交通灯控制系统 Verilog Quartus Cyclone IV

名称：交通灯控制系统 Verilog Quartus Cyclone IV

软件：Quartus

语言：Verilog

开发板/平台：Cyclone IV FPGA开发板

功能介绍

本设计实现一个双向交通灯控制系统，面向主干道和支干道分别提供红灯、黄灯、绿灯输出，并通过K1、K2传感器输入参与交通状态控制。系统使用50 MHz时钟，经分频后获得1 Hz节拍，按照设定时序驱动各方向信号灯切换，形成完整的红绿灯周期。主路绿灯时间设置为45秒，支路绿灯时间设置为25秒，主路和支路黄灯时间均为5秒，时间参数集中在顶层模块中，便于根据实际路口需求调整。\n\n在灯态输出的同时，系统将当前相位剩余时间转换为BCD数据，并通过数码管驱动电路显示主路和支路倒计时。四路HEX输出分别承担主干道与支干道的倒计时显示，帮助观察当前交通相位和剩余时间。工程还包含分频、交通灯控制、倒计时数据处理和数码管显示等独立模块，便于学习状态机时序设计、模块化连接以及FPGA外设控制。

运行环境

硬件平台为Cyclone IV FPGA开发板，工程采用Verilog HDL编写，使用Intel Quartus工程文件进行编译与配置。顶层工程名为traffic_light，时钟输入为50 MHz，管脚分配通过traffic_light.qsf完成，输出包括主路和支路的红、黄、绿灯信号以及HEX0至HEX3数码管接口。工程目录同时提供qpf、qsf、Verilog源文件和已生成的编译输出，使用Quartus打开traffic_light.qpf即可查看完整工程结构。

设计思路

设计采用分层模块化方法构建。顶层traffic_light负责时钟、传感器、灯信号和数码管接口的统一连接，并在顶层集中设置主路绿灯、支路绿灯及两路黄灯的持续时间。div模块把50 MHz系统时钟转换为1 Hz控制节拍，使交通灯状态转换和倒计时更新以秒为单位进行，便于直接对应实际交通信号时序。\n\nled模块承担核心交通灯控制，根据K1、K2传感器输入和当前计时状态产生主路、支路的红黄绿灯信号，同时输出各灯态对应的BCD倒计时数据。shumaguan_data模块根据当前灯态选择主路或支路的剩余时间，并整理成数码管显示数据；display模块负责数码管段码和扫描显示。通过这种分工，灯态控制、计时数据和显示驱动彼此独立，后续可单独修改时长策略或扩展显示接口。

模块结构

工程主要由以下模块组成：\n\n1. traffic_light：顶层模块，连接50 MHz时钟、K1/K2传感器、六路交通灯输出和四路数码管输出，并实例化各功能模块。\n2. div：时钟分频模块，将系统时钟转换为1 Hz控制时钟。\n3. led：交通灯控制模块，完成主路与支路红黄绿灯状态切换、传感器输入处理及各灯态倒计时BCD数据生成。\n4. shumaguan_data：倒计时数据处理模块，依据当前灯态选择对应时间并输出主路、支路数码管显示数据。\n5. display：数码管显示模块，将倒计时数据转换为HEX段码并完成显示接口驱动。\n\n顶层信号链路为50 MHz时钟经div分频后送入led，led产生灯态和BCD计时数据，再由shumaguan_data与display完成四位数码管显示。

开发板验证

工程已完成Cyclone IV FPGA开发板的管脚约束配置，traffic_light.qsf中包含时钟、传感器、六路信号灯及数码管接口的分配信息。将工程编译生成的配置文件下载到开发板后，可观察主路和支路红黄绿灯按设定时序切换，并通过HEX0至HEX3查看两方向倒计时。K1、K2可接入相应传感器或按键输入，用于验证传感器参与交通状态控制的逻辑。

演示视频

提供交通灯系统演示视频，可直观看到主路与支路信号灯切换过程以及数码管倒计时显示效果，用于配合工程下载后的上板观察。

仿真图/仿真说明/设计文档图片

设计文档包含工程文件说明、程序编译、RTL结构、Testbench、整体仿真以及分频模块、交通灯控制模块、倒计时控制模块和显示模块的说明与配图。配套仿真工程位于traffic_light_sim/simulation/modelsim目录，可在ModelSim环境中继续查看和运行仿真工程。

