一、项目介绍

基于小脚丫FPGA STEP BaseBoard V4.0套件实现的红绿灯系统，是一个融合智能感知与动态显示的交通控制解决方案。该系统通过硬件编程与传感器协同工作。在小脚丫FPGA STEP BaseBoard V4.0套件上模拟实现。

二、硬件介绍

项目基于STEP BaseBoard V4.0扩展底板和小脚丫STEP-MXO2 FPGA核心板，硬件资源包括：

• ​传感器模块：温湿度传感器、接近式传感器、矩阵键盘、旋转编码器等。
• ​显示模块：8位7段数码管、RGB LCD液晶屏、HDMI接口。
• ​通信模块：UART串口、WIFI（ESP8266）、ADC/DAC功能模块。
• ​核心板：Lattice MXO2-4000HC FPGA芯片。

三、项目设计思路及代码讲解

项目 一

完成任务 1.在数码管上显示计时信息；2.蜂鸣器报警

将其结合为一个简易红绿灯系统

项目设计框图

FPGA资源占用报告

WEBIDE图形化项目连接：https://www.stepfpga.com/project/17064/gui?type=top

1.内部设备定义

状态机定义：

红绿灯系统为标准的时序电路，使用状态机约束时序电路运行逻辑

将红绿灯系统定义3个时序 红灯 绿灯 黄灯

// 状态定义
parameter RED     = 2'b00;
parameter GREEN   = 2'b01;
parameter YELLOW  = 2'b10;

2.数码管定义

使用数码管作为倒计时数值输出，需定义不同位数的数字输出

// 八段码编码表
reg [8:0] seg_table [0:9];
initial begin
    seg_table[0]  = 9'h3F; // 0
    seg_table[1]  = 9'h06; // 1
    seg_table[2]  = 9'h5B; // 2
    seg_table[3]  = 9'h4F; // 3
    seg_table[4]  = 9'h66; // 4
    seg_table[5]  = 9'h6D; // 5
    seg_table[6]  = 9'h7D; // 6
    seg_table[7]  = 9'h07; // 7
    seg_table[8]  = 9'h7F; // 8
    seg_table[9]  = 9'h6F; // 9
end

3.时钟定义

倒计时使用1秒作为时钟的最小单位，对输入的12MHz时钟进行分频，得到标准一秒时钟单位

// 时钟分频
wire sec_pulse = (main_cnt == 24'd11_999_999); // 1秒脉冲

4.蜂鸣器定义

在绿灯过程，蜂鸣器全程鸣叫，督促行人快速经过

// 蜂鸣器控制（2Hz方波）
always @(posedge clk) begin
    buzz_cnt <= (buzz_cnt == 24'd2_999_999) ? 1'd0 : buzz_cnt + 1'd1;
end

5.状态机进程流转

• 1 首先进入00状态及红灯状态
• • 现象为点亮三色LED的红色灯。
• 2 时钟进入倒计时，时间到后，进入绿灯
• • 现象为点亮三色LED的绿色灯，蜂鸣器进入鸣叫。
• 3 时钟进入倒计时，时间到后，进入黄灯（三色LED无黄灯，使用绿色和红色组合得到）
• • 现象为点亮三色LED的黄色灯。

// LED控制逻辑
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n) begin
        state <= RED;
        timer <= 10;
        main_cnt <= 0;
        leds_reg <= 3'b011; // 红灯亮
    end
    else begin
        main_cnt <= (main_cnt == 11_999_999) ? 0 : main_cnt + 1;
        
        if(sec_pulse) begin
            case(state)
                RED: begin
                    if(timer > 0) timer <= timer - 1;
                    else begin
                        state <= GREEN;  // 改为跳转至GREEN
                        timer <= 10;     // 绿灯持续时间
                        leds_reg <= 3'b110; // 绿灯亮
                    end
                end
                GREEN: begin  // YELLOW处理逻辑
                    if(timer > 0) timer <= timer - 1;
                    else begin
                        state <= YELLOW; // 改为跳转至YELLOW
                        timer <= 3;      // 黄灯持续时间
                        leds_reg <= 3'b010; // 黄灯亮
                    end
                end
                YELLOW: begin  // GREEN处理逻辑
                    if(timer > 0) timer <= timer - 1;
                    else begin
                        state <= RED;
                        timer <= 10;
                        leds_reg <= 3'b011; // 返回红灯
                    end
                end
            endcase
        end
    end
end

6.输出

• 数码管按照当前时序进行倒计时数值输出
• 蜂鸣器根据是否在绿灯鸣叫
• 三色LED按照当前时序进行颜色输出

// 数码管数据生成
always @(posedge clk) begin
    num_hi <= (timer > 4'd9) ? (timer / 4'd10) : 4'd0;
    num_lo <= (timer > 4'd9) ? (timer % 4'd10) : timer;
end

