交通燈圖像VGA顯示DE1-SoC開發(fā)板紅綠燈VHDL設計報告

名稱：交通燈圖像VGA顯示DE1-SoC開發(fā)板紅綠燈（代碼在文末下載）

軟件：Quartus II

語言：VHDL

代碼功能：

本設計使用VHDL語言設計VGA顯示的交通燈，VGA顯示屏上顯示主干道和支干道，道路用白色線條描繪，每個道路中間用黃色線條隔開分為左右兩個車道。每條主干道和支干道都對應有3個紅綠燈，分別為紅色、黃色、綠色。紅黃綠三色交通燈指揮車輛的通行，紅燈停，綠燈行，黃燈為綠燈到紅燈的過渡。其中左轉和直行都按紅綠燈的指示通行，右轉的話不需要看紅綠燈，在任何時刻均可右轉。

本代碼已在DE1-SoC開發(fā)板驗證，其他開發(fā)板可以修改管腳適配，開發(fā)板如下：

實際上板驗證效果如下：

FPGA代碼Verilog/VHDL代碼資源下載：www.hdlcode.com

部分代碼展示:

LIBRARY?ieee;
???USE?ieee.std_logic_1164.all;
ENTITY?vga_controller_top?IS
???PORT?(??????
??????clk_50M???:?IN?STD_LOGIC;
??????rst???????:?IN?STD_LOGIC;
??????hsync?????:?OUT?STD_LOGIC;
??????vsync?????:?OUT?STD_LOGIC;
key_1?????:?IN?STD_LOGIC;
key_2?????:?IN?STD_LOGIC;
key_3?????:?IN?STD_LOGIC;
key_4?????:?IN?STD_LOGIC;
key_5?????:?IN?STD_LOGIC;
key_6?????:?IN?STD_LOGIC;
key_7?????:?IN?STD_LOGIC;
key_8?????:?IN?STD_LOGIC;
VGA_CLK???????:?OUT?STD_LOGIC;
VGA_BLANK_N???:?OUT?STD_LOGIC;
??????main_green_add?????:?IN?STD_LOGIC;--主路綠燈加
??????main_green_sub?????:?IN?STD_LOGIC;--主路綠燈減
??????branch_green_add???:?IN?STD_LOGIC;--支路綠燈加
??????branch_green_sub???:?IN?STD_LOGIC;--支路綠燈減
??????HEX0??:?OUT?STD_LOGIC_VECTOR(6?DOWNTO?0);--數(shù)碼管段選
HEX1??:?OUT?STD_LOGIC_VECTOR(6?DOWNTO?0);--數(shù)碼管段選
HEX2??:?OUT?STD_LOGIC_VECTOR(6?DOWNTO?0);--數(shù)碼管段選
HEX3??:?OUT?STD_LOGIC_VECTOR(6?DOWNTO?0);--數(shù)碼管段選
??????rgb???????:?OUT?STD_LOGIC_VECTOR(11?DOWNTO?0)
???);
END?vga_controller_top;
ARCHITECTURE?behave?OF?vga_controller_top?IS
--???COMPONENT?clk_PLL?IS
--??????PORT?(
--?????????refclk???????:?IN?STD_LOGIC;
--?????????rst?????:?IN?STD_LOGIC;
--?????????outclk_0???:?OUT?STD_LOGIC
--??????);
--???END?COMPONENT;
--交通燈控制
COMPONENT?Traffic_Light_Control?IS
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??????clk?????:?IN?STD_LOGIC;--50Mhz
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main_key?:?IN?STD_LOGIC;
??????branch_key?:?IN?STD_LOGIC;
??????main_green_add?????:?IN?STD_LOGIC;--主路綠燈加
??????main_green_sub?????:?IN?STD_LOGIC;--主路綠燈減
??????branch_green_add???:?IN?STD_LOGIC;--支路綠燈加
??????branch_green_sub???:?IN?STD_LOGIC;--支路綠燈減
??????R1??????:?OUT?STD_LOGIC;--高電平亮，主路紅燈
??????G1??????:?OUT?STD_LOGIC;--高電平亮，主路綠燈
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??????R2??????:?OUT?STD_LOGIC;--高電平亮，支路紅燈
??????G2??????:?OUT?STD_LOGIC;--高電平亮，支路綠燈
