EDA技术-项目10- 交通灯

EDA项目10实用交通灯控制系统设计回顾点评项目要求学生讲演项目分析相关知识设计方案软件仿真硬件测试一、回顾点评EDA技术项目9_实用彩灯控制系统设计1.功能与要求

⑴使用EDA实验箱上的OUT1～OUT8共8个LED（发光二极管），构建1种频率（频率可为1Hz）、1种花色的彩灯控制系统（1种花样可为彩灯从右到左，然后从左到右逐次点亮）。⑵使用EDA实验箱上的OUT1～OUT8共8个LED（发光二极管），构建4种频率（4种频率可分别为5Hz、5/2Hz、5/4Hz、5/8Hz，由分频电路产生）、4种花色（4种花样可分别为:①彩灯从右到左，然后从左到右逐次闪烁。②彩灯从右到左点亮，然后从左到右逐次依次熄灭，全亮全灭。③彩灯两边同时亮1个逐次向中间移动再散开。④彩灯两边同时亮2个，2亮2灭）的彩灯控制系统。2.设计方案3.完成情况及存在问题不少同学不会实现“闪烁”大部分同学都很认真，差不多能完成项目。完成情况存在问题如何闪烁？给输出送时钟脉冲clk特别表扬电071第2组孙建光等5人电072第2组杨莎莎等6人使用EDA实验箱上交通灯模块中的12个发光二极管（东西EW方向为主干道，南北NS方向为支干道），指示通行信号。使用EDA实验箱上的最左边2个LED数码管显示东西EW方向（主干道）倒计时，最右边2个LED数码管显示南北NS方向（支干道）倒计时。使用EDA实验箱上的K1开关设置主干道上的传感器发出的信号，K2开关设置次干道上的传感器发出的信号。一般情况下，如果主干道和支干道均无车辆要求通行，应该保证主干道绿灯亮，支干道红灯亮。此时，若支干道有车辆要求通行，则应允许支干道车辆通行；若主干道、支干道均有车辆要求通行，则应先保证主干道通行30秒钟后，才允许支干道通行。在允许支干道车辆通行前，应先使主干道黄灯亮5秒钟，支干道红灯保持；5秒钟后，才变成主干道红灯亮，支干道绿灯亮。在支干道保持畅通时，若主干道无车辆要求通行，则支干道始终保持畅通；如果此时支干道无车辆要求通行，则应立刻准备使主干道通车，支干道禁止通行；若此时主干道有车辆要求通行，并且支干道通行时间已超过20秒钟，则应该准备使主干道通行。在允许主干道通行前，应先使支干道的黄灯亮5秒钟，主干道红灯保持；5秒钟后，变成主干道绿灯亮，支干道红灯亮。实用交通灯控制系统只能使用单一外部时钟。二、项目要求1.项目分析2.设计方案3.任务分配4.实施计划5.预期效果三、学生讲演四、项目分析1.交通信号灯的历史与发展

19世纪初，在英国中部的约克城，红、绿装分别代表女性的不同身份。其中，着红装的女人表示已结婚，而着绿装的女人则是未婚者。后来，英国伦敦议会大厦前经常发生马车轧人的事故，于是人们受到红绿装启发，1868年12月10日，信号灯家族的第一个成员就在伦敦议会大厦的广场上诞生了，由当时英国机械师德·哈特设计、制造的灯柱高7米，身上挂着一盏红、绿两色的提灯——煤气交通信号灯，这是城市街道的第一盏信号灯。在灯的脚下，一名手持长杆的警察随心所欲地牵动皮带转换提灯的颜色。后来在信号灯的中心装上煤气灯罩，它的前面有两块红、绿玻璃交替遮挡。不幸的是只面世23天的煤气灯突然爆炸自灭，使一位正在值勤的警察也因此断送了性命。

