项目总结报告

北京理工大学 姚韧翔

1. 项目介绍：

本项目旨在使用FPGA板子，结合图形化编程与Verilog硬件描述语言，构建一个完整的交通灯控制系统。该系统将集成数码管显示、蜂鸣器报警、接近传感器检测以及环境光感知等功能，以实现智能化的交通灯控制。

交通灯控制：使用74系列元器件搭建交通灯控制逻辑，通过设置不同的状态来控制交通灯的显示。将利用时序逻辑电路来实现状态的切换，以模拟现实中的交通灯工作周期。

数码管显示：通过WebIDE的图形化编程，配置数码管驱动电路，实现计时信息的显示。数码管将显示剩余时间等关键信息，以便行人和车辆了解交通灯状态。

蜂鸣器报警：同样采用图形化编程配置蜂鸣器驱动电路，在特定情况下（如红灯即将变绿或绿灯即将变红）发出警报声，提醒行人和车辆注意交通灯的变化。

接近传感器检测：利用Verilog编写接近传感器的控制逻辑，检测人员是否走近。当传感器检测到有人靠近时，将触发交通灯控制逻辑，使灯进入相应的状态。

环境光感知：通过Verilog实现环境光传感器的控制逻辑，根据环境光的强度自动点亮路灯（使用小脚丫核心板上的单色LED模拟）。当环境光较暗时，路灯将自动点亮，提高夜间交通安全性。

2. 硬件介绍：

FPGA板子：选用小脚丫核心板，其具有丰富的外设接口和强大的处理能力，能够满足项目的需求。

74系列元器件：用于构建交通灯控制逻辑电路。

LED灯：点亮或熄灭

数码管：用于显示计时信息，采用共阳极数码管，通过74系列元器件驱动。

蜂鸣器：用于发出报警声，通过FPGA的GPIO口直接控制。

接近和环境光传感器（RPR0521RS）是一款结合了环境光（ALS，Ambient Light Sensing）和接近检测（Proximity Detection）功能的传感器。它通过测量反射红外光的强度来判断附近是否有物体（接近检测），并通过测量环境光强度来提供照度数据（ALS）。

通过74HC595 移位寄存器驱动数码管，用于显示传感器数据（如环境光强度）。

3. 方案框图和项目设计思路介绍：

任务一二：

任务三四：

任务1数码管显示计时信息设计思路：

时钟分频：系统需要一个较低频率的时钟信号来驱动计时功能。通过使用任意整数分频器，将输入的主时钟信号（CLK）分频为所需的低频时钟信号。

计数器模块：使用74HC290计数器模块来实现计时功能。74HC290是一个二进制计数器，可以用于实现从0到15的计数，它被用来对分频后的时钟信号进行计数，从而实现定时功能。

译码器模块：将计数器的输出通过译码器转换为数码管可以显示的段码信号。译码器根据计数器的输出值，选择对应的字符在数码管上显示。例如，当计数器输出为0时，译码器将输出对应的段码，使数码管显示“0”。

亮度控制：通过一个简单的控制模块，将计数器的输出值的一部分作为亮度控制信号，驱动RGB灯的亮度变化。这里使用了一个简单的逻辑门组合，将计数器的输出信号进行处理，以控制RGB灯的亮度。

任务2蜂鸣器报警：

时钟分频：同样，这里也需要一个较低频率的时钟信号来驱动蜂鸣器的报警功能。通过使用任意整数分频器，驱动蜂鸣器的报警声。

报警控制逻辑：使用一个简单的逻辑门组合，将分频后的时钟信号和一个控制信号进行逻辑运算，以产生蜂鸣器的驱动信号。当满足一定条件时，控制信号将触发蜂鸣器发出报警声。

报警信号输出：将逻辑门的输出连接到蜂鸣器的驱动端，使蜂鸣器能够根据控制逻辑发出报警声。这里使用了一个与门来实现对报警信号的控制，确保只有在特定条件下蜂鸣器才会发出声音。

