【EDA交通灯控制器课程设计报告书x】一、引言

随着城市化进程的加快，交通管理问题日益突出，传统的交通信号控制方式已难以满足现代城市交通的需求。为提高道路通行效率、减少交通事故、优化交通流，智能交通控制系统成为研究的重点方向之一。本课程设计旨在通过EDA（Electronic Design Automation）技术，设计并实现一个基于可编程逻辑器件的交通灯控制器系统，以提升对数字电路设计与系统集成的理解。

本项目采用FPGA（Field-Programmable Gate Array）作为核心硬件平台，结合Verilog HDL语言进行逻辑设计，实现一个具有基本功能的交通灯控制系统。该系统能够模拟十字路口的红绿灯切换过程，并可根据实际需求进行模式调整与扩展。

二、设计目标

1. 实现一个基本的交通灯控制逻辑，包括东西向和南北向的红、黄、绿灯交替点亮。

2. 通过计时器控制每个灯的状态持续时间，确保合理的交通流分配。

3. 设计模块化结构，便于后期功能扩展与修改。

4. 使用EDA工具完成系统仿真与验证，确保逻辑设计的正确性。

5. 掌握FPGA开发流程，包括代码编写、综合、布局布线、下载与调试。

三、系统总体设计

本系统由以下几个主要模块组成：

1. 状态机模块：用于控制交通灯的切换顺序，包括红、黄、绿三种状态的转换。

2. 计时模块：根据设定的时间间隔控制各个状态的持续时间。

3. 输出控制模块：将状态机输出的信号转换为实际的LED或数码管显示。

4. 时钟分频模块：将系统时钟进行分频处理，以得到合适的计时基准。

5. 顶层模块：整合所有子模块，实现系统的整体功能。

整个系统基于有限状态机（FSM）设计思想，采用同步时序逻辑结构，确保系统稳定可靠运行。

四、详细设计与实现

4.1 状态机设计

状态机是本系统的核心部分，负责控制交通灯的切换逻辑。我们设计了四个基本状态：

- S0：东西绿灯亮，南北红灯亮

- S1：东西黄灯亮，南北红灯亮

- S2：南北绿灯亮，东西红灯亮

- S3：南北黄灯亮，东西红灯亮

状态之间按照一定顺序进行切换，每个状态保持一定时间后进入下一个状态，形成循环。

4.2 计时模块

计时模块通过计数器实现，使用系统时钟进行分频，得到所需的延时时间。例如，若系统时钟为50MHz，则通过分频得到1秒的计时单位。计数器在每个状态中递增，当达到设定值时触发状态转移。

4.3 输出控制模块

输出控制模块将状态机的当前状态转换为具体的LED控制信号。例如，在S0状态下，东西方向的绿灯亮，南北方向的红灯亮；在S1状态下，东西方向的黄灯亮，南北方向的红灯亮，以此类推。

4.4 时钟分频模块

由于FPGA系统时钟通常较高（如50MHz），直接用于控制交通灯的切换会导致灯光变化过快，因此需要对时钟进行分频处理。通过计数器实现分频，得到1Hz或0.5Hz等适合交通灯切换的频率。

五、系统仿真与测试

使用ModelSim进行仿真验证，确认各模块逻辑是否符合预期。通过波形图观察各个信号的变化情况，确保状态机切换正确、计时准确、输出信号无误。

在实际硬件上进行测试时，使用开发板上的LED灯模拟交通灯的显示效果。通过按键或外部输入信号可以手动切换状态，进一步验证系统的稳定性与实用性。

六、结论

本次课程设计成功实现了基于EDA技术的交通灯控制器系统，涵盖了数字电路设计、状态机编程、时钟分频、模块化设计等多个方面。通过该项目，不仅加深了对FPGA开发流程的理解，也提升了对交通控制系统的认识。

未来可进一步扩展系统功能，如加入行人过街按钮、感应式交通控制、多路口联动等，使系统更加智能化和实用化。

七、参考文献

1. 潘松，陈龙. 《EDA技术与VHDL设计》. 清华大学出版社.

2. 周润景，张丽. 《FPGA数字系统设计实例详解》. 电子工业出版社.

3. Altera Corporation. Quartus II User Guide.

4. ModelSim Simulation Manual.

附录

- Verilog源代码

- 系统框图

- 仿真波形图

- 硬件测试结果

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