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6/30/20231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6/30/20232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6/30/20233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6/30/20234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……6/30/20235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。6/30/20236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。6/30/20237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6/30/20238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。

6/30/20239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6/狗26吵/2附02序310状态投机的3种表周示方搜法状态异图、煮状态坚表和鹿流程牵图输入/输出现态次态输入现态输出次态输出Me泥al倚y型状桶态图沉的表滚示Mo貌or表e型状矮态图绳的表寺示6/凝26系/2匪02鹅311起始酿状态停的选但择起始镜状态颂指电夸路复尘位后勺所处脸的状图态，毅选葛择一柿个合尤理的衬起始掌状态意将使拍整个衬系统委简诉捷高纱效。店对于迈有限管状态尚机，乓必须炒有时猎钟距信号松和复秤位信茧号！状态辟编码采用lo偏g2待N个触钉发器腊来表惨示这N个状乖态采用N个触姻发器牧来表久示这N个状近态——称为筹一位龙热码恭状态裁机编租码（On茅e-鸣Ho萍t齐St煎at云e鼠Ma摄ch肝in柄e拿En藏co美di贼ng）。6/问26含/2侍02窜312采用Ve插ri浑lo怠gHD喂L语言洞实现号基于线状态糖机的查设计伴，就苏是在油时钟炒信号益的触范发下锻，完初成两饱项任拜务：（1）用ca瓦se或if艺-e学ls谷e语句告描述枣出状阳态的轧转移伟；（2）描啊述状宫态机败的输逆出信脑号。6/尊26侮/2桶02住313输入烧信号槐和输恢出信蒸号输入刮信号cl源k：时钟私信号么（fc掀lk=降50惭MH羽z）；f1：人工肢放行A方向壮的控弦制信膛号（现由“牲放行A”按钮扫产生挡，高微有效陈）；f2：人工技放行B方向石的控裕制信缘瑞号（爹由“巷放行B”按钮友产生冻，高很有效叛）；re毅se卫t：复位弹信号稍（由蜂“恢户复到量正常卧状态拨”按移钮产符生，誉高有盲效）愉。6/吼26战/2朗02没314输出状信号f1葬s、f2骆s：人工蚀控制侮时A方向蕉、B方向皮的放请行状维态，郑驱动LE涉D，高电涂平时娃点亮槐；s1虽[2泉..季0]、s2嘉[2凳..经0]：交通凯灯信歌号输溪出，遇分别关用于机控制A方向访和B方向吴的红很、黄体、绿升灯的欣亮或棵灭，只驱动LE售D，高电贫平时成点亮如。6/当26好/2供02夜315设计骄思路根据翻其功汪能要聚求（颤如正县常运沈行状或态下俘的交悲通灯果自动默转换框规律嫌，人团工放备行功蛛能及冤限制赛规则脸），秃确定淡其输批出信滋号，扒以便待控制哲两组工交通咸灯的葛亮或窝灭，终并在袖交通置岗内饭向交富通警慨察显及示人总工放竭行的朴状态贼。该控仰制器午的逻含辑模寒型可脚分为炕三个城部分壮：工饮作状蚊态控葛制器歪、操黄作规沿则实蜓现电识路以题及红甚绿灯絮信号嘱生成啦器。6/柜26震/2兰02培316(1菠)工作从状态桃控制跳器功能炒：根库据输镇入信锐号（f1、f2和re换se孩t）确定绑系统谜当前汁的工堡作状知态是哈为“精正常荐运行去”状救态或毫“A一直惜放行口”或艺“B一直卧放行套”状气态。工作斤状态故控制蝴器是鱼一个烧简单歌的具肢有三掉状态玩（no地rm胸al办,f肯r1尽,f越r2）的有疮限状昌态机饮。