北邮数字逻辑小学期交通灯控制器.docx

实验一 交通灯控制器一、 实验目的a) 熟练掌握VHDL语言和QuartusII软件的使用。b) 用VHDL进行较复杂逻辑电路的设计和调试。c) 熟练掌握isp期间的下载方法。d) 理解状态机的工作原理和设计方法。二、 实验所用设备和环境a) 实验设备：TEC8实验箱一个、EPM7128SLC84-15芯片一个b) 实验环境：WinXP+QuartusII三、 实验任务及功能介绍在十字路口，每条道路各有一组红、黄、绿灯，用以指挥车辆和行人有序的通行。其中红灯亮表示禁止通行，黄灯亮表示停车，绿灯亮表示可以通行。设计一交通灯控制器用于自动控制十字路口的交通灯，指挥各种车辆和行人安全通行。a) 东西和南北方向各有一组绿、黄、红等用于指挥交通，绿灯、黄灯和红灯的持续时间分别为5s，1s和6s。其中初始状态为东西南北四个方向红黄绿灯全亮，持续1秒。后东西方向绿灯，南北方向红灯，持5秒。后东西方向黄灯闪烁，南北方向持续红灯，维持1秒。后东西、南北方向交换。b) 有紧急状况时，如有消防车、救护车或者其他需要优先放行的车辆时，各方向上均是红灯亮。当紧急状况解除时，回复原来的状态，继续正常运行。c) 当复位开关置1时，切换到初始状态，即四个方向红黄绿灯全亮。四、 课题分析及流程图：一共六个状态：S0, S1, S2, S3, S4, 紧急状态。五、 设计思路a) 本题主要是红黄绿灯时间的计时（即分频），和状态的切换。由于外部时钟信号CLK信号为1kHz，而我们需要1Hz，因此需要分频。b) 对于计时，采用计数器方式，根据外部时钟信号CLK，在上升沿时，将计数器加一，分别定义T1,T1,T3,T4的整型数，范围分别是0999，01999，04999和0199，分别表示1秒、2秒、5秒和0.2秒，其中0.2秒用于黄灯闪烁。引入TIMER数组来表示该进行何种时间的计数，每一位依次表示红黄绿灯，为分频后信号。c) 设计六个状态：S0, S1, S2, S3, S4和紧急状态。对于状态切换，引入currentSTATE和nextSTATE两个状态变量，取值在STATE中选择：TYPE STATE IS (S0, S1, S2, S3, S4);d) 东西南北方向灯的表示：有三个4位二进制数，RED、YELLOW和GREEN进行输出，从高位到地位依次表示东西南北四个方向的灯的状态，1亮，0灭。e) 为了得知什么时候切换状态，需引入数组SWITCH，4位二进制数，每一位依次表示红黄绿灯计时器是否计时结束，若结束则置1，各位相或，得到CTRL信号若有效，则需要切换状态，反之则不用。f) 对于紧急状态信号URGENT和复位信号CLR，则由开关控制，若置1，则有效，立即切换到紧急状态或初始状态S0。六、 详细设计a) 交通灯控制器实体b) arc中信号c) 分频进程，以计数器形式得出T1，T2，T3，T4四种时间。d) 判断何时切换状态e) 控制黄灯闪烁进程，每0.2s闪烁一次f) 六种状态的表现形式及紧急状态的切换七、 心得体会 这次虽然小学期有两周，但时间仍然是非常紧张。我由于身体原因在上学期期末申请了缓考，所以在小学期的同时还要准备6门缓考考试，显得非常忙碌，能够分给小学期的时间也不多。所以在第一天老师布置课题后，我们小组经过讨论，让我选择了简单一些的交通灯控制器。在最开始的时候，显得无从下手。虽然我们编写过LED灯显示和各种译码器，但都只是很简单的一个进程，如今要自己设计整个控制器，觉得有点不知所措。后来用编写C等程序的经验，我仔细分析题目，将它分解成更小的模块，来分别实现，最后再整合在一起。状态切换和显示部分的编码还比较简单，但是分频部分又有点不知所云，查阅了网上的例子和书籍后，感觉看不太懂他们的分频方式，询问同学，同学们也还不太清楚。后来借到第一天老师课上说的参考书，发现上面的分频方式是以计数器的形式，利用外部时钟，来一个上升沿计数器加一，简单容易理解，所以采用了。每一次编写大作业的时候我都喜欢全部编写完毕后再编译、测试，但是这样就造成错误过多而引起不知道从何下手。因此我这一次采取的是逐部分编译、测试的方式。但是由于对VHDL已经一个多学期没有碰过，生疏了很多，语法错误非常多。而且编译通过后还经常不能运行。再反复完善代码却不能运行的时候，询问下同学，发现自己的管脚接的大有问题。是我自己忽略了有特殊指向的管脚，导致我的外部时钟CLK没有输入进去，程序无法继续进行。