基于Spantan3E- 100CP132 的紅綠燈控制系統設計實現

陳春先 曲鳴飛 辛 義 張 麗

(北京電子科技職業學院，北京101601)

1 控制系統需求

1.1 雙向各設一組左拐燈，紅、綠、黃燈，顯示順序為：綠-黃- 左拐- 黃- 紅

1.2 雙向各設置顯示器用于倒計時顯示

1.3 雙向向左拐、綠、黃和紅燈顯示時間分別為10S,40S,5S,50S;

1.4 為應對特殊時間段的通行需求，可以設置五種控制模式。

方式1：南北向綠燈長亮，東西向紅燈亮；方式2：南北向左拐燈長亮，東西向紅燈亮。

方式3：東西向綠燈長亮，東西向紅燈亮；方式4：東西向左拐燈長亮，南北向紅燈亮。

方式5：自動按雙向燈的顯示要求交替工作。

（2）絲瓜絡纖維的斷裂強度高，伸長率低。從力學性能的角度來講，絲瓜絡纖維并不適合做紡織材料，必須經過改性處理，以滿足紡織加工的需要。

根據控制需求，本文選用Spantan3E-100CP132 作為主控制器，實現控制需求，簡單可靠，開發周期短。

2 系統硬件平臺

圖1 系統硬件平臺資源框圖

本系統采用的硬件平臺資源分布如圖所示，賽靈思公司的Spantan3E-100CP132 作為控制器，用2 個撥動開關作為方式控制開關，1 個作為系統復位開關，8 只LED 模擬雙向的左轉、紅、黃、綠燈，4 個7 段數碼管正好顯示倒計時時間。

3 系統軟件平臺

Xilinx 的 開發工具ISE，開發流程如圖3 所示

圖2 ISE 平臺開發流程

設計輸入包括用于HDL 代碼輸入和查看報告的ISE 文本編輯器（The ISE Text Editor），用于原理圖編輯的工具ECS（The Engineering Capture System）， 用 于 生 成 IP Core 的 Core Generator，用于狀態機設計的StateCAD 以及用于約束文件編輯的Constraint Editor 等。

ISE 的綜合工具不但包含了Xilinx 自身提供的綜合工具XST，同時還可以內嵌Mentor Graphics 公司的LeonardoSpectrum和Synplicity 公司的Synplify，實現無縫鏈接。

ISE 本身自帶了一個具有圖形化波形編輯功能的仿真工具HDL Bencher，同時又提供了使用Model Tech 公司的Modelsim進行仿真的接口。

ISE 實現包括了翻譯、映射、布局布線等，還具備時序分析、管腳指定以及增量設計等高級功能。

ISE 下載功能包括了BitGen，用于將布局布線后的設計文件轉換為位流文件，還包括了ImPACT，功能是進行設備配置和通信，控制將程序燒寫到FPGA 芯片中去。

4 控制系統設計

4.1 交通燈控制器功能設計框圖

控制器功能框圖如圖4 所示。

圖3 控制器功能框圖

依據控制器系統框圖，頂層電路設計如圖4 所示，其原理圖由控制模塊JTD_CTRL、分頻模塊JTD_FQU、計時模塊JTD_TIME、計時譯碼顯示JTD_DIS 模塊和交通燈顯示JTD_LIGHT 五個功能部件組成。

圖4 控制器頂層設計圖

圖5 控制模塊接口圖

圖6 分頻部件

4.2 控制器各單元電路

4.2.1 控制模塊JTD_CTRL

本模塊主要生成工作狀態，又稱為狀態機。手動模式及自動模式狀態如圖7 所示。

圖7 控制邏輯狀態機

圖8 計時部件

圖9 交通燈顯示部件

圖10 倒計時顯示部件

4.2.2 分頻部件JTD_FQU。該部件頂層設計如圖7 所示。

該部件輸入50MHz 時鐘信號，輸出1Hz 時鐘信號給控制和計時部件，輸出1KHz 時鐘信號給顯示控制模塊，掃描7 段數碼管。

4.2.3 計時部件JTD_TIME

該部件為倒計時顯示模塊提供倒計時時間信號，頂層設計如圖8 所示。

4.2.4 倒計時顯示部件JTD_DISP

該部件輸入為計時部件的計時信號，和分頻模塊送入的掃描時鐘，輸出為數碼管的片選碼和段選碼。頂層設計如圖10 所示。

4.2.5 交通燈顯示部件JTD_LIGHT

該部件對控制部件輸出的各狀態進行譯碼，頂層設計如圖9所示，生成南北A 向和東西B 向紅綠黃燈的顯示信號，輸出的信號ABL7-ABL0 與燈的對應關系如下設計：

5 綜合、資源分配、下載等

結合系統設計輸入輸出和選定的硬件測試平臺BASYS2，資源分配如下圖11 所示。

圖11 資源分布圖

資源分布完成后，布局布線，生成.bit 文件，下載到硬件平臺，功能測試并調試設計過程，本設計經測試，完全可以實現設計預期。