任务介绍
本次活动中，使用了STEP Baseboard4.0底板+STEP MXO2 LPC核心板，完成了任务一，构建了一个交通灯控制系统。该任务大致分为四个部分。（在通知群中，群主有说不对74元件有硬性要求，我就没有使用相关元器件）
- 在数码管上显示计时信息 - 图形化
- 蜂鸣器报警 - 图形化
- 接近传感器检测人员走近 -Verilog
- 环境光感知，自动点亮路灯（小脚丫核心板上的单色LED）- Verilog
硬件资源介绍
STEP BaseBoard V4.0是专为小脚丫系列FPGA核心板设计的第四代扩展底板，采用161.8mm×100mm标准尺寸，可适配全系小脚丫核心板进行功能扩展。该底板集成了丰富的功能模块，包括存储器、温湿度传感器、红外接近传感器、环境光传感器、矩阵键盘、旋转编码器、HDMI接口、RGB LCD液晶屏、8位7段数码管阵列、蜂鸣器模块、UART通信接口、ADC/DAC转换模块以及WiFi通信单元，为数字逻辑、微机原理、可编程逻辑器件及EDA工具等课程提供了完善的实验平台。
在本项目开发中，主要应用了核心板自带的数码管显示模块、三色LED指示灯和机械按键，以及扩展板上的红外接近传感器、环境光传感器和蜂鸣器模块。其中：数码管驱动代码基于官方例程移植实现；三色LED通过PWM调光实现红黄绿三原色的混色控制，完整复现了交通信号灯的显色特性；传感器模块通过I2C总线协议读取测距数据和光照强度值；蜂鸣器模块则采用可编程PWM波形发生器驱动，实现了音频信号输出功能。
设计分析与实现方式
设计分析
1.基本的交通灯系统
能够实现基本的红、绿、黄三种灯光颜色的转换，能够显示当前状态剩余的时间，以及作为嵌入式项目基本的复位功能。
2.蜂鸣器提示
在现实生活中，由于视觉障碍人士的需求，部分交通灯存在无障碍设计，会在绿灯期间发出特定的声音来提示视觉障碍人士。结合任务二，应该在绿灯期间用蜂鸣器提示，在黄灯期间使用更高频的蜂鸣警示。
3.接近报警
结合任务三，我利用红外接近传感器获取的距离数据，当距离小于一定数值时，触发蜂鸣器蜂鸣。结合到现实的智能交通灯系统中，可以理解为在红灯期间当有东西行出时，触发报警，来警示闯红灯的行人。（马路上有用于检测车辆是否闯红灯的传感器，所以不必用于行车）
4.光线检测路灯
当光线强度小于一定程度时，将会触发路灯亮起。
实现方式
本次任务中，我在webide上实现了任务一与任务二，在lattice diamond上实现了任务二、任务三与任务四。
在下文，我将依次分为第一部分与第二部分来讲解
第一部分
流程框图
图形化模块展示与大致说明
在我设计该图形化程序时，首先，我先确定了需要设置的I/O端口（输入/输出端口），随后布置了左下方的分频器，该分频器用于产生1Hz的计数频率（该核心板的晶振为12MHz，预分频系数为12000000，计数位宽为32），随后编写了light_contrle模块，用于状态机设定、切换并能够输出时间参数、标志位与rbg_led的信号，随后，rbg_led的信号直接接入到输出端，时间参数经过bin_to_bcd编码输出到数码管上，标志为进入一个简单的选择模块，根据当前不同的标志位组合，选择对应的pwm波形，输出到beeper，即无源蜂鸣器。
模块代码
代码链接：stepfpga
light_contrle
reg [5:0] out;
reg [3:0] timecount;
reg host_flag = 0,branch_flag = 0;//标志位，用于区分当前是绿灯还是黄灯，当前者为1后者为0时为绿灯，后者为1前者为0时为黄灯
parameter S1 = 2'b00, // 状态机的编码，用于第二、三部分的case选择与状态选择
S3 = 2'b10,
S4 = 2'b11;
parameter time_s1 = 4'd15, // 时间参数
time_s3 = 4'd7,
time_s4 = 4'd3;
// 交通灯控制信号
parameter led_s1 = 6'b011011, // LED2 红色 LED1 红色
led_s3 = 6'b101101, // LED2 绿色 LED1 绿色
led_s4 = 6'b001001; // LED2 黄色 LED1 黄色
reg [1:0] cur_state, next_state;
// 第一部分：时序逻辑——同步状态更新
always @ (posedge clk or negedge rst_n) begin
if (!rst_n == 1)
cur_state <= S1;
else
cur_state <= next_state;
end
// 第二部分：组合逻辑——状态跳转
//该部分大致逻辑为：通过case获取当前状态，当时间参数大于1时，不断将下一个状态赋值为当前状态，当时间等于1时，将当前状态赋值为循环中的下一种状态
always @ (cur_state or rst_n or timecount) begin // 修正敏感信号列表，改为 always @ (*)
if(!rst_n) begin
next_state = S1;
end
else begin
case(cur_state)
S1:begin
host_flag <= 0;
branch_flag <= 0;
if(timecount==1)
next_state = S3;
else
next_state = S1;
end
S3:begin
host_flag <= 1;
branch_flag <= 0;
if(timecount==1)
next_state = S4;
else
next_state = S3;
end
S4:begin
host_flag <= 0;
branch_flag <= 1;
if(timecount==1)
next_state = S1;
else
next_state = S4;
end
default: next_state = S1;
endcase
end
end
// 第三部分：时序逻辑——输出与计时
//根据接下来的状态，赋值时间常数，这样可以避免时间跳转到0
always @ (posedge clk or negedge rst_n) begin
if (!rst_n) begin
out <= led_s1;
timecount <= time_s1;
end
else begin
case (next_state)
S1: begin
out <= led_s1;
if (timecount == 1)
timecount <= time_s1;
else
timecount <= timecount - 1;
end
S3: begin
out <= led_s3;
