EDA实验教程-红绿灯ppt课件

1、计算机计算机EDA设计设计实验教程实验教程实验五实验五 交通红绿灯控制器交通红绿灯控制器北航计算机学院北航计算机学院 艾明晶艾明晶内容概要v实验目的实验目的v实验要求实验要求v实验原理实验原理v实验方案实验方案v实验内容实验内容 v实验报告实验报告n了解交通红绿灯控制器的工作原理。了解交通红绿灯控制器的工作原理。n掌握建立状态机的逻辑模型的方法。掌握建立状态机的逻辑模型的方法。n掌握状态机的实现和多个状态机的组合使掌握状态机的实现和多个状态机的组合使用方法用方法 实验目的 假定十字路口马路的假定十字路口马路的A方向和方向和B方向各有一方向各有一组红、黄、绿三个灯组成的交通灯，要求组红、黄、绿三

2、个灯组成的交通灯，要求设计一个交通红绿灯控制器，实现对这两设计一个交通红绿灯控制器，实现对这两组交通灯的管理。正常时，交替放行十字组交通灯的管理。正常时，交替放行十字交叉路的两个方向，放行时间相等；交通交叉路的两个方向，放行时间相等；交通堵塞时，由交通警察人工控制某方向的放堵塞时，由交通警察人工控制某方向的放行时间，以便按照交通负荷疏导阻塞车辆。行时间，以便按照交通负荷疏导阻塞车辆。 具体功能要求如下具体功能要求如下 ：实验要求在正常运行状态下，两组交通灯按以下规律自动进在正常运行状态下，两组交通灯按以下规律自动进行转换，在不同时刻分别放行不同方向上的车辆：行转换，在不同时刻分别放行不同方向上

3、的车辆：（绿，红（绿，红50s（黄绿，红（黄绿，红5s（黄，红（黄，红20s（红黄，红（红黄，红20s（红，黄（红，黄10s（红，绿（红，绿50s（红，黄绿（红，黄绿5s（红，（红，黄黄20s（红，红黄（红，红黄20s（黄，红（黄，红10s（绿，红（绿，红50s 人工放行：若某一方向发生交通阻塞，则交通人工放行：若某一方向发生交通阻塞，则交通警察按下该方向的放行按钮来人工控制放行该警察按下该方向的放行按钮来人工控制放行该方向，则红绿灯自动将相应方向的道路放行，方向，则红绿灯自动将相应方向的道路放行，此后不会自动放行另一个方向的道路，直到疏此后不会自动放行另一个方向的道路，直到疏通后，按通后，按

4、“恢复到正常状态恢复到正常状态按钮，重新进入按钮，重新进入正常运行状态。正常运行状态。如果某方向处于人工放行的状态，应有指示灯如果某方向处于人工放行的状态，应有指示灯指示这一情况。指示这一情况。v人工控制放行遵循如下限制规则：人工控制放行遵循如下限制规则：v有黄灯亮时，不允许立刻改变放行方向，有黄灯亮时，不允许立刻改变放行方向，必须按正常运行到所需放行的方向时，才必须按正常运行到所需放行的方向时，才保持放行该方向；保持放行该方向；v每个方向的放行时间不得小于某一最小值每个方向的放行时间不得小于某一最小值假定为假定为30秒钟），以免车辆频繁起停。秒钟），以免车辆频繁起停。v只有在绿，红只有在绿，

5、红20s和红，绿和红，绿20s状态下，可以人工控制改变放行方向，即状态下，可以人工控制改变放行方向，即直接跳转到下一状态。直接跳转到下一状态。n基于状态机的设计基于状态机的设计n有限状态机有限状态机 n有限状态机有限状态机FSM，Finite State machine是时序电路设计中经常采用的是时序电路设计中经常采用的一种方式，尤其适合于设计数字系统的控制一种方式，尤其适合于设计数字系统的控制模块。在模块。在Verilog HDL中采用中采用case、if-else语句可以很好地描述基于状态机的设计。语句可以很好地描述基于状态机的设计。 n状态机包括组合逻辑部分和寄存器部分。组状态机包括组合

