實驗一：交通燈的設計及FPGA實作
作者： Saint
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GitHub：github.com/saint-000
一、實驗目的：
熟練使用VHDL進行RTL級代碼的編寫；熟練運用EDA工具（modelsim、ISE）和 FPGA 開發闆，完成較複雜的系統設計；鍛煉系統級的設計能力及原型驗證能力。完成模拟交通燈的設計及 FPGA 實驗驗證。
二、實驗原理：
（1）交通信号燈的基本轉換原理
本實驗要求模拟的交通信号燈的轉換原理如下圖所示：
預設的初始狀态為紅燈狀态，做 30 秒減計時。當時間從 30 秒遞減到 0 秒後，紅燈狀态變為綠燈狀态；重新 30 秒減計時，遞減到 0 秒後，綠燈狀态變為黃燈狀态；做 5 秒減計時，遞減到 0 秒後，黃燈狀态變為紅燈狀态。如此循環進行轉換。
（2）共陽數位管
實驗主機闆上的 8 個數位管為共陽極型，即數位管的公共端接正極，顯示段碼信号接負極。8個數位管的顯示段碼信号複用，公共端則互相獨立。數位管和 LCD 子產品共用一組 IO 控制接口，使用者做這倆實驗時，注意數位管和 LCD 不要同時工作。通過數位管旁邊的J1 跳線控制。
（3）撥碼開關
實驗主機闆上設計了一組8位的撥碼開關，ON為低電平，OFF為高電平。撥碼開關可供使用者 輸入一些高低電平。
（4）LED燈電路（啟用需短接J4）
實驗主機闆上 LED 燈電路屬于闆内資源，要使用它，需把 J4 短接。LED 燈的陽極接電源， 陰級接 FPGA、CPLD 的 I/0 口，是以是低電平驅動，隻要由 FPGA、CPLD 在相應引腳給出 低電平，LED 就會發光。LED 燈電路原理圖如圖 1-6 所示，對應 FPGA 管腳如表 1-3 所示。
三、實驗器材（裝置、元器件）：
計算機、FPGA 開發闆、開發闆附件
四、實驗内容：
編寫 VHDL 代碼、生成下載下傳檔案，下載下傳設計到 FPGA 實作如下功能：模拟路口交通信号燈的紅、黃、綠燈的變化過程，分别用三個 LED 燈表示，并在數位管上動态顯示目前狀态剩餘時間。要求紅燈持續時間為 30 秒，黃燈 5 秒，綠燈 30秒。
五、實驗步驟：
(1)建立工程
1.打開 Xilinx ISE 7.1i。選擇 File-New Project 建立工程，根據需要設定工程名 稱和工程路徑。
2.點選下一步配置工程屬性, Device Family 選擇 Spartan2，Device 選擇 XC2S50， Package 選擇 TQ144,Speed Grade 選擇-6。
3.直到完成工程的建立。
(2)建立和編寫源檔案
1.在 Sources in Project 中點右鍵，選擇 New Source。在彈出的對話框中選擇 VHDL Module，自己設定 File Name，一路下一步，建立一個新的源檔案。
2.在新的源檔案中錄入設計，完成數字時鐘的功能。
(3)設計的仿真
編寫 test_bench，用 Modelsim 對設計進行仿真，驗證功能正确性。
(4)上闆調試
将設計下載下傳到闆上進行調試，驗證設計的正确性。
六、實驗資料及結果分析：
一．分頻子產品（将40MHZ的時鐘頻率變成1HZ的頻率）：
process(clr,clk_40Mhz)
begin
if(clr='0')then
count_25<="0000000000000000000000000";
elsif(rising_edge(clk_40Mhz))then
if(count_25="1111111111111111111111111")then
count_25<="0000000000000000000000000";
else
count_25<=count_25+'1';
end if;
end if;
end process;
clk_1hz<=count_25(24);(計數分頻1hz)
通過分頻子產品可以得到一秒鐘的時鐘信号。
二．計數子產品（紅燈30秒，黃燈5秒，綠燈30秒）：
1.綠燈30秒：
when s0 => --
if(high = "0000" and low = "0000") then --黃燈時間結束
current_state <= s1; --
green <= '0';
red <= '1';
yellow <= '1';
high <= "0010"; low <= "1001"; --綠燈顯示時間為30
end if;
2.黃燈5秒
when s1 => --
if(high = "0000" and low = "0000") then --綠燈時間結束
current_state <= s2; --
yellow <= '0';
green <= '1';
red <= '1';
high <= "0000"; low <= "0100"; --黃燈時間為5
end if;
3.紅燈30秒
when s2 =>
if(high = "0000" and low = "0000") then --黃燈時間結束
current_state <= s3;
red <= '0';
green <= '1';
yellow <= '1';
high <= "0010"; low <= "1001"; --紅燈時間為30
end if;
