摘要：為了對交通燈系統進行精確控制，采用FPGA實驗板，在QuartusⅡ軟件環境下，分別實現脈沖發生模塊、狀態定時模塊、交通燈顯示模塊、時間顯示模塊，進行仿真實驗和硬件下載，獲得的測試結果滿足設計要求。由于采用了EDA技術，使數字系統設計的效率顯著提高。
關鍵詞：FPGA；QuartusⅡ；交通燈；數字系統設計

目前交通燈廣泛應用于道路交通建設中。本文設計一個十字路口交通燈控制電路，要求東西、南北兩條干道的紅、綠、黃交通燈按要求循環變化，并以倒計時方式指示干道通行或禁止的維持時間。在QuartusⅡ軟件環境中設計、仿真，并在FPGA實驗板上實現所設計電路的功能。

1 系統概述

1．1 設計思想
   
基于FPGA的交通燈系統控制設計包括4大模塊，分別為脈沖發生、狀態定時、交通燈閃爍的控制、閃爍時間的控制，基本原理如圖1所示。

1．2 總體工作情況

交通燈控制要求如表1所示。

該設計的交通燈控制分為6個狀態。由于各狀態持續時間不同，所以電路的核心控制部分是狀態機和定時器，狀態機在定時器觸發下周期性循環，狀態碼控制6個燈以一定的規律變化。變化情況如圖2所示。

   
系統脈沖由FPGA開發板晶振經過分頻電路實現。狀態定時由74190可逆十進制計數器和T’觸發器實現，只要置數合理，翻轉信號到位，就可以使電路在東西(I)、南北(J)兩個控制狀態間翻轉。紅、黃、綠燈的閃爍由7485數字比較器和組合邏輯控制，其中7485數字比較器用于比較計數器當前持續狀態和所需要的狀態全部時間，并做出相應的變化。組合邏輯控制由AHDL文件編寫真值表實現。時間顯示由AHDL文件編寫真值表實現，輸入正確的邏輯，七段譯碼電路即能得到正確的時間顯示。

1．3 各功能的組成

整個電路可以分為4大部分，包括脈沖發生、狀態定時、時間顯示和數字比較一組合邏輯控制。

1．3．1 脈沖發生
 
脈沖發生器為整個系統提供驅動，將輸入端分配給FPGA實驗板的PIN55引腳，則會由實驗板上產生頻率為10 MHz的輸入脈沖，用7片7490，每一級都構成10分頻電路，使頻率從10 MHz降低為1Hz。

1．3．2 狀態定時
   
狀態定時可由預置BCD碼初值的74190級聯實現，構成減計數器。級聯原則是：低位計數器從全0狀態變為較大碼值狀態時可使高位計數器減1。級聯方式分為異步和同步兩種，本文采取的是異步級聯方式，即低位計數器溢出信號控制高位計數器的記數脈沖輸入端。可根據計數器的時鐘觸發方式，在低位計數器狀態碼從全“0”變為較大碼值的瞬間，為高位計數器提供有效的計數脈沖邊沿。具體做法是將低片位的溢出信號RCON端口接到高片位的計數脈沖CLK，實現兩位BCD碼的置數、翻轉和借位，使系統表示的數字能在22～16之間循環。
    74190功能說明：
    (1)GN為計數器使能控制端，低電平有效。當GN為高電平時，禁止計數。
    (2)DNUP為計數方式控制，接高電平為減計數，接低電平為加計數。
    (3)LDN為異步預置數控制。當LDN為低電平時，計數器狀態QD，QC，QB，QA分別等于D，C，B，A。
    (4)計數器位序由高至低順序為QD，QC，QB，QA。QD為較高位MSB，QA為較低位LSB。
    (5)計數脈沖CLK上升沿有效。
    (6)當計數器輸出QDQCQBQA為十進制加計數的較大狀態碼“1001”或為減計數的較小狀態碼全“0”時，極值狀態碼指示MAX／MIN輸出為高電平。
    (7)當極值狀態碼指示MAX／MIN為高電平且CLK為低電平時，溢出信號RCON為低電平，即RCON與計數脈沖同步。
   
系統記數脈沖為1 Hz時，如表2所示，當I狀態(東西控制狀態)的定時時間為22 s，計數器應該先預置22的BCD碼；同理，J狀態(南北控制狀態)之前應該預置16的BCD碼。

狀態計時電路由兩片74190級聯而成，構成22和16自翻轉的電路。其要解決的核心問題包括置數，翻轉和借位。根據74190芯片的特點，可分析其實現原理如圖4所示，通過溢出信號RCON的上升沿實現借位，使得數字能夠從20到19，個位向十位借位，順利過渡。
   
置數和翻轉之間有先后關系，即須先置數后翻轉。如表3所示，分析兩個BCD碼各位特點，可知兩者D7D6D3D0位均為1，D1位均為0，而D5D4D2位不同，如圖5，D5D4D2位由狀態電平S來控制，當為I狀態時，計數器的預置的數為D5=0，D4=D2=1，而為J狀態時，計數器的預置的數為D5=1，D4=D2=0，根據74190的功能，將2片74190的MAX／MIN引出，通過與非門，分別連在高位和低位的LDN置數端，通過分析可知，當計數器從01減到00時候，高低位的MAX／MIN均為高電平，經過與非門以后為低電平，74190被置數，其置數值由狀態S來決定，S是由LDN端信號經

過一個T’觸發器決定的，即LDN信號每置數一次，S翻轉1次，從而區分16和22狀態。按這個結構，可分別置數16和22，使其實現自翻轉。
   
圖5為狀態定時模塊的實際連接圖。

1．3．3 時間顯示
   
時間顯示要用到7段顯示譯碼電路，由于是兩位BCD碼，故用二選一數據選擇器。選擇端S接一個頻率很高的方波(如1 kHz)；數據比較器的輸出和1 Hz脈沖作為AHDL模塊的輸入，即可正確顯示時間。

為正確顯示時間，用AHDL文件自編譯碼真值表如下：

            
1．3．4 數字比較一組合邏輯控制
   
該模塊將狀態定時模塊輸出的時間與時間節點進行比較，從而確定電路處于22 s或者16 s的具體的某個狀態。由表1可知，東西(I)或南北(J)的控制狀態都有3個階段的控制邏輯，分別對應3個時間段：1～3 s，4～6 s和大于6 s，因此，采用數字比較器進行比較，確定定時值小于4 s或大于6 s，方法如圖7所示，采用4片7485數字比較器，兩兩級聯，其中一個由狀態定時模塊的輸出與4即二進制0100比較；另一個由狀態定時模塊的輸出與6即二進制0110比較。

編寫組合邏輯真值表，將狀態信號S，兩個數字比較器的輸出Y1，Y2和1 Hz脈沖作為輸入，各個燈的狀態作為輸出。從而根據邏輯關系得出對應時間電路的狀態，控制紅、黃、綠燈處于不同的狀態。S判斷電路處于22 s狀態還是16 s狀態，Y1，Y2區分東西、南北六個階段狀態，1 Hz脈沖實現綠燈閃爍。

   
2 電路的組構與調試
   
來用QuartusⅡ軟件設計各個模塊，并進行仿真。確認結果后，下載至FPGA實驗板中，進行相應的硬件調試，調試結果與仿真結果相一致。圖8為仿真波形，系統上電需要調整的過程，因此電路正常工作前重復了22s的狀態。