【基于FPGA的交通灯课程设计报告】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交通系统对效率和安全性的要求。为了提高交通运行的智能化水平，本课程设计以FPGA（现场可编程门阵列）为核心，实现一个基于数字逻辑的交通灯控制系统。该系统能够模拟城市主干道与支路交叉口的交通信号控制逻辑，具备较高的稳定性和可扩展性。

二、设计目标

本课程设计的主要目标是通过FPGA开发板实现一个具有基本功能的交通灯控制系统，具体包括：

1. 实现红、黄、绿三种颜色灯的交替点亮；

2. 控制不同方向的通行时间，满足交通流的基本需求；

3. 采用数字电路设计方法，提升对FPGA开发流程的理解；

4. 掌握Verilog硬件描述语言的基本语法与应用。

三、系统总体设计

本系统采用模块化设计思想，将整个交通灯控制逻辑划分为多个功能模块，主要包括：

- 时钟分频模块：用于生成系统所需的不同频率的时钟信号；

- 状态机控制模块：负责控制交通灯的状态切换；

- 计数器模块：用于控制各状态持续的时间；

- 输出控制模块：根据当前状态控制LED灯的亮灭。

整体结构如图1所示（此处可插入系统框图）。

四、硬件平台介绍

本次设计选用的是Xilinx公司的Spartan-6系列FPGA开发板，其主要特点如下：

- 内置XC6SLX9芯片，具有丰富的I/O资源；

- 支持Verilog语言开发；

- 提供标准的开发环境（如ISE Design Suite）；

- 可通过JTAG接口进行程序下载与调试。

五、软件设计与实现

本系统使用Verilog HDL进行编写，主要实现以下功能：

1. 时钟分频模块

由于FPGA内部时钟频率较高（如50MHz），需对其进行分频处理，以适应交通灯控制所需的低频信号。例如，将50MHz时钟分频为1Hz，作为控制信号的基础时钟。

2. 状态机设计

状态机是交通灯控制的核心部分，采用有限状态机（FSM）结构，定义了四个主要状态：东西向绿灯、南北向绿灯、东西向黄灯、南北向黄灯。每个状态之间根据计时器的值进行切换。

3. 计数器模块

每个状态持续一定时间，例如东西向绿灯时间为10秒，黄灯为3秒，南北向同理。计数器模块用于记录当前状态的剩余时间，并在时间到后触发状态转换。

4. 输出控制模块

根据当前状态，控制对应的LED灯亮灭。例如，当处于东西向绿灯状态时，东西方向的绿灯亮起，南北方向的红灯亮起。

六、系统测试与调试

在完成代码编写后，使用ISE工具进行综合与仿真，验证系统逻辑是否符合预期。随后，将生成的bit文件下载至FPGA开发板中，进行实际运行测试。

测试过程中发现以下问题并进行了相应调整：

- 初始状态下，某些LED灯未能正确显示，经检查发现是状态机初始状态设置错误；

- 计时器精度不够，导致灯光切换不准确，调整了分频系数；

- 多个状态同时触发，造成逻辑冲突，优化了状态转移条件。

经过多次调试，系统最终能够稳定运行，达到预期效果。

七、结论

本课程设计通过FPGA实现了交通灯控制系统的基本功能，涵盖了时钟分频、状态机设计、计数器控制等关键模块。通过本次实践，不仅加深了对FPGA开发流程的理解，也提高了对数字电路设计能力的掌握。

未来可以进一步扩展该系统，例如加入行人过街按钮、紧急车辆优先通行等功能，使其更加贴近现实交通管理的需求。

八、参考文献

1. 王诚, 张凯. 《FPGA设计与应用实例》. 北京: 清华大学出版社, 2018.

2. Xilinx Inc. Spartan-6 FPGA Data Sheet. 2010.

3. 赵志英. 《数字电子技术基础》. 北京: 高等教育出版社, 2015.

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