任务3接近传感器检测：

阈值设定：定义了一个接近检测的阈值（THRESHOLD），用于判断是否有物体靠近传感器。

数据采样：在每个dat_valid信号的上升沿，对prox_dat信号进行采样，并将采样值存储在prox_dat0和prox_dat1寄存器中。

差分检测：通过比较prox_dat1和prox_dat0的差值，判断传感器信号的变化是否超过一定阈值（0x800）。如果变化超过阈值，则认为传感器信号发生了显著变化，可能是有物体靠近或远离。

状态更新：根据差分检测的结果，更新prox_dat2的值。如果差值超过阈值，则保持prox_dat2的值不变；否则，将prox_dat2更新为prox_dat0的值。

输出控制：根据prox_dat2的值与THRESHOLD的比较结果，控制Y_out的输出。当prox_dat2大于等于THR

任务4环境光感知：

1环境光计算逻辑：

通过传感器获取环境光（ALS）与红外（IR）数据，利用分段线性模型（根据IR/ALS比值动态选择校准系数）计算实际照度，经滑动窗口均值滤波抑制噪声后，与预设阈值比较：若低于阈值则点亮后4位LED（模拟路灯），并通过BCD编码输出照度值。设计核心为 ​动态校准抗干扰​（分段系数） + ​数据平滑降噪​（四阶滤波） + ​阈值响应控制​（低照度触发）。

2滤波逻辑：

缓冲区定义：定义了一个长度为4的缓冲区lux_buffer，用于存储最近四次的lux值。

数据更新：在每个dat_valid信号的上升沿，将当前的lux值依次移入缓冲区，并更新缓冲区中的数据。

滤波计算：通过对缓冲区中的四个值进行求和，并将结果右移2位（相当于除以4），实现了简单的滑动平均滤波。滤波后的结果存储在lux_filtered中。

3 BCD转码：

调用子模块：实例化了一个bin_to_bcd模块，用于将滤波后的环境光强度数据（lux_filtered）转换为BCD格式。这样可以方便后续在数码管上显示环境光强度。

输出连接：将bin_to_bcd模块的输出bcd_code连接到模块的lux_data输出端口，使得最终的环境光强度数据以BCD格式输出。

4. 软件流程图和关键代码介绍：

任务一任务二：

图形化链接：stepfpga

Decoder:

wire 	[3:0] code;
reg 	[6:0]	q;
reg     ch;   

assign code[0] = A0;
assign code[1] = A1;
assign code[2] = A2;
assign code[3] = A3;
assign Y[0] = q[0];
assign Y[1] = q[1];
assign Y[2] = q[2];
assign Y[3] = q[3];
assign Y[4] = q[4];
assign Y[5] = q[5];
assign Y[6] = q[6];

always@(code) begin
	case(code)
		4'b0000: q = 7'b110_1111;//9
		4'b0001: q = 7'b110_0110;//4
		4'b0010: q = 7'b100_1111;//3
		4'b0011: q = 7'b111_1111;//8
		4'b0100: q = 7'b000_0111;//7
		4'b0101: q = 7'b101_1011;//2
		4'b0110: q = 7'b000_0110;//1
		4'b0111: q = 7'b111_1101;//6
		4'b1000: q = 7'b110_1101;//5
		4'b1001: q = 7'b011_1111;//0
	endcase
    ch <= code[0]&code[3]&(~code[1])&(~code[2]);
end

主要功能是实现一个4位二进制编码到7段数码管显示信号的转换。通过case语句，根据输入的4位二进制编码，选择对应的7段数码管显示信号，并将其赋值给q寄存器。Y输出信号直接连接到q寄存器的各位，用于驱动数码管的7个段。ch信号则用于数码管的选通控制。

注意：是在计数器为0时的下降沿触发颜色改变的信号，ch <= code[0]&code[3]&(~code[1])&(~code[2]);，也就是倒计时0结束时改变颜色信号。

颜色改变：

wire			ch;
reg		[1:0]	count;

assign ch = color_change;
assign RGB0 = count[0];
assign RGB1 = count[1];

always@(negedge ch)begin
	if(count==2'b10)
		count<=2'b00;
	else
		count<=count+2'b01;
end 

RGB0和RGB1：用于控制交通灯颜色的输出信号，它们的值由计数器count的当前值决定。

每当color_change信号的上升沿到来时，计数器count的值会加1。如果count的值达到2'b10（即十进制的2），它会在下一次加1时被重置为0，从而实现循环计数。

