2025寒假练—用小脚丫FPGA STEP BaseBoard V4.0套件

（图形化编程）实现交通灯控制系统

1.项目介绍

按照2025寒假练平台一STEP BaseBoard V4.0套件任务一要求，实现交通灯控制以及倒计时数字显示。具体要求如下：

完全使用WebIDE的图形化编程，使用常规的74系列的元器件，构建一个交通灯控制系统：其中数码管计时信息以及蜂鸣器报警两功能使用图形化编程实现，接近传感器检测人员走近与环境光感知，自动点亮路灯这两个功能由verilog语言实现。

WebIDE项目链接：https://www.stepfpga.com/project/17385/gui?type=top

2.硬件介绍

本项目中主要用的到的器件如下。

2.1.Lattice LCMXO2-C

Lattice LCMXO2是一款高性能、低功耗的FPGA（现场可编程门阵列）芯片，广泛应用于工业控制、通信、消费电子等领域。具备丰富的逻辑资源、高速IO接口和灵活的配置选项。STEP-MXO2-C是基于上述核心并增加基础的数码管、四位开关、四位按钮、八位单色led、两个rgb三色led等外设。同时以U盘配置，便于程序烧录。

2.2. STEP-Baseboard V4.0

      以STEP-MXO2-C为核心进行大幅扩展的综合性底板。

2.3. RPR-0521RS

RPR-0521RS是一款高性能、小尺寸的反射式光传感器，适用于各类环境光线检测场景。

2.4. 硬件连接

3.设计思路

本项目按要求进行拆解后方案框图如下：

具体方案是：

在核心控制模块中，使用74HC161（4位二进制计数器）实现交通灯状态机控制（红、黄、绿灯切换），通过预置计数逻辑完成固定时序循环。74HC190（同步加/减计数器）负责倒计时功能，输出计时数据至数码管，支持动态调整计时周期。74HC153（双4选1数据选择器）用于设置不同交通灯状态的计时阈值（如红灯30秒、绿灯25秒等）。

显示与报警模块通过74HC48（BCD-7段译码器）驱动数码管，实时显示当前状态剩余时间，并在红灯时触发蜂鸣器告警，图形化编程实现动态刷新。当接近传感器（Verilog模块）检测到行人靠近时，亮起单色LED代表路灯。

传感器与灯光控制模块通过Verilog编写的环境光传感器（RPR0521）驱动，采集环境光强度，光线不足时自动点亮核心板上的单色LED（PWM调光）。传感器数据通过I2C协议传输，由`rpr0521_ctrl`模块解析，`led_ctrl`模块控制LED亮度。例程中的代码不能直接移植入图形化编程中的自定义模块，需要对部分变量进行reg形式的转换以及赋值，例如IIC_dirver模块修改如下：

在系统集成与优化模块中，通过74系列芯片的同步信号确保计数器、状态机与显示模块的时序一致性。环境光控制模块在白天关闭路灯LED，夜间自动开启。

最后，在验证与扩展模块中，分模块验证计数器精度、传感器响应、显示同步性，再整体联调交通灯逻辑。或通过修改74HC153的输入扩展复杂计时规则。

4.软件流程

4.1. 显示以及状态转换

首先，系统通过74HC190同步可逆计数器实现核心计时功能。该计数器根据任意频率分频器产生1s脉冲外部时钟信号进行递减计数，U_D端口置1表示递减。可以通过74HC153 设置计时初值，从而设定计时起点。计时器的当前计数值以BCD码形式输出，并输入至74HC48 BCD-七段译码器。译码器将BCD码转换为七段数码管驱动信号，实时驱动数码管显示当前计数值信息。

接下来，74HC161四位二进制计数器负责管理计时器的状态切换，如绿红黄模式切换。clk按键或逻辑电路向 74HC161 输入脉冲信号，其输出端连接至 74HC153双四选一数据选择器选取预制时间。

