内容介绍

项目介绍

使用WebIDE的图形化编程，使用常规的74系列元器件，构建交通灯控制系统：

1、在数码管上显示计时信息-图形化

2、蜂鸣器报警-图形化

3、接近传感器检测人员走进-Verilog

4、环境光感知，自动点亮路灯（小脚丫核心板上的单色LED）-Verilog

硬件资源介绍

本次项目使用苏州思德普信息科技公司的STEP-MXO2-LPC及其扩展板，只需要一根Type C数据线和电脑相连，就可以完成供电和编程功能，免去其他仿真器。采用U盘方式下载程序，当数据线与PC端相连时，PC端自动弹出烧录程序的磁盘，此时将生成的JED文件拷贝到StepFPGA盘即可完成烧录。STEP-MXO2-LPC及其扩展板的外设资源如图1，图2所示。

本项目所使用到的硬件资源有STEP-MXO2-LPC板的2个数码管、2个三色LED、8个单色LED和1个按键；STEP-Baseboard-V4.0扩展板的环境光和接近传感器、蜂鸣器和由74HC595驱动的数码管。

图1 STEP-MXO2-LPC核心板资源图

图2 STEP-Baseboard-V4.0扩展板

环境光和接近传感器：

接近传感器 (PS)通过对IrLED发射光线的接近物产生的反射光，检测出人及物体的接近；照度传感器(ALS)可测量从昏暗光线到直射日光的广泛照度。该传感器在STEP-Baseboard-V4.0扩展板中通过IIC总线与STEP-MXO2-LPC核心板相连，如图3所示。

图3 环境光和接近传感器

74HC595是一款8 位串行输入/串行输出或并行输出移位寄存器，该器件集成了一个 8 位移位寄存器和一个8位D型存储寄存器。当输出使能输入 (OE) 保持在低电平时，存储寄存器中的数据将出现在输出端。当OE保持在高电平时，所有并行输出都处于高阻抗状态。在STEP-Baseboard-V4.0扩展板中通过2片级联实现对8个8段数码管实现控制。如图4所示。595_DIN为串行数据输入引脚，595_SCK引脚上升沿时移位寄存器数据整体后移，595_RCK上升沿时，数据从移位寄存器转移到存储寄存器。

图4 74HC595驱动数码管电路图

方案框图和设计思路

项目为2部分实现，红绿灯倒计时部分与环境光感知和检测人员走近部分。

图5 红绿灯倒计时部分方案框图

红绿灯倒计时部分方案框图如图5所示。交通灯主路上绿灯持续15s的时间，黄灯3s的时间，红灯10s的时间；交通灯支路上绿灯持续7s的时间，黄灯持续3秒的时间，红灯18秒的时间；当交通信号灯的状态发生改变时，通过蜂鸣器辅助提示。

环境光感知和检测人员走近方案框图如图6所示。通过传感器检测亮度并显示在扩展板数码管，当亮度小于一定值时，由板载单色LED代替路灯亮起；当有物体靠近时，蜂鸣器提示报警。

图6 环境光感知和检测人员走近方案框图

软件流程图和关键代码介绍

软件流程图如图7所示。红绿灯倒计时部分，使用2个时钟分频器，一个用来提供蜂鸣器的驱动，另一个定时1s用来判断红绿灯的状态转移。通过状态机实现，此状态机共有4种状态，状态1：主路绿灯15s，支路红灯15s；状态2：主路黄灯3秒，支路红灯3s；状态3：主路红灯7s，支路绿灯7s；状态4：主路红灯3s，支路黄灯3s。每次状态转移完成后，驱动声光显示部分，蜂鸣器响1s，通过控制IO口的电平状态控制LED的颜色，并将寄存器内的数据进行BCD转码显示到数码管上，完成整个流程。

环境光感知和检测人员走近部分，通过IIC协议读取传感器的数据，进行量化处理，将量化后的数据进行BCD转码驱动74HC5954芯片显示并设定阈值判断蜂鸣器和路灯。当光照度过小时，路灯亮起；有物体或人靠近则蜂鸣器响起。

