利用有限狀態(tài)機的交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真

摘要：基于硬件電路設(shè)計軟件化的思想，根據(jù)路口交通燈控制功能要求，以可編程邏輯器件(FPGA)為硬件基礎(chǔ)，以有限狀態(tài)機為設(shè)計基礎(chǔ)，通過對系統(tǒng)狀態(tài)及其轉(zhuǎn)移關(guān)系的定義，運用多進程方式描述硬件模塊的邏輯關(guān)系，用VHDL語言編程實現(xiàn)了交通燈控制系統(tǒng)，經(jīng)仿真，并在實驗箱上進行功能測試，正確實現(xiàn)了預期功能。僅用一片可編程邏輯器件，即完成需要的控制功能，設(shè)計思路清晰，實現(xiàn)過程靈活。
關(guān)鍵詞：有限狀態(tài)機；交通燈；控制系統(tǒng)；設(shè)計

    實現(xiàn)路口交通燈控制器系統(tǒng)的方法很多，可以用標準邏輯器件、可編程序控制器PLC、單片機等方案來實現(xiàn)。但是這些方法在進行功能修改及調(diào)試時，都涉及硬件電路的調(diào)整，在一定程度上增加了工作的難度。隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，集成電路的設(shè)計方法也在不斷地更新，傳統(tǒng)的“固定功能集成電路+連線”的手工電子設(shè)計方法已被現(xiàn)代的對“芯片”進行設(shè)計的電子設(shè)計自動化(EDA)的設(shè)計方法所替代，使用“語言”進行電子電路設(shè)計已成為一種趨勢。筆者設(shè)計開發(fā)的交通信號燈控制器系統(tǒng)，采用EDA技術(shù)和可編程邏輯器件FPGA，應用VHDL有限狀態(tài)機來設(shè)計控制系統(tǒng)的控制功能，并可根據(jù)實際情況對燈亮時間進行自由調(diào)整，整個系統(tǒng)通過OuartusⅡ軟件平臺進行了仿真，并下載到FPGA器件EP1C120240C8中進行調(diào)試，驗證了設(shè)計的交通信號燈控制電路完全可以實現(xiàn)預定的功能。該系統(tǒng)可以較好地緩解交通壓力，并可實現(xiàn)對突發(fā)事件進行緊急處理，具有一定的實用性。

1 有限狀態(tài)機的基本特性
    有限狀態(tài)機FSM(finite state machine)由有限的狀態(tài)及其相互之間的轉(zhuǎn)移關(guān)系構(gòu)成。從有限狀態(tài)機的角度看，許多數(shù)字系統(tǒng)中的時序電路都可以用其來描述，因此，有限狀態(tài)機是一種重要的、易于建立的、比較規(guī)范、以描述控制特性為主的建模方法，它可以應用于從系統(tǒng)分析到設(shè)計的所有階段。同時，因為有限狀態(tài)機具有有限個狀態(tài)，所以可以在實際的工程上實現(xiàn)。但這并不意味著其只能進行有限次的處理。相反，有限狀態(tài)機是閉環(huán)系統(tǒng)，可以用有限的狀態(tài)，處理無窮的事務。
    在用VHDL語言來設(shè)計實用系統(tǒng)的控制功能時，通常會選用有限狀態(tài)機方法來實現(xiàn)，因為無論與VHDL的其他設(shè)計方案相比，還是與可完成相同功能的CPU相比，有限狀態(tài)機有其獨特的、難以超越的優(yōu)越性，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：
    1)有限狀態(tài)機由純硬件來實現(xiàn)，工作方式是根據(jù)控制信號按照預先設(shè)定的狀態(tài)進行順序運行，在運行和控制方式上類似于控制靈活和方便的CPU，而在設(shè)計中能使用各種完整的容錯技術(shù)，使其在運行速度和工作可靠性方面又都優(yōu)于CPU。
    2)用VHDL設(shè)計有限狀態(tài)機，設(shè)計流程和方案相對固定，程序?qū)哟畏置鳎绦蚪Y(jié)構(gòu)簡單清晰，特別是可以定義符號化枚舉類型的狀態(tài)，使VHDL綜合器對狀態(tài)機具有強大的優(yōu)化功能。
    3)狀態(tài)機容易構(gòu)成性能良好的同步時序模塊，為了消除電路中的毛刺現(xiàn)象，在有限狀態(tài)機設(shè)計中有多種設(shè)計方案可供選擇，相比其他硬件設(shè)計方法，電路的完善性更能得到保證。
    因此，在控制靈活、高速、高可靠性要求的系統(tǒng)設(shè)計中應用VHDL設(shè)計有限狀態(tài)機將是非常實用的選擇。
    利用VHDL的有限狀態(tài)機設(shè)計不同實用邏輯控制系統(tǒng)時，通常采用枚舉類型來定義狀態(tài)機的狀態(tài)，這樣可以獲得可綜合的、高效的VHDL描述，并且使用多進程方式來描述狀態(tài)機的內(nèi)部邏輯。例如：可用兩個進程來描述，一個進程描述時序邏輯功能，通常稱為時序進程；另一個進程描述組合邏輯功能，即組合進程，必要時還可以引入第3個進程完成其他的邏輯功能，另外還需要相應的說明部分，在說明部分用TYPE定義新的數(shù)據(jù)類型和狀態(tài)名，以及在此新數(shù)據(jù)下定義的狀態(tài)變量。