6、逻辑部分和寄存器部分。组合逻辑部分又包括次态逻辑和输出逻辑，分合逻辑部分又包括次态逻辑和输出逻辑，分别用于状态译码和产生输出信号；寄存器部别用于状态译码和产生输出信号；寄存器部分用于存储状态。分用于存储状态。实验原理 状态机的次态是现态及输入信号的函数，状态机的次态是现态及输入信号的函数，输出信号根据状态机的现态或输入信号而输出信号根据状态机的现态或输入信号而定。定。 状态机可分为两类：摩尔状态机可分为两类：摩尔Moore型状型状态机和米里态机和米里Mealy型状态机。型状态机。Moore型状态机，其输出只为状态机当前状态的型状态机，其输出只为状态机当前状态的函数，而与输入无关。函数，而与输入

7、无关。Mealy型状态机，型状态机，其输出不仅与状态机当前状态有关，而且其输出不仅与状态机当前状态有关，而且与输入有关。与输入有关。 输出输出现态现态次态次态现态现态输入输入次态逻次态逻辑辑形状形状寄存器寄存器输出逻输出逻辑辑输出输出现态现态次态次态现态现态输入输入次态逻次态逻辑辑形状形状寄存器寄存器输出逻输出逻辑辑（1Moore型状态机型状态机（2Mealy型状态机型状态机状态机的状态机的3种表示方法种表示方法 状态图、状态表和流程图状态图、状态表和流程图 输入输入/输出输出现态现态次态次态输入输入现态现态输出输出次态次态输出输出Mealy型状态图的表示型状态图的表示 Moore型状态图的表

8、示型状态图的表示 起始状态的选择起始状态的选择 起始状态指电路复位后所处的状态，起始状态指电路复位后所处的状态，选选 择一个合理的起始状态将使整个系统简择一个合理的起始状态将使整个系统简捷高效。对于有限状态机，必须有时钟捷高效。对于有限状态机，必须有时钟信号和复位信号！信号和复位信号！状态编码状态编码 采用采用log2N个触发器来表示这个触发器来表示这N个状态个状态 采用采用N个触发器来表示这个触发器来表示这N个状态个状态称为称为一位热码状态机编码一位热码状态机编码One-Hot State Machine Encoding）。）。 采用采用Verilog HDLVerilog HDL语言实现

9、基于状态机的设语言实现基于状态机的设计，就是在时钟信号的触发下，完成两项任务：计，就是在时钟信号的触发下，完成两项任务：（1 1用用casecase或或if-elseif-else语句描述出状态的转移；语句描述出状态的转移；（2 2描述状态机的输出信号。描述状态机的输出信号。 n输入信号和输出信号输入信号和输出信号 n输入信号输入信号nclk：时钟信号：时钟信号fclk = 50MHz）；）；nf1：人工放行：人工放行A方向的控制信号由方向的控制信号由“放行放行A按钮产生，高有效）；按钮产生，高有效）；nf2：人工放行：人工放行B方向的控制信号由方向的控制信号由“放行放行B按钮产生，高有效）；

10、按钮产生，高有效）；nreset：复位信号由：复位信号由“恢复到正常状态恢复到正常状态按钮产生，高有效）。按钮产生，高有效）。 输出信号输出信号 f1s、f2s：人工控制时：人工控制时A方向、方向、B方向的放方向的放行状态，驱动行状态，驱动LED，高电平时点亮；，高电平时点亮；s12.0、s22.0：交通灯信号输出，：交通灯信号输出，分别用于控制分别用于控制A方向和方向和B方向的红、黄、绿方向的红、黄、绿灯的亮或灭，驱动灯的亮或灭，驱动LED，高电平时点亮。，高电平时点亮。 n设计思路设计思路n根据其功能要求如正常运行状态下的交根据其功能要求如正常运行状态下的交通灯自动转换规律，人工放行功能及

