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EDA項目10實用交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計回顧點評項目要求學(xué)生講演項目分析相關(guān)知識設(shè)計方案軟件仿真硬件測試一、回顧點評EDA技術(shù)項目9_實用彩燈控制系統(tǒng)設(shè)計1.功能與要求

⑴使用EDA實驗箱上的OUT1~OUT8共8個LED(發(fā)光二極管),構(gòu)建1種頻率(頻率可為1Hz)、1種花色的彩燈控制系統(tǒng)(1種花樣可為彩燈從右到左,然后從左到右逐次點亮)。⑵使用EDA實驗箱上的OUT1~OUT8共8個LED(發(fā)光二極管),構(gòu)建4種頻率(4種頻率可分別為5Hz、5/2Hz、5/4Hz、5/8Hz,由分頻電路產(chǎn)生)、4種花色(4種花樣可分別為:①彩燈從右到左,然后從左到右逐次閃爍。②彩燈從右到左點亮,然后從左到右逐次依次熄滅,全亮全滅。③彩燈兩邊同時亮1個逐次向中間移動再散開。④彩燈兩邊同時亮2個,2亮2滅)的彩燈控制系統(tǒng)。2.設(shè)計方案3.完成情況及存在問題不少同學(xué)不會實現(xiàn)“閃爍”大部分同學(xué)都很認(rèn)真,差不多能完成項目。完成情況存在問題如何閃爍?給輸出送時鐘脈沖clk特別表揚電071第2組孫建光等5人電072第2組楊莎莎等6人使用EDA實驗箱上交通燈模塊中的12個發(fā)光二極管(東西EW方向為主干道,南北NS方向為支干道),指示通行信號。使用EDA實驗箱上的最左邊2個LED數(shù)碼管顯示東西EW方向(主干道)倒計時,最右邊2個LED數(shù)碼管顯示南北NS方向(支干道)倒計時。使用EDA實驗箱上的K1開關(guān)設(shè)置主干道上的傳感器發(fā)出的信號,K2開關(guān)設(shè)置次干道上的傳感器發(fā)出的信號。一般情況下,如果主干道和支干道均無車輛要求通行,應(yīng)該保證主干道綠燈亮,支干道紅燈亮。此時,若支干道有車輛要求通行,則應(yīng)允許支干道車輛通行;若主干道、支干道均有車輛要求通行,則應(yīng)先保證主干道通行30秒鐘后,才允許支干道通行。在允許支干道車輛通行前,應(yīng)先使主干道黃燈亮5秒鐘,支干道紅燈保持;5秒鐘后,才變成主干道紅燈亮,支干道綠燈亮。在支干道保持暢通時,若主干道無車輛要求通行,則支干道始終保持暢通;如果此時支干道無車輛要求通行,則應(yīng)立刻準(zhǔn)備使主干道通車,支干道禁止通行;若此時主干道有車輛要求通行,并且支干道通行時間已超過20秒鐘,則應(yīng)該準(zhǔn)備使主干道通行。在允許主干道通行前,應(yīng)先使支干道的黃燈亮5秒鐘,主干道紅燈保持;5秒鐘后,變成主干道綠燈亮,支干道紅燈亮。實用交通燈控制系統(tǒng)只能使用單一外部時鐘。二、項目要求1.項目分析2.設(shè)計方案3.任務(wù)分配4.實施計劃5.預(yù)期效果三、學(xué)生講演四、項目分析1.交通信號燈的歷史與發(fā)展

19世紀(jì)初,在英國中部的約克城,紅、綠裝分別代表女性的不同身份。其中,著紅裝的女人表示已結(jié)婚,而著綠裝的女人則是未婚者。后來,英國倫敦議會大廈前經(jīng)常發(fā)生馬車軋人的事故,于是人們受到紅綠裝啟發(fā),1868年12月10日,信號燈家族的第一個成員就在倫敦議會大廈的廣場上誕生了,由當(dāng)時英國機械師德·哈特設(shè)計、制造的燈柱高7米,身上掛著一盞紅、綠兩色的提燈——煤氣交通信號燈,這是城市街道的第一盞信號燈。在燈的腳下,一名手持長桿的警察隨心所欲地牽動皮帶轉(zhuǎn)換提燈的顏色。后來在信號燈的中心裝上煤氣燈罩,它的前面有兩塊紅、綠玻璃交替遮擋。不幸的是只面世23天的煤氣燈突然爆炸自滅,使一位正在值勤的警察也因此斷送了性命。