??????Y2??????:?OUT?STD_LOGIC;--高電平亮，支路黃燈
??????HEX0??:?OUT?STD_LOGIC_VECTOR(6?DOWNTO?0);--數(shù)碼管段選
HEX1??:?OUT?STD_LOGIC_VECTOR(6?DOWNTO?0);--數(shù)碼管段選
HEX2??:?OUT?STD_LOGIC_VECTOR(6?DOWNTO?0);--數(shù)碼管段選
HEX3??:?OUT?STD_LOGIC_VECTOR(6?DOWNTO?0)--數(shù)碼管段選
???);
END?COMPONENT;
???COMPONENT?aiso_rst?IS
??????PORT?(
?????????clk???????:?IN?STD_LOGIC;
?????????reset?????:?IN?STD_LOGIC;
?????????reset_s???:?OUT?STD_LOGIC
??????);
???END?COMPONENT;
???
???COMPONENT?vga_sync?IS
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?????????clk???????:?IN?STD_LOGIC;
?????????rst???????:?IN?STD_LOGIC;
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?????????hsync?????:?OUT?STD_LOGIC;
?????????vsync?????:?OUT?STD_LOGIC;
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?????????video_on??:?OUT?STD_LOGIC
??????);
???END?COMPONENT;
???
???COMPONENT?debounce?IS
??????PORT?(
?????????clk???????:?IN?STD_LOGIC;
?????????reset?????:?IN?STD_LOGIC;
?????????sw????????:?IN?STD_LOGIC;
?????????db????????:?OUT?STD_LOGIC
??????);
???END?COMPONENT;
???
???COMPONENT?graphic_generator?IS
??????PORT?(
?????????clk???????:?IN?STD_LOGIC;
?????????rst???????:?IN?STD_LOGIC;
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??????G1??????:?IN?STD_LOGIC;--高電平亮，主路綠燈
??????Y1??????:?IN?STD_LOGIC;--高電平亮，主路黃燈
??????R2??????:?IN?STD_LOGIC;--高電平亮，支路紅燈
??????G2??????:?IN?STD_LOGIC;--高電平亮，支路綠燈
??????Y2??????:?IN?STD_LOGIC;--高電平亮，支路黃燈
?????????pixel_x???:?IN?STD_LOGIC_VECTOR(9?DOWNTO?0);
?????????pixel_y???:?IN?STD_LOGIC_VECTOR(9?DOWNTO?0);
?????????video_on??:?IN?STD_LOGIC;
?????????rgb???????:?OUT?STD_LOGIC_VECTOR(11?DOWNTO?0)
??????);
???END?COMPONENT;
COMPONENT?display?is
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?score:IN?STD_LOGIC_VECTOR(3?DOWNTO?0);
???????HEX:out?STD_LOGIC_VECTOR(6?DOWNTO?0)
?);
end?COMPONENT;
???
SIGNAL?clk?????????:?STD_LOGIC:='0';
???SIGNAL?video_on????:?STD_LOGIC;
???SIGNAL?rst_s???????:?STD_LOGIC;
???SIGNAL?pixel_x?????:?STD_LOGIC_VECTOR(9?DOWNTO?0);
???SIGNAL?pixel_y?????:?STD_LOGIC_VECTOR(9?DOWNTO?0);
???--?Declare?intermediate?signals?for?referenced?outputs
???SIGNAL?hsync_buf?:?STD_LOGIC;
???SIGNAL?vsync_buf?:?STD_LOGIC;
???SIGNAL?rgb_buf???:?STD_LOGIC_VECTOR(11?DOWNTO?0);
???SIGNAL???R1??????:??STD_LOGIC;--高電平亮，主路紅燈