从此，城市的交通信号灯被取缔了。直到1914年，在美国的克利夫兰市才率先恢复了红绿灯，不过，这时已是电气启动的红绿灯。这种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成，安装在纽约市5号大街的一座高塔上。红灯亮表示“停止”，绿灯亮表示“通行”。稍后又在纽约和芝加哥等城市，相继重新出现了交通信号灯。黄色信号灯的发明者是我国的胡汝鼎，他怀着“科学救国”的抱负到美国深造，在大发明家爱迪生为董事长的美国通用电器公司任职员。一天，他站在繁华的十字路口等待绿灯信号，当他看到红灯而正要过去时，一辆转弯的汽车呼地一声擦身而过，吓了他一身冷汗。回到宿舍，他反复琢磨，终于想到在红、绿灯中间再加上一个黄色信号灯，提醒人们注意危险。他的建议立即得到有关方面的肯定。于是红、黄、绿三色信号灯即以一个完整的马路工具出现在世界上。

2.相关图片倒计时器人行信号灯圆形信号灯箭头信号灯常州和平南路上的信号灯

3.关于交通信号灯的相关规定

我们都知道“红灯停，绿灯行”，那么黄灯呢？我国道路交通安全法实施条例中关于交通信号灯的相关规定如下：（1）绿灯亮时，准许车辆、行人通行，但转弯的车辆不准阻碍直行的车辆和被放行的行人通行；（2）黄灯亮时，不准车辆、行人通行，但已越过停止线的车辆和已进入人行横道的行人可以通行；（3）红灯亮时，不准车辆、行人通行，更不准闯红灯；（5）黄灯闪烁时，车辆和行人均须在确保安全的前提下通行。

因此我们的口诀是“红灯停，绿灯行，黄灯提醒”。这里设计的自动交通控制系统是圆形的信号灯，其工作过程是：一般情况下，如果主干道和支干道均无车辆要求通行，应该保证主干道绿灯亮，支干道红灯亮。此时，若支干道有车辆要求通行，则应允许支干道车辆通行；若主干道、支干道均有车辆要求通行，则应先保证主干道通行30秒钟后，才允许支干道通行。在允许支干道车辆通行前，应先使主干道黄灯亮5秒钟，支干道红灯保持；5秒钟后，才变成主干道红灯亮，支干道绿灯亮。在支干道保持畅通时，若主干道无车辆要求通行，则支干道始终保持畅通；如果此时支干道无车辆要求通行，则应立刻准备使主干道通车，支干道禁止通行；若此时主干道有车辆要求通行，并且支干道通行时间已超过20秒钟，则应该准备使主干道通行。在允许主干道通行前，应先使支干道的黄灯亮5秒钟，主干道红灯保持；5秒钟后，变成主干道绿灯亮，支干道红灯亮。

4.项目分析据此工作过程，可得系统框图，如下图所示。

其中传感器部分的作用是：通过在主干道和支干道上所设的传感器，可以检测到主、支干道上是否有车辆要求通过十字路口。主支干道上的传感器发出的信号分别用Sa和Sb表示，Sa和Sb为‘l’，表示有车辆要求通行；否则无车辆通行要求。时钟电路为系统提供一个稳定的clk秒脉冲信号，以供计时和系统同步控制。定时器电路在控制器提供的计时信号cnt和清零信号cr的作用下完成定时功能，并向控制器提供5秒钟、20秒钟和30秒钟的计时信号。控制器的设计是本系统的核心，控制器的作用是：根据传感器和定时器提供的信号，判断、调整和控制整个系统的状态，并控制定时电路工作，提供适当的灯光控制信号。其中控制主、支干道上红、黄、绿灯的信号分别用Ra、Ya、Ga和Rb、Yb、Gb表示；其值为‘1’表示灯亮，为‘0’表示灯灭。

交通控制系统算法流程图

根据自动交通控制系统实际工作过程可以得出该系统的详细算法流程图。由流程图可知系统有四个状态：S0状态表示主干道绿灯亮，支干道红灯亮；S1状态表示主干道黄灯亮，支干道红灯亮；S2状态表示主干道红灯亮，支干道绿灯亮；S3状态表示主干道红灯亮，支干道黄灯亮。根据流程图可得控制电路的状态转移图如下图所示。