從此,城市的交通信號燈被取締了。直到1914年,在美國的克利夫蘭市才率先恢復(fù)了紅綠燈,不過,這時已是電氣啟動的紅綠燈。這種紅綠燈由紅綠黃三色圓形的投光器組成,安裝在紐約市5號大街的一座高塔上。紅燈亮表示“停止”,綠燈亮表示“通行”。稍后又在紐約和芝加哥等城市,相繼重新出現(xiàn)了交通信號燈。黃色信號燈的發(fā)明者是我國的胡汝鼎,他懷著“科學(xué)救國”的抱負(fù)到美國深造,在大發(fā)明家愛迪生為董事長的美國通用電器公司任職員。一天,他站在繁華的十字路口等待綠燈信號,當(dāng)他看到紅燈而正要過去時,一輛轉(zhuǎn)彎的汽車呼地一聲擦身而過,嚇了他一身冷汗?;氐剿奚?,他反復(fù)琢磨,終于想到在紅、綠燈中間再加上一個黃色信號燈,提醒人們注意危險。他的建議立即得到有關(guān)方面的肯定。于是紅、黃、綠三色信號燈即以一個完整的馬路工具出現(xiàn)在世界上。

2.相關(guān)圖片倒計時器人行信號燈圓形信號燈箭頭信號燈常州和平南路上的信號燈

3.關(guān)于交通信號燈的相關(guān)規(guī)定

我們都知道“紅燈停,綠燈行”,那么黃燈呢?我國道路交通安全法實施條例中關(guān)于交通信號燈的相關(guān)規(guī)定如下:(1)綠燈亮?xí)r,準(zhǔn)許車輛、行人通行,但轉(zhuǎn)彎的車輛不準(zhǔn)阻礙直行的車輛和被放行的行人通行;(2)黃燈亮?xí)r,不準(zhǔn)車輛、行人通行,但已越過停止線的車輛和已進(jìn)入人行橫道的行人可以通行;(3)紅燈亮?xí)r,不準(zhǔn)車輛、行人通行,更不準(zhǔn)闖紅燈;(5)黃燈閃爍時,車輛和行人均須在確保安全的前提下通行。

因此我們的口訣是“紅燈停,綠燈行,黃燈提醒”。這里設(shè)計的自動交通控制系統(tǒng)是圓形的信號燈,其工作過程是:一般情況下,如果主干道和支干道均無車輛要求通行,應(yīng)該保證主干道綠燈亮,支干道紅燈亮。此時,若支干道有車輛要求通行,則應(yīng)允許支干道車輛通行;若主干道、支干道均有車輛要求通行,則應(yīng)先保證主干道通行30秒鐘后,才允許支干道通行。在允許支干道車輛通行前,應(yīng)先使主干道黃燈亮5秒鐘,支干道紅燈保持;5秒鐘后,才變成主干道紅燈亮,支干道綠燈亮。在支干道保持暢通時,若主干道無車輛要求通行,則支干道始終保持暢通;如果此時支干道無車輛要求通行,則應(yīng)立刻準(zhǔn)備使主干道通車,支干道禁止通行;若此時主干道有車輛要求通行,并且支干道通行時間已超過20秒鐘,則應(yīng)該準(zhǔn)備使主干道通行。在允許主干道通行前,應(yīng)先使支干道的黃燈亮5秒鐘,主干道紅燈保持;5秒鐘后,變成主干道綠燈亮,支干道紅燈亮。

4.項目分析據(jù)此工作過程,可得系統(tǒng)框圖,如下圖所示。

其中傳感器部分的作用是:通過在主干道和支干道上所設(shè)的傳感器,可以檢測到主、支干道上是否有車輛要求通過十字路口。主支干道上的傳感器發(fā)出的信號分別用Sa和Sb表示,Sa和Sb為‘l’,表示有車輛要求通行;否則無車輛通行要求。時鐘電路為系統(tǒng)提供一個穩(wěn)定的clk秒脈沖信號,以供計時和系統(tǒng)同步控制。定時器電路在控制器提供的計時信號cnt和清零信號cr的作用下完成定時功能,并向控制器提供5秒鐘、20秒鐘和30秒鐘的計時信號??刂破鞯脑O(shè)計是本系統(tǒng)的核心,控制器的作用是:根據(jù)傳感器和定時器提供的信號,判斷、調(diào)整和控制整個系統(tǒng)的狀態(tài),并控制定時電路工作,提供適當(dāng)?shù)臒艄饪刂菩盘?。其中控制主、支干道上紅、黃、綠燈的信號分別用Ra、Ya、Ga和Rb、Yb、Gb表示;其值為‘1’表示燈亮,為‘0’表示燈滅。

