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1、2023/5/21,1,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,2023/5/21,2,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,2023/5/21,3,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,2023/5/21,4,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
2、塞车辆。具体功能要求如下：,实验要求,2023/5/21,5,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,2023/5/21,6,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，
3、应有指示灯指示这一情况。,2023/5/21,7,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。,2023/5/21,8,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
4、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,2023/5/21,9,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。,2023/5/21,10,2023/5/21,11,状态机的3种表示方法 状态图、状态表和流程图,Mealy型状态图的表示,Moore
5、型状态图的表示,2023/5/21,12,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）。,2023/5/21,13,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。,2023/5/21,14,输入信号和输出信号 输入信号
6、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）。,2023/5/21,15,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；s12.0、s22.0：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。,2023/5/21,16,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
7、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。,2023/5/21,17,(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.,预习时请画出其状态转移图。想一想，工作
8、状态控制器为Mealy型状态机还是Moore型状态机，为什么？,2023/5/21,18,（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状态的转移即可。,2023/5/21,19,设计技巧：将放行某方向的整个时间（50s）分为两段，前30s为正常运行状态下的最小放行时间，计时器正常计数；后20s为允许人工放行时间，可根据工作状态控制器的状态机（f1s和f2s）进行
9、判断，是否欲人工放行另一方向，或是继续放行原方向，或是正常运行，然后根据判断结果来确定计时器的计数值。,限制规则示意图,2023/5/21,20,（3）红绿灯信号生成器 功能：根据定时计数器的计数值来确定红绿灯信号的输出。这是一个简单的状态机，共有10个不同状态，有6个输出，为s12.0和s22.0，分别用于控制A、B两个方向的红、黄、绿灯的亮或灭。可以对照图5-1“正常运行状态下两组交通灯自动转换规律”，根据计时器的计数值来确定红绿灯信号生成器的输出。注意计时器的一个工作循环为一个正常的红绿灯工作周期，即210秒。,预习时请画出其状态转移图。,2023/5/21,21,设计方案的选择 图文混
10、合设计方法：先将电路划分为几个子模块，每个子模块由Verilog HDL语言描述实现，然后生成逻辑符号，顶层文件采用图形文件来实现。纯文本描述方法：每个子模块和顶层电路的连接关系都采用Verilog HDL语言描述实现，对子模块的调用采用模块元件例化的方法。,2023/5/21,22,实验方案,方案一1.设计思路根据控制器的逻辑模型，将整个电路分为3个子模块，即工作状态控制器state_ctrl.v、操作规则实现电路rule.v和红绿灯信号生成器sig_gen.v，它们均采用Verilog HDL语言实现。然后形成顶层图形设计文件trgl_top.bdf。,2023/5/21,23,工作状态控
