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实验三：交通灯控制器设计一、实验目的学习采用状态机方法设计时序逻辑电路。掌握ispLEVER 软件的使用方法。掌握用VHDL 语言设计数字逻辑电路。掌握ISP 器件的使用。二、实验所用器件和设备在系统可编程逻辑器件ISP1032 一片示波器 一台万用表或逻辑笔 一只TEC-5实验系统，或TDS-2B 数字电路实验系统 一台三、实验内容以实验台上的4个红色电平指示灯，4个绿色电平指示灯模仿路口的东南西北4个方向的红，绿，黄交通灯。控制这些交通灯，使它们按下列规律亮，灭。(1) 初始状态为4 个方向的红灯全亮，时间1s。(2) 东，西方向绿灯亮，南，北方向红灯亮。东，西方向通车，时间5s。(3) 东，西方向黄灯闪烁，南，北方向红灯，时间2s。(4) 东，西方向红灯亮，南，北方向绿灯亮。南，北方向通车，时间5s。(5) 东，西方向红灯闪烁，南，北方向黄灯闪烁，时间2s。(6) 返回(2)，继续运行。(7) 如果发生紧急事件，例如救护车，警车通过，则按下单脉冲按钮，使得东，南，西，北四个方向红灯亮。紧急事件结束后，松开单脉冲按钮，将恢复到被打断的状态继续运行。四、设计思路(1) 熟悉掌握使用枚举类型数据格式结合CASE 语句实现状态机设计。(2) 这是一个典型的时序状态机，一共6 个大的状态。由于各个状态停留时间不同，但都是秒的倍数。可以考虑设计当前状态与下一状态两个枚举型数据，每秒刷新旧状态值，各个状态的timeout 时对下一状态赋值。(3) 黄灯闪烁可通过连续两0.2s，灭0.2s实现。(4) 选择实验台上的5kHz 频率时钟，作为设计中分频的初始时钟。(5) 紧急事件发生时，要注意保存必要的信息，已被紧急事件结束后，恢复到原状态继续运行使用。图3-1 交通灯控制框图五、设计方案LIBRARY ieee;USE ieee.std_logic_1164.all;ENTITY tralight isport (数字逻辑课程设计12restart,emergency,clk: in std_logic;-restart为复位信号,emergency为紧急事件信号,clk为实验台上的5kHz频率时钟，作为设计中分频的初始时钟light : out std_logic_vector(11 downto 0);-light输出到实验台上12个指示灯ARCHITECTURE art of tralight istype trafficstate is (s0,s1,s2,s3,s4); -交通灯状态signal current_state,next_state: trafficstate; -当前状态,转移状态signal en1,en2,en3,en4, c,c1,c2,c3,c4: std_logic;-en为计数器使能控制信号,c为计数器进位信号signal temp1: integer range 0 to 49999; -产生1s计数器时计数signal temp2: integer range 0 to 99999; -产生2s计数器时计数signal temp3: integer range 0 to 249999; -产生5s计数器时计数signal temp4: integer range 0 to 9999; -产生0.2s计数器时计数begin-1s计数器,对5kHz原始信号进行5000分频,每秒产生一个进位脉冲c1process(clk,en1)beginif (clkevent and clk=1) thenif (temp1=49999 and en1=1 and emergency=0) thentemp1=0;c1=1;elsif (en1=1 and emergency=0) thentemp1=temp1+1;c1=0;end if;end if;if (en1=0) thenc1=0;temp1=0;end if;end process;-2s计数器,对5kHz原始信号进行10000分频,每两秒产生一个进位脉冲c2process(clk,en2)beginif (clkevent and clk=1) thenif (temp2=99999 and en2=1 and emergency=0) thentemp2=0;c2=1;elsif (en2=1and emergency=0) thentemp2=temp2+1;c2=0;数字逻辑课程设计13end if;end if;if (en2=0) thenc2=0;temp2=0;end if;end process;-5s计数器,对5kHz原始信号进行25000分频,每五秒产生一个进位脉冲c3process(clk,en3)beginif (clkevent and clk=1) thenif (temp3=249999 and en3=1 and