实验五交通灯控制

《计算机EDA设计》实验教程实验五

交通红绿灯控制器北航计算机学院艾明晶5/23/20231内容概要实验目的实验要求实验原理实验方案实验内容实验报告5/23/20232了解交通红绿灯控制器的工作原理。掌握建立状态机的逻辑模型的方法。掌握状态机的实现和多个状态机的组合使用方法实验目的5/23/20233假定十字路口马路的A方向和B方向各有一组红、黄、绿三个灯组成的交通灯，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。具体功能要求如下：实验要求5/23/20234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： （绿，红）50s（黄绿，红）5s（黄，红）20s（红黄，红）20s（红，黄）10s （红，绿）50s（红，黄绿）5s（红，黄）20s（红，红黄）20s（黄，红）10s （绿，红）50s……5/23/20235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，直到疏通后，按“恢复到正常状态”按钮，重新进入正常运行状态。如果某方向处于人工放行的状态，应有指示灯指示这一情况。5/23/20236人工控制放行遵循如下限制规则：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，才保持放行该方向；每个方向的放行时间不得小于某一最小值（假定为30秒钟），以免车辆频繁起停。只有在（绿，红）20s和（红，绿）20s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。5/23/20237基于状态机的设计有限状态机有限状态机（FSM，FiniteStatemachine）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模块。在VerilogHDL中采用case、if-else语句可以很好地描述基于状态机的设计。状态机包括组合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。实验原理5/23/20238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定。状态机可分为两类：摩尔（Moore）型状态机和米里（Mealy）型状态机。Moore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。Mealy型状态机，其输出不仅与状态机当前状态有关，而且与输入有关。

5/23/20239输出现态次态现态输入次态逻辑状态寄存器输出逻辑输出现态次态现态输入次态逻辑状态寄存器输出逻辑（1）Moore型状态机（2）Mealy型状态机5/23/202310状态机的3种表示方法状态图、状态表和流程图输入/输出现态次态输入现态输出次态输出Mealy型状态图的表示

Moore型状态图的表示

5/23/202311起始状态的选择

起始状态指电路复位后所处的状态，选 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 信号和复位信号！状态编码采用log2N个触发器来表示这N个状态采用N个触发器来表示这N个状态——称为一位热码状态机编码（One-HotStateMachineEncoding）。

5/23/202312采用VerilogHDL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：（1）用case或if-else语句描述出状态的转移；（2）描述状态机的输出信号。5/23/202313输入信号和输出信号输入信号clk：时钟信号（fclk=50MHz）；f1：人工放行A方向的控制信号（由“放行A”按钮产生，高有效）；f2：人工放行B方向的控制信号（由“放行B”按钮产生，高有效）；reset：复位信号（由“恢复到正常状态”按钮产生，高有效）。

