第四十三章：交通灯实验（初学者详解）

第四十三章：交通灯实验

本文对应原书第1115页起，第五篇「实战篇」。

本章在讲什么？（先看这个）

本章是一个小型综合项目：在扩展板上复现十字路口的交通灯——红灯 30 秒、绿灯 27 秒、黄灯 3 秒，东西方向与南北方向交替放行，一个完整循环 60 秒，同时用 4 位数码管实时倒计时显示两个方向各自的剩余秒数，黄灯期间以 0.2 秒间隔闪烁。

这个实验把前面学的东西全部串起来了：状态机（按键实验）、分频计数（呼吸灯）、动态扫描数码管（IO 扩展）、组合逻辑译码（数码管段码）。还引入了两个新技能：二进制转 BCD（移位加 3 算法）和多位数码管动态扫描。

核心概念拆解

交通灯状态机：4 状态循环 60 秒

状态	东西方向	南北方向	时长
状态1	红	绿	27s
状态2	红	黄	3s
状态3	绿	红	27s
状态4	黄	红	3s

LED 分配：led[5:3] 是东西向红绿黄、led[2:0] 是南北向红绿黄。

1Hz 分频：traffic_light_ctrl 的节拍器

系统时钟 50MHz，先分频出 1Hz 时钟作为状态计时节拍：

parameter WIDTH_CNT = 25_000_000;       // 50MHz/25M = 2Hz 翻转 → 1Hz
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
    if (!sys_rst_n) begin
        clk_cnt <= 25'd0;
        clk_1hz <= 1'b0;
    end
    else if (clk_cnt == WIDTH_CNT - 1'b1) begin
        clk_cnt <= 25'd0;
        clk_1hz <= ~clk_1hz;            // 计满翻转
    end
    else
        clk_cnt <= clk_cnt + 1'b1;
end

注意计满翻转而不是归零脉冲，所以分频系数是 25_000_000（对应周期 1 秒）。

倒计时与防下溢

用 time_cnt 在 1Hz 节拍下递减计数，time_cnt==1 时切换状态。为什么是 1 而不是 0？因为代码里每秒做 time_cnt - 1，如果等计到 0 再判断，0-1 会下溢成 63（6 位寄存器回卷），状态时长就乱了。这个"提前 1 拍切换"的细节是初学者最容易出错的地方。

数码管动态扫描：seg_led 模块

4 位数码管如果每位都独立接段选线，引脚会爆炸。动态扫描的做法：所有位的段选线并联，轮流使能位选——只要轮换速度够快（>50Hz），人眼就看不出闪烁。

// 1ms 计数器（50MHz 下计 50000）
parameter CNT_1MS = 50_000;
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
    if (!sys_rst_n)
        cnt_1ms <= 15'd0;
    else if (cnt_1ms == CNT_1MS - 1'b1)
        cnt_1ms <= 15'd0;
    else
        cnt_1ms <= cnt_1ms + 1'b1;
end

// 每 1ms 切换一位：cnt_state 0~3 循环
// 位选轮换（PNP三极管驱动，低电平有效）
sel <= 4'b1110 >> cnt_state;   // 1110 → 1101 → 1011 → 0111

扩展板数码管的位选由 PNP 三极管驱动，低电平有效；段码同样是低电平有效（0=8'b1100_0000 对应数字 0）——注意这里与 ch42 静态显示的极性不同，那是驱动电路决定的。

二进制转 BCD：binary2bcd 模块

倒计时秒数是二进制（0~59），数码管显示需要十进制各位（BCD 码）。经典算法是移位加 3（Shift-Add-3 / Double Dabble）：

• 参数 CNT_SHIFT_NUM = 6（移位次数），data_shift 寄存器 14 位（高段 BCD 区 + 低二进制区）；
• 每轮移位前检查各 BCD 位是否 ≥5，是则 +3（为下一步进位做准备），然后整体左移一位；
• 移位 6 次后，高 8 位就是两个 BCD 位（十位、个位）。