颜色控制：

wire	[1:0]	RGB2;
reg		[5:0]	RGB;

assign RGB2[0] = RGB0;
assign RGB2[1] = RGB1;

always @(*) begin
    case (RGB2)     
        2'b00: RGB = 6'b00_11_11;   // 红色：R满，G/B关闭
        2'b01: RGB = 6'b11_00_11;   // 绿色：G满，R/B关闭
        2'b10: RGB = 6'b00_00_11;   // 黄色：R/G满，B关闭
        default: RGB = 6'b11_11_11; 
    endcase
end

RGB2：将RGB0和RGB1拼接成一个2位的信号，用于控制RGB灯的颜色。

RGB：6位的寄存器，用于存储RGB灯的颜色值。每个颜色通道（红、绿、黄）由两位表示。

case语句：根据RGB2的值，设置RGB灯的颜色。每个case分支对应一种颜色配置。

任务三任务四：

decoder：

module decoder(
    input        rst_n,         // 异步复位信号（低电平有效）
    input        dat_valid,     // 数据有效时钟（用于同步采样）
    input [15:0] prox_dat,      // 接近传感器原始数据（16位）
    input [15:0] ch0_dat,       // 环境光传感器通道0数据（ALS）
    input [15:0] ch1_dat,       // 环境光传感器通道1数据（IR）
    output [31:0] lux_data,     // BCD编码的照度值（数码管显示）
    output reg [7:0] Y_out      // LED控制信号（前4位接近检测，后4位环境光）
);

// --- 接近检测逻辑（三级滤波消除噪声）---
parameter THRESHOLD = 16'h0400;  // 接近检测阈值（0x0400）
reg [15:0] prox_dat0, prox_dat1, prox_dat2; // 三级滤波寄存器

always @(posedge dat_valid) begin
    prox_dat0 <= prox_dat;      // 当前数据存入prox_dat0
    prox_dat1 <= prox_dat0;     // 前一次数据存入prox_dat1
    // 若相邻数据差值≥0x800，保持prox_dat2不变；否则更新为最新值
    if ( ( (prox_dat1 > prox_dat0) ? (prox_dat1 - prox_dat0) : (prox_dat0 - prox_dat1) ) >= 16'h800 )
        prox_dat2 <= prox_dat2; // 抑制突变噪声
    else 
        prox_dat2 <= prox_dat0; // 正常更新
end

// --- LED控制逻辑（低电平点亮）---
reg [3:0] prox_leds;  // 前4位LED（接近检测结果）
reg [3:0] lux_leds;   // 后4位LED（环境光亮度指示）

always @(*) begin
    prox_leds = (prox_dat2 >= THRESHOLD) ? 4'b0000 : 4'b1111; // 接近时全亮
    lux_leds  = (lux_filtered < LUX_THRESHOLD) ? 4'b0000 : 4'b1111; // 亮度不足时全亮
    Y_out = {prox_leds, lux_leds}; // 拼接输出8位LED信号
end

// --- 环境光计算逻辑（动态分段线性校准）---
// 校准参数（基于IR/ALS比值分段）
parameter RATIO_1 = 595;   // 分段阈值0.595（Q16.16格式）
parameter COEFF_A1 = 1682; // ALS校准系数（0.1682 * 10000）
parameter COEFF_B1 = 1877; // IR校准系数（0.1877 * 10000）
parameter RATIO_2 = 1015;  // 分段阈值1.015
parameter COEFF_A2 = 644;  // 0.0644 * 10000
parameter COEFF_B2 = 132;  // 0.0132 * 10000
parameter RATIO_3 = 1352;  // 分段阈值1.352
parameter COEFF_A3 = 756;  // 0.0756 * 10000
parameter COEFF_B3 = 243;  // 0.0243 * 10000
parameter RATIO_4 = 3053;  // 分段阈值3.053
parameter COEFF_A4 = 766;  // 0.0766 * 10000
parameter COEFF_B4 = 25;   // 0.0025 * 10000

localparam Q16 = 16;       // 定点数小数位（Q16.16）

wire [31:0] data0 = ch0_dat; // 环境光数据扩展为32位
wire [31:0] data1 = ch1_dat; // 红外数据扩展为32位
reg signed [31:0] lux;       // 计算的照度值
reg signed [31:0] calc_als, calc_ir; // 中间变量（Q16.16格式）

