用状态机设计交通灯.doc

《EDA技术综合设计》

课程设计报告

报 告 题 目： 用状态机设计交通灯
作者所在系部： 电子工程系
作者所在专业：
作者所在班级：
作 者 姓 名 ：
指导教师姓名：
完 成 时 间 ：

内 容 摘 要
本报告通过用状态机对交通信号灯的设计，完成对红、绿、黄三盏灯状态变换的控制，进而完成对十字路口交通通断的控制。本实验以VHDL语言为基础，状态机为工具，完成四种交通状态的控制，即主道有车支道无车，主道无车支道有车，主道支道均有车，主道支道均无车四种状态。 以主支道的安装的传感器为信号输入，感应道路有无车辆，
实现交通自动化控制。
状态机一般用来描述数字系统的控制单元，是许多数字电路的核心元件。状态机包括输入信号、输出信号、状态译码器和状态寄存器。状态寄存器用来记忆状态机的内部状态。状态寄存器的下一个状态及输出不仅同输入信号有关，而且还与寄存器的当前状态有关，即下一个状态根据当前状态和输入决定。
关键词：交通灯 状态机 传感器 VHDL语言 自动化控制

目 录
一 概 述 ………… ………………………………………………………4
二 方案设计与论证………………………………………………………………4
三 单元电路设计…………………………………………………………………4
1. 传感器状态设计……………………………………………………… …4
2．状态寄存器设计…………………………………………………………4
3. 中间变量设计…………………………………………………………… 5
四 器件编程与下载………………………………………………………………5
五 性能测试与分析………………………………………………………………7
六 实验设备………………………………………………………………………7
七 心得体会………………………………………………………………………7
八 参考文献………………………………………………………………………7

课程设计任务书
课题
名称
交通信号灯的设计
完成
时间

指导
教师

职称

学生
姓名

班级

总体设计要求和技术要点
1. 用VHDL语言并利用状态机设计交通信号灯；
2. 进行程序编辑、调试和仿真；
3. 完成程序硬件下载，并观察实验结果；
4. 完成课程设计报告。
课程设计成果
1． 完成交通信号灯实验程序，仿真成功；
2． 程序下载顺利，并成功通过硬件实验；
3． 通过验收；
4． 完成课程设计实验报告；

一、概述
本次实验用状态机作为工具，运用电子EDA实验开发系统进行硬件下载实验，实现了用VHDL语言模拟实现了对交通信号的自动化控制。
二、方案设计与论证
交通灯信号控制器用于主干道m与支道f的交叉路口，两个路口都配有传感器以检测有无车辆通行。应优先保证主干道的畅通，即当支道无车时，总处于“主干道绿灯，支道红灯”状态。当主道、支道都有车时，则轮流切换通行。且只有在支道有车辆要穿行主道时，才切向“主干道红灯、支道绿灯”，但一旦支道无车无车辆时，交通灯又立即回到“主干道绿灯、支道红灯”状态。若主干道始终无车而支道又始终有车时，则保持“主干道红灯、支道绿灯”。打同样如此：一旦支道无车辆时，交通灯又立即回到“主干道绿灯、支道红灯”。此外，主干道和支道每次通行的时间为20s，而在两个状态交换过程出现的“主黄、支红”和“主红、支黄”状态，持续时间都为4s。
三、单元电路设计
1.传感器状态设计。
Sens(0)、Sens(1)分别为主、支道安装的传感器，检测是否有车辆通过。主道支道均没车时sens=”00”,主道支道均有车时sens=”11”，主道有车支道没车时sens=”10”,主道没车支道有车时sens=”01”。此程序中用case语句定义。
2.状态寄存器设计。
利用传感器的四种输入状态控制交通红绿灯的四种输出状态，xianshi作为状态寄存器，它的四种输出控制交通灯的四种状态，即
xianshi=”00”时Rm<='0';Ym<='1';Gm<='0';Rf<='1';Yf<='0';Gf<='0'；xianshi=”11”时Rm<='1';Ym<='0';Gm<='0';Rf<='0';Yf<='0';Gf<='1'；xianshi=”01”时Rm<='0';Ym<='0';Gm<='1';Rf<='1';Yf<='0';Gf<='0'；xianshi=”10”时Rm<='1';Ym<='0';Gm<='0';Rf<='0';Yf<='1';Gf<='0'。
其中‘1’代表灯亮，‘0’代表灯不亮。
3.中间变量设计。
变量fx,fx0作为中间变量，负责传感器与交通灯输出的连接，‘1’代表主干道通，‘0’代表支道通。fx0记录上一次的交通状态。本次状态fx由传感器的状态和上一次的交通状态决定。当发生交通转换时交通等的状态刷新，时间复位。
四、器件编程与下载
1．实验程序