2 基于有限狀態(tài)機的交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計
2．1 功能分析
    作為一個十字路口交通信號燈控制系統(tǒng)，每條道路都需要有一組紅、綠、黃燈和倒計時計數(shù)器，用于指揮車輛的有序通行。為便于區(qū)分，將十字路口交通信號燈分為主路a和支路b，應具有以下功能：
    1)主路a和支路b各設(shè)置兩組(雙向)紅燈、綠燈、黃燈，以指示通行狀態(tài)：同時還設(shè)置數(shù)字式的時間顯示，以倒計時方式顯示每一路允許通行或禁止通行的剩余時間。
    2)具有復位功能，當出現(xiàn)故障時，可復位回到初始設(shè)置狀態(tài)。
    3)當主路a或支路b出現(xiàn)緊急情況時，按緊急情況鍵可進入緊急情況狀態(tài)，各方向(兩路)均亮紅燈，倒計時停止。當特殊情況結(jié)束時，控制其恢復到電路的原來狀態(tài)繼續(xù)運行。
    4)主路a或支路b的通行時間可在一定范圍自定義設(shè)置。
2．2 交通燈控制系統(tǒng)整體設(shè)計
    按照功能分析的要求，自頂向下，設(shè)計交通燈控制系統(tǒng)的整體組成框圖如圖1所示，它主要由分頻模塊，交通燈控制與倒計時模塊和動態(tài)掃描顯示控制模塊組成。分頻電路用于產(chǎn)生倒計時控制電路所需的周期為1 s的時鐘信號頻率；倒計時控制電路控制交通信號燈(紅、綠、黃)的亮燈時間和亮燈順序。根據(jù)對VHDL的使用熟悉程度，可對各模塊繼續(xù)分解，可視情而定。

2．3 控制與倒計時模塊的有限狀態(tài)機設(shè)計
2．3．1 建立狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖
    在交通燈控制系統(tǒng)中，交通燈控制與倒計時模塊是系統(tǒng)的核心部分，采用有限狀態(tài)機設(shè)計實現(xiàn)。主路a和支路b分別控制該方向上紅、綠、黃信號燈的亮燈時間和亮燈順序，正常工作時共有St0、St1、St2、St3 4種狀態(tài)，每個狀態(tài)之間的具體關(guān)系如表1所示，其中，red1_cn t、green1_cnt、yellow1_cnt和red2_cnt、green2_cnt、yellow2_cnt分別表示主路a和支路b上紅綠黃燈所亮燈的時間，這里可自己定義倒計時時間。其狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖2所示。ent為倒計時的計數(shù)值，同時用它來判斷是否進入下一個狀態(tài)。