???SIGNAL???G1??????:??STD_LOGIC;--高電平亮，主路綠燈
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???SIGNAL???R2??????:??STD_LOGIC;--高電平亮，支路紅燈
???SIGNAL???G2??????:??STD_LOGIC;--高電平亮，支路綠燈
???SIGNAL???Y2??????:??STD_LOGIC;--高電平亮，支路黃燈
???SIGNAL?main_key?:?STD_LOGIC;
???SIGNAL?branch_key?:?STD_LOGIC;
BEGIN
???--?Drive?referenced?outputs
???hsync?<=?hsync_buf;
???vsync?<=?vsync_buf;
???rgb?<=?rgb_buf;
main_key<=key_1?or?key_2?or?key_3?or?key_4;
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???
--???u_clk_PLL:?clk_PLL
--??????PORT?MAP??(
--?????????refclk??=>?clk_50M,
--?????????rst?????=>?rst_s,
--?????????outclk_0?=>?clk
--??????);?
clk?<=?clk_50M;
--交通燈控制
U_Traffic_Light_Control:?Traffic_Light_Control
???PORT?MAP(
??????clk????=>?clk,--50Mhz
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main_key=>main_key,
branch_key=>branch_key,
??????main_green_add?????=>?main_green_add,--主路綠燈加
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??????branch_green_add???=>?branch_green_add,--支路綠燈加
??????branch_green_sub???=>?branch_green_sub,--支路綠燈減
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??????G1??????=>?G1,--高電平亮，主路綠燈
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??????R2??????=>?R2,--高電平亮，支路紅燈
??????G2??????=>?G2,--高電平亮，支路綠燈
??????Y2??????=>?Y2,--高電平亮，支路黃燈
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??????HEX1???=>?HEX1,--
HEX2???=>?HEX2,--
HEX3???=>?HEX3
???);
???
???u0?:?aiso_rst
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??????);
?
???
???u1?:?vga_sync
??????PORT?MAP?(
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?????????rst???????=>?rst_s,
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VGA_BLANK_N?=>?VGA_BLANK_N,
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?????????vsync?????=>?vsync_buf,
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??????);
???
???
???u4?:?graphic_generator
??????PORT?MAP?(
?????????clk???????=>?clk,
?????????rst???????=>?rst_s,
?????????pixel_x???=>?pixel_x,
?????????pixel_y???=>?pixel_y,
??????R1??????=>?R1,--高電平亮，主路紅燈
??????G1??????=>?G1,--高電平亮，主路綠燈
??????Y1??????=>?Y1,--高電平亮，主路黃燈
??????R2??????=>?R2,--高電平亮，支路紅燈
??????G2??????=>?G2,--高電平亮，支路綠燈
??????Y2??????=>?Y2,--高電平亮，支路黃燈
?????????video_on??=>?video_on,
?????????rgb???????=>?rgb_buf
??????);
END?behave;