// 移位加3核心：判断后加3再整体左移
if (data_shift[13:10] >= 5)  data_shift[13:10] <= data_shift[13:10] + 2'd3;
if (data_shift[9:6]  >= 5)   data_shift[9:6]  <= data_shift[9:6]  + 2'd3;
// ……左移
data_shift <= {data_shift[12:0], data_in[5]};

这个算法不用除法器就能完成进制转换，是 FPGA/嵌入式里非常经典的技巧。

黄灯闪烁：led_ctrl 模块

黄灯要求 0.2 秒亮 0.2 秒灭。用参数 TWINKLE_CNT = 10_000_000（50MHz 下 0.2 秒）做计数，计满翻转 led[0]（南北黄）和 led[3]（东西黄）：

else if (cnt == TWINKLE_CNT - 1'b1) begin
    cnt <= 20'd0;
    led[0] <= ~led[0];
    led[3] <= ~led[3];
end

只有对应状态（状态2/状态4）才使能黄灯输出，红绿灯状态下黄灯强制熄灭。

顶层 top_traffic

例化 traffic_light_ctrl（状态机+倒计时）、binary2bcd（两组：东西向/南北向时间转BCD）、seg_led（动态扫描显示两位倒计时）、led_ctrl（黄灯闪烁），顶层做信号连接。

图片对照

• 原理：图 43.1.2（十字路口信号灯示意图）、图 43.1.3（状态跳转表）——先看懂真实路口的时序再写代码。
• 硬件：图 43.2.1（交通信号灯原理图）、图 43.2.2（实物图）、图 43.2.3（多位数码管内部连接图，理解动态扫描的硬件基础）。
• 状态机与分频：图 43.4.3（交通灯控制模块框图）、图 43.4.4（状态跳转图）、图 43.4.5（1Hz 分频波形）、图 43.4.6/43.4.7（控制模块波形）。
• BCD 转换：图 43.4.8（移位寄存器仿真图）——对照算法理解移位加 3 的每一步。
• 数码管：图 43.4.9（显示模块框图）、图 43.4.10（1ms 计数器）、图 43.4.11（位选与段选的产生）、图 43.4.12（显示模块波形）。
• LED 控制：图 43.4.13（led_ctrl 框图）、图 43.4.14（波形）、图 43.4.16（黄灯闪烁效果）。
• 上板：图 43.5.2（硬件连接图）、图 43.5.3（交通灯实验现象）。

初学者容易踩的坑

1. 状态切换条件写成 time_cnt==0：配合减一计数会导致 0-1 下溢回卷成 63，红灯秒数全乱。正确做法是 time_cnt==1 时切状态并重装计数值。
2. 1Hz 分频系数写错：50MHz 计 25_000_000 次翻转一次才是 1Hz（翻转即半秒×2），写成 50_000_000 会变成 0.5Hz，倒计时慢一倍。
3. BCD 转换忘了"先加 3 再移位"的顺序：必须在移位之前判断加 3，顺序反了结果就错。对照图 43.4.8 的仿真波形逐步验证。
4. 位选/段选极性搞混：本实验的数码管经 PNP 三极管驱动，位选和段选都是低电平有效；而 ch42 的静态显示是高电平有效。两个实验的段码表不能互相抄。
5. 动态扫描刷新率过低：每位停留时间若远大于 1ms（比如改成 10ms），会看到明显闪烁。1ms/位对应 250Hz 轮换率，安全。
6. 黄灯闪烁计数器没有复位：从状态2跳回状态1时黄灯计数器若不清零，黄灯可能在下次进入状态2时从半亮状态开始，闪烁周期错位。

小结 & 下一步

本章是"实战篇"前半程的收官之作：4 状态交通灯状态机 + 1Hz 分频节拍 + 移位加 3 的 BCD 转换 + 动态扫描数码管 + 黄灯闪烁控制。尤其是二进制转 BCD 的移位加 3 算法和"防下溢提前切换"这两个细节，是可以在任何工程里直接复用的经验。

下一章我们回到通信领域，在串口通信实验的基础上更进一步：定义一套带包头、命令、校验的数据包协议，让上位机可以遥控开发板上的 LED、蜂鸣器和呼吸灯。