always @(*) begin
    calc_als = data0 * (1 << Q16); // 转换为Q16.16格式
    calc_ir  = data1 * (1 << Q16);
    // 根据IR/ALS比值选择校准系数
    if (calc_ir < ((calc_als * RATIO_1) >> Q16)) begin
        lux = (calc_als * COEFF_A1 + calc_ir * COEFF_B1) >> Q16;
    end else if (calc_ir < ((calc_als * RATIO_2) >> Q16)) begin
        lux = (calc_als * COEFF_A2 + calc_ir * COEFF_B2) >> Q16;
    end else if (calc_ir < ((calc_als * RATIO_3) >> Q16)) begin
        lux = (calc_als * COEFF_A3 + calc_ir * COEFF_B3) >> Q16;
    end else if (calc_ir < ((calc_als * RATIO_4) >> Q16)) begin
        lux = (calc_als * COEFF_A4 + calc_ir * COEFF_B4) >> Q16;
    end else begin
        lux = 0; // 异常情况输出0
    end
end

// --- 滑动窗口均值滤波（抑制噪声）---
parameter LUX_THRESHOLD = 32'h00001000; // 环境光亮度阈值（需校准）
reg [31:0] lux_buffer [0:3]; // 4级缓冲区（存储最近4次数据）
reg [31:0] lux_filtered;     // 滤波后的照度值

always @(posedge dat_valid or negedge rst_n) begin
    if (!rst_n) begin // 复位时清空缓冲区
        lux_filtered <= 32'h0;
        lux_buffer[0] <= 32'h0;
        lux_buffer[1] <= 32'h0;
        lux_buffer[2] <= 32'h0;
        lux_buffer[3] <= 32'h0;
    end else begin
        lux_buffer[0] <= lux;          // 新数据插入队列头部
        lux_buffer[1] <= lux_buffer[0]; // 旧数据依次后移
        lux_buffer[2] <= lux_buffer[1];
        lux_buffer[3] <= lux_buffer[2];
        // 计算均值：4次数据求和后右移2位（等效除以4）
        lux_filtered <= (lux_buffer[0] + lux_buffer[1] + lux_buffer[2] + lux_buffer[3]) >> 2;
    end
end

// --- BCD编码模块（驱动数码管）---
wire [31:0] T_data_bcd;  // BCD编码结果
bin_to_bcd u1(
    .rst_n(rst_n),       // 复位信号
    .bin_code(lux_filtered), // 输入滤波后的照度值
    .bcd_code(T_data_bcd)    // 输出32位BCD码
);
assign lux_data = T_data_bcd; // 最终输出

endmodule

1. 接近检测
2. • ​三级滤波：通过移位寄存器链（prox_dat0→prox_dat2）消除数据突变噪声，仅当相邻数据差值小于 0x800 时更新有效值。
   • ​阈值控制：滤波后数据与 THRESHOLD (0x0400) 比较，控制前4位LED（低电平点亮表示接近目标）。
2. ​环境光感知
3. • ​分段线性模型：根据IR/ALS比值动态选择校准系数（共4段），通过公式 lux = (ALS * A + IR * B) >> 16 计算实际照度。
   • ​抗干扰设计：
   • • ​输入扩展：16位原始数据扩展为32位，避免计算溢出。
     • ​均值滤波：4级滑动窗口对历史数据求均值，抑制瞬时噪声。
   • ​阈值响应：当滤波后照度低于 LUX_THRESHOLD (0x1000) 时，点亮后4位LED（模拟路灯自动开启）。
3. ​数据输出
4. • ​BCD编码：将滤波后的二进制照度值转换为BCD码，驱动数码管显示。
   • ​实时性：所有逻辑由 dat_valid 时钟同步，确保数据更新与传感器采样同步。
4. ​复位支持
5. • 复位信号 (rst_n) 清空所有寄存器，确保系统从稳定状态启动

