键可以进行切换显示

主要使用的FPGA平台如下：

2、项目总体方案框图

项目总体框图如下：

FPGA的顶层文件设计如下：

根据细化的需求，拆分相关的模块如下:

• multi_color：根据选择输入的选择，点亮对应的灯光，项目中主要是红灯、绿灯和黄灯，两个三色灯可以单独控制，也可以组合其他其他颜色，改变输入的选择即可
• segment_led：根据输入的数据，显示对应的数码管，这里数码管为核心板数码管
• div：分频器，系统频率生成1KHZ
• counter：主要根据输入的1KHZ频率，生成对应的交通灯计时
• prox_detect:使用IIC总线读取光照和接近传感器数据
• decoder：对IIC读取的数据进行处理和判断，点亮对应的单色LED灯
• beeper：根据控制输入，驱动蜂鸣器报警
• bin_to_lcd:将数据转成BCD码
• segment_scan:利用74hc595 串转并显示对应的数据，为底板数码管驱动显示

FPGA的输入输出流向图如下图所示。

3、硬件使用介绍

使用到的硬件主要有如下：

• 数码管：IO驱动数码管和74hc595串转并驱动数码管
• 74HC595：串转并驱动芯片
• 按键：拨码以及点击按键
• 蜂鸣器：无源蜂鸣器，需要输入特定频率驱动
• 环境光和接近传感器：IIC协议总线，集光照传感器和接近传感器于一体
• LED灯：单色和三色LED灯

2个74HC595 来控制8个数码管，主要使用三个管脚，SER，SRCLK，RCLK，时钟频率为40KHZ

• SER：串行数据输入管脚，数据从SER口排着队依次进入。
• SRCLK：移位寄存器的时钟输入
• • 数据从SER口排着队等待进入，该管脚输入低电平，则SER接收一位数据。
• RCLK：存储计时器时钟的输入引脚
• • 把SER输入的8位数据存储起来，输入高电平，把移位寄存器中的8位数据一次性转存到存储时钟当中。

实验中有8个数码管，则需要2个74HC595芯片控制，一个控制数码管的位置，一个控制数码管的数据。

• 首先初始化管脚状态
• 其次把控制的数码管位置以及数码管封住成整体数据，1个16位数据
• 接着通过sclk时钟，逐位通过SER管脚输出，则点亮单个数码管
• 最后扫描8个数码管，通过状态机逐个数码管显示对应数据

具体电路与时序图如下

RPR-0521光照和接近传感器：使用IIC总线通信，400KHZ频率，通过读取固寄存器地址，可以分多次将数据读出。寄存器列表如下：

• 首先写0x40 地址，初始化传感器，主要是复位
• 其次写0x41地址，使能光照和接近传感器，0x42和43配置两个传感器增益数值
• 接着就通过0x44、0x45读取接近传感器数值，12位数值
• 然后通过0x46/47/48/48读出光照传感器，32位数值

4、功能模块设计与展示

4.1、交通灯倒计时

核心verilog代码如下：

always @ (posedge clk_1hz or negedge rst_n) begin
	if(!rst_n) 
		begin
			counter_high <= 4'd1;
			counter_low <= 4'd9;
			sel_type <= 2'd1;
		end
	else if(counter_high <= 4'd0 && counter_low <= 4'd0)
		begin
			case(sel_type)
				2'd1: begin counter_high <= 4'd0;counter_low <= 4'd9;end
				2'd2: begin counter_high <= 4'd0;counter_low <= 4'd3;end 
				2'd3: begin counter_high <= 4'd1;counter_low <= 4'd9;end 
				default: begin counter_high <= 4'd1;counter_low <= 4'd9;end
			endcase
			if(sel_type >= 2'd3)
				sel_type <= 1'd1;
			else
				sel_type <= sel_type + 1'd1;
		end
	else if(counter_low <= 4'd0)
		begin
			counter_low <= 4'd9;
			counter_high <= counter_high - 4'd1;
		end
	else 
		counter_low <= counter_low - 4'd1;
end

• 主要采用的是状态机进行红灯、绿灯和黄灯的切换，状态值为sel_type，交通灯时间由对应的状态初始赋值指定，然后进行对应时间的倒计时，
• 倒计时时间通过高低位两个counter记录，分别显示在对应的数码管上面。
• 复位按键之后，会初始化成红灯状态，倒计时也赋值成初始值
• 根绝sel_type状态，可以设置对应的行为，比如蜂鸣器报警等等