11、制器state_ctrl.v,2023/5/21,24,操作规则实现电路rule.v,2023/5/21,25,红绿灯信号生成器sig_gen.v,2023/5/21,26,顶层图形设计文件trgl_top.bdf,2023/5/21,27,2.对trgl_top.bdf进行时序仿真。3.创建下载用顶层文件将trgl_top.bdf另起名保存（如trgl_top_p.bdf），并在其时钟输入引脚后增加时钟分频模块clkdiv_50MHz_to_1Hz，将输入时钟fclk=50MHz分频为f=1Hz，即T=1s。编译，引脚锁定。,2023/5/21,28,编程下载文件trgl_top_p.bdf
12、,2023/5/21,29,方案二1.设计思路 将控制器的三部分电路有机地结合到一起，用一个文件采用Verilog HDL语言实现，文件名为trgl2.v。其中用到了两个reg型中间变量：（1）state：工作状态控制状态机，具有3个状态（normal,fr1,fr2）。（2）8位寄存器cnt7.0：用于红绿灯信号生成器的定时计数。采用3个always模块来实现这三部分电路（实际上就是将方案一中的3个子模块的Verilog HDL描述放到一个文本文件中）。,2023/5/21,30,2.在Quartus中进行时序仿真 3.设计下载用顶层文件，编程下载 采用Verilog HDL语言设计顶层文件
13、 引脚锁定，编程下载.,2023/5/21,31,分别画出工作状态控制器和红绿灯信号生成器的状态转移图，操作规则实现电路的程序流程图 采用方案一或方案二（有余力的同学也可以两种方案都采用），按实验要求给出的功能要求设计交通红绿灯控制器。,实验内容,2023/5/21,32,仿真 使输入信号均无效，仿真至少一个循环周期的正常运行状态。观察状态机state1.0以及输出信号f1s、f2s、s12.0和s22.0的变化。将仿真结果保存为trgl_top(normal).vwf。正常运行时的仿真参考波形一：,2023/5/21,33,正常运行时的仿真参考波形二（210秒为一周期）：,2023/5/21
14、,34,在不同的时段给定不同的输入信号，在每种情况下观察状态机state1.0以及输出信号f1s、f2s、s12.0和s22.0的变化.,2023/5/21,35,设计下载用顶层文件 仿真完全正确后，在原设计基础上增加时钟分频模块，将输入时钟fclk=50MHz分频为f=1Hz，即T=1s，形成下载用顶层文件（可以为图形设计文件或.v文本设计文件）。对下载用顶层文件进行全编译。,2023/5/21,36,引脚锁定 本实验采用模式3所有按键为琴键式按键，即当按下键时，输出为高电平；当松开键时，输出为低电平。可通过按下键的时间的长短来控制正脉冲的宽度。clk：系统时钟信号，50MHz，接FPGA引
15、脚Pin28。注意应将下图中的J6插到Clock0的位置，并将实验箱右下角“时钟频率选择”区域Clock0的时钟选择跳线接到50MHz的位置。,2023/5/21,37,编程下载 利用GW48-SOPC+开发系统实现设计的编程下载。编程器件为EP1C12Q240C8。使用开发系统上的晶振提供的全局时钟信号（fclk=50MHz）（Pin28），用琴键式按钮开关键1、键2和键3（均为高有效）实现人工控制放行A方向和B方向、复位功能，用8个发光二极管（高有效）D1D8，分别显示输出信号s12.0、s22.0、f1s和f2s。,2023/5/21,38,在线校验 下载后，仔细观察：红绿灯应按设定的时
16、间规律自动切换，D1D8八个LED分别对应的是：A方向的红黄绿，B方向的红黄绿，A方向的放行状态，B方向的放行状态。然后按下键1，表示欲人工放行A方向，则相应LED有显示；同时两个方向的红绿灯按正常运行规律自动切换，当运行到放行A方向时，则保持放行该方向。再按下键2，表示欲人工放行B方向，则相应LED有显示；同时两个方向的红绿灯按正常运行规律自动切换，当运行到放行B方向时，则保持放行该方向。再按下键3，表示清除人工方向的控制，则交通灯开始自动转换红黄绿灯的状态。,2023/5/21,39,给出红绿灯信号生成器和工作状态控制器的状态转移图，以及操作规则实现电路的程序流程图。给出控制器逻辑模型的仿真波形的截图，并根据仿真结果详细分析交通红绿灯控制器的工作过程。思考：当正值A方向红灯亮，B方向红灯与黄灯均亮时，若按下A方向放行按钮，是否允许立刻变为A方向绿灯亮，B方向红灯亮？如果控制器这样设计，实际可能会发生什么情况？正确的设计应是怎样？想一想：当正值A方向绿灯亮，B方向红灯亮时，若又按下了A方向放行按钮，为什么是当计时器计到49时，才暂停计数，使计数值保持为49；而不是使计时器计到30时，就暂停计数，使计数值保持为30？如果这样设计，会有什么缺陷？在设计中遇到了哪些问题，是如何解决的？想一想：本实验还可以扩展哪些功能？,实验报告,