5. 功能展示图及说明

任务一、二：

倒计时设置为9秒，九秒红灯结束后变为绿灯，绿灯结束后变为黄灯同时蜂鸣器报警响起，黄灯结束后重新变为红灯。

任务三、四（修改后）：

任务三：当传感器检测到有人靠近时，将触发交通灯控制逻辑，低于阈值时使下面四个灯亮起。

任务四：中间的数字随环境光亮暗进行变化，越亮数字越大，越暗数字越小，小于3.36时上面四个灯亮起。

环境亮度大于3.36，没有人员接近时，显示环境光亮度，不亮灯：

环境亮度小于3.36，没有人员接近时，显示环境光亮度，亮上面四个灯：

环境亮度大于3.36，有人员接近时，显示环境光亮度，亮下面四个灯：

环境亮度小于3.36，且有人员接近时，显示环境光亮度，亮下面下面8个灯，全部亮起：

资源占用：

任务一二：

任务三四：

6. 项目中遇到的难题和解决方法

难题1：时钟分频不准确导致计时错误

问题描述：

在交通灯控制系统中，需要精确的时钟信号来控制交通灯的计时。然而，在实际运行中发现计时会出现偏差，导致交通灯状态切换不准确。

解决方法：

重新设计时钟分频器：检查时钟分频器的逻辑，确保分频后的时钟信号频率准确。使用更精确的分频算法，例如基于计数器的分频方法。

增加时钟校准逻辑：在系统初始化时，增加时钟校准逻辑，确保时钟信号的稳定性。

使用高质量的晶振：更换更高精度的晶振，减少时钟信号的抖动和偏差。

难题2：接近传感器数据不稳定导致误触发

问题描述：

接近传感器在检测人员靠近时会出现数据不稳定的情况，导致交通灯状态误触发，影响系统的可靠性。

解决方法：

增加数据滤波逻辑：在接近传感器的数据处理模块中增加滤波逻辑，例如滑动平均滤波或中值滤波，以减少数据波动。

调整阈值检测逻辑：优化阈值检测逻辑，增加检测的灵敏度和稳定性。例如，使用动态阈值而不是固定阈值。

增加传感器校准步骤：在系统初始化时，增加传感器校准步骤，确保传感器在不同环境下的稳定性。

难题3：RGB灯控制逻辑复杂导致输出错误

问题描述：

在控制RGB灯的颜色变化时，逻辑复杂，容易出现输出错误，导致灯的颜色显示不正确。

解决方法：

简化控制逻辑：重新设计RGB灯的控制逻辑，使用更简洁的case语句或状态机来控制颜色变化。

增加中间变量：在逻辑中增加中间变量，逐步调试每个变量的值，确保逻辑的正确性。

使用仿真工具：利用仿真工具对RGB灯的控制逻辑进行仿真，提前发现和修正逻辑错误。

7.心得体会和意见
心得体会;

技术挑战与成长：

在项目开发过程中，我遇到了许多技术难题，例如时钟分频不准确、接近传感器数据不稳定和RGB灯控制逻辑复杂等问题。通过查阅资料、调试代码和优化设计，我逐渐克服了这些问题。这不仅让我在技术上有了很大的提升，也让我学会了如何在面对复杂问题时保持冷静和耐心。

时间管理与效率：

项目开发过程中，时间管理是一个重要的挑战。我们需要在有限的时间内完成设计、实现和测试等多个阶段。通过合理分配任务和设定优先级，我们能够有效地提高工作效率，确保项目按时完成。

意见和建议

网页稳定性：

在使用WebIDE进行开发时，网页的稳定性是一个大问题。频繁的卡顿和数据丢失严重影响了开发效率。希望平台能够优化服务器性能，提高网页的响应速度和稳定性。

自动保存功能：

建议增加自动保存功能，避免因意外断开连接或网页卡顿导致的代码丢失。可以设置定时保存或在用户进行操作时自动保存，以确保劳动成果得到保护。

优化开发环境：

提供更丰富的调试工具和仿真环境，帮助开发者更好地测试和验证代码。例如，增加波形仿真工具、逻辑分析仪等，以便开发者能够更直观地了解代码的运行情况。

通过这次项目开发，我不仅在技术上有了显著的提升，也在时间管理方面积累了宝贵的经验。希望未来能够有更多的机会参与类似的项目，进一步提升自己的能力。