部分代码

以下展示顶层模块 traffic_light 的部分代码，完整源码请下载压缩包查看。

module traffic_light(
input clk,//50Mhz
input K1,//支路传感器
input K2,//主路传感器
output main_red,//主路灯
output main_green,//主路灯
output main_yellow,//主路灯

output branch_red,//支路灯
output branch_green,//支路灯
output branch_yellow,//支路灯

output [7:0] HEX0,//（主干道）数码管0
output [7:0] HEX1,//（主干道）数码管1
output [7:0] HEX2,//（支干道）数码管2
output [7:0] HEX3//（支干道）数码管3
);

 wire clk_1Hz;
 wire [7:0] main_green_BCD;
 wire [7:0] main_yellow_BCD;
 wire [7:0] main_red_BCD;
 wire [7:0] branch_green_BCD;
 wire [7:0] branch_yellow_BCD;
 wire [7:0] branch_red_BCD;
 wire [7:0] main_data_out;
 wire [7:0] branch_data_out;
 
wire main_red_led;//主路灯
wire main_green_led;//主路灯
wire main_yellow_led;//主路灯

wire branch_red_led;//支路灯
wire branch_green_led;//支路灯
wire branch_yellow_led;//支路灯

assign main_red=main_red_led;//主路灯
assign main_green=main_green_led;//主路灯

assign branch_red=branch_red_led;//支路灯
assign branch_green=branch_green_led;//支路灯

assign main_yellow=main_yellow_led;
assign branch_yellow=branch_yellow_led;
//分频模块
div div100
(
. clk(clk),
. clk_out(clk_1Hz)
);

//调整时间
wire [7:0]main_green_time;//由外部控制
wire [7:0]main_yellow_time;
wire [7:0]branch_green_time;//由外部控制
wire [7:0]branch_yellow_time;

assign main_yellow_time=8'd5;//主路黄灯时间设置为5秒
assign branch_yellow_time=8'd5;//支路黄灯时间设置为5秒
assign main_green_time=8'd45;//主路绿灯45秒
assign branch_green_time=8'd25;//支路绿灯25秒


////////////////////////////////
//交通灯控制模块
led led(
. clk_1Hz(clk_1Hz),
. K1(K1),//支路传感器
. K2(K2),//主路传感器
. main_red(main_red_led),//主路灯
. main_green(main_green_led),//主路灯
. main_yellow(main_yellow_led),//主路灯

. branch_red(branch_red_led),//支路灯
. branch_green(branch_green_led),//支路灯
. branch_yellow(branch_yellow_led),//支路灯

. main_green_time(main_green_time),
. main_yellow_time(main_yellow_time),
. branch_green_time(branch_green_time),
. branch_yellow_time(branch_yellow_time),

. main_green_BCD(main_green_BCD),//绿灯时间计数
. main_yellow_BCD(main_yellow_BCD),//黄灯时间计数
. main_red_BCD(main_red_BCD),//红灯时间计数
. branch_green_BCD(branch_green_BCD),//绿灯时间计数
. branch_yellow_BCD(branch_yellow_BCD),//黄灯时间计数
. branch_red_BCD(branch_red_BCD)//红灯时间计数
);

//倒计时控制模块
shumaguan_data shumaguan_data(
. clk(clk),

. main_red(main_red_led),//主路灯
. main_green(main_green_led),//主路灯
. main_yellow(main_yellow_led),//主路灯

. branch_red(branch_red_led),//支路灯
. branch_green(branch_green_led),//支路灯
. branch_yellow(branch_yellow_led),//支路灯

. main_green_BCD(main_green_BCD),//绿灯时间计数
. main_yellow_BCD(main_yellow_BCD),//黄灯时间计数
. main_red_BCD(main_red_BCD),//红灯时间计数
. branch_green_BCD(branch_green_BCD),//绿灯时间计数
. branch_yellow_BCD(branch_yellow_BCD),//黄灯时间计数
. branch_red_BCD(branch_red_BCD),//红灯时间计数

. main_green_time(main_green_time),
. main_yellow_time(main_yellow_time),
. branch_green_time(branch_green_time),
. branch_yellow_time(branch_yellow_time),

. main_data_out(main_data_out),//主路数码管数据显示
. branch_data_out(branch_data_out)//支路数码管数据显示
);

//显示模块		
display display
// ... 以下代码略，完整源码请下载压缩包查看

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