三．動态顯示子產品
begin
case he is
when "0000"=>xianshi_z<="11000000";
when "0001"=>xianshi_z<="11111001";
when "0010"=>xianshi_z<="10100100";
when "0011"=>xianshi_z<="10110000";
when "0100"=>xianshi_z<="10011001";
when "0101"=>xianshi_z<="10010010";
when "0110"=>xianshi_z<="10000010";
when "0111"=>xianshi_z<="11111000";
when "1000"=>xianshi_z<="10000000";
when "1001"=>xianshi_z<="10010000";
when "1011"=>xianshi_z<="11000001";
when "1100"=>xianshi_z<="01100011";
when "1101"=>xianshi_z<="10000101";
when "1110"=>xianshi_z<="01100001";
when "1111"=>xianshi_z<="01110001";
when others=>xianshi_z<="00000011";
end case;
end process;
xianshi<=xianshi_z;
end BEHAVIORAL;
四.源碼：
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
entity TrafficLight is
Port(reset: in std_logic;
led_r,led_y,led_g:out std_logic;
xianshi:out std_logic_vector(7 downto 0);
clr:in std_logic;
clk_40Mhz:in std_logic;
EN:out std_logic_vector(7 downto 0)
);
end TrafficLight;
architecture BEHAVIORAL of TrafficLight is
type mmp is(s0,s1, s2,s3);
signal current_state: mmp;
signal red, yellow, green: std_logic;
signal high: std_logic_vector(3 downto 0); --倒計時顯示的高位數
signal low: std_logic_vector(3 downto 0); --倒計時顯示的低位數
signal xianshi_z,xianshi_h_z:std_logic_vector(7 downto 0);
signal he:std_logic_vector(3 downto 0);
signal count_25:std_logic_vector(24 downto 0);
signal s:std_logic_vector(7 downto 0);
signal clk_1hz,clk_sm:std_logic;
begin
p1:
process(clr,clk_40Mhz)
begin
if(clr='0')then
count_25<="0000000000000000000000000";
elsif(rising_edge(clk_40Mhz))then
if(count_25="1111111111111111111111111")then
count_25<="0000000000000000000000000";
else
count_25<=count_25+'1';
end if;
end if;
end process;
clk_1hz<=count_25(24);
clk_sm<=count_25(14); --分頻
p2:
process(clk_sm,clr)
begin
if(clr='0')then
s<="11111110";
elsif(rising_edge(clk_sm))then
s(1)<= not s(1);
s(0)<= not s(0);
end if;
EN<=s;
end process;
p3:
process(s,he,low,high)
begin
if(s="11111110")then
he<=low;
else
he<=high;
end if;
end process; --位選
p4: process(reset, clk_1hz, current_state)
begin
if(clk_1hz = '1' and clk_1hz'event) then --當clk_1hz處于上升沿
if reset = '0' then
current_state <= s0; --複位時強行進入s0狀态
low <= "0000";
high <= "0000";
else
if(low = "0000" and not(high = "0000")) then --如果低位不夠減，則高位減一，低位置9
low <= "1001";
high <= high - 1;