如何实现状态切换？可以通过状态机来实现五、相关知识

有限状态机(简称状态机)相当于一个控制器，它将一项功能的完成分解为若干步，每一步对应于二进制的一个状态，通过预先设计的顺序在各状态之间进行转换，状态转换的过程就是实现逻辑功能的过程。状态机的输出信号逻辑值必然与当前状态有关，但不一定与输入变量有关，因此根据状态机的输出变量是否与输入变量有关，可将状态机分为莫尔型(Moore)状态机与米里型(Mealy)状态机两种。有限状态机1、莫尔型状态机

莫尔型状态机的输出逻辑仅与当前状态有关，与输入变量无关，输入变量的作用只是与当前状态一起决定当前状态的下一状态是什么。莫尔型状态机框图如下图所示。莫尔型状态机框图一个基本的状态机应具有以下脚位：输入变量：input；脉冲输入端：clk；状态复位端：reset；输出变量：output。⑴VHDL设计用VHDL设计状态机比用原理图方式设计更加方便，尤其对状态较多的状态机，用VHDL设计更能体现VHDL的优势。下面仅介绍用VHDL设计一个基本的Moore型状态机的一般形式，在这个VHDL设计中，设某状态机的状态为两态(s0和s1)，在当前状态为s0时，要求只要时钟有效边沿到来，不管输入变量的逻辑值是什么，状态机的状态必须转为下一状态s1；而当前状态为s1时，如果输入变量不为“1”，则当前状态始终维持不变，即保持为s1，直到输入变量为“1”时，状态才转到状态机当前状态,为s0时，输出变量为“0”；当前状态为s1时，输出变量为“1”，即该状态机的输出仅由当前状态决定，是一个二态莫尔型状态机。ENTITYstatmachIS PORT(

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

--自定义了两状态(s0,s1)的数据类型SIGNALstate:STATE_TYPE;

--信号state定义为STATE_TYPE类型BEGIN PROCESS(clk) BEGIN IFreset='1'THEN state<=s0;

--当复位信号有效时，状态回到s0ELSIF(clk'eventANDclk='1')THEN CASEstateIS WHENs0=>state<=s1;

--当前状态为s0，则时钟上升沿来后转变为下一状态

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

--当前状态为s1，则时钟上升沿到达时根据输入信号

--input的取值情况决定下一状态是保持为s1还是回到s0 ENDIF; ENDCASE; ENDIF; ENDPROCESS; output<='1'WHENstate=s1ELSE'0';

--根据当前状态决定输出值ENDa;实体statmach的仿真结果

2、米里型状态机米里型状态机的输出逻辑不仅与当前状态有关，还与当前的输入变量有关，输入变量的作用不仅是与当前状态一起决定当前状态的下一状态是什么，还决定当前状态的输出变量的逻辑值。米里型状态机框图如下图所示。米里型状态机框图一个基本的米里型状态机应具有以下脚位：脉冲输入端：clk；输入变量：input1；输出变量：output1；状态复位端：reset。⑴VHDL设计下面介绍用VHDL设计一个基本的米里型状态机的一般形式，在这个VHDL设计中，设状态机的状态为四态：s0、s1、s2、s3，要求：输入变量input1为“1”时，在时钟上升沿作用下状态机的状态在四态之间轮换。处于某一状态而此时input1为“0”，则当时钟上升沿到达时当前状态保持不变。当input1为“1”时，当前状态为s0、s1、s2、s3时的输出变量(整数类型)依次为0、1、2、3。input1为“0”时，无论当前状态为何态，输出变量必为整数4，可见，该状态机的输出变量逻辑值与输入变量有关，属于米里型状态机。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;实体statmach4的仿真结果六、设计方案实用交通灯控制系统顶层设计其中交通控制部分可以采用以下三种描述方式1.三进程描述方式：三进程描述是将有限状态机的次态、状态寄存器和输出逻辑分别使用三个进程来描述。这种描述方式可以把状态机的组合逻辑部分和时序逻辑部分分开，从而有利于对状态机的组合逻辑部分和时序逻辑部分分别进行测试。2.双进程描述方式:将有限状态机的次态逻辑、状态寄存器和输出逻辑分别用两个进程来描述。3.单进程描述方式：将有限状态机的次态逻辑、状态寄存器和输出逻辑使用一个进程来描述。波形仿真图七、软件仿真表1引脚分配表节点名称 芯片脚号 功能led0 72 led_aled1 73 led_b