交通控制系統(tǒng)算法流程圖

根據(jù)自動交通控制系統(tǒng)實際工作過程可以得出該系統(tǒng)的詳細(xì)算法流程圖。由流程圖可知系統(tǒng)有四個狀態(tài):S0狀態(tài)表示主干道綠燈亮,支干道紅燈亮;S1狀態(tài)表示主干道黃燈亮,支干道紅燈亮;S2狀態(tài)表示主干道紅燈亮,支干道綠燈亮;S3狀態(tài)表示主干道紅燈亮,支干道黃燈亮。根據(jù)流程圖可得控制電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如下圖所示。

如何實現(xiàn)狀態(tài)切換?可以通過狀態(tài)機來實現(xiàn)五、相關(guān)知識

有限狀態(tài)機(簡稱狀態(tài)機)相當(dāng)于一個控制器,它將一項功能的完成分解為若干步,每一步對應(yīng)于二進(jìn)制的一個狀態(tài),通過預(yù)先設(shè)計的順序在各狀態(tài)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換,狀態(tài)轉(zhuǎn)換的過程就是實現(xiàn)邏輯功能的過程。狀態(tài)機的輸出信號邏輯值必然與當(dāng)前狀態(tài)有關(guān),但不一定與輸入變量有關(guān),因此根據(jù)狀態(tài)機的輸出變量是否與輸入變量有關(guān),可將狀態(tài)機分為莫爾型(Moore)狀態(tài)機與米里型(Mealy)狀態(tài)機兩種。有限狀態(tài)機1、莫爾型狀態(tài)機

莫爾型狀態(tài)機的輸出邏輯僅與當(dāng)前狀態(tài)有關(guān),與輸入變量無關(guān),輸入變量的作用只是與當(dāng)前狀態(tài)一起決定當(dāng)前狀態(tài)的下一狀態(tài)是什么。莫爾型狀態(tài)機框圖如下圖所示。莫爾型狀態(tài)機框圖一個基本的狀態(tài)機應(yīng)具有以下腳位:輸入變量:input;脈沖輸入端:clk;狀態(tài)復(fù)位端:reset;輸出變量:output。⑴VHDL設(shè)計用VHDL設(shè)計狀態(tài)機比用原理圖方式設(shè)計更加方便,尤其對狀態(tài)較多的狀態(tài)機,用VHDL設(shè)計更能體現(xiàn)VHDL的優(yōu)勢。下面僅介紹用VHDL設(shè)計一個基本的Moore型狀態(tài)機的一般形式,在這個VHDL設(shè)計中,設(shè)某狀態(tài)機的狀態(tài)為兩態(tài)(s0和s1),在當(dāng)前狀態(tài)為s0時,要求只要時鐘有效邊沿到來,不管輸入變量的邏輯值是什么,狀態(tài)機的狀態(tài)必須轉(zhuǎn)為下一狀態(tài)s1;而當(dāng)前狀態(tài)為s1時,如果輸入變量不為“1”,則當(dāng)前狀態(tài)始終維持不變,即保持為s1,直到輸入變量為“1”時,狀態(tài)才轉(zhuǎn)到狀態(tài)機當(dāng)前狀態(tài),為s0時,輸出變量為“0”;當(dāng)前狀態(tài)為s1時,輸出變量為“1”,即該狀態(tài)機的輸出僅由當(dāng)前狀態(tài)決定,是一個二態(tài)莫爾型狀態(tài)機。ENTITYstatmachIS PORT(

clk :IN BIT; input :IN BIT; reset :IN BIT; output :OUTBIT);ENDstatmach;ARCHITECTUREaOFstatmachISTYPESTATE_TYPEIS(s0,s1);

--自定義了兩狀態(tài)(s0,s1)的數(shù)據(jù)類型SIGNALstate:STATE_TYPE;

--信號state定義為STATE_TYPE類型BEGIN PROCESS(clk) BEGIN IFreset='1'THEN state<=s0;

--當(dāng)復(fù)位信號有效時,狀態(tài)回到s0ELSIF(clk'eventANDclk='1')THEN CASEstateIS WHENs0=>state<=s1;

--當(dāng)前狀態(tài)為s0,則時鐘上升沿來后轉(zhuǎn)變?yōu)橄乱粻顟B(tài)

WHENs1=>IFinput='1'THEN state<=s0; ELSEstate<=s1;

