《實驗五交通燈控制》PPT課件.ppt

1、2020/8/21,1,計算機EDA設(shè)計實驗教程,實驗五 交通紅綠燈控制器,北航計算機學(xué)院 艾明晶,2020/8/21,2,內(nèi)容概要,實驗?zāi)康?實驗要求 實驗原理 實驗方案 實驗內(nèi)容 實驗報告,2020/8/21,3,了解交通紅綠燈控制器的工作原理。 掌握建立狀態(tài)機的邏輯模型的方法。 掌握狀態(tài)機的實現(xiàn)和多個狀態(tài)機的組合使用方法,實驗?zāi)康?2020/8/21,4,假定十字路口馬路的A方向和B方向各有一組紅、黃、綠三個燈組成的交通燈，要求設(shè)計一個交通紅綠燈控制器，實現(xiàn)對這兩組交通燈的管理。正常時，交替放行十字交叉路的兩個方向，放行時間相等；交通堵塞時，由交通警察人工控制某方向的放行時間，以便按照交

2、通負(fù)荷疏導(dǎo)阻塞車輛。 具體功能要求如下 ：,實驗要求,2020/8/21,5,在正常運行狀態(tài)下，兩組交通燈按以下規(guī)律自動進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在不同時刻分別放行不同方向上的車輛： （綠，紅）50s（黃綠，紅）5s（黃，紅）20s（紅黃，紅）20s（紅，黃）10s （紅，綠）50s（紅，黃綠）5s（紅，黃）20s（紅，紅黃）20s（黃，紅）10s （綠，紅）50s,2020/8/21,6,人工放行：若某一方向發(fā)生交通阻塞，則交通警察按下該方向的放行按鈕來人工控制放行該方向，則紅綠燈自動將相應(yīng)方向的道路放行，此后不會自動放行另一個方向的道路，直到疏通后，按“恢復(fù)到正常狀態(tài)”按鈕，重新進(jìn)入正常運行狀態(tài)。 如果某

3、方向處于人工放行的狀態(tài)，應(yīng)有指示燈指示這一情況。,2020/8/21,7,人工控制放行遵循如下限制規(guī)則： 有黃燈亮?xí)r，不允許立刻改變放行方向，必須按正常運行到所需放行的方向時，才保持放行該方向； 每個方向的放行時間不得小于某一最小值（假定為30秒鐘），以免車輛頻繁起停。 只有在（綠，紅）20s和（紅，綠）20s狀態(tài)下，可以人工控制改變放行方向，即直接跳轉(zhuǎn)到下一狀態(tài)。,2020/8/21,8,基于狀態(tài)機的設(shè)計 有限狀態(tài)機 有限狀態(tài)機（FSM，F(xiàn)inite State machine）是時序電路設(shè)計中經(jīng)常采用的一種方式，尤其適合于設(shè)計數(shù)字系統(tǒng)的控制模塊。在Verilog HDL中采用case、if

4、-else語句可以很好地描述基于狀態(tài)機的設(shè)計。 狀態(tài)機包括組合邏輯部分和寄存器部分。組合邏輯部分又包括次態(tài)邏輯和輸出邏輯，分別用于狀態(tài)譯碼和產(chǎn)生輸出信號；寄存器部分用于存儲狀態(tài)。,實驗原理,2020/8/21,9,狀態(tài)機的次態(tài)是現(xiàn)態(tài)及輸入信號的函數(shù)，輸出信號根據(jù)狀態(tài)機的現(xiàn)態(tài)或輸入信號而定。 狀態(tài)機可分為兩類：摩爾（Moore）型狀態(tài)機和米里（Mealy）型狀態(tài)機。Moore型狀態(tài)機，其輸出只為狀態(tài)機當(dāng)前狀態(tài)的函數(shù)，而與輸入無關(guān)。Mealy型狀態(tài)機，其輸出不僅與狀態(tài)機當(dāng)前狀態(tài)有關(guān)，而且與輸入有關(guān)。,2020/8/21,10,2020/8/21,11,狀態(tài)機的3種表示方法 狀態(tài)圖、狀態(tài)表和流程圖,