if (timecount == 1)
timecount <= time_s3;
else
timecount <= timecount - 1;
end
S4: begin
out <= led_s4;
if (timecount == 1)
timecount <= time_s4;
else
timecount <= timecount - 1;
end
default: begin
out <= led_s1;
timecount <= time_s1;
end
endcase
end
end
//该模块由所给例程修改，合并了支路与主路，且为了方便，直接删去了第二种状态，没有修改数字，不过不影响使用
time_seperate and bin_to_bcd
reg [3:0] time_ge;
reg [3:0] time_shi;
always@(*)begin
time_ge = timecount % 10; // 取模10，范围0~9
// 计算十位
if (timecount >= 10)
time_shi = 4'd1; // 当timecount >= 10时，十位为1
else
time_shi = 4'd0; // 当timecount < 10时，十位为0
end
//一个简单的获取个位与十位的程序，用于输出到两个数码管上
reg [6:0] seg2;
always @(*) begin
case(a)
4'd0: seg2 <= 7'b1111110; // '0'
4'd1: seg2 <= 7'b0110000; // '1'
4'd2: seg2 <= 7'b1101101; // '2'
4'd3: seg2 <= 7'b1111001; // '3'
4'd4: seg2 <= 7'b0110011; // '4'
4'd5: seg2 <= 7'b1011011; // '5'
4'd6: seg2 <= 7'b1011111; // '6'
4'd7: seg2 <= 7'b1110000; // '7'
4'd8: seg2 <= 7'b1111111; // '8'
4'd9: seg2 <= 7'b1111011; // '9'
default: seg2 <= 7'b1111110; // 默认显示'0'
endcase
end
//数码管的编码程序，让数字与数码管上的七段发光二极管对应
beeper_chooser
reg beeper;
always @ (*) begin
if(host_flag == 0 && branch_flag == 0)
begin
beeper <= 0;
end
else if(host_flag == 1 && branch_flag == 0)
begin
beeper <= clk_1;
end
else if(host_flag == 0 && branch_flag == 1)
begin
beeper <= clk_2;
end
else
begin
beeper <= 0;
end
end
//根据不同的标志值，选择对应的pwm波
资源占用报告
第二部分
流程框图
关键代码展示与说明
parameter THRESHOLD_LUX = 32'd1000;//光强阈值定义
// 三色LED亮灭控制逻辑
always @(lux) begin
if (lux > THRESHOLD_LUX)
rgb_led = 3'b111; // 光强过低，红绿蓝灯全亮
else
rgb_led = 3'b000; // 光强正常，灯灭
end
在decoder中，通过访问I2C总线，获得需要的传感器的数据，在该project中，获取的数据是接近传感器与光线传感器获取的数据，我对光线检测的部分做了简单的改写和延拓，删除了原有的光强显示功能，保留光强数据的换算部分，通过预先设定的阈值，与实际换算得到的光强数据进行对比，来判断是否接通三色灯。
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (!rst_n) begin
counter <= 16'd0;
beeper <= 1'b0;
end else begin
if (prox_dat [11:9] > 3'b011) begin // 当 prox_dat 大于 3'b011 时启动蜂鸣器
if (counter < PWM_PERIOD / 2)
beeper <= 1'b1;
else
beeper <= 1'b0;
if (counter >= PWM_PERIOD - 1)
counter <= 16'd0;
else
counter <= counter + 1'b1;
end else begin
beeper <= 1'b0; // 关闭蜂鸣器
counter <= 16'd0;
end
end
end
此外，我也对距离检测部分做了一定的延拓，原有程序中的led灯列会根据距离传感器的数据改变亮起数量，大致是越接近亮起的灯数量越多，而我以此程序中设定的距离参数为依据，当第四个led亮起时，蜂鸣器会发出蜂鸣。在程序中，我直接以距离参数作为判断依据，这也是第四个led灯亮起时对应的距离参数，与按照led灯的输出为判断依据等价
资源占用报告
实物展示
第一部分展示
以上是三种灯颜色的切换与倒计时显示
第二部分展示
离接近传感器远时，亮起较少的灯
接近时，亮起更多的灯
光线传感器被遮挡，模拟环境光变暗时，灯亮起
总结
项目障碍
实话说，任务一中的代码逻辑并不算复杂，对于我这样一名并没有嵌入式项目开发经验的人来说，同样如此，可以说是一次比较友好的活动。但这也并不意味着在完成项目的过程中，并没有遇到任何困难，而这其中，最主要的困难是来自于lattice diamond的调试。就lattice diamond而言，该编译器功能完善且强大，但缺点在于没什么知名度，网上能找到的信息很少，给的资料中能给的帮助也有点有限制。这一点尤其体现在配置该软件的许可时，不知道是什么原因，我申请到的许可文件名后面多了一个空格，导致我怎么配置软件都显示检测不到license文件。事实上，我完成这个项目的绝大多数时间都在和license斗智斗勇。
在我完成第二部分内容时，也遇到了lattice diamond无法正确识别我设置的顶层文件的问题，这个问题也困扰了我许久，而最终的解决方案也有些简单粗暴，那就是我把改编的程序全部塞到了原有的头文件里面。。。。
心得
最后的部分，很感谢硬禾学堂给我们的这次实战机会，让我逐渐走入了嵌入式开发的世界。以及一点点的建议，webide的图形化编程似乎有些奇怪的问题，保存自定义模块的时候按回车键会闪退。
Wang Chong11霖霖BNumerator