else --每掃描一次，時間減一，如果低位夠減，則隻需低位減一,高位不變
low <= low - 1;
high <= high;
end if;
case current_state is --檢測目前狀态
when s0 => --
if(high = "0000" and low = "0000") then --黃燈時間結束
current_state <= s1; --
green <= '0';
red <= '1';
yellow <= '1';
high <= "0010"; low <= "1001"; --綠燈顯示時間為30
end if;
when s1 => --
if(high = "0000" and low = "0000") then --綠燈時間結束
current_state <= s2; --
yellow <= '0';
green <= '1';
red <= '1';
high <= "0000"; low <= "0100"; --黃燈時間為5
end if;
when s2 => --
if(high = "0000" and low = "0000") then --黃燈時間結束
current_state <= s3; --
red <= '0';
green <= '1';
yellow <= '1';
high <= "0010"; low <= "1001"; --紅燈時間為30
end if;
when s3 => --
if(high = "0000" and low = "0000") then --綠燈時間結束
current_state <= s0; --
yellow <= '0';
green <= '1';
red <= '1';
high <= "0000"; low <= "0100"; --黃燈時間為5
end if;
end case;
end if;
end if;
end process;
led_r<=red;
led_g<=green;
led_y<=yellow;
p5: process(he)
begin
case he is
when "0000"=>xianshi_z<="11000000";
when "0001"=>xianshi_z<="11111001";
when "0010"=>xianshi_z<="10100100";
when "0011"=>xianshi_z<="10110000";
when "0100"=>xianshi_z<="10011001";
when "0101"=>xianshi_z<="10010010";
when "0110"=>xianshi_z<="10000010";
when "0111"=>xianshi_z<="11111000";
when "1000"=>xianshi_z<="10000000";
when "1001"=>xianshi_z<="10010000";
when "1011"=>xianshi_z<="11000001";
when "1100"=>xianshi_z<="01100011";
when "1101"=>xianshi_z<="10000101";
when "1110"=>xianshi_z<="01100001";
when "1111"=>xianshi_z<="01110001";
when others=>xianshi_z<="00000011";
end case;
end process;
xianshi<=xianshi_z;
end BEHAVIORAL;
五．闆上的顯示結果：
七、實驗結論：
起始狀态黃燈熄滅，綠燈點亮，數位管數值顯示跳變到30并每一秒鐘遞減一位。當數位管數值顯示變為零0的時候，綠燈熄滅，紅燈點亮，數位管數值顯示跳變到30并每一秒鐘遞減一位。當數位管數值顯示變為零0的時候，紅燈熄滅，黃燈點亮，數位管數值顯示跳變到5并每一秒鐘遞減一位，當數位管數值顯示變為零0的時候回到起始狀态。
八、總結及心得體會：
1.此次實驗一開始我們想用狀态機來控制紅黃綠燈的顯示，用一個總時間為75秒的計數器來顯示紅黃綠燈的秒數，并在其基礎上分出兩個30秒和一個5秒的計數器，但最後編寫程式的時候發現程式太過複雜，程式編譯時也存在許多錯誤，并且修改難度太大于是我們就換了另外一種方法。
2.第二種方法：我們把狀态機取消，同時也把75秒的計數器給取消掉，在此基礎上的兩個30秒和一個5秒的計數器保持不變，然後把控制不同LED燈亮滅的代碼放在計數器清零的末端，進而實作了數位管顯示變為零的時候，一個LED燈亮，一個LED燈滅。
3.實驗過程中最大的問題就是數位管的動态掃描子產品（因為不太了解相關的代碼及原理）；我們把代碼下載下傳到闆子時，LED的顯示正常但是數位管的顯示是亂碼，然後反複修改動态掃描子產品，直到最後得正确的數位管顯示。
4.通過此次實驗我們掌握了用VHDL進行RTL級代碼的編寫，并學會了如何用彙編語言編寫分屏子產品，計數子產品，動态掃描子產品的代碼，同時也學會了FPGA實驗驗證和調試。
九、對本實驗過程及方法、手段的改進建議：
1.外部可以設計一個中斷源，當出現緊急情況時可以暫停交通燈的運作；
2.可以将1HZ的分頻信号放加法器内(在交通燈燈的基礎上添加一數字時鐘顯示功能)