emergency=0) thentemp3=0;c3=1;elsif (en3=1 and emergency=0) thentemp3=temp3+1;c3=0;end if;end if;if (en3=0) thentemp3=0;c3=0;end if;end process;-0.2s计数器,对5kHz原始信号进行10000分频,每0.2秒产生一个进位脉冲c4process(clk,en4)beginif (clkevent and clk=1) thenif (temp4=9999 and en4=1) thentemp4=0;c4=not c4;elsif (en4=1) thentemp4=temp4+1;end if;end if;end process;c=c1 or c2 or c3; -进位信号控制状态转移process (c,restart) -状态转移进程beginif (restart=1) then-复位信号使状态回到s0,即红灯全亮1scurrent_state=s0;数字逻辑课程设计14elsif (cevent and c=0) then-遇到计数器进位转移到下一状态current_state=next_state;end if;end process;process (current_state,emergency) -控制状态转移,信号灯亮灭beginif(emergency=1) then-紧急状态红灯全亮light -初始四个方向的红灯全亮,延时1秒light=000000001111;en2=0;en3=0;en1=1;next_state -东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮,延时5秒en1=0;en2=0;light=010100001010;en3=1;next_state -东西方向黄灯闪，南北方向红灯亮,延时2秒en3=0;en2=1;en4=1;light(11 downto 7 )=00000;light(6)=c4;light(5)=0;light(4)=c4;light(3 downto 0)=1010;next_state -东西方向红灯亮，南北方向绿灯亮,延时5秒en2=0;en4=0;en3=1;light=101000000101;next_state -东西方向红灯闪，南北方向黄灯闪,延时2秒en3=0;en2=1;en4=1;light(11 downto 8 )=0000;数字逻辑课程设计15light(7)=c4;light(6)=0;light(5)=c4;light(4 downto 0)=00101;next_state=s1;end case;end if;end process;end art;六、调试中出现的问题及解决方法这次实验总体思路比较清晰，不需要太多的输入，只有复位和紧急状态输入，但是在具体实现上遇到了一些问题，有的地方有毛刺现象。 对于实验中要求的四个时间计数器，开始我们考虑的是只写一个0.2s的计数器，放在例化元件里，状态需要的时间可以多次调用该元件，但是实际操作中需要用控制信号控制计数器的运行，在一个计数器里不好控制，最终我们采用四个计数器的进程。 在交通灯系统运行过程中，我们发现同一个状态的时间是不稳定的，如5s 状态可能只进行了2s就跳到下一个状态。这其实是一个很严重的问题，也是我们最后才想明白的。解决方法是：控制信号使计数器停止工作时(既状态转移使en=0)，将进位信号c 和计数的temp都清零。 一开始我们将紧急情况单独设置为一个状态，再次状态下所有计数器控制信号使计数器停止工作，但是由于问题2，计数的temp 清零，无法保存现场。对于此问题，我们采用另一种方法，不转移状态，只是单独让计数器停止工作，既让计数器在 emergency=1 的情况下，每当来一个脉冲，计数器加1。 对于黄灯闪的情况，我们发现light(11 downto 0 )=0000&c4&0&c4&00101并不能使黄灯闪烁，改为light(11 downto 8)= 0000;light(7)=c4;light(6)= 0;light(5)=c4;light(4 downto 0)= 00101;问题即可解决。七、层次设计的体会实验思路比较简单，我们没有采用元件例化的方法，但是模块划分仍然很清晰。程序可分为计数器模块，状态转移模块，输出模块(控制灯亮灭)。层次设计将大问题分解为较小的问题，可以提高效率，使思路清晰。八、比较不同种描述方式的心得实验中结构体的三种描述方式都用到了：数据流描述、结构描述、行为描述。数据流描述逻辑清晰、描述简单。结构描述使程序模块划分清晰，便于从宏观上把握程序功能，便于整体设计。行为描述更容易把握程序对于不同输入或者信号所做的动作。根据不同情况选择不同描述方法可以使程序得到优化。九、本次设计的收获和不足本次设计我们首次用到了枚举类型数据格式结合CASE 语句实现状态机设计，了解了状