// 静态数码管输出
assign seg_hi = seg_table[num_hi];
assign seg_lo = seg_table[num_lo];

// 蜂鸣器输出逻辑
assign buzzer = (state == GREEN) ? (buzz_cnt < 1_500_000) : 0; 

// LED输出
assign leds = leds_reg;

项目 二

完成任务 1.接近传感器检测人员走近 2.环境光感知，自动点亮路灯（小脚丫核心板上的单色LED）

项目设计框图

FPGA资源占用报告

1.模拟iic

环境光及接近传感器为iic传输接口，需使用FPGA模拟iic时序（具体代码请看项目文件）

rpr0521rs_driver u1(
		.clk			(clk			),	//系统时钟
		.rst_n		(rst_n		),	//系统复位，低有效
		.i2c_scl		(i2c_scl		),	//I2C总线SCL
		.i2c_sda		(i2c_sda		),	//I2C总线SDA
		
		.dat_valid	(dat_valid	),	//数据有效脉冲
		.ch0_dat		(ch0_dat		),	//ALS数据
		.ch1_dat		(ch1_dat		),	//IR数据
		.prox_dat	(prox_dat	)	//Prox数据
	);

2.获取RPR-0521RS数据

模拟iic后，通过iic和环境光及接近传感器RPR-0521RS获取当前的环境光及接近

3.数据整理

对以获取数据进行整理、转换

4.输出

检测有人靠近点亮报警灯（核心板上的三色RGB灯）

当亮度低于500勒克斯点亮路灯（核心板单色LED）

通过底板数码管输出当前亮度

always@(posedge clk or negedge rst_n)//检测亮度大于一定值开路灯
    if(rst_n == 1'b0)
        led <= 8'b1111_1111;
    else    if(lux_data[31:08] < 500) //光照强度大于500开灯
        led <= 8'b0000_0000;
    else
        led <= 8'b1111_1111;

always@(prox_dat2[11:9]) begin //检测有人靠进，点亮RGB灯
	case (prox_dat2[11:9])
		3'b000: Y_out = 3'b111;
		3'b001: Y_out = 3'b111;
		3'b010: Y_out = 3'b111;
		3'b011: Y_out = 3'b111;
		3'b100: Y_out = 3'b000;
		3'b101: Y_out = 3'b000;
		3'b110: Y_out = 3'b000;
		3'b111: Y_out = 3'b000;
		default:Y_out = 3'b111;
	endcase
end

segment_scan u4( 
		.clk(clk),					//系统时钟 12MHz
		.rst_n(rst_n),				//系统复位 低有效
		.dat_1(lux_data[31:28]	),	//SEG1 显示的数据输入
		.dat_2(lux_data[27:24]	),	//SEG2 显示的数据输入
		.dat_3(lux_data[23:20]	),	//SEG3 显示的数据输入
		.dat_4(lux_data[19:16]	),	//SEG4 显示的数据输入
		.dat_5(lux_data[15:12]	),	//SEG5 显示的数据输入
		.dat_6(lux_data[11:08]	),	//SEG6 显示的数据输入
		.dat_7(lux_data[07:04]	),	//SEG7 显示的数据输入
		.dat_8(lux_data[03:00]	),	//SEG8 显示的数据输入
		.dat_en(8'b1111_1111	),	//数码管数据位显示使能，[MSB~LSB]=[SEG1~SEG8]
		.dot_en(8'b0000_0100	),	//数码管小数点位显示使能，[MSB~LSB]=[SEG1~SEG8]
		.seg_rck(seg_rck		),	//74HC595的RCK管脚
		.seg_sck(seg_sck		),	//74HC595的SCK管脚
		.seg_din(seg_din		)	//74HC595的SER管脚
	);//数码管亮度输出

四、功能展示图及说明

项目 一

状态：红灯 红灯点亮

状态：绿灯 绿灯点亮

状态：黄灯 黄灯点亮

项目 二

亮度低于500勒克斯，点亮路灯

亮度高于500勒克斯，模拟白天，路灯熄灭

检测人员靠近，点亮RGB三色灯

五、项目中遇到的难题和解决方法

困难：FPGA并行运行逻辑

因为日常学习为单片机，习惯了单片机的顺序执行逻辑，而这次是第一次接触FPGA，FPGA为并行运行，对于习惯顺序执行的我来说，是一个挑战，在编写代码过程中，经常出现并行逻辑冲突，导致代码跑飞。

解决途径：加强对FPGA的学习，对代码进行反复的实验。

六、对本次活动的心得体会

很高兴能参加这次活动，让我有机会参与FPGA的学习，同时感谢这次活动的时间充裕，能够让我对FPGA有一个更深入的了解，通过项目深入掌握了FPGA的硬件描述语言（Verilog）和状态机设计，提升了对传感器数据融合、多模块协同的理解。