11、限制通灯自动转换规律，人工放行功能及限制规则），确定其输出信号，以便控制两组规则），确定其输出信号，以便控制两组交通灯的亮或灭，并在交通岗内向交通警交通灯的亮或灭，并在交通岗内向交通警察显示人工放行的状态。察显示人工放行的状态。n该控制器的逻辑模型可分为三个部分：工该控制器的逻辑模型可分为三个部分：工作状态控制器、操作规则实现电路以及红作状态控制器、操作规则实现电路以及红绿灯信号生成器。绿灯信号生成器。 (1)(1)工作状态控制器工作状态控制器 功能：根据输入信号功能：根据输入信号f1f1、f2f2和和resetreset确定确定系统当前的工作状态是为系统当前的工作状态是为“正常运行正常运行状

12、状态或态或“A A一直放行一直放行或或“B B一直放行一直放行形状。形状。 工作状态控制器是一个简单的具有三状态工作状态控制器是一个简单的具有三状态normal,fr1,fr2normal,fr1,fr2的有限状态机。其输的有限状态机。其输入分别为人工放行入分别为人工放行A A方向的控制信号方向的控制信号f1f1、人、人工放行工放行B B方向的控制信号方向的控制信号f2f2及复位信号及复位信号resetreset均为高有效），其输出为人工控制均为高有效），其输出为人工控制时时A A方向、方向、B B方向的放行状态方向的放行状态 . .预习时请画出其状态转移图。预习时请画出其状态转移图。想一想，

13、工作状态控制器为想一想，工作状态控制器为MealyMealy型状态机型状态机还是还是MooreMoore型状态机，为什么？型状态机，为什么？ （2 2操作规则实现电路操作规则实现电路 功能：根据交通红绿灯控制器的功能要求，确定不同功能：根据交通红绿灯控制器的功能要求，确定不同工作状态下计时器的计数值。可用工作状态下计时器的计数值。可用8 8位计数器来实位计数器来实现定时计数。现定时计数。正常运行时，计数器按照规定的定时要求加正常运行时，计数器按照规定的定时要求加1 1计数；计数；若要人工放行某方向，只要使计时器运行到该放行若要人工放行某方向，只要使计时器运行到该放行状态的最后一刻时，计时器保持

14、此时的计数值，使状态的最后一刻时，计时器保持此时的计数值，使红绿灯信号生成器暂停状态的转移即可。红绿灯信号生成器暂停状态的转移即可。 设计技巧：将放行某方向的整个时间设计技巧：将放行某方向的整个时间50s50s分为两段，前分为两段，前30s30s为正常为正常运行状态下的最小放行时间，计时器正常计数；后运行状态下的最小放行时间，计时器正常计数；后20s20s为允许人工为允许人工放行时间，可根据工作状态控制器的状态机放行时间，可根据工作状态控制器的状态机f1sf1s和和f2sf2s进行判进行判断，是否欲人工放行另一方向，或是继续放行原方向，或是正常断，是否欲人工放行另一方向，或是继续放行原方向，或

15、是正常运行，然后根据判断结果来确定计时器的计数值。运行，然后根据判断结果来确定计时器的计数值。 (绿，红绿，红)正常运行正常运行正常运行正常运行可人工放行可人工放行可人工放行可人工放行30s50s135s155s210s105s0s(红，绿红，绿)(红，绿红，绿)(绿，红绿，红)正常运行正常运行限制规则示意图限制规则示意图 （3 3红绿灯信号生成器红绿灯信号生成器 功能：根据定时计数器的计数值来确定红绿灯信号的功能：根据定时计数器的计数值来确定红绿灯信号的输出。输出。这是一个简单的状态机，共有这是一个简单的状态机，共有1010个不同状态，有个不同状态，有6 6个个输出，为输出，为s12.0s1