图7 软件流程图

图8 WebIDE实现红绿灯倒计时部分

红绿灯倒计时部分采用WebIDE实现，如图8所示，此部分完全使用自定义模块实现，下面展示图形化和状态机部分。

divide模块为红绿灯定时分频，state为状态转移模块，ge_shi为BCD转码模块，seg为核心板数码管显示模块，beep为蜂鸣器驱动模块。

状态机模块代码：

wire clk1;

wire rst_n;

reg beep_en;

reg [7:0]timecont;

 

localparam red = 3'b011;

localparam green = 3'b101;

localparam yellow = 3'b001;

 

localparam S1 = 4'b1000;

localparam S2 = 4'b0100;

localparam S3 = 4'b0010;

localparam S4 = 4'b0001;

reg[5:0] rgbout;

reg[3:0] state;

 

reg [7:0]cnt_ge ;

reg [7:0]cnt_shi ;

 

wire [7:0]cont;

 

always@(posedge clk1 or negedge rst_n)

begin

if(rst_n == 0)

begin

timecont<=0;

state <= S1;

rgbout<={red,green};

end

else if(timecont==0)

begin

if(state==S1)

begin

timecont<=15;

state <= S2;

 

beep_en <= 1'b1;

rgbout<={red,green};//红绿

end

else if(state==S2)

begin

timecont<=3;

state <= S3;

 

beep_en <= 1'b1;

rgbout<={red,yellow};//红黄

end

else if(state==S3)

begin

timecont<=7;

state <= S4;

 

beep_en <= 1'b1;

rgbout<={green,red};//绿红

 

end

else if(state==S4)

begin

timecont<=3;

state <= S1;

 

beep_en <= 1'b1;

rgbout<={yellow,red};//黄红

 

end

end

 

else

begin

 

beep_en <= 1'b0;

timecont <= timecont -1;

 

end

end

 

assign cont[7:0] = timecont[7:0];

环境光感知和检测人员走近部分在lattice diamond中使用verilog实现。下面展示最顶层设计部分代码

module prox_detect(

             input                           clk,

             input                           rst_n,

            

             output                  i2c_scl,  //I2C时钟总线

             inout                    i2c_sda, //I2C数据总线

             output                  seg_rck,               // 74HC595的RCK管脚

             output                  seg_sck,               // 74HC595的SCK管脚

             output                  seg_din,               // 74HC595的SER管脚

            

             output    [7:0]       led,        //led灯

            

             output beep_out

      );

 

wire dat_valid;

wire [15:0] ch0_dat, ch1_dat, prox_dat;

wire [31:0] lux_data;

rpr0521rs_driver u1(

             .clk               (clk               ),     //系统时钟

             .rst_n            (rst_n            ),     //系统复位，低有效

             .i2c_scl         (i2c_scl         ),     //I2C总线SCL

             .i2c_sda        (i2c_sda        ),     //I2C总线SDA

            

             .dat_valid      (dat_valid     ),     //数据有效脉冲

             .ch0_dat        (ch0_dat              ),     //ALS数据

             .ch1_dat        (ch1_dat              ),     //IR数据

             .prox_dat      (prox_dat      )      //Prox数据

      );

 

wire beep_en;

 

wire [31:0] JJ_dat;

decoder u2(

             .rst_n            (rst_n),

             .dat_valid      (dat_valid     ),

             .ch0_dat        (ch0_dat              ),

             .ch1_dat        (ch1_dat              ),

             .JJ_dat(JJ_dat),

             .prox_dat      (prox_dat      ),

             .lux_data       (lux_data      ),

             .beep_en(beep_en)

      );

  

//进行BCD转码处理

 

wire [3:0] transcode1;

wire [3:0] transcode2;

wire [3:0] transcode3;

wire [3:0] transcode4;

wire [3:0] transcode5;

wire [3:0] transcode6;

wire [3:0] transcode7;

wire [3:0] transcode8;

