基于FPGA的交通信号灯实现（verilog极简实现）

本文分享利用FPGA实现的交通信号灯，FPGA型号为野火征途Pro开发板，具体功能如下：

此项目旨在模拟东西和南北两路口交通信号灯，初始态两路口均为红灯亮，接着，东西路口绿灯亮，南北路口红灯亮，数码管同时显示15秒倒计时，当倒计时时间小于3秒，东西路口绿灯灭，黄灯开始闪烁。黄灯闪烁若干次，即当倒计时结束，东西路口红灯亮同时南北路口绿灯亮，数码管重新赋值15秒倒计时，同理当倒计时时间小于3秒，南北路口绿灯熄灭，黄灯闪烁，闪烁若干次至倒计时结束，不断重复上述操作。

[5:0]LED输出解释：6位数据从高到底依次表示东西路口的绿灯，黄灯和红灯，例如：输出100001即东西路口绿灯亮，红黄不亮，南北口红灯亮，绿黄不亮。

分频模块 div_2hz

首先设计需要秒为单位的倒计时，本文使用的开发板输出系统时钟为50Mhz，因此需要进行分频。为后续对黄灯闪烁的精确控制，1秒需要亮灭两个过程，所以设计2hz分频模块，即0.5秒为一个时钟周期。

module div_2hz(
		input sys_clk, //50Mhz系统时钟
		input sys_rst_n, //复位信号
		output reg clk_2hz //2hz分频输出信号
);

reg [24:0]num_2hz; //定义reg型信号存储当前计数值
parameter num1=12_499_999; //定义常量 后面计数器的最大值，即计0-12_499_999共计12_500_000个数

//12_500_000计数器  因为需要得到2hz频率，需要对50Mhz进行分频，同时输出时钟占空比50%，即计数最大值为分频数一半
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
	if(!sys_rst_n)
		num_2hz<=25'd0;
	else if(num_2hz==num1)
		num_2hz<=25'd0;
	else
		num_2hz<=num_2hz+1;
	
//当达到计数最大值，对输出信号进行反转，得到2hz时钟输出	
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) 
	if(!sys_rst_n)
		clk_2hz<=1'b1;
	else if(num_2hz==num1)
		clk_2hz<=~clk_2hz;
	
endmodule

交通信号灯模块 tra_sign

本模块为项目的核心，利用状态机实现交通信号灯功能以及数码管倒计时的显示。模块输入为2hz分频时钟以及系统复位信号，输出为[5:0]LED信号以及倒计时时间信号。

定义五个状态s0-s4，s0代表初始复位态，此时默认交通信号灯全灭；

s1状态表示东西路口绿灯，南北路口红灯；

s2状态表示东西路口黄灯闪烁，南北路口红灯；

s3状态表示东西路口红灯，南北路口绿灯；

s4状态表示东西路口红灯，南北路口黄灯闪烁；

此模块难点在于倒计时时间与交通信号灯的同步，这里采用always@(*)的组合逻辑方法，具体原理详见下述解释

module tra_sign (
		input clk_2hz, //2hz分频时钟
		input sys_rst_n,
		output reg[5:0]led, //模拟交通灯的6位数据
		output [4:0]num2 //倒计时数据输出
);

reg [4:0]num1;
reg [2:0]state;

//定义5个状态
parameter s0=3'd0;
parameter s1=3'd1;
parameter s2=3'd2;
parameter s3=3'd3;
parameter s4=3'd4;

//时序逻辑：数据30-1不断地循环倒数，实质每倒数两次位1s
always@(posedge clk_2hz or negedge sys_rst_n)
	if(!sys_rst_n)
		num1<=5'd30;
	else if(num1==1)
		num1<=5'd30;
	else
		num1<=num1-1;

//组合逻辑：num2为倒计时时间，其赋值需要进行双重判断，首先num1不能为30，否则相当于上个30个数倒数结束，15秒倒计时结束，应当给num2倒计时时间重新赋值15。在num1不为30条件下进行取余判断，因为num1倒数两次才为1s，两条件均满足，将此时倒计时时间(num1/2)立即赋值num2
assign num2=(num1!=30)?((num1%2==0)?num1/2:num2):15;

//组合逻辑：每个状态下将交通信号灯信号[5:0]LED赋对应值
always@(*)
	if(!sys_rst_n)
		led<=6'b000_000;
	else if(state==s1)
		led<=6'b100_001;
	else if(state==s2) //s2状态黄灯需要闪烁，此时凸显出num1的作用，对其进行奇偶判断进行亮灭赋值
		if(num1%2==0)
			led<=6'b010_001;
		else
			led<=6'b000_001;
	else if(state==s3)
		led<=6'b001_100;
	else if(state==s4) //s4同上s2
		if(num1%2==0)
			led<=6'b001_010;
		else
			led<=6'b001_000;
		

//组合逻辑：5个状态转换条件的描述		
always@(*)
	if(!sys_rst_n)
		state<=s0;
	else case(state)
	s0:state<=s1; //s0复位态无条件转s1
	s1:
		if(num2<=3) //s1状态当倒计时小于等于3秒转移s2
			state<=s2;
		else 
			state<=state;
	s2:
		if(num2==15)  //若一轮倒计时结束，则状态转换
			state<=s3;
		else
			state<=state;
	s3:
		if(num2<=3) //s3状态当倒计时小于等于3秒转移s4
			state<=s4;
		else 
			state<=state;
	s4:
		if(num2==15) //若一轮倒计时结束，则状态转换
			state<=s1;
		else
			state<=state;
	default:state<=state;
	endcase
	
endmodule

交通信号灯测试文件 tra_sign_tb

`timescale 1ns/1ns
module tra_sign_tb();

reg sys_rst_n;
reg clk_2hz;
wire [5:0]led;
wire [4:0]num2;

 initial begin
 clk_2hz = 1'b1;
 sys_rst_n <= 1'b0;
 #20
 sys_rst_n <= 1'b1;
 end
 
 always #10 clk_2hz = ~clk_2hz;

 
 tra_sign tra_sign_inst(
		.clk_2hz(clk_2hz),
		.sys_rst_n(sys_rst_n),
		.led(led),
		.num2(num2)
);
 endmodule

仿真结果：

仿真图中复位状态此时交通信号灯全灭，对应LED为000000，当复位结束时，num2从0111开始自减即15秒倒计时开始。此时为s1状态即LED输出100001，即东西口绿灯，南北口红灯