16、2.0和和s22.0s22.0，分别用于控制，分别用于控制A A、B B两个方向的红、黄、绿灯的亮或灭。两个方向的红、黄、绿灯的亮或灭。可以对照图可以对照图5-1“5-1“正常运行状态下两组交通灯自动转正常运行状态下两组交通灯自动转换规律换规律”，根据计时器的计数值来确定红绿灯信号，根据计时器的计数值来确定红绿灯信号生成器的输出。注意计时器的一个工作循环为一个生成器的输出。注意计时器的一个工作循环为一个正常的红绿灯工作周期，即正常的红绿灯工作周期，即210210秒。秒。 预习时请画出其状态转移图。预习时请画出其状态转移图。n设计方案的选择设计方案的选择 n图文混合设计方法：先将电路划分为几个图

17、文混合设计方法：先将电路划分为几个子模块，每个子模块由子模块，每个子模块由Verilog HDL语言语言描述实现，然后生成逻辑符号，顶层文件描述实现，然后生成逻辑符号，顶层文件采用图形文件来实现。采用图形文件来实现。 n纯文本描述方法：每个子模块和顶层电路纯文本描述方法：每个子模块和顶层电路的连接关系都采用的连接关系都采用Verilog HDL语言描述语言描述实现，对子模块的调用采用模块元件例化实现，对子模块的调用采用模块元件例化的方法。的方法。 实验方案n方案一方案一n1. 设计思路设计思路n根据控制器的逻辑模型，将整个根据控制器的逻辑模型，将整个电路分为电路分为3个子模块，即工作状态控制器

18、个子模块，即工作状态控制器state_ctrl.v、操作规则实现电路、操作规则实现电路rule.v和红绿灯信号生成器和红绿灯信号生成器sig_gen.v，它们均，它们均采用采用Verilog HDL语言实现。然后形成顶语言实现。然后形成顶层图形设计文件层图形设计文件trgl_top.bdf。 工作状态控制器工作状态控制器state_ctrl.v 操作规则实现电路操作规则实现电路rule.v 红绿灯信号生成器红绿灯信号生成器sig_gen.v 顶层图形设计文件顶层图形设计文件trgl_top.bdf2. 对对trgl_top.bdf进行时序仿真。进行时序仿真。 3. 创建下载用顶层文件创建下载用

19、顶层文件将将 t r g l _ t o p . b d f 另 起 名 保 存 如另 起 名 保 存 如trgl_top_p.bdf），并在其时钟输入引），并在其时钟输入引脚后增加时钟分频模块脚后增加时钟分频模块clkdiv_50MHz_to_1Hz，将输入时钟，将输入时钟fclk = 50MHz分频为分频为f = 1Hz，即，即T =1s。编译，引脚锁定。编译，引脚锁定。 编程下载文件编程下载文件trgl_top_p.bdf n方案二方案二n1. 设计思路设计思路 n将控制器的三部分电路有机地结合到一起，将控制器的三部分电路有机地结合到一起，用一个文件采用用一个文件采用Verilog HD

20、L语言实现，语言实现，文件名为文件名为trgl2.v。其中用到了两个。其中用到了两个reg型型中间变量：中间变量：n （1state：工作状态控制状态机，：工作状态控制状态机，具有具有3个状个状态态normal, fr1, fr2）。）。n （28位寄存器位寄存器cnt7.0：用于红：用于红绿灯信号生成器的定时计数。绿灯信号生成器的定时计数。n采用采用3个个always模块来实现这三部分电路模块来实现这三部分电路实际上就是将方案一中的实际上就是将方案一中的3个子模块的个子模块的Verilog HDL描述放到一个文本文件中）。描述放到一个文本文件中）。2. 在在Quartus中进行时序仿真中进行

21、时序仿真 3. 设计下载用顶层文件，编程下载设计下载用顶层文件，编程下载 采用采用Verilog HDL语言设计顶层文件语言设计顶层文件 引脚锁定，编程下载引脚锁定，编程下载 .n分别画出工作状态控制器和红绿灯信号生分别画出工作状态控制器和红绿灯信号生成器的状态转移图，操作规则实现电路的成器的状态转移图，操作规则实现电路的程序流程图程序流程图 n采用方案一或方案二有余力的同学也可采用方案一或方案二有余力的同学也可以两种方案都采用），按实验要求给出的以两种方案都采用），按实验要求给出的功能要求设计交通红绿灯控制器。功能要求设计交通红绿灯控制器。 实验内容n仿真仿真 n使输入信号均无效，仿真至少一

