EDA实验教程–红绿灯.ppt

内容概要 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 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 ： 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?…… 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。 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。 基于状态机的设计 有限状态机 有限状态机（FSM，Finite State machine）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Verilog HDL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。 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。 状态机的3种表示方法 状态图、状态表和流程图 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-Hot State Machine Encoding）。 采用Verilog HDL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。 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）。 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。 设计思路 根据其功能要求（如正常运行状态下的交通灯自动转换规律，人工放行功能及限制规则），确定其输出信号，以便控制两组交通灯的亮或灭，并在交通岗内向交通警察显示人工放行的状态。 该控制器的逻辑模型可分为三个部分：工作状态控制器、操作规则实现电路以及红绿灯信号生成器。 (1)工作状态控制器 功能：根据输入信号（f1、f2和reset）确定系统当前的工作状态是为“正常运行”状态或“A一直放行”或“B一直放行”状态。 工作状态控制器是一个简单的具有三状态（normal,fr1,fr2）的有限状态机。其输入分别为人工放行A方向的控制信号f1、人工放行B方向的控制信号f2及复位信号reset（均为高有效），其输出为人工控制时A方向、B方向的放行状态 . （2）操作规则实现电路 功能：根据交通红绿灯控制器的功能要求，确定不同工作状态下计时器的计数值。可用8位计数器来实现定时计数。 正常运行时，计数器按照规定的定时要求加1计数；若要人工放行某方向，只要使计时器运行到该放行状态的最后一刻时，计时器保持此时的计数值，使红绿灯信号生成器暂停