1.?導言

本設計使用VHDL語言設計VGA顯示的交通燈，VGA顯示屏上顯示主干道和支干道，道路用白色線條描繪，每個道路中間用黃色線條隔開分為左右兩個車道。每條主干道和支干道都對應有3個紅綠燈，分別為紅色、黃色、綠色。紅黃綠三色交通燈指揮車輛的通行，紅燈停，綠燈行，黃燈為綠燈到紅燈的過渡。其中左轉和直行都按紅綠燈的指示通行，右轉的話不需要看紅綠燈，在任何時刻均可右轉。

2.?背景

2.1 VGA顯示原理

顯示器掃描方式分為逐行掃描和隔行掃描：逐行掃描是掃描從屏幕左上角一點開始，從左向右逐點掃描，每掃描完一行,電子束回到屏幕的左邊下一行的起始位置，在這期間，CRT對電子束進行消隱，每行結束時，用行同步信號進行同步；當掃描完所有的行，形成一幀，用場同步信號進行場同步，并使掃描回到屏幕左上方，同時進行場消隱,開始下一幀。隔行掃描是指電子束掃描時每隔一行掃一行，完成一屏后再返回來掃描剩下的行，隔行掃描的顯示器閃爍的厲害，會讓使用者的眼睛疲勞。

完成一行掃描的時間稱為水平掃描時間，其倒數(shù)稱為行頻率；完成一幀（整屏）掃描的時間稱為垂直掃描時間，其倒數(shù)稱為場頻率，即刷新一屏的頻率，常見的有60Hz，75Hz等等。標準的VGA顯示的場頻60Hz,行頻31.5KHz。

行場消隱信號:是針對老式顯像管的成像掃描電路而言的。電子槍所發(fā)出的電子束從屏幕的左上角開始向右掃描，一行掃完需將電子束從右邊移回到左邊以便掃描第二行。在移動期間就必須有一個信號加到電路上，使得電子束不能發(fā)出。不然這個回掃線會破壞屏幕圖像的。這個阻止回掃線產(chǎn)生的信號就叫作消隱信號,場信號的消隱也是一個道理。

顯示帶寬指的顯示器可以處理的頻率范圍。如果是60Hz刷新頻率的VGA,其帶寬達640x480x60=18.4MHz,70Hz的刷新頻率1024x768分辨率的SVGA,其帶寬達1024x768x70=55.1MHz。

VGA時序圖

VESA中定義行時序和場時序都需要同步脈沖（Sync a）、顯示后沿（Back porch b）、顯示時序段（Display interval c）和顯示前沿（Front porch d）四部分。VGA工業(yè)標準顯示模式要求：行同步，場同步都為負極性，即同步脈沖要求是負脈沖。

由VGA的行時序可知：每一行都有一個負極性行同步脈沖（Sync a），是數(shù)據(jù)行的結束標志，同時也是下一行的開始標志。在同步脈沖之后為顯示后沿（Back porch b），在顯示時序段（Display interval c）顯示器為亮的過程，RGB數(shù)據(jù)驅動一行上的每一個像素點，從而顯示一行。在一行的最后為顯示前沿（Front porch d）。在顯示時間段（Display interval c）之外沒有圖像投射到屏幕是插入消隱信號。同步脈沖(Sync a)、顯示后沿（Back porch b）和顯示前沿（Front porch d）都是在行消隱間隔內(nèi)(Horizontal Blanking Interval)，當消隱有效時，RGB信號無效，屏幕不顯示數(shù)據(jù)。

VGA的場時序與行時序基本一樣，每一幀的負極性脈沖（Sync a）是一幀的結束標志，同時也是下一幀的開始標志。而顯示數(shù)據(jù)是一幀的所有行數(shù)據(jù)。

2.2 交通燈原理

道路交通信號燈是用于給互相沖突的交通流分配有效的通行權，以提高道路交通安全和道路容量的一類交通燈。當今，紅綠燈安裝在各個道口上，已經(jīng)成為疏導交通車輛最常見和最有效的手段，這一技術已經(jīng)有相當長的發(fā)展歷史了。

1858年，在英國倫敦主要街頭安裝了以燃煤氣為光源的紅，藍兩色的機械扳手式信號燈，用以指揮馬車通行。這是世界上最早的交通信號燈。1868年，英國機械工程師納伊特在倫敦威斯敏斯特區(qū)的議會大廈前的廣場上，安裝了世界上最早的煤氣紅綠燈。它由紅綠兩以旋轉式方形玻璃提燈組成，紅色表示“停止”，綠色表示“注意”。1869年1月2日，煤氣燈爆炸，使警察受傷，遂被取消。