22、个循环周使输入信号均无效，仿真至少一个循环周期的正常运行状态。观察状态机期的正常运行状态。观察状态机state1.0以及输出信号以及输出信号f1s、f2s、s12.0和和s22.0的变化。将仿真结的变化。将仿真结果保存为果保存为trgl_top(normal).vwf。 n正常运行时的仿真参考波形一：正常运行时的仿真参考波形一：正常运行时的仿真参考波形二正常运行时的仿真参考波形二210秒为秒为一周期）：一周期）：在不同的时段给定不同的输入信号，在每种情况下在不同的时段给定不同的输入信号，在每种情况下观察状态机观察状态机state1.0以及输出信号以及输出信号f1s、f2s、s12.0和和s22

23、.0的变化的变化.n设计下载用顶层文件设计下载用顶层文件 n仿真完全正确后，在原设计基础上增加仿真完全正确后，在原设计基础上增加时钟分频模块，将输入时钟时钟分频模块，将输入时钟fclk = 50MHz分频为分频为f = 1Hz，即，即T = 1s，形，形成下载用顶层文件可以为图形设计文件成下载用顶层文件可以为图形设计文件或或.v文本设计文件）。对下载用顶层文件文本设计文件）。对下载用顶层文件进行全编译。进行全编译。 n引脚锁定引脚锁定 n本实验采用模式本实验采用模式3所有按键为琴键式按所有按键为琴键式按键，即当按下键时，输出为高电平；当松键，即当按下键时，输出为高电平；当松开键时，输出为低电平

24、。可通过按下键的开键时，输出为低电平。可通过按下键的时间的长短来控制正脉冲的宽度。时间的长短来控制正脉冲的宽度。 nclk：系统时钟信号，：系统时钟信号，50MHz，接，接FPGA引脚引脚Pin28。注意应将下图中的。注意应将下图中的J6插到插到Clock0的位置，并将实验箱右下角的位置，并将实验箱右下角“时钟时钟频率选择频率选择区域区域Clock0的时钟选择跳线接的时钟选择跳线接到到50MHz的位置。的位置。 n编程下载编程下载 n利用利用GW48-SOPC+开发系统实现设开发系统实现设计的编程下载。编程器件为计的编程下载。编程器件为EP1C12Q240C8。使用开发系统上的晶。使用开发系统

25、上的晶振提供的全局时钟信号振提供的全局时钟信号fclk = 50MHz）（Pin28），用琴键式按钮开关键），用琴键式按钮开关键1、键、键2和键和键3均为高有效实现人工控制放行均为高有效实现人工控制放行A方向和方向和B方向、复位功能，用方向、复位功能，用8个发光二极个发光二极管高有效管高有效D1D8，分别显示输出信号，分别显示输出信号s12.0、s22.0、f1s和和f2s。 n在线校验在线校验 n下载后，仔细观察：红绿灯应按设定的时间规律自下载后，仔细观察：红绿灯应按设定的时间规律自动切换，动切换，D1D8八个八个LED分别对应的是：分别对应的是：A方向方向的红黄绿，的红黄绿，B方向的红黄绿，方向的红黄绿，A方向的放行状态，方向的放行状态，B方向的放行状态。方向的放行状态。 n然后按下键然后按下键1，表示欲人工放行，表示欲人工放行A方向，则相应方向，则相应LED有显示；同时两个方向的红绿灯按正常运行规有显示；同时两个方向的红绿灯按正常运行规律自动切换，当运行到放行律自动切换，当运行到放行A方向时，则保持放行方向时，则保持放行该方向。该方向。n再按下键再按下键2，表示欲