--當(dāng)前狀態(tài)為s1,則時鐘上升沿到達(dá)時根據(jù)輸入信號

--input的取值情況決定下一狀態(tài)是保持為s1還是回到s0 ENDIF; ENDCASE; ENDIF; ENDPROCESS; output<='1'WHENstate=s1ELSE'0';

--根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)決定輸出值ENDa;實體statmach的仿真結(jié)果

2、米里型狀態(tài)機米里型狀態(tài)機的輸出邏輯不僅與當(dāng)前狀態(tài)有關(guān),還與當(dāng)前的輸入變量有關(guān),輸入變量的作用不僅是與當(dāng)前狀態(tài)一起決定當(dāng)前狀態(tài)的下一狀態(tài)是什么,還決定當(dāng)前狀態(tài)的輸出變量的邏輯值。米里型狀態(tài)機框圖如下圖所示。米里型狀態(tài)機框圖一個基本的米里型狀態(tài)機應(yīng)具有以下腳位:脈沖輸入端:clk;輸入變量:input1;輸出變量:output1;狀態(tài)復(fù)位端:reset。⑴VHDL設(shè)計下面介紹用VHDL設(shè)計一個基本的米里型狀態(tài)機的一般形式,在這個VHDL設(shè)計中,設(shè)狀態(tài)機的狀態(tài)為四態(tài):s0、s1、s2、s3,要求:輸入變量input1為“1”時,在時鐘上升沿作用下狀態(tài)機的狀態(tài)在四態(tài)之間輪換。處于某一狀態(tài)而此時input1為“0”,則當(dāng)時鐘上升沿到達(dá)時當(dāng)前狀態(tài)保持不變。當(dāng)input1為“1”時,當(dāng)前狀態(tài)為s0、s1、s2、s3時的輸出變量(整數(shù)類型)依次為0、1、2、3。input1為“0”時,無論當(dāng)前狀態(tài)為何態(tài),輸出變量必為整數(shù)4,可見,該狀態(tài)機的輸出變量邏輯值與輸入變量有關(guān),屬于米里型狀態(tài)機。ENTITYstatmach4IS PORT(

clk :IN BIT; input1:IN BIT; reset :IN BIT; output1:OUTINTEGERRANGE0TO4);ENDstatmach4;ARCHITECTUREaOFstatmach4IS TYPESTATE_TYPEIS(s0,s1,s2,s3); SIGNALstate :STATE_TYPE;BEGIN PROCESS(clk) BEGIN IFreset='1'THEN state<=s0; ELSIF(clk'eventANDclk='1')THEN CASEstateIS WHENs0=> state<=s1;

WHENs1=> IFinput1='1'THEN state<=s2; ELSEstate<=s1;ENDIF; WHENs2=> IFinput1='1'THEN state<=s3; ELSEstate<=s2; ENDIF; WHENs3=>state<=s0; ENDCASE; ENDIF; ENDPROCESS; PROCESS(state,input1)BEGIN CASEstateIS WHENs0=>IFinput1='1'THEN output1<=0; ELSEoutput1<=4; ENDIF; WHENs1=>IFinput1='1'THEN output1<=1; ELSEoutput1<=4; ENDIF;WHENs2=>IFinput1='1'THEN output1<=2; ELSEoutput1<=4; ENDIF; WHENs3=>IFinput1='1'THEN output1<=3; ELSEoutput1<=4; ENDIF;ENDCASE; ENDPROCESS;ENDa;實體statmach4的仿真結(jié)果六、設(shè)計方案實用交通燈控制系統(tǒng)頂層設(shè)計其中交通控制部分可以采用以下三種描述方式1.三進(jìn)程描述方式:三進(jìn)程描述是將有限狀態(tài)機的次態(tài)、狀態(tài)寄存器和輸出邏輯分別使用三個進(jìn)程來描述。這種描述方式可以把狀態(tài)機的組合邏輯部分和時序邏輯部分分開,從而有利于對狀態(tài)機的組合邏輯部分和時序邏輯部分分別進(jìn)行測試。2.雙進(jìn)程描述方式:將有限狀態(tài)機的次態(tài)邏輯、狀態(tài)寄存器和輸出邏輯分別用兩個進(jìn)程來描述。3.單進(jìn)程描述方式:將有限狀態(tài)機的次態(tài)邏輯、狀態(tài)寄存器和輸出邏輯使用一個進(jìn)程來描述。波形仿真圖七、軟件仿真表1引腳分配表節(jié)點名稱 芯片腳號 功能led0 72 led_aled1 73 led_b

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