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交通灯控制设计

课程设计目的与要求

本课程设计旨在通过FPGA核心实现交通灯控制器，研究一个十字路口的信号灯控制系统。系统需要支持两条车道的交替运行，且每条车道的通行时间可设定不同。信号灯采用LED光柱或数码管倒计时显示，并支持紧急情况下的双向红灯触发功能。

目的

• 使用FPGA芯片作为控制核心，设计交通灯信号灯控制器。
• 每个路口设置红、绿、黄三色信号灯，实现车辆的正常通行和应急情况下的控制。
• 采用LED光柱或数码管倒计时方式进行时间显示。

要求

分工

• 马浩宁：负责电路设计、程序调试及PCB绘制。
• 张晓涵：负责电路制作、焊接及论文撰写。
• 王春燕：负责资料收集与整理。

FPGA模块方案论证及选择

FPGA模块由四个部分组成：顶层控制模块（top_traffic）、交通灯控制模块（traffic_light）、数码管显示模块（seg_led）和LED灯控制模块（led）。顶层模块负责对其他三个子模块进行配置并完成信号连接，实现各模块之间的数据传递。

• 顶层模块（top_traffic）：完成子模块的配置，实现信号连接，并将驱动信号输出给外设（交通信号灯）。
• 交通灯控制模块（traffic_light）：控制信号灯状态转换，输出实时状态信号和时间数据给数码管显示模块和LED灯控制模块。
• 数码管显示模块（seg_led）：接收并处理东西、南北方向的实时时间数据，驱动对应数码管进行显示。
• LED灯控制模块（led）：根据接收到的状态信号驱动东西、南北方向的LED发光。

原理设计

基本原理

FPGA开发板的P6扩展口用于外接交通信号灯模块。信号灯模块由12个LED组成，采用共阳型数码管控制。由于东西、南北方向的LED亮灭状态一致，减少了控制信号的引脚数量。

系统组成框图

交通灯控制模块将时间数据连接至数码管显示模块，状态信号连接至LED灯控制模块。系统总体框架如图所示，实现信号灯和数码管的驱动控制。

单元电路设计

• FPGA最小系统：包括FPGA芯片、下载电路、外部时钟、复位电路和电源。
• 数码管显示电路：采用PNP型三极管驱动四组两位共阳数码管，基极低电平有效。

总体电路图

交通灯控制模块将时间数据连接至数码管显示模块，状态信号连接至LED灯控制模块，驱动交通信号灯外设工作。

软件设计

系统软件流程图如图所示，展示了程序设计流程。

元件列表

方案实现与测试

本课题通过FPGA控制实现了交通灯信号灯的逻辑设计，实验现象如图所示。系统符合设计要求，能够正常运行，支持不同车道的通行时间设定及紧急情况下的双向红灯触发功能。

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