5、Mealy型狀態(tài)圖的表示,Moore型狀態(tài)圖的表示,2020/8/21,12,起始狀態(tài)的選擇 起始狀態(tài)指電路復(fù)位后所處的狀態(tài)，選擇一個合理的起始狀態(tài)將使整個系統(tǒng)簡捷高效。對于有限狀態(tài)機，必須有時鐘信號和復(fù)位信號！ 狀態(tài)編碼 采用log2N個觸發(fā)器來表示這N個狀態(tài) 采用N個觸發(fā)器來表示這N個狀態(tài)稱為一位熱碼狀態(tài)機編碼（One-Hot State Machine Encoding）。,2020/8/21,13,采用Verilog HDL語言實現(xiàn)基于狀態(tài)機的設(shè)計，就是在時鐘信號的觸發(fā)下，完成兩項任務(wù)： （1）用case或if-else語句描述出狀態(tài)的轉(zhuǎn)移； （2）描述狀態(tài)機的輸出信號。,2020/8

6、/21,14,輸入信號和輸出信號 輸入信號 clk：時鐘信號（fclk = 50MHz）； f1：人工放行A方向的控制信號（由“放行A”按鈕產(chǎn)生，高有效）； f2：人工放行B方向的控制信號（由“放行B”按鈕產(chǎn)生，高有效）； reset：復(fù)位信號（由“恢復(fù)到正常狀態(tài)”按鈕產(chǎn)生，高有效）。,2020/8/21,15,輸出信號 f1s、f2s：人工控制時A方向、B方向的放行狀態(tài)，驅(qū)動LED，高電平時點亮； s12.0、s22.0：交通燈信號輸出，分別用于控制A方向和B方向的紅、黃、綠燈的亮或滅，驅(qū)動LED，高電平時點亮。,2020/8/21,16,設(shè)計思路 根據(jù)其功能要求（如正常運行狀態(tài)下的交通燈自

7、動轉(zhuǎn)換規(guī)律，人工放行功能及限制規(guī)則），確定其輸出信號，以便控制兩組交通燈的亮或滅，并在交通崗內(nèi)向交通警察顯示人工放行的狀態(tài)。 該控制器的邏輯模型可分為三個部分：工作狀態(tài)控制器、操作規(guī)則實現(xiàn)電路以及紅綠燈信號生成器。,2020/8/21,17,(1)工作狀態(tài)控制器 功能：根據(jù)輸入信號（f1、f2和reset）確定系統(tǒng)當(dāng)前的工作狀態(tài)是為“正常運行”狀態(tài)或“A一直放行”或“B一直放行”狀態(tài)。 工作狀態(tài)控制器是一個簡單的具有三狀態(tài)（normal,fr1,fr2）的有限狀態(tài)機。其輸入分別為人工放行A方向的控制信號f1、人工放行B方向的控制信號f2及復(fù)位信號reset（均為高有效），其輸出為人工控制時A方

8、向、B方向的放行狀態(tài) .,預(yù)習(xí)時請畫出其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。 想一想，工作狀態(tài)控制器為Mealy型狀態(tài)機還是Moore型狀態(tài)機，為什么？,2020/8/21,18,（2）操作規(guī)則實現(xiàn)電路 功能：根據(jù)交通紅綠燈控制器的功能要求，確定不同工作狀態(tài)下計時器的計數(shù)值?？捎?位計數(shù)器來實現(xiàn)定時計數(shù)。 正常運行時，計數(shù)器按照規(guī)定的定時要求加1計數(shù)；若要人工放行某方向，只要使計時器運行到該放行狀態(tài)的最后一刻時，計時器保持此時的計數(shù)值，使紅綠燈信號生成器暫停狀態(tài)的轉(zhuǎn)移即可。,2020/8/21,19,設(shè)計技巧：將放行某方向的整個時間（50s）分為兩段，前30s為正常運行狀態(tài)下的最小放行時間，計時器正常計數(shù)；后20s為