2．3．2 控制與倒計時模塊的VHDL描述
    用VHDL設(shè)計有限狀態(tài)機并沒有固定的格式，但需要遵循一定的編碼風格。一般采用進程(process)描述，有限狀態(tài)機描述方式有如下3種：三進程描述、雙進程描述和單進程描述。這里采用雙進程描述：一個是時鐘進程，控制狀態(tài)機在時鐘有效沿，根據(jù)時鐘有效沿和某些輸入信號條件得到下一狀態(tài)并進行狀態(tài)遷移；另一個是組合進程，不受時鐘控制，由輸出相關(guān)的信號觸發(fā)，該進程根據(jù)觸發(fā)信號決定狀態(tài)機的輸出信號值，即通過簡便地定義狀態(tài)變量，將狀態(tài)描述成進程，每個狀態(tài)均可表達為CASE_WHEN語句結(jié)構(gòu)中的一條CASE語句，狀態(tài)的轉(zhuǎn)移通過IF_THEN_ELSE語句實現(xiàn)，并輸出信號以控制其他進程，從而實現(xiàn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)移。
    在時序進程中，狀態(tài)機是隨時鐘脈沖信號clk以同步方式工作，同時還受異步復位信號rst的控制。在rst=1時，狀態(tài)機復位，當rst=0(復位無效)而clk發(fā)生變化時，狀態(tài)機的狀態(tài)發(fā)生變化，轉(zhuǎn)向狀態(tài)機的下一狀態(tài)；在組合進程中，狀態(tài)機根據(jù)外部輸入的控制信號(如hold)，以及來自狀態(tài)機內(nèi)部(如cnt)信號，或當前狀態(tài)機的狀態(tài)值，確定其下一狀態(tài)的走向。
    基于有限狀態(tài)機的VHDL交通燈控制與倒計時模塊的源程序的實體和結(jié)構(gòu)體部分如下：
   


    將編譯后的程序進行仿真，得到交通燈控制與倒計時模塊仿真波形圖如圖3所示。由仿真波形可以看出，交通燈按St0→*St1→St2→St3 →St0順序進行狀態(tài)循環(huán)。light按主路紅、主路黃、主路綠、支路紅、支路黃、支路綠的順序排列。如在St0狀態(tài)下，light的值為“001100 ”，當hold緊急情況信號為高電平時，主路、支路均亮紅燈，并且停止倒計時。當rst復位信號為高電平時，恢復到初態(tài)。

3 頂層文件的設(shè)計及仿真
    將分頻模塊和顯示控制模塊均分別用VHDL進行編程、仿真，檢查其功能正確性，并包裝元件入庫建立元件符號。在上述3個模塊設(shè)計完成之后，按照圖1所示電路結(jié)構(gòu)，用原理圖輸入方式進行連接，構(gòu)成交通燈控制系統(tǒng)的頂層文件，并在Quartus II平臺上進行編譯、仿真，引腳鎖定，得到仿真波形如圖4所示，圖中信號light、a(b)、dec7sa(dec7sb)分別用二進制、十進制、十六進制表示。

    從仿真波形中可以看出：當復位信號rst=1有效時，電路復位，此時light復位為“001100”狀態(tài)，置a方向和b方向計數(shù)器為最大值24和29；當rst=0無效，緊急信號hold=1有效時，light為“100100”表示兩路紅燈均亮的狀態(tài)；當rst=0，hold=0時，恢復電路原來的light為“001100”狀態(tài)，a和b進行倒計時計數(shù)。7段顯示譯碼器a方向的dec7sa和b方向的dec7sb分別顯示計數(shù)器a和b的數(shù)值，如當a計數(shù)到21時，dec7sa的高位2和低位1的0gfedcba=01011011B(5B)和00000110 B(06)，即5806，同理當b計數(shù)到26時，dec7sb的值為5B7D，所以交通燈控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果完全正確。
    最后將頂層文件下載到可編程邏輯器件EP1C12Q240C8中，經(jīng)測試，交通燈控制系統(tǒng)正常工作，完全符合設(shè)計要求。

4 結(jié)束語
    有限狀態(tài)機及其設(shè)計技術(shù)是數(shù)字系統(tǒng)中實現(xiàn)高效率、高可靠性邏輯控制的重要途徑。在交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計中，通過對控制功能的分析和實際狀態(tài)的選擇，把交通燈的控制歸納為4種工作狀態(tài)，并建立狀態(tài)轉(zhuǎn)移關(guān)系，較為準確、直觀的反映了實際需求。在用VHDL語言設(shè)計實現(xiàn)交通燈控制系統(tǒng)時，既有傳統(tǒng)的基于邏輯單元構(gòu)建的整體組成結(jié)構(gòu)方式，也有利用純軟件編程實現(xiàn)的邏輯模塊。設(shè)計方法靈活、實現(xiàn)簡單、性能穩(wěn)定的特點。
    以上有限狀態(tài)機的設(shè)計方法具有通用性，對于較為復雜的有限狀態(tài)機可采用多個進程，分別完成任意復雜組合邏輯和時序邏輯，包括進程間狀態(tài)值的傳遞以及