電氣啟動的紅綠燈出現(xiàn)在美國，這種紅綠燈由紅綠黃三色圓形的投光器組成，1914年始安裝于紐約市5號大街的一座高塔上。紅燈亮表示“停止”，綠燈亮表示“通行”。

1918年，又出現(xiàn)了帶控制的紅綠燈和紅外線紅綠燈。帶控制的紅綠燈，一種是把壓力探測器安在地下，車輛一接近紅燈便變?yōu)榫G燈；另一種是用擴音器來啟動紅綠燈，司機遇紅燈時按一下嗽叭，就使紅燈變?yōu)榫G燈。紅外線紅綠燈當行人踏上對壓力敏感的路面時，它就能察覺到有人要過馬路。紅外光束能把信號燈的紅燈延長一段時間，推遲汽車放行，以免發(fā)生交通事故。

又經(jīng)過前人的設計和改造，交通信號燈終于普及整個城市的十字路口。

交通信號燈的出現(xiàn)，使交通得以有效管制，對于疏導交通流量、提高道路通行能力，減少交通事故有明顯效果，更改變了交警輪流指揮和疏散交通擁擠的現(xiàn)狀，實現(xiàn)了人，車，路三者的同步協(xié)調(diào)。現(xiàn)階段，許多設計工作者又設計出許多智能化，自動化，數(shù)字化等更先進的交通燈控制方案，這更方便于維護管理，給人們提供了更加便利的交通環(huán)境。

目前，城市規(guī)模還在不斷的擴大，人們對交通信號燈的控制也越來越高，我們需要更高層次的去了解交通信號燈，結合城市十字路口交通的需要，不斷地去創(chuàng)新，才能達到發(fā)展的需求，所以研究交通信號燈的極為重要。

3.?工作章節(jié)

本設計主要分為兩大部分，一部分是VGA顯示的控制，另一部分是交通燈的控制。系統(tǒng)的整體框圖如下所示。

上圖中，aiso_rst、vga_sync、vga_sync這三個模塊實現(xiàn)VGA顯示的控制，Traffic_Light_Control模塊實現(xiàn)交通燈的控制。其中Traffic_Light_Control模塊內(nèi)部又分為RGY、SMG、display、CLOCK、time_ctrl等模塊，具體內(nèi)部框圖如下所示：

3.1?VGA顯示控制部分

aiso_rst模塊

該模塊實現(xiàn)復位的同步控制，將系統(tǒng)外部的異步復位信號轉換為同步復位信號，外部輸入信號為開發(fā)板上的按鍵，低電平有效。將該信號通過兩級觸發(fā)器進行同步，然后再通過一個非門實現(xiàn)低電平復位到高電平復位的轉換。內(nèi)部電路如下圖所示：

vga_sync模塊

該模塊實現(xiàn)VGA時序的控制，用于產(chǎn)生VGA的CLK信號，BLANK信號，hsync信號和vsync信號，模塊框圖如下圖所示。

本設計使用25MHz的時鐘，屏幕分辨率為640x480，刷新頻率60Hz，每場對應525個行周期(525=10+2+480+33),其中480為顯示行。每場有場同步信號,該脈沖寬度為2個行周期的負脈沖，每顯示行包括800點時鐘,其中640點為有效顯示區(qū),每一行有一個行同步信號，該脈沖寬度為96個點時鐘。由此可知：行頻為525*59.94=31469Hz,需要的時鐘頻率：525*800*59.94約25MHz。25MHz的時鐘通過50MHz的系統(tǒng)時鐘分頻得到，hsync信號和vsync信號通過計數(shù)器計數(shù)控制，其中hcount計數(shù)到最大799，vcount計數(shù)最大到524，再通過對計數(shù)器計數(shù)區(qū)域的選擇控制輸出hsync信號和vsync信號。下圖為本模塊實現(xiàn)的VGA時序圖，