5/23/202314输出信号f1s、f2s：人工控制时A方向、B方向的放行状态，驱动LED，高电平时点亮；s1[2..0]、s2[2..0]：交通灯信号输出，分别用于控制A方向和B方向的红、黄、绿灯的亮或灭，驱动LED，高电平时点亮。5/23/202315设计助思路根据祸其功予能要庙求（融如正贤常运克行状城态下娱的交凯通灯索自动连转换眠规律榨，人园工放馒行功婚能及慌限制凯规则哪），墨确定鹊其输缓出信萍号，牲以便冒控制煌两组魄交通创灯的窑亮或敲灭，诸并在包交通尖岗内说向交匹通警尤察显寸示人舒工放户行的养状态炎。该控冬制器垃的逻哨辑模把型可匠分为吃三个弊部分愧：工想作状屈态控魄制器菌、操蚕作规维则实缩慧现电侍路以幕及红法绿灯滑信号泊生成珍器。5/斯18叫/2笛02劫316(1庸)工作赴状态泉控制钓器功能煮：根鞋据输初入信悲号（f1、f2和re嫂se宽t）确定兄系统贿当前丑的工爬作状业态是须为“律正常旱运行敞”状吴态或嘱“A一直府放行巧”或饿“B一直泳放行质”状健态。工作油状态算控制泻器是狂一个艇简单洽的具齐有三党状态脊（no除rm会al疫,f酷r1舌,f映r2）的有缓限状婚态机坏。其驴输入泼分别诵为人质工放虏行A方向扫的控社制信胸号f1、人工袍放行B方向嘱的控孤制信田号f2及复说位信货号re拥se芽t（均为军高有震效）烘，其桶输出蛾为人蔑工控役制时A方向使、B方向皆的放渣行状壶态.预习饿时请嫂画出招其状吸态转祸移图源。想一敌想，该工作寇状态骄控制脑器为Me胖al练y型状香态机么还是Mo漫or无e型状锐态机桨，为虹什么歌？5/倘18羡/2细02奸317（2）操吓作规传则实善现电御路功能宝：根羽据交命通红前绿灯雄控制市器的亲功能遍要求梅，确匀定不抱同工洗作状缎态下招计时骨器的盘计数不值。浴可用8位计援数器桃来实教现定薄时计刊数。正常即运行班时，竖计数柴器按浇照规饭定的馅定时贸要求拢加1计数哈；若啦要人如工放幅行某忆方向港，只便要使厅计时陈器运繁行到舌该放桶行状英态的豪最后棋一刻唱时，勉计时答器保圆持此折时的暑计数际值，芳使红补绿灯害信号槽生成稳器暂侦停状事态的施转移纲即可膀。5/勒18厅/2别02吵318设计痰技巧：将苍放行妖某方妨向的键整个馒时间泊（50方s）分为厚两段叉，前30歌s为正壤常运哲行状桨态下钻的最禁小放值行时巷间，管计时著器正脊常计荒数；徒后20深s为允黎许人通工放蔬行时谦间，载可根茄据工俩作状底态控伐制器巾的状兽态机启（f1擦s和f2肝s）进行帅判断牲，是垒否欲鸽人工捐放行驱另一乱方向盘，或姥是继失续放名行原挠方向交，或戏是正炉常运以行，糠然后跪根据蛋判断威结果吨来确贞定计离时器若的计改数值高。(绿，红)正常运行正常运行可人工放行可人工放行30s50s135s155s210s105s0s(红，绿)(红，绿)(绿，红)正常运行限制从规则陷示意肆图5/飘18宣/2比02妹319（3）红之绿灯串信号疯生成训器功能吗：根丈据定丸时计烫数器艇的计坐数值汽来确惕定红晃绿灯勒信号贪的输迫出。这是当一个酬简单园的状胆态机带，共局有10个不矩同状可态，鸡有6个输窜出，乞为s1件[2骨..胖0]和s2蛇[2旁..群0]，分别溉用于嫁控制A、B两个盒方向判的红搬、黄胖、绿室灯的予亮或且灭。可以躁对照度图5-挽1“正常榨运行雕状态狸下两继组交脑通灯扩自动忌转换祥规律劫”，借根据蔬计时桃器的勿计数聪值来滨确定玻红绿骆灯信僚号生鹊成器翼的输组出。朵注意毫计时堡器的摸一个派工作渠循环坚为一蜂个正壤常的筛红绿惧灯工趴作周壤期，贤即21螺0秒。预习喊时请涌画出爹其状段态转丢移图浴。5/善18南/2抛02忌320设计站方案炸的选挡择图文岂混合蹦设计闸方法雅：先目将电颠路划堵分为握几个口子模符块，漏每个经子模杂块由Ve躺ri动lo至gHD珍L语言情描述残实现塑，然狮后生宜成逻醉辑符筋号，虚顶层士文件枯采用茶图形著文件射来实绑现。纯文南本描雀述方江法：皮每个浮子模紧块和尤顶层趴电路授的连丧接关异系都紧采用Ve坏ri勾lo他gHD细L语言记描述载实现迎，对殿子模远块的埋调用桶采用零模块做元件地例化药的方孙法。5/峰18机/2唇02剪321实验青方案方案第一1.设计匠思路根据摊控制宵器的灶逻辑笨模型挤，将超整个卧电路锁分为3个子誓模块籍，即铲工作托状态柴控制充器st盆at陆e_渗ct鼻rl串.v、操作失规则风实现浙电路ru剃le御.v和红盆绿灯杜信号福生成摧器si罪g_劝ge柏n.涝v，它们痕均采安用Ve当ri贼lo硬gHD兴L语言停实现显。然嘉后形岗成顶贷层图究形设司计文盒件tr固gl蛇_t棚op饮.b傻df。5/立18前/2高02疲322工作膝状态莲控制疾器st岔at钳e_气ct涂rl滔.v5/肃18击/2外02耽323操作安规则胜实现路电路ru友le载.v5/彼18优/2贞02遍324红绿坏灯信代号生返成器si半g_撇ge缸n.领v5/拨18姻/2刃02福325顶层爱图形偷设计挑文件tr街gl戚_t敢op谱.b馅df5/鹿18触/2放02育3262.对tr届gl尿_t管op徐.b脑df进行葱时序败仿真纸。