 

bin_to_bcd u3

(

.rst_n                         (rst_n            ),     //系统复位，低有效

.code                   (lux_data                    ),     //显示照度

.transcode1                (transcode1   ),     //转码后的BCD码型数据输出

.transcode2                (transcode2   ),     //转码后的BCD码型数据输出

.transcode3                (transcode3   ),     //转码后的BCD码型数据输出

.transcode4                (transcode4   ),     //转码后的BCD码型数据输出

.transcode5                (transcode5   ),     //转码后的BCD码型数据输出

.transcode6                (transcode6   ),     //转码后的BCD码型数据输出

.transcode7                (transcode7   ),     //转码后的BCD码型数据输出

.transcode8                (transcode8)  //转码后的BCD码型数据输出

 

);

segment_scan u4(

             .clk(clk),                                   //系统时钟 12MHz

             .rst_n(rst_n),                      //系统复位 低有效

             .dat_1(transcode1       ),     //SEG1 显示的数据输入

             .dat_2(transcode2       ),     //SEG2 显示的数据输入

             .dat_3(transcode3       ),     //SEG3 显示的数据输入

             .dat_4(transcode4       ),     //SEG4 显示的数据输入

             .dat_5(transcode5       ),     //SEG5 显示的数据输入

             .dat_6(transcode6       ),     //SEG6 显示的数据输入

             .dat_7(transcode7       ),     //SEG7 显示的数据输入

             .dat_8(transcode8       ),     //SEG8 显示的数据输入

             .seg_rck(seg_rck        ),     //74HC595的RCK管脚

             .seg_sck(seg_sck        ),     //74HC595的SCK管脚

             .seg_din(seg_din        )      //74HC595的SER管脚

      );

     

beep      u5(

                           .clk(clk),

                           .rst_n(rst_n),

                           .beep_en(beep_en),

                           .beep_out(beep_out)                

                   

                    );

 

led u6(

                                   .rst_n(rst_n),     

                                 

                                  .transcode1(transcode1),   

                                  .transcode2(transcode2),

                                  .transcode3(transcode3),

                                  .transcode4(transcode4),

                                  .transcode5(transcode5),

                                  .transcode6(transcode6),

                                  .transcode7(transcode7),

                                  .transcode8(transcode8),

                                  .Y_out(led)

                                 

                             );

                   

endmodule

功能展示图及说明

图9 路灯未开启

图10 路灯开启

图11 交通灯倒计时

逻辑资源使用情况

红绿灯倒计时部分：

Design Summary:

Number of registers: 68 out of 4635 (1%)

PFU registers: 68 out of 4320 (2%)

PIO registers: 0 out of 315 (0%)

Number of SLICEs: 80 out of 2160 (4%)

SLICEs as Logic/ROM: 80 out of 2160 (4%)

SLICEs as RAM: 0 out of 1620 (0%)

SLICEs as Carry: 31 out of 2160 (1%)

Number of LUT4s: 160 out of 4320 (4%)

Number used as logic LUTs: 98

Number used as distributed RAM: 0

Number used as ripple logic: 62

Number used as shift registers: 0

Number of PIO sites used: 27 + 4(JTAG) out of 105 (30%)

Number of block RAMs: 0 out of 10 (0%)

Number of GSRs: 1 out of 1 (100%)

EFB used : No

JTAG used : No

Readback used : No

Oscillator used : No

Startup used : No

POR : On

Bandgap : On

Number of Power Controller: 0 out of 1 (0%)

Number of Dynamic Bank Controller (BCINRD): 0 out of 6 (0%)

Number of Dynamic Bank Controller (BCLVDSO): 0 out of 1 (0%)

Number of DCCA: 0 out of 8 (0%)

Number of DCMA: 0 out of 2 (0%)

Number of PLLs: 0 out of 2 (0%)

Number of DQSDLLs: 0 out of 2 (0%)

Number of CLKDIVC: 0 out of 4 (0%)

Number of ECLKSYNCA: 0 out of 4 (0%)

Number of ECLKBRIDGECS: 0 out of 2 (0%)

环境光感知和检测人员走近部分

Design Summary

Number of registers: 577 out of 4635 (12%)

PFU registers: 572 out of 4320 (13%)

PIO registers: 5 out of 315 (2%)

Number of SLICEs: 1258 out of 2160 (58%)

SLICEs as Logic/ROM: 1258 out of 2160 (58%)