本模塊還輸出pixel_x、pixel_y用于指示當前屏幕上的坐標。其中pixel_x=hcount（橫坐標），pixel_y=vcount（縱坐標）。video_on信號指示當前區(qū)域為有效顯示區(qū)，范圍為640*480，即hcount<640,vcount<480.

graphic_generator模塊

該模塊控制顯示器顯示交通燈的圖案，包括道路、斑馬線、紅綠燈等部分。模塊框圖如下圖所示。

該模塊接收vga_sync模塊輸出的pixel_x、pixel_y信息和Traffic_Light_Control模塊輸出的紅綠燈控制信息，其中pixel_x、pixel_y信息用于在顯示器繪制道路和紅綠燈，Traffic_Light_Control模塊輸出的紅綠燈控制信息用于控制對應的紅綠燈什么時候亮滅。對應的圖案如下圖所示，其中左下角為坐標原點，X軸最大值為640，Y軸坐標最大值為480。

圖中上下方向的車道為主路，左右方向的車道為支路，下面以圖中用紅色框標識的主路道路線為例，說明如何繪制該線條，該段代碼對應如下：

road1_on <= '1' when ((pixel_x >= 220) AND (pixel_x <= 223) AND (pixel_y >= 0) AND (pixel_y <= 143)) else '0';--定義線條的位置

road1_rgb <= "111111111111";--顯示白色

將該段線條命名為road1_on，其范圍為X坐標的（220~223），即從X軸的220到223，共占4個橫坐標像素；Y坐標為（0~143），即從Y軸的0到143，共占144個縱坐標像素。該段線條根據(jù)XY軸的范圍定義即對應圖中的位置。road1_rgb表示該段線條的顏色，111111111111表示紅色、綠色、藍色三色的混合，混合色為白色。至此該段線條的位置和顏色均通過代碼進行了規(guī)定，其他圖案的設計以此類推。

3.2?交通燈控制部分

交通燈控制部分用于實現(xiàn)紅、黃、綠三種信號燈的控制及對應數(shù)碼管的顯示，其中主路和支路的綠燈時間可以通過板子外部的按鍵增加或者減小。內(nèi)部具體包含RGY、SMG、display、CLOCK、time_ctrl等模塊。

RGY模塊

該模塊根據(jù)輸入的主路、支路時間，實現(xiàn)紅、黃、綠三種信號燈的控制，使用狀態(tài)機進行控制。模塊框圖如下圖所示：

狀態(tài)機一共分為4個狀態(tài)，分別用001、010、011、100表示。狀態(tài)轉移順序為：

001->010->011->100->001

其中001表示主路綠燈狀態(tài)，010表示主路黃燈黃燈狀態(tài)，011表示支路綠燈狀態(tài)，100表示支路黃燈狀態(tài)。每個狀態(tài)下通過計數(shù)器來控制對應燈的時間，當計數(shù)達到設置的時間后，切換到下一個狀態(tài)。主路綠燈狀態(tài)和主路黃燈狀態(tài)下支路為紅燈，支路綠燈狀態(tài)和支路黃燈狀態(tài)下主路為紅燈。將紅黃綠三色燈對應的計數(shù)值輸出到SMG模塊。

本模塊還有行人按鍵控制功能，分主路控制信號main_key和支路控制信號branch_key。main_key由主路4個行人斑馬線位置的控制按鍵進行或運算得到，branch_key由支路4個行人斑馬線位置的控制按鍵進行或運算得到，當main_key為1時表示主路有人按下，則狀態(tài)機狀態(tài)先轉換到主路黃燈狀態(tài)（010），然后自動進入到主路紅燈狀態(tài)。當branch_key為1時表示支路有人按下，則狀態(tài)機狀態(tài)先轉換到支路黃燈狀態(tài)（100），然后自動進入到支路紅燈狀態(tài)。