通过若干逻辑式对当前状态以及全零输出信号的处理进行状态跳转。

4.2.环境传感器以及模拟路灯

这个系统由三个核心模块组成，分别是I2C驱动模块、传感器控制模块和数据处理模块，它们协同工作，实现了从传感器数据采集到最终光强计算和LED控制的完整流程。

I2C驱动模块负责实现标准的I2C通信协议。它采用有限状态机的方式，以400KHz的快速模式，与7位地址的设备进行通信（SLAVE_ADDRESS）。

传感器控制模块负责初始化传感器并控制数据的读取。在初始化阶段，模块会依次写入4个配置寄存器：0x40用于使能ALS（环境光传感器）和接近传感器，0x41设置ALS测量时间，0x42设置接近传感器LED电流，0x43设置接近传感器测量时间。初始化完成后，模块进入循环读取数据的阶段，依次读取6个数据寄存器：0x44-0x45存储接近传感器数据，0x46-0x47存储ALS CH0数据（可见光），0x48-0x49存储ALS CH1数据（红外）。每次读取完成后，模块会触发dat_valid信号，表示数据已准备好供后续处理。

数据处理模块负责对传感器数据进行处理和计算。首先，模块对接近传感器数据进行差分滤波，以消除噪声。然后，根据CH1（红外数据）与CH0（可见光数据）的比值，动态选择4种光强计算公式之一进行计算。最后，根据阈值条件确定led灯光的状态。

5.功能展示

灯光控制以及数字显示如下，从四幅图中可以看出三色led切换以及倒计时显示，由图（d）可以看出在较暗环境下路灯自然点亮，由图（a）可以看出当有人靠近时路灯也会自然点亮。

（a）                        (b)

(c)                        (d)

本项目完全基于WebIDE完成，资源占用如图：

6.困难与解决

首先，由于对Verilog硬件描述语言的掌握不够深入，加之数字电路基础课程的知识有所遗忘，这成为了项目初期的主要障碍。为了解决这个问题，我采取了系统性的学习策略：在Bilibili平台上搜索并学习了相关的专业课程，通过观看教学视频和完成配套练习，逐步巩固了数字电路的基本概念，如组合逻辑电路、时序逻辑电路、状态机设计等，同时也加深了对Verilog语言语法、模块化设计、测试平台搭建等关键技术的理解。

其次，在图形化编程方面，由于是首次接触相关开发工具，我面临着操作不熟练、工作流不清晰等问题。针对这一挑战，我采取了循序渐进的学习方法：从最简单的点灯实验入手，通过反复实践来熟悉开发环境、掌握工具使用技巧。

在实现数码管显示功能时，我遇到了一个特殊的技术难题：开发环境内置的74系列芯片库中没有专门的数码管驱动芯片。如果完全通过基本逻辑门来实现这一功能，不仅设计复杂，还会给IDE带来过大的负荷，经常无法显示或显示错误。我决定采用自定义模块的方式来解决这个问题。严格按照74HC48的功能表进行开发，包括BCD码到七段码的转换、消隐控制、灯测试等功能。在设计过程中，我特别注意了模块的接口规范，使其与WebIDE中内置芯片的接口标准保持一致，确保了模块的兼容性和易用性。

7.心得与建议

在参与FPGA开发项目的过程中，我深刻体会到项目成功的多个关键因素。首先，项目启动前的准备工作至关重要，包括对项目需求的深入分析、详细设计方案的制定以及技术路线的选择，这些为项目的顺利进行奠定了坚实基础。在设计阶段，我认识到模块化设计的重要性，通过将复杂系统分解为独立模块，不仅使项目结构更加清晰，还便于团队分工合作，并为后期维护提供了便利。

对与webIDE我有些不成熟的建议，一是完善使用介绍，原本的介绍仅仅是将基本功能引入，还有很多部分需要自己探索。二是引脚配置界面偶尔有卡顿，会丢失引脚。