9、允許人工放行時間，可根據(jù)工作狀態(tài)控制器的狀態(tài)機（f1s和f2s）進(jìn)行判斷，是否欲人工放行另一方向，或是繼續(xù)放行原方向，或是正常運行，然后根據(jù)判斷結(jié)果來確定計時器的計數(shù)值。,限制規(guī)則示意圖,2020/8/21,20,（3）紅綠燈信號生成器 功能：根據(jù)定時計數(shù)器的計數(shù)值來確定紅綠燈信號的輸出。 這是一個簡單的狀態(tài)機，共有10個不同狀態(tài)，有6個輸出，為s12.0和s22.0，分別用于控制A、B兩個方向的紅、黃、綠燈的亮或滅。 可以對照圖5-1“正常運行狀態(tài)下兩組交通燈自動轉(zhuǎn)換規(guī)律”，根據(jù)計時器的計數(shù)值來確定紅綠燈信號生成器的輸出。注意計時器的一個工作循環(huán)為一個正常的紅綠燈工作周期，即210秒。,預(yù)習(xí)

10、時請畫出其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。,2020/8/21,21,設(shè)計方案的選擇 圖文混合設(shè)計方法：先將電路劃分為幾個子模塊，每個子模塊由Verilog HDL語言描述實現(xiàn)，然后生成邏輯符號，頂層文件采用圖形文件來實現(xiàn)。 純文本描述方法：每個子模塊和頂層電路的連接關(guān)系都采用Verilog HDL語言描述實現(xiàn)，對子模塊的調(diào)用采用模塊元件例化的方法。,2020/8/21,22,實驗方案,方案一 1. 設(shè)計思路 根據(jù)控制器的邏輯模型，將整個電路分為3個子模塊，即工作狀態(tài)控制器state_ctrl.v、操作規(guī)則實現(xiàn)電路rule.v和紅綠燈信號生成器sig_gen.v，它們均采用Verilog HDL語言實現(xiàn)。然后形成

11、頂層圖形設(shè)計文件trgl_top.bdf。,2020/8/21,23,工作狀態(tài)控制器state_ctrl.v,2020/8/21,24,操作規(guī)則實現(xiàn)電路rule.v,2020/8/21,25,紅綠燈信號生成器sig_gen.v,2020/8/21,26,頂層圖形設(shè)計文件trgl_top.bdf,2020/8/21,27,2. 對trgl_top.bdf進(jìn)行時序仿真。 3. 創(chuàng)建下載用頂層文件 將trgl_top.bdf另起名保存（如trgl_top_p.bdf），并在其時鐘輸入引腳后增加時鐘分頻模塊clkdiv_50MHz_to_1Hz，將輸入時鐘fclk = 50MHz分頻為f = 1Hz，

12、即T =1s。 編譯，引腳鎖定。,2020/8/21,28,編程下載文件trgl_top_p.bdf,2020/8/21,29,方案二 1. 設(shè)計思路 將控制器的三部分電路有機地結(jié)合到一起，用一個文件采用Verilog HDL語言實現(xiàn)，文件名為trgl2.v。其中用到了兩個reg型中間變量： （1）state：工作狀態(tài)控制狀態(tài)機，具有3個狀態(tài)（normal, fr1, fr2）。 （2）8位寄存器cnt7.0：用于紅綠燈信號生成器的定時計數(shù)。 采用3個always模塊來實現(xiàn)這三部分電路（實際上就是將方案一中的3個子模塊的Verilog HDL描述放到一個文本文件中）。,2020/8/21,30