SMG模塊

該模塊接收主路和支路紅黃綠三種燈的控制信號和對應燈計數(shù)計數(shù)信號，再將其轉換為倒計時。模塊框圖如下圖所示：

由于RGY模塊內(nèi)是按加法計數(shù)，因而所得的計數(shù)信號為正計數(shù)，故需要將正計數(shù)轉換為倒計數(shù)。轉換原理為將總時間減去正計時的時間，例如主路綠燈時間為20秒，正計數(shù)的順序為1~20，將20減去正計數(shù)即可以得到19~0的倒計數(shù)。

Display模塊

該模塊用于控制數(shù)碼管顯示倒計時，模塊輸入主路和支路的倒計時信號，再通過數(shù)碼管顯示出來。首先需要將輸入的倒計時信號轉換為十位和個位，再將十位個位分別通過數(shù)碼管顯示。模塊框圖如下圖所示：

先將輸入的倒計時信號轉換為int類型，便于使用乘法和除法運算。將倒計時除以10得到的商即為十位，再用倒計時信號減去十位乘以10得到的差即為個位。倒計時使用開發(fā)板的7段數(shù)碼管顯示，每個數(shù)碼管輸入為7位，對應下圖中的abcdefg7段，當輸入0時對應的段點亮，當輸入為1時，對應的段滅。

根據(jù)上圖可以觀察到，若要顯示數(shù)字0，需要G滅，ABCDEF亮，也就是對應編碼為“1000000”，其中從左到右依次對應GFEDCBA。以此類推可以得到0~9的所有編碼。

CLOCK模塊

分頻模塊的功能是將系統(tǒng)數(shù)字50MHz分頻為1Hz，1Hz對應周期為1秒，用分頻后的1Hz信號控制秒計時。分頻方法使用計數(shù)器實現(xiàn)，原理為將50MHz信號計數(shù)50000000次就是1秒，將50000000計數(shù)分為0~25000000和25000000~50000000兩段，計數(shù)值在0~25000000時輸出低電平，25000000~50000000時輸出高電平，得到的信號就是1Hz的信號。模塊框圖如下圖所示

time_ctrl模塊

該模塊功能為通過外部的時間控制按鍵控制主路綠燈和支路綠燈的時間。外部按鍵首先通過按鍵消抖模塊消抖，然后使用消抖后的按鍵控制綠燈時間。模塊框圖如下圖所示：

消抖模塊一方面將按鍵的機械抖動消除，另一方面將按鍵信號轉換為一個時鐘周期的高電平時間。按鍵包括主路綠燈加鍵、主路綠燈減鍵、支路綠燈加鍵、支路綠燈減鍵。當加鍵按下時，綠燈時間加1，當加到99時不再響應按鍵。當按下減按鍵時，綠燈時間減1，當減到5時，不再響應按鍵按下。主路支路都有對應按鍵，一共4個按鍵，分別對應主路加減和支路加減。

4.?仿真圖

代碼設計完成后，編寫testbench對代碼進行仿真，仿真工具為Modelsim，對應不同模塊的仿真圖如下:

4.1 VGA時序控制部分仿真圖

aiso_rst模塊仿真圖如下圖所示，圖中可以看到，輸入的reset信號為低電平有效，且輸入與時鐘clk的上升沿不對齊，經(jīng)過時鐘同步后，輸出的reset_s信號與clk信號的時鐘上升沿對齊，即將異步的復位信號轉換為同步復位信號。

vga_sync模塊仿真圖如下圖所示，圖中可以看到25MHz的時鐘通過50MHz的系統(tǒng)時鐘分頻得到，即VGA_CLK頻率為系統(tǒng)時鐘clk的一半。

hsync信號和vsync信號通過計數(shù)器計數(shù)控制，其中hcount從0開始計數(shù)，計數(shù)到最大799，vcount從零開始計數(shù)，計數(shù)最大到524。

下圖為完整的一行數(shù)據(jù)時序圖，圖中可以看到，在hcount從0計數(shù)到799后，第0行掃描完成，Vcount加1，開始掃描第1行。以此類推一直掃描到第479行。

