项目报告：2025寒假练 - 基于小脚丫FPGA实现交通灯控制系统

1. 项目需求

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：

• 在数码管上显示计时信息 - 图形化
• 蜂鸣器报警 - 图形化
• 接近传感器检测人员走近 -Verilog
• 环境光感知，自动点亮路灯（小脚丫核心板上的单色LED）- Verilog
  
  
  
  硬件平台采用STEP Baseboard 4.0版本的底板和STEP MXO2 LPC核心板。该底板资源丰富，能够满足多种外设的控制需求。本次项目将完全使用WebIDE的图形化功能来实现，模拟一个智能化的交通灯控制系统。
  

2. 系统设计与实现

2.1 系统架构

系统的整体架构包括以下几个模块：

1. 时钟分频模块：将主时钟分频为3个不同频率的时钟信，驱动各个模块。
2. 交通灯控制模块：负责主路和支路的红绿灯控制，并显示主路倒计时信息。
3. 接近传感器模块：通过IIC通信获取传感器数据，检测人员靠近并触发蜂鸣器报警。
4. 环境光感知模块：通过IIC通信获取传感器数据，根据环境光强度控制路灯的开关。
   

2.2 时钟分频模块

系统的时钟分频模块将主时钟信号分频为三个不同的频率，分别用于驱动交通灯控制模块、传感器模块和蜂鸣器模块。

• 1Hz时钟：用于交通灯控制模块的1秒计时。
• 400KHz时钟：用于与传感器的IIC通信。
• 120Hz时钟：用于驱动蜂鸣器。
  
  
  
  通过分频模块，系统能够根据不同模块的需求提供合适的时钟信号，确保各个模块的协调工作。
  

2.3 交通灯控制模块

交通灯控制模块是系统的核心部分，主要负责模拟主路和支路的红绿灯状态，并在数码管上显示倒计时信息。该模块的实现基于两个相同的子模块，分别控制主路和支路的交通灯。

2.3.1 主路交通灯控制

主要逻辑代码：

// 输出逻辑
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if (!rst_n) begin
        rgb <= (INIT_STATE == S1) ? RGB_GREEN : // 初始状态为绿灯
               (INIT_STATE == S2) ? RGB_YELLOW : // 初始状态为黄灯
               RGB_RED; // 初始状态为红灯
        timecont <= (INIT_STATE == S1) ? TIM_G :
                    (INIT_STATE == S2) ? TIM_Y :
                    TIM_R;
    end else begin
        case (next_state)
            S1: begin
                rgb <= RGB_GREEN; // 绿灯
                if (timecont == 1)
                    timecont <= TIM_G;
                else
                    timecont <= timecont - 1;
            end
            S2: begin
                rgb <= RGB_YELLOW; // 黄灯
                if (timecont == 1)
                    timecont <= TIM_Y;
                else
                    timecont <= timecont - 1;
            end
            S3: begin
                rgb <= RGB_RED; // 红灯
                if (timecont == 1)
                    timecont <= TIM_R;
                else
                    timecont <= timecont - 1;
            end
            default: rgb <= RGB_GREEN; // 默认状态
        endcase
    end
end

主路交通灯控制模块的输入为1Hz的时钟信号和复位信号。模块内部定义了四个常量，分别表示红灯、绿灯和黄灯的初始状态以及各个灯的时间设置（单位为秒）。输出信号包括：

• RGB信号：用于驱动三色LED，模拟红绿灯的状态变化。
• 倒计时信号：通过解码模块处理后，驱动数码管显示倒计时信息。
  

2.3.2 支路交通灯控制

支路交通灯控制模块与主路模块结构相同，但常量设置不同。支路的初始状态为红灯，且与主路的红绿灯时间错开。具体表现为：

• 当主路为红灯时，支路为绿灯和黄灯。
• 当主路为绿灯和黄灯时，支路为红灯。
  
  
  
  通过这种设计，主路和支路的交通灯能够实现交替控制，模拟真实的交通灯系统。
  

2.4 接近传感器模块

接近传感器模块通过IIC通信与传感器进行数据交互，获取可见光强度和距离数据。模块内部设置了两个阈值，分别用于判断环境光强度和人员接近情况。

2.4.1 环境光感知

传感器每隔一定时间获取一次环境光强度数据，并与设定的阈值进行比较。当环境光强度低于阈值时，模块输出一个低电平信号，表示需要点亮路灯。由于该信号为1位，而需要驱动8个LED，因此使用了74HC164移位寄存器，将信号同步到8个LED上，模拟路灯的点亮。