4.2、接近传感器检测行人与光照检测自动亮路灯

距离检测与报警核心逻辑Verilog：

always @(posedge dat_valid) begin
	prox_dat0 <= prox_dat;
	prox_dat1 <= prox_dat0;
	if(((prox_dat1-prox_dat0) >= 16'h800)||((prox_dat1-prox_dat0) >= 16'h800)) 
		prox_dat2 <= prox_dat2;
	else 
		prox_dat2 <= prox_dat0;
	if(prox_dat2 > 8'd150)
		beeper_sel = 1'b1;
	else
		beeper_sel = 1'b0;
		
		end
		

• prox_dat1 与prox_dat0用来记录前后的两个距离值，可以用来过滤坏值，如果两次差距较大，则保留前一次值
• 最终Prox_dat2是最终的输出值，其值大小可以检测判断，比如蜂鸣器的报警信号

距离数据与光照数据核心逻辑Verilog：

always@(data0 or data1) begin
	if(show_type)
		begin
			if(data1 < data0*595)
				lux = data0*1682 - data1*1877;
			else if(data1 < data0*1015)
				lux = data0*644 - data1* 132;
			else if(data1 < data0*1352) 
				lux = data0*756 - data1*243;
			else if((data1 < data0*3053))
				lux = data0*766 - data1*25;
			else
				lux = 0;
		end
	else
		begin
			lux = {16'b0,prox_dat2};
		end
end

• 前面用来计算光照单位数据lux，后面用来保存距离数据
• 通过show_type，用于显示光照数据还是距离数据

根据光照强度LED灯光的核心Verilog如下图所示：

always@(lux_back) begin
	if(lux_back > 7000)
		Y_out = 8'b11111111;
	else if(lux_back > 6000)
		Y_out = 8'b11111110;
	else if(lux_back > 5000)
		Y_out = 8'b11111100;
	else if(lux_back > 4000)
		Y_out = 8'b11111000;
	else if(lux_back > 3000)
		Y_out = 8'b11110000;
	else if(lux_back > 2000)
		Y_out = 8'b11100000;
	else if(lux_back > 1000)
		Y_out = 8'b11000000;
	else if(lux_back > 500)
		Y_out = 8'b10000000;
	else
		Y_out = 8'b00000000;
end

• 根据光照强度，由高到低，逐步点亮更多的LED灯，光照越强，LED越少；光照越弱，LED灯越多。

4.3、蜂鸣器报警系统

核心报警verilog代码如下：

always @(posedge beeper_clk)
begin
	if(sw_beeper_sel)
		begin
			if(beeper_en == 2'd3)
				begin
					if(beeper_counter >= 2)
						beeper <= 1'b0;
					else
						beeper <= 1'b1;
				end
			else
				beeper <= 1'b0;
		end
	else
		begin
			if(beeper_sel == 1'd1)
				begin
					if(beeper_counter >= 2)
						beeper <= 1'b0;
					else
						beeper <= 1'b1;
				end
			else
				beeper <= 1'b0;
		end
end

• 根据输入的时钟，生成蜂鸣器需要的时钟频率和相位，250HZ，占空比50%
• 根据按键控制sw_beeper_sel，选择对应的事件蜂鸣器报警，主要是两个事件，黄灯事件和行人检测事件

5、项目FPGA资源使用

项目硬件展示如下图所示：（任务一二三四均在一个工程完成）

项目使用到的FPGA资源如下图所示：

Web IDE项目连接为：https://www.stepfpga.com/project/17252/gui?type=top

其使用的资源如下图所述：

6、项目总结与展望

6.1、项目总结与展望

• 交通灯整体功能逻辑相当简单，主要是传感器 IIC的驱动，不过也可以参考例程，做简单的修改，即可完成任务。
• 后续计划上位机完成一个交通灯的计时控制，然后通过uart下发到FPGA平台显示，通过下发指令控制，可以使得FPGA平台显示对应的时间，状态等等
• 也可以通过uart下发交通灯计时图片，然后到LCD屏幕进行显示。

6.2 、心得与感受

• 小脚丫FPGA平台底板外设丰富，用例也比较丰富，开发起来相当方便，例如通用的uart协议、IIC协议以及SPI协议等等，都有一些例程来使用和驱动外设，很适合新手入门和进阶者，小脚丫FPGA4000多个逻辑门，对于一般的项目也可以用来做前期的验证，比较推荐
• 支持Lattice IDE开发和Web IDE开发双开发方式，摆脱了对于传统IDE的强烈依赖，同时Web IDE整体使用下来，并没有群里说的那样难用，基本verilog开发好之后，一晚上就搞定了图形化开发，还是相当方便的，
• • 一个建议就是模块使用ctrl+s保存的时候，似乎会把顶层设计文件保存到模块，然后顶层文件就丢失了，回不去了。
  • 还有就是Web IDE仿真有时只是显示编译结果，不显示仿真波形，或者全黑，不知道什么情况

7、参考

• 小脚丫FPGA全功能学习扩展板 - STEP-Baseboard V3.0
• Lattice Diamond安装配置
• STEP-MXO2-C快速上手指南
• STEP-MXO2 FPGA 入门教程
• STEP-MXO2 FPGA 进阶教程
• STEP-MXO2 FPGA 项目实战