3.创建下载钥用顶层文件将tr贫gl鞭_t俗op遵.b叫df另起名碑保存保（如tr氧gl仿_t碍op丘_p庸.b闪df），并在录其时笼钟输紧入引待脚后简增加蕉时钟详分频踪蝶模块cl桥kd菊iv流_5冬0M废Hz敲_t死o_停1H策z，将输巨入时暑钟fc泄lk=木50督MH各z分频膏为f菌=马1H岗z，即T营=1错s。编译袄，引圾脚锁叼定。5/增18助/2耐02米327编程浮下载仁文件tr绿gl_t露op布_p熔.bd税f5/猛18举/2极02阀328方案续二1.设计众思路将控摘制器只的三呀部分义电路踩有机牺地结匀合到抢一起堡，用射一个雨文件鲁采用Ve职ri今lo火gHD刑L语言眉实现良，文爹件名桐为tr沟gl杰2.声v。其中烈用到洪了两久个re押g型中朴间变落量：（1）st惯at基e：工作握状态铃控制盖状态铅机，勇具有3个状条态（no箩rm核al胜,夹fr茅1,润f熊r2）。（2）8位寄伟存器cn殊t[薪7.纺.0善]：用于法红绿积灯信膝号生值成器身的定卸时计口数。采用3个al略wa番ys模块忧来实辆现这仆三部矛分电覆路（塔实际阳上就异是将练方案享一中穷的3个子匀模块修的Ve束ri抢lo巨gHD梨L描述息放到坡一个侨文本郊文件柿中）家。5/给18劝/2愿02廊3292.在Qu胡ar窄tu捆sⅡ中进萄行时汪序仿浑真3.设计江下载施用顶堤层文糠件，抬编程收下载采用Ve明ri神lo德gHD误L语言萄设计池顶层恼文件引脚盟锁定割，编公程下杯载.5/施18产/2茅02第330分别营画出估工作目状态室控制省器和羊红绿爸灯信稻号生押成器碑的状士态转灭移图堤，操握作规巡寿则实盟现电紫路的姥程序骑流程吃图采用匹方案忌一或亚方案售二（谋有余环力的忌同学吼也可夕以两舟种方墨案都灿采用姨），横按实腥验要物求给网出的但功能加要求晓设计概交通尽红绿朋灯控腰制器绒。实验决内容5/攀18元/2防02超331仿真使输恢入信纲号均趋无效乏，仿闻真至徒少一奶个循读环周友期的欧正常升运行菌状态累。观匪察状鲁态机st湾at挡e[斥1.垫.0私]以及渴输出纷信号f1光s、f2绸s、s1头[2断..砖0]和s2霉[2抖..遍0]的变述化。省将仿粱真结暗果保玩存为tr母gl便_t纳op螺(n准or颜ma塞l)村.v样wf。正常忽运行帽时的框仿真梨参考驻波形来一：5/拐18妇/2凶02半332正常狸运行沸时的袄仿真哄参考厉波形唉二（21篮0秒为蓝一周浪期）莫：5/休18脉/2御02矿333在不理同的伏时段闻给定甘不同类的输电入信抱号，桑在每糠种情支况下哄观察铸状态捆机st掠at聪e[甩1.辞.0涛]以及免输出倚信号f1捐s、f2蚁s、s1布[2慨..鱼0]和s2糕[2帖..耻0]的变滤化.5/编18贴/2洪02纳334设计惜下载育用顶奴层文板件仿真短完全誉正确脏后，翻在原前设计台基础校上增蔽加时楼钟分盾频模王块，醋将输性入时业钟fc血lk=迷50肃MH芹z分频雀为f贫=肃1H键z，即T级=件1s，形成省下载雅用顶跃层文哲件（驳可以喂为图郑形设原计文肝件或.v文本融设计佛文件块）。患对下静载用夏顶层董文件掏进行孩全编接译。5/偷18肚/2谦02嘱335引脚挠锁定本实旱验采限用模翻式3—矿—所有车按键炭为琴趟键式怕按键喜，即次当按亡下键瞧时，奶输出仁为高园电平浸；当杂松开分键时贸，输留出为你低电贺平。扔可通婶过按坛下键供的时后间的犯长短婆来控舰制正棍脉冲递的宽危度。cl驼k：系统钻时钟辅信号庄，50透MH婆z，接FP肝GA引脚Pi突n2趟8。注意犹应将穿下图吼中的J6插到Cl称oc虾k0的位侦置，坑并将搞实验伴箱右鉴下角橡“时哪钟频桌率选钢择”更区域Cl烫oc打k0的时降钟选按择跳乡丰线接刑到50页MH书z的位解置。5/毫18歌/2摆02狂336编程浇下载利用GW练48艇-S影OP揪C+开发武系统斯实现撞设计矮的编唯程下锁载。胖编程解器件考为EP缘瑞1C车12故Q2苏40堤C8。使用箱开发旱系统丢上的吧晶振普提供六的全毒局时击钟信像号（fc铲lk=您50坐MH滨z）（Pi稠n2值8），用琴赶键式幕按钮同开关漂键1、键2和键3（均篮为高嗓有效秆）实熔现人即工控叛制放喘行A方向没和B方向世、复信位功顽能，化用8个发纹光二习极管幼（高弱有效涛）D1波~D堪8，分别区显示耐输出驻信号s1组[2灭..船0]、s2居[2奇..移0]、f1偿s和f2桶s。5/音18寺/2涂02版337在线萝校验下载别后，熟仔细族观察娱：红望绿灯喝应按榜设定河的时广间规纳律自隆动切烦换，D1耕~D充8八个LE洪D分别脱对应滩的是项：A方向办的红汗黄绿筛，B方向础的红雄黄绿渴，A方向炊的放奥行状划态，B方向咱的放铺行状林态。然后硬按下农键1，表院示欲巧人工锹放行A方向肃，则磁相应LE吐D有显闯示；龄同时锡两个粉方向怀的红节绿灯如按正不常运团行规妥律自笼动切异换，续当运党行到廉放行A方向停时，睁则保阵持放贸行该完方向宣。再按例下键2，表臭示欲汁人工纤放行B方向鲜，则淹相应LE绸D有显少示；闭同时详两个寨方向主的红俯绿灯