华中师范电科生VHDL实验：交通灯控制系统设计

资源摘要信息:"VHDL实验十九 交通灯控制电路实验" 在本实验中，我们将深入了解VHDL（VHSIC Hardware Description Language，超高速集成电路硬件描述语言）的应用，特别是在实现交通灯控制系统方面的应用。本实验内容特别适合华中师范大学电科专业的学生，因为在设计实验方案时会涉及数字逻辑、状态机设计、时序控制等多个与电子电路设计紧密相关的知识点。 首先，我们需要明确实验的目标。本实验要求学生设计一个简单的交通灯控制器。在交通信号灯系统中，通常会涉及到红灯、黄灯和绿灯三种信号灯的状态控制。这个控制器将使用实验箱的交通灯模块和七段数码管来显示信号灯的状态以及倒计时。 具体来说，实验中规定使用实验箱提供的1KHz时钟作为系统时钟，同时需要创建两个特定频率的时钟信号：一个是黄灯闪烁的2Hz信号，另一个是七段数码管显示时间递减的1Hz脉冲信号。这意味着七段数码管每秒更新一次时间显示，而黄灯则在通车方向的时间小于3秒时以2Hz的频率闪烁。整个系统还需要具备一个复位功能，该功能通过S1按键触发，用于将系统重置到初始状态。 从技术层面来讲，该实验涉及以下关键知识点： 1. VHDL编程基础：实验的核心在于编写VHDL代码，实现交通灯控制器的逻辑。学生需要掌握VHDL的基本语法，包括实体（entity）、结构体（architecture）的定义，信号和变量的使用，以及进程（process）和顺序语句的编写。 2. 时序逻辑设计：实验要求设计特定频率的时钟信号，这涉及到时钟分频（clock division）的原理和实现。学生需要理解时钟信号与频率的关系，并在VHDL中构建相应的时序逻辑电路。 3. 状态机设计：交通灯控制是一个典型的状态转换问题，可以通过状态机（state machine）来解决。学生需要设计一个有限状态机，来管理信号灯状态之间的转换逻辑，包括如何从绿灯转换到黄灯、从黄灯转换到红灯等。 4. 输入和输出接口：实验中需要使用实验箱的模块和数码管作为输入输出设备。学生需要了解如何在VHDL中配置和使用这些硬件接口，以便正确地显示信号灯状态和时间。 5. 功能仿真和验证：设计完成后，学生需要使用仿真工具（例如ModelSim）对交通灯控制器进行仿真测试，以验证其功能是否符合预期。仿真过程中可能涉及波形查看、信号追踪等操作。 此外，给出的文件列表包含了实验相关的文件： - shiyanshijiu.vhd.bak：这是实验的VHDL源代码的备份文件。 - shiyanshijiu.qpf、shiyanshijiu.qsf：这些是Quartus Prime项目的文件，Quartus Prime是Altera公司（现为Intel FPGA部门的一部分）的一个FPGA设计软件，用于项目管理、编译和编程FPGA。 - shiyanshijiu.qws：这可能是Quartus Prime软件的波形查看文件，用于显示仿真波形。 - shiyanshijiu.vhd：这是实验的主要VHDL代码文件，包含了交通灯控制器的硬件描述。 - db、incremental_db、simulation、output_files：这些目录包含了设计数据库、仿真环境的配置文件和仿真输出结果。 通过本实验，学生将能够将理论知识与实践相结合，加深对VHDL语言和数字电路设计的理解。此外，通过完成交通灯控制系统的设计，学生将学习到数字系统设计的基本流程，包括编写硬件描述代码、进行仿真测试以及使用相关硬件设计软件。