LIBRARY ieee;
USE ieee.std_logic_1164.ALL;
USE ieee.std_logic_unsigned.ALL;
ENTITY xhd IS
PORT(clk0,sens_m,sens_f:IN std_logic;----定义引脚
Rm,Ym,Gm:OUT std_logic;
Rf ,Yf,Gf:OUT std_logic);
END xhd;
-----------------------------------------
ARCHITECTURE behave OF xhd IS
SIGNAL sens:std_logic_vector(1 DOWNTO 0);
SIGNAL xianshi:std_logic_vector(1 DOWNTO 0);----状态寄存器
BEGIN
sens(0)<=sens_f;
sens(1)<=sens_m;
-----------------------------进程1-----------------
zhuangtaiyima:process(clk0)
VARIABLE fx:bit:='0';
VARIABLE fx0:bit:='0';
VARIABLE time:integer:=0;
begin

if(clk0'event and clk0='1') then
if(time<20) then time:=time+1;
end if;
end if;
case sens IS
WHEN "11" => if(time>=20) then fx:=not fx0;end if;----通行方向译码
WHEN "01" => fx:='0';
WHEN "10" => fx:='1';
WHEN "00" => fx:='1';
WHEN others => fx:='1';
end case;
if(fx/=fx0)
then fx0:=fx;time:=0;----保存本次的状态，时间清零
end if;
if(fx='1') then xianshi(1)<='0';
else xianshi(1)<='1';
end if;
if(time<4) then
xianshi(0)<='0';
else xianshi(0)<='1';
end if;

end process zhuangtaiyima;
------------------------------进程2------------------------
shuchuyima:process(xianshi)----译码部分
begin
case xianshi is
when "00" => Rm<='0';Ym<='1';Gm<='0';Rf<='1';Yf<='0';Gf<='0';
when "01" => Rm<='0';Ym<='0';Gm<='1';Rf<='1';Yf<='0';Gf<='0';
when "10" => Rm<='1';Ym<='0';Gm<='0';Rf<='0';Yf<='1';Gf<='0';
when "11" => Rm<='1';Ym<='0';Gm<='0';Rf<='0';Yf<='0';Gf<='1';
when others=>Rm<='1';Ym<='1';Gm<='1';Rf<='1';Yf<='1';Gf<='1';
end case;
end process shuchuyima;
end behave;
----------------------------结束----------------------------

2.程序下载
选择器件，锁定引脚，按电路要求连线。输入1Hz的脉冲作为时钟源。
五、性能测试与分析
观察实验输出与实验要求输出是否一致，一致则可完成对交通信号灯的控制。即优先保证主干道的畅通，即当支道无车时，总处于“主干道绿灯，支道红灯”状态。当主道、支道都有车时，则轮流切换通行。且只有在支道有车辆要穿行主道时，才切向“主干道红灯、支道绿灯”，但一旦支道无车无车辆时，交通灯又立即回到“主干道绿灯、支道红灯”状态。若主干道始终无车而支道又始终有车时，则保持“主干道红灯、支道绿灯”。
主支道均有车的仿真图：

可以看出两通道交替通行，在状态转换时黄灯亮。仿真结果与预期相同。
六、实验设备
计算机一台、电子EDA实验开发系统一套。
七、心得体会
通过本次课程设计领悟了EDA的工作原理，学会了各个并行进程之间相互通信协同工作的过程。进一步了解了VHDL语言的结构和编程方法，并通过硬件实验和对FPGA的程序下载初步掌握了电子EDA的设计方法，为以后的学习打下基础。
程序仿真是理想环境下的结果，容易实现，而移植到硬件系统上会出现实际的问题，比如接线的不稳定等，需要耐心排查故障，找出解决方案。
对交通灯的控制需要处理好各种状态间的转换关系，先要进行各个模块的分割分装，在进行逻辑分析的基础上编写程序。

八、参考文献
[1] 李国洪 EDA技术与实验 机械工业出版社 2009
[2] EDA-V型实验指导 北京理工达盛科技有限公司

指导教师评语及设计成绩

评 语

课程设计成绩：

指导教师：

日期： 年 月 日

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