2.4.2 人员接近检测

传感器同时检测人员接近的距离数据。当检测到人员靠近时，模块输出一个高电平信号，表示有人员接近。该信号与蜂鸣器驱动信号通过一个与门连接，当有人员接近时，蜂鸣器驱动信号导通，蜂鸣器发出报警声。

2.5 引脚分配

系统的引脚分配如下：

• 三色LED：分别用于主路和支路的红绿灯信号。
• 数码管：用于显示主路交通灯的倒计时信息。
• 8个LED：用于模拟路灯的点亮。
• IIC通信线：用于与接近传感器进行数据交互。
• 蜂鸣器驱动IO线：用于控制蜂鸣器的报警声。
  

3. 系统调试与优化

在系统实现过程中，调试和优化是确保系统稳定运行的关键步骤。以下是调试过程中遇到的主要问题及解决方案：

3.1 交通灯倒计时显示问题

在初期调试中，数码管显示的倒计时最开始不显示，后面调试发现是FPGA对于除法器的操作有问题，后面修改解码算法去除了除法运算。

// 提取十位：number / 10
tens = (number * 205) >> 11; // 近似计算 number / 10
// 提取个位：number % 10
units = number - (tens * 10);

3.2 传感器数据读取异常

在接近传感器模块的调试过程中，传感器数据读取时出现了异常，导致环境光感知和人员接近检测功能无法正常工作。经过排查，发现是IIC通信的信号没有设置输出，修改后能正常与传感器进行通信。

4. FPGA报告

Design Summary:

Number of registers: 211 out of 4635 (5%)

PFU registers: 211 out of 4320 (5%)

PIO registers: 0 out of 315 (0%)

Number of SLICEs: 221 out of 2160 (10%)

SLICEs as Logic/ROM: 221 out of 2160 (10%)

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

SLICEs as Carry: 45 out of 2160 (2%)

Number of LUT4s: 440 out of 4320 (10%)

Number used as logic LUTs: 350

Number used as distributed RAM: 0

Number used as ripple logic: 90

Number used as shift registers: 0

Number of PIO sites used: 37 + 4(JTAG) out of 105 (39%)

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%)

5. WebIDE的图形化编程改进建议

5.1 自定义模块

1. 自定义模块的输入输出与常量的定义需要能灵活修改，现在每次都是新建一个模块将代码迁移过去
2. 自定义模块不能调整大小，导致走线扎堆
3. 打开模块编辑后切出去会导致图形化数据丢失，只保留模块编辑内容，导致工程报废，正常保存后要恢复到图形化设计界面 -- 先快捷键(Ctrl+S)保存，再点击保存按钮会触发
   

5.2 图形化界面

1. 拉线逻辑需要优化，默认避开元件及走线重合部分，走线拉线希望能像PCB原理图拉线一样可以方便的添加拐角和将一段线平移
2. 走线交叉的地方使用类似PCB原理图的节点或跳线来区分网络是否相同
3. 拉线不同网络可以使用不同颜色以区分
4. 图形化工程没办法做备份或复制副本，数据出现问题只能重来
5. 增加注释类框和文本的选项，方便模块划分与记录
6. 增加栅格
   

5.3 编译仿真

1. 逻辑综合的报错不好直接定位到错误地点
2. 管脚分配在分配一个管脚后覆盖，会丢失管脚
3. 图形化的仿真使用教程，尝试仿真时代码执行没有波形，也没有报错，不知道是什么地方有问题
   

6. 项目总结与展望

本次项目基于小脚丫FPGA平台，成功实现了一个智能化的交通灯控制系统。通过WebIDE的图形化设计，完成了交通灯控制、数码管显示、蜂鸣器报警、接近传感器检测和环境光感知等多个功能模块的设计与实现。系统能够模拟真实的交通灯控制场景，并具备一定的智能化功能，如根据环境光强度自动点亮路灯、检测人员靠近并触发报警等。



未来，可以进一步扩展系统的功能，例如：

• 增加更多的传感器：如温度传感器、湿度传感器等，实现更复杂的环境感知功能。
• 优化交通灯控制算法：根据实时交通流量动态调整红绿灯时间，提高交通效率。
• 增加无线通信模块：实现远程监控和控制，提升系统的智能化水平。
  
  
  
  总的来说，本次项目不仅加深了对FPGA逻辑设计的理解，还提升了解决实际问题的能力，为今后的学习和开发积累了宝贵的经验。