Verilog HDL基础教程之：实例5 交通灯控制器
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实例的内容及目标
1.实例的主要训练内容
本实例通过Verilog HDL语言设计一个简易的交通等控制器，实现一个具有两个方向、共8个灯并具有时间倒计时功能的交通灯功能。
2.实例目标
通过本实例，读者应达到下面的目标。
掌握Verilog设计一个交通等控制器的方法。
初步掌握Verilog语言的设计方法。
原理简介
交通灯是城市交通中不可缺少的重要工具，是城市交通秩序的重要保障。本实例就是实现一个常见的十字路口交通灯功能。读者通过学习这个交通灯控制器，可以实现一个更加完整的交通灯。例如实现实时配置各种灯的时间，手动控制各个灯的状态等。
一个十字路口的交通一般分为两个方向，每个方向具有红灯、绿灯和黄灯3种，另外每个方向还具有左转灯，因此每个方向具有4个灯。
这个交通灯还为每一个灯的状态设计了倒计时数码管显示功能。可以为每一个灯的状态设置一个初始值，灯状态改变后，开始按照这个初始值倒计时。倒计时归零后，灯的状态将会改变至下一个状态。
值得注意的是，交通灯两个方向的灯的状态是相关的。也就是说，每个方向的灯的状态影响着另外一个方向的灯的状态，这样才能够协调两个方向的车流。如果每个方向的灯是独立变化的，那么交通灯就没有了意义。
如表1所示是两个方向(假设为A，B方向)灯的状态的对应情况。
表1 交通灯两个方向灯状态对应表
|
方向A |
方向B |
|
红灯亮 |
黄灯亮或绿灯亮 |
|
直行绿灯亮 |
红灯亮 |
|
黄灯亮 |
红灯亮 |
|
左转灯 |
红灯亮 |
在实际的交通系统中，直行绿灯、左转绿灯和红灯的变化之间都应该有黄灯作为缓冲，以保证交通的安全。因此假如我们假设方向A的黄灯亮的时间持续5s，直行绿灯灯亮的时间持续40s，左转灯灯亮的时间持续15s，则方向B红灯灯亮的时间持续为(直行绿灯+黄灯+左转绿灯+黄灯)所消耗的时间，一共为65s。
同样假设方向B黄灯亮的时间持续5s，直行绿灯灯亮的时间持续30s，左转灯灯亮的时间持续15s，则方向B红灯灯亮的时间持续为(直行绿灯+黄灯+左转绿灯+黄灯)所消耗的时间，一共为55s。
具体时间参数的设定读者可以根据需要进行修改，但是一定要保证两个方向的灯的状态符合表1的要求。
代码分析
下面给出交通灯控制器的Verilog HDL源代码，首先介绍交通灯端口信号的定义及说明，读者可以通过这些端口将此交通灯模块实例化至自己的工程设计中。
- CLK：同步时钟。
- EN：使能信号，为高电平时，控制器开始工作。
- LAMPA：控制A方向4盏灯的状态；其中，LAMPA0～LAMPA3分别控制A 方向的左拐灯、绿灯、黄灯和红灯。
- LAMPB：控制B方向4盏灯的状态；其中，LAMPB0～LAMPB3分别控制B 方向的左拐灯、绿灯、黄灯和红灯。
- ACOUNT：用于A方向灯的时间显示，8位，可驱动两个数码管。
- BCOUNT：用于B方向灯的时间显示，8位，可驱动两个数码管。
下面是交通灯的Verilog HDL源代码及说明。
module traffic(CLK,EN,LAMPA,LAMPB,ACOUNT,BCOUNT); //端口说明
output［7:0］ ACOUNT,BCOUNT;
output［3:0］ LAMPA,LAMPB;
input CLK,EN; //内部信号说明
reg［7:0］ numa,numb; //ACOUNT和BCOUNT的内部信号
reg tempa,tempb;
reg［2:0］ counta,countb; //方向A和方向B的灯的状态
reg［7:0］ ared,ayellow,agreen,aleft,bred,byellow,bgreen,bleft;
reg［3:0］ LAMPA,LAMPB;
//设置各交通灯的持续时间初始化值，红灯的值由另一个方向的黄灯和绿灯计算得出。
always @(EN)
if(!EN) begin //使能信号EN无效时，对交通灯的计数值进行初始化
ared <=8'd55; //55 s , 30 + 5 + 15 + 5
ayellow <=8'd5; //5 s
agreen <=8'd40; //40 s