并且也发生了没有改代码，但是换了个实验箱就运行不了的情况，检查了很久发现是模式控制没有打到硬布线模式，影响了整体程序的运行，这些都是不通过自己调试、检验无法学习到的。这两周的时间，我将自己的效率放大到最大，但是仍然因时间问题无法完成交通灯倒计时显示部分，也是小学期的一个遗憾。不过这两周，我不但又一次加深理解了自己动手操作的重要性，也对于芯片的设计思路有了更好的理解。由于交通灯控制器是一个简单一些的程序，因此我没有分模块实现，没有用到原理图，也没有遇到芯片的逻辑块溢出的问题，但是在每天的最后，小组讨论时，我们都会讨论解决这些问题，也让我从中学到了很多。总体来说，这一次的小学期算是收获颇丰。附件一：VHDL源代码LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL; USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL; ENTITY trafficLight IS PORT (CLR, CLK, URGENT : IN STD_LOGIC; GREEN : OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); YELLOW : OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); RED : OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); -CLOCK : OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);END trafficLight;ARCHITECTURE lightARC OF trafficLight IS TYPE STATE IS (S0, S1, S2, S3, S4);SIGNAL currentSTATE, nextSTATE : STATE;SIGNAL CTRL : STD_LOGIC;SIGNAL SWITCH : STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); -切换状态SIGNAL TIMER : STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); -时钟计时SIGNAL T1 : INTEGER RANGE 0 TO 999; -1sSIGNAL T2 : INTEGER RANGE 0 TO 1999; -2sSIGNAL T3 : INTEGER RANGE 0 TO 4999; -5sSIGNAL T4 : INTEGER RANGE 0 TO 199; -0.2s -SIGNAL T5 : INTEGER RANGE 0 TO 999; BEGINPROCESS(CLK, SWITCH) BEGIN IF (CLKevent AND CLK = 1) THEN IF (SWITCH(0) = 0) THEN TIMER(0) = 0; T1 = 0; ELSE IF (T1 = 999 AND URGENT = 0) THEN T1 = 0; TIMER(0) = 1; ELSE IF (URGENT = 0) THEN T1 = T1 + 1; TIMER(0) = 0; END IF;END IF;END IF; IF (SWITCH(1) = 0)THEN TIMER(1) = 0; T2 = 0; ELSE IF (T2 = 1999 AND URGENT = 0) THEN T2 = 0; TIMER(1) = 1; ELSE IF (URGENT = 0) THEN T2 = T2 + 1; TIMER(1) = 0; END IF; END IF; END IF; IF (SWITCH(2) = 0) THEN T3 = 0; TIMER(2) = 0; ELSE IF (T3 = 4999 AND URGENT = 0) THEN T3 = 0; TIMER(2) = 1; ELSE IF (URGENT = 0) THEN T3 = T3 + 1; TIMER(2) = 0; END IF; END IF; END IF; END IF;END PROCESS; CTRL = TIMER(0) OR TIMER(1) OR TIMER(2); -倒计时完成切换状态 PROCESS(CLK, SWITCH(3) BEGINIF (CLKevent AND CLK = 1) THENIF (T4 = 199 AND SWITCH(3) = 1) THEN T4 = 0; TIMER(3) = NOT TIMER(3); ELSIF (SWITCH(3) = 1) THEN T4 = T4 + 1; END IF; END IF; END PROCESS; PROCESS (CTRL, CLR) BEGIN IF (CLR = 1) THEN currentSTATE = s0; ELSIF (CTRLevent AND CTRL = 0) THEN currentSTATE = nextSTATE; END IF; END PROCESS; PROCESS (currentSTATE, URGENT) BEGIN IF (URGENT = 1) THEN -紧急状态，所有方向点亮红灯GREEN = 0000; YELLOW = 0000;RED SWITCH = 0001; GREEN = 1111; YELLOW = 1111; RED = 1111; -CLOCK = 0000; nextSTATE SWITCH = 0100; GREEN = 1100; YELLOW = 0000; RED = 0011; -CLOCK = 0110; nextSTATE SWITCH = 1010; GREEN = 0000; YELLOW(3) = TIMER(3); -闪烁 YELLOW(2) = TIMER(3); YELLOW(1 DOWNTO 0) = 00; nextSTATE SWITCH = 0100 ; GREEN = 0011; YELLOW = 0000; RED = 1100; -CLOCK = 0110; nextSTATE SWITCH = 1010; GREEN = 0000; YELLOW(3 DOWNTO 2) = 00; YELLOW(1) = TIMER(3); -闪烁 YELLOW(0) = TIMER(3); RED = 1100; nextSTATE = s1; END CASE; END IF; END PROCESS; - PROCESS(CLK, CLOCK) - BEGIN-IF (CLKevent AND CLK = 1) THEN-IF (CLOCK = 0000) THEN CLOCK = 0110;-ELSE CLOCK = CLOCK - 1;-END IF;-IF (T5 = 999) THEN T5 = 0;- ELSE T5 = T5 + 1; - END IF; - END IF; - END PROCESS;END lightARC;附件二：调试日志201598周二：复习VHDL基础知识及语法，了解交通灯大致编写思路。201599周三：分解交通灯控制器：分频部分，状态切换部分，显示部分今日计划：初步完成分频部分，考虑程序流程和各个进程间的配合。学习时钟分频的方式：途径：去图书馆借书查阅VHDL数字电路设计与应用实践教程，采用计数器的方式，针对外部时钟所给的1kHz分成1Hz，从而得到想要的5s、1s、0.2s等时间。遇到问题：能够得到时间，但不知道该怎么将时间运用到状态切换中。解决方案：上网查阅资料。2015910周四：今日计划：完成状态切换部分和显示部分，考虑如何将分频好的时钟信号用在状态切换部分。遇到问题：切换状态部分和显示部分比较简单，只是需要注意ifelse语句使用，因为VHDL语法不熟悉导致语法报错很多。定义的状态太多，重复性大。解决方案：开始在状态切换时，没想好要几个状态，零零散散分了很多个，导致很多状态其实根本是重合的，删减后得到最精简的6个状态。对于分频时钟，引入TIMER数组记录时钟是否计时完毕，若完毕则需要切换状态，将分频部分与其他部分串接在一起。2015911周五：今日计划：完成程序，在TEC8上进行初步调试。遇到问题：忘记如何下载芯片，询问同学后解决。成功下载芯片后发现不能运行，灯的显示也是乱的。 解决方案：回头看代码，发现在TIMER信号表示出计时完毕后，并没有给激励进行状态切换，引入CTRL信号给予激励，当CTRL有效时切换状态，为了方便观察CTRL信号的变化，将其连接到灯上。遇到问题：下载芯片后