其时输入艳分别智为人劫工放否行A方向项的控侨制信巨号f1、人工钥放行B方向购的控例制信编号f2及复所位信禽号re占se呜t（均为耕高有础效）省，其续输出愤为人搜工控萍制时A方向钥、B方向阔的放置行状边态.预习决时请觉画出饭其状繁态转炕移图踏。想一崭想，斗工作炸状态浓控制粒器为Me贼al耳y型状封态机哄还是Mo定or点e型状鸽态机筹，为炼什么彼？6/肚26盼/2袜02峡317（2）操浇作规全则实李现电戚路功能歇：根挥据交吉通红堪绿灯蒜控制唇器的箩功能烟要求疲，确刷定不顶同工钥作状设态下桥计时渠器的潜计数吸值。汤可用8位计暖数器活来实愚现定笔时计取数。正常久运行集时，造计数管器按不照规携定的贡定时恼要求渠加1计数简；若牲要人类工放驾行某许方向具，只次要使牵计时近器运贼行到隔该放婚行状发态的愈最后著一刻父时，窝计时壤器保甲持此耽时的惜计数恰值，掏使红谷绿灯扔信号唇生成远器暂而停状赴态的孩转移夹即可令。6/欲26电/2疏02荷318设计雄技巧：将虹放行朽某方妇向的坟整个超时间好（50瘦s）分为稍两段政，前30济s为正稼常运碰行状炭态下亩的最模小放岁行时茂间，琴计时回器正貌常计还数；铅后20瘦s为允狱许人浴工放耐行时宰间，辽可根线据工撞作状惹态控爱制器叙的状趟态机楚（f1堡s和f2腿s）进行楼判断岔，是快否欲惹人工轧放行棵另一闭方向炒，或痒是继陶续放短行原兼方向消，或倍是正百常运肾行，和然后劝根据原判断路结果潜来确删定计妙时器哥的计澡数值智。(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)正常运行限制午规则搁示意安图6/味26壁/2顶02越319（3）红移绿灯巾信号哥生成柿器功能砖：根善据定皱时计取数器摊的计续数值拔来确南定红孔绿灯石信号辣的输块出。这是绵一个我简单庄的状震态机协，共溉有10个不狡同状滩态，费有6个输霉出，买为s1累[2扔..个0]和s2胡[2言..报0]，分别话用于唇控制A、B两个瞧方向胖的红拾、黄顶、绿灯灯的抛亮或术灭。可以口对照言图5-事1“正常极运行龟状态彩下两淋组交窄通灯销自动启转换道规律勺”，免根据窝计时爽器的桃计数秤值来妹确定鞠红绿缴灯信不号生封成器凶的输甘出。变注意响计时衔器的惭一个驰工作攻循环阵为一稳个正坑常的品红绿骡灯工层作周押期，喉即21植0秒。预习额时请余画出岭其状铁态转矮移图彼。6/责26权/2奥02洋320设计控方案线的选盖择图文助混合仙设计眠方法给：先剑将电竭路划捆分为都几个蜻子模芬块，举每个贿子模崖块由Ve辽ri胳lo骗gHD筝L语言备描述孔实现县，然种后生摇成逻喝辑符救号，见顶层狠文件枝采用罗图形慰文件忙来实针现。纯文倾本描搁述方丹法：救每个驾子模犹块和赴顶层愤电路杯的连箩接关哭系都迅采用Ve任ri梳lo拘gHD肝L语言工描述股实现天，对听子模腾块的追调用酱采用匙模块剂元件您例化宏的方脖法。6/统26堵/2翁02宅321实验自方案方案挠一1.设计额思路根据占控制那器的凶逻辑盘模型侮，将投整个袭电路府分为3个子棉模块河，即浩工作茎状态迟控制纯器st拢at绑e_速ct钉rl也.v、操作勺规则电实现宁电路ru味le体.v和红绑绿灯辉信号核生成舍器si壶g_搜ge医n.标v，它们愁均采朗用Ve棋ri杨lo怜gHD孟L语言肉实现邪。然完后形胞成顶凭层图木形设敢计文捐件tr泼gl论_t咏op驻.b降df。6/迅26裕/2伸02贺322工作胜状态锈控制昌器st葬at旷e_窄ct港rl介.v6/乏26执/2涛02堵323操作屑规则拐实现谣电路ru耗le搂.v6/咐26贡/2晌02门324红绿舞灯信弹号生渔成器si捞g_只ge波n.这v6/探26咳/2阁02邪325顶层桐图形侨设计扭文件tr尖gl贫_t胡op狗.b骂df6/铁26怀/2桑02爽3262.对tr耐gl授_t栏op凑.b室df进行旅时序患仿真犯。3.创建下载反用顶层文件将tr姥gl径_t锄op线.b独df另起名棕保存你（如tr费gl信_t凤op奴_p五.b蔽df），并在脂其时芦钟输膨入引榴脚后良增加坟时钟细分频秃模块cl朗kd倡iv送_5影0M逆Hz伪_t桥o_恳1H世z，将输们入时鸣钟fc稻lk=基50验MH洋z分频枯为f恶=跃1H肿z，即T勺=1册s。编译寸，引测脚锁寇定。6/者26牌/2叹02唯327编程藏下载技文件tr锅gl_t释op忽_p勿.bd阿f6/寻26守/2核02侧328方案筛二1.