aleft <=8'd15; //15 s
bred <=8'd65; //65 s , 40 + 5 + 15 + 5
byellow <=8'd5; //5 s
bleft <=8'd15; //15 s
bgreen <=8'd30; //30 s
end
assign ACOUNT=numa; //8位数码管输出
assign BCOUNT=numb; //8位数码管输出
//控制A方向4种灯的模块
always @(posedge CLK) begin
if(EN) begin //使能有效时，交通灯开始工作
if(!tempa) begin
tempa<=1;
case(counta) //控制灯状态的顺序
0: begin //状态0
numa<=agreen; //直行绿灯亮
LAMPA<=2; //输出0010
counta<=1; //进入下一个状态
end
1: begin //状态1
numa<=ayellow; //黄灯亮
LAMPA<=4; //输出0100
counta<=2; //进入下一个状态
end
2: begin //状态2
numa<=aleft; //左转绿灯亮
LAMPA<=1; //输出0001
counta<=3; //进入下一个状态
end
3: begin //状态3
numa<=ayellow; //黄灯亮
LAMPA<=4; //输出0100
counta<=4; //进入下一个状态
end
4: begin //状态4
numa<=ared; //红灯亮
LAMPA<=8; //输出1000
counta<=0; //进入下一个状态（状态0）
end
default: //默认状态
LAMPA<=8; //红灯亮，输出1000
endcase
end
else begin //每一个状态的倒计时
if(numa>1) //判断倒计时未归零时分别对高地位进行递减
if(numa［3:0］==0) begin
numa［3:0］<=4'b1001;
numa［7:4］<=numa［7:4］-1;
end
else
numa［3:0］<=numa［3:0］-1;
if (numa==2)
tempa<=0; //倒计时结束，返回灯状态变化判断，将进入下一个状态
end
end
else begin
LAMPA<=4'b1000; //使能无效时，红灯亮
counta<=0; //返回方向A的状态0(绿灯状态)
tempa<=0; //进入状态变化判断
end
end
//控制B方向4种灯的模块，模块的语言描述与方向A的描述基本一致，这里不再重复注释
always @(posedge CLK) begin
if (EN) begin
if(!tempb) begin
tempb<=1;
case (countb)
0: begin
numb<=bred;
LAMPB<=8;
countb<=1;
end
1: begin
numb<=bgreen;
LAMPB<=2;
countb<=2;
end
2: begin
numb<=byellow;
LAMPB<=4;
countb<=3;
end
3: begin
numb<=bleft;
LAMPB<=1;
countb<=4;
end
4: begin
numb<=byellow;
LAMPB<=4;
countb<=0;
end
default:
LAMPB<=8;
endcase
end
else begin //倒计时
if(numb>1)
if(!numb［3:0］) begin
numb［3:0］<=9;
numb［7:4］<=numb［7:4］-1;
end
else
numb［3:0］<=numb［3:0］-1;
if(numb==2)
tempb<=0;
end
end
else begin
LAMPB<=4'b1000;
tempb<=0;
countb<=0;
end
end
endmodule
通过上面这个Verilog HDL模块，基本实现了交通灯控制器的基本功能。读者可将此设计应用于实际的硬件系统中，通过晶振、FPGA、开关、LED灯及数码管等资源即可完成硬件实现。
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