13、,2. 在Quartus中進(jìn)行時序仿真 3. 設(shè)計下載用頂層文件，編程下載 采用Verilog HDL語言設(shè)計頂層文件 引腳鎖定，編程下載 .,2020/8/21,31,分別畫出工作狀態(tài)控制器和紅綠燈信號生成器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，操作規(guī)則實現(xiàn)電路的程序流程圖 采用方案一或方案二（有余力的同學(xué)也可以兩種方案都采用），按實驗要求給出的功能要求設(shè)計交通紅綠燈控制器。,實驗內(nèi)容,2020/8/21,32,仿真 使輸入信號均無效，仿真至少一個循環(huán)周期的正常運行狀態(tài)。觀察狀態(tài)機state1.0以及輸出信號f1s、f2s、s12.0和s22.0的變化。將仿真結(jié)果保存為trgl_top(normal).vwf。 正

14、常運行時的仿真參考波形一：,2020/8/21,33,正常運行時的仿真參考波形二（210秒為一周期）：,2020/8/21,34,在不同的時段給定不同的輸入信號，在每種情況下觀察狀態(tài)機state1.0以及輸出信號f1s、f2s、s12.0和s22.0的變化.,2020/8/21,35,設(shè)計下載用頂層文件 仿真完全正確后，在原設(shè)計基礎(chǔ)上增加時鐘分頻模塊，將輸入時鐘fclk = 50MHz分頻為f = 1Hz，即T = 1s，形成下載用頂層文件（可以為圖形設(shè)計文件或.v文本設(shè)計文件）。對下載用頂層文件進(jìn)行全編譯。,2020/8/21,36,引腳鎖定 本實驗采用模式3所有按鍵為琴鍵式按鍵，即當(dāng)按下鍵

15、時，輸出為高電平；當(dāng)松開鍵時，輸出為低電平。可通過按下鍵的時間的長短來控制正脈沖的寬度。 clk：系統(tǒng)時鐘信號，50MHz，接FPGA引腳Pin28。注意應(yīng)將下圖中的J6插到Clock0的位置，并將實驗箱右下角“時鐘頻率選擇”區(qū)域Clock0的時鐘選擇跳線接到50MHz的位置。,2020/8/21,37,編程下載 利用GW48-SOPC+開發(fā)系統(tǒng)實現(xiàn)設(shè)計的編程下載。編程器件為EP1C12Q240C8。使用開發(fā)系統(tǒng)上的晶振提供的全局時鐘信號（fclk = 50MHz）（Pin28），用琴鍵式按鈕開關(guān)鍵1、鍵2和鍵3（均為高有效）實現(xiàn)人工控制放行A方向和B方向、復(fù)位功能，用8個發(fā)光二極管（高有效）

16、D1D8，分別顯示輸出信號s12.0、s22.0、f1s和f2s。,2020/8/21,38,在線校驗 下載后，仔細(xì)觀察：紅綠燈應(yīng)按設(shè)定的時間規(guī)律自動切換，D1D8八個LED分別對應(yīng)的是：A方向的紅黃綠，B方向的紅黃綠，A方向的放行狀態(tài)，B方向的放行狀態(tài)。 然后按下鍵1，表示欲人工放行A方向，則相應(yīng)LED有顯示；同時兩個方向的紅綠燈按正常運行規(guī)律自動切換，當(dāng)運行到放行A方向時，則保持放行該方向。 再按下鍵2，表示欲人工放行B方向，則相應(yīng)LED有顯示；同時兩個方向的紅綠燈按正常運行規(guī)律自動切換，當(dāng)運行到放行B方向時，則保持放行該方向。 再按下鍵3，表示清除人工方向的控制，則交通燈開始自動轉(zhuǎn)換紅黃綠燈的狀態(tài)。,2020/8/21,39,給出紅綠燈信號生成器和工作狀態(tài)控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，以及操作規(guī)則實現(xiàn)電路的程序流程圖。 給出控制器邏輯模型的仿真波形的截圖，并根據(jù)仿真結(jié)果詳細(xì)分析交