设计凡思路将控柏制器炊的三报部分驼电路拣有机坏地结勇合到达一起葵，用旷一个拉文件辰采用Ve搅ri登lo党gHD胡L语言皂实现涉，文妨件名前为tr盲gl典2.认v。其中远用到趣了两县个re括g型中跨间变匆量：（1）st傲at毯e：工作烫状态像控制衫状态牲机，躲具有3个状巡寿态（no插rm鞋al链,岂fr贵1,溪f洗r2）。（2）8位寄道存器cn卵t[方7.匙.0悼]：用于积红绿厉灯信究号生玻成器幸的定舟时计绩数。采用3个al脚wa恰ys模块希来实差现这看三部侨分电项路（陕实际狗上就留是将租方案等一中沸的3个子首模块悉的Ve锅ri牲lo闪gHD坚L描述斜放到捉一个针文本眠文件奥中）置。6/江26严/2龄02背3292.在Qu命ar有tu袭sⅡ中进愉行时欺序仿爸真3.设计劈燕下载汤用顶袄层文想件，狭编程销下载采用Ve磨ri妈lo禽gHD庭L语言啦设计育顶层狭文件引脚傻锁定蛮，编锁程下锅载.6/午26锐/2墓02访330分别共画出才工作帖状态应控制寺器和趣红绿干灯信葬号生雅成器嚷的状播态转剩移图裳，操线作规宫则实康现电趟路的棚程序桃流程痰图采用碰方案坛一或晶方案瞎二（吨有余上力的膊同学求也可枕以两塔种方痰案都顷采用文），免按实嘉验要揪求给脆出的随功能吃要求圾设计潮交通锻红绿服灯控锤制器菊。实验席内容6/矿26余/2蕉02的331仿真使输光入信钩号均芳无效仇，仿纠真至低少一秋个循谱环周需期的继正常折运行享状态卵。观怕察状膏态机st抚at俯e[映1.壁.0墙]以及孔输出缩慧信号f1虏s、f2具s、s1狐[2党..桥0]和s2民[2戴..次0]的变桂化。畅将仿纪真结舒果保梳存为tr莫gl夫_t眉op杆(n粱or开ma台l)食.v召wf。正常拒运行伤时的汽仿真聋参考皆波形登一：6/笑26摄/2垒02屯332正常旋运行诸时的称仿真旨参考毙波形鸡二（21页0秒为看一周源期）恐：6/浆26彻/2摔02哈333在不周同的派时段所给定棕不同衬的输铺入信送号，寺在每层种情轿况下曲观察绑状态便机st灶at醉e[非1.盲.0虽]以及瞎输出刃信号f1辫s、f2因s、s1蔬[2占..嫂0]和s2燥[2箱..脏0]的变偷化.6/现26冬/2衔02程334设计汽下载给用顶糊层文艘件仿真碗完全法正确浑后，若在原爪设计惯基础叼上增督加时设钟分厌频模约块，铸将输叠入时际钟fc必lk=矮50甩MH丛z分频参为f参=角1H蛮z，即T乓=节1s，形成薯下载疮用顶缠层文城件（笛可以劈燕为图糖形设岗计文峡件或.v文本雅设计斯文件用）。趴对下歼载用屈顶层羡文件摇进行逆全编仰译。6/杨26法/2虽02矮335引脚地锁定本实谨验采禾用模垫式3—欧—所有哈按键柜为琴预键式防按键太，即枪当按寨下键仁时，蝇输出炊为高系电平历；当信松开贤键时辟，输垫出为醒低电疫平。筝可通钱过按滨下键辛的时含间的袭长短旱来控兽制正半脉冲届的宽喂度。cl厅k：系统御时钟分信号终，50国MH狂z，接FP顶GA引脚Pi济n2樱8。注意罩应将烦下图懒中的J6插到Cl政oc爆k0的位纽奉置，坝并将淹实验愁箱右隔下角焦“时抢钟频族率选找择”楚区域Cl赴oc消k0的时材钟选孟择跳态线接请到50革MH结z的位龙置。6/询26拢/2酷02抗336编程钩下载利用GW狮48该-S箱OP借C+开发厚系统参实现努设计医的编机程下茶载。享编程艺器件蔽为EP孙1C州12阶Q2越40询C8。使用牵开发微系统庸上的摆晶振往提供仪的全颠局时爬钟信摊号（fc短lk=茧50剃MH答z）（Pi像n2晌8），用琴钩键式遣按钮券开关泻键1、键2和键3（均蔑为高橡有效贵）实巩现人谢工控够制放磁行A方向屋和B方向疤、复池位功休能，普用8个发东光二栋极管播（高逢有效捆）D1窑~D河8，分别屑显示惭输出茧信号s1引[2萍..乌0]、s2忙[2剖..灿0]、f1轧s和f2桂s。6/和26付/2康02恶337在线聚校验下载隶后，形仔细夕观察总：红进绿灯口应按睡设定休的时奴间规搁律自脾动切想换，D1朋~D陕8八个LE层D分别斜对应件的是榆：A方向咸的红四黄绿黄，B方向葱的红井黄绿容，A方向鞋的放叠行状洞态，B方向看的放环行状剪态。然后崖按下鞠键1，表舅示欲奴人工妈放行A方向得，则骑相应LE鼠D有显纱示；萄同时此两个之方向谋的红稀绿灯别按正就常运差行规颜律自门动切果换，地当运年行到耍放行A方向狱时，报则保殃持放零行该负方向跳。再按义下键2，表塔