下圖為完整的行掃描時序，可以看到VGA_BLANK_N信號、Video_on信號、hsync信號和vsync信號的時序關系。

下圖可以看到VGA_BLANK_N信號在hcount計數(shù)到639時變?yōu)榈碗娖健?/p>

下圖可以看到VGA_BLANK_N信號在hcount計數(shù)到799時變?yōu)楦唠娖健?/p>

graphic_generator模塊仿真圖如下所示，可以看到程序中描述的XY軸范圍內(nèi)的線條對應與圖中的_on信號，下圖中_on信號為高電平時，表示顯示對應的線條。與_on對應的_rgb信號表示該線條的顏色。

4.2 交通燈控制模塊部分仿真圖

RGY模塊仿真圖如下圖所示，圖中默認的主路綠燈時間為30s，主路黃燈時間為5s，支路綠燈為20s，黃燈為5s。R1，G1，Y1對應主路的紅燈、綠燈、黃燈信號，高電平表示對應的燈亮。R2，G2，Y2對應支路的紅燈、綠燈、黃燈信號，高電平表示對應的燈亮。R1_BCD，G1_BCD，Y1_BCD對應主路的紅燈、綠燈、黃燈的正計時時間。R2_BCD，G2_BCD，Y2_BCD對應支路的紅燈、綠燈、黃燈的正計時時間?？梢钥吹剑髀分返募t綠燈亮滅變化正確，且對應的亮燈時間也正確。

下圖為SMG模塊的仿真圖，該模塊接收主路和支路紅黃綠三種燈的控制信號和對應燈計數(shù)計數(shù)信號，再將其轉換為倒計時。圖中R1，G1，Y1對應主路的紅燈、綠燈、黃燈信號。R2，G2，Y2對應支路的紅燈、綠燈、黃燈信號。R1_BCD，G1_BCD，Y1_BCD對應主路的紅燈、綠燈、黃燈的正計時時間。R2_BCD，G2_BCD，Y2_BCD對應支路的紅燈、綠燈、黃燈的正計時時間。最終計算得到的倒計時時間分別為主路倒計時SMG1和支路倒計時SMG2。圖中可以看到，倒計時與對應的紅綠燈匹配，計時正確。

Display模塊仿真圖如下圖所示，以主路倒計時為29，舉例說明，圖中主路十位為2，個位為9，根據(jù)數(shù)碼管顯示原理，2對應的編碼為0100100，9對應的編碼為0010000，對應仿真圖的HEX3和HEX2,可以看到仿真圖的編碼正確。

Clock模塊通過計時分頻得到1Hz信號，分頻截圖如下所示?？梢钥吹捷敵龅?Hz信號低電平時間和高電平時間分別占一半，即占空比為50%。

time_ctrl模塊用于調(diào)整交通燈的時間，按鍵分為主路綠燈加、減按鍵和支路綠燈加、減按鍵。下圖可以看到，主路綠燈加按下后，主路綠燈時間由30變?yōu)?1，按下主路綠燈減按鍵，又從31變?yōu)?0。同理可以看到支路綠燈在加減按鍵的控制下，從20變?yōu)?1,22,又變?yōu)?1。因此按鍵控制模塊仿真正確。

5. 結論

經(jīng)過對代碼的仿真調(diào)試后，對代碼進行管腳分配后實際下載到開發(fā)板驗證，驗證經(jīng)過如下圖所示，圖中完整的顯示了主路、支路的位置，并且在每個路口有對應的紅黃綠三色信號燈指示車輛的通行和停止，并且每個路口有供行人通行的斑馬線。經(jīng)過實際測試，交通燈信號變化符合設計要求，每個燈對應的倒計時在數(shù)碼管顯示正確，且可以通過開發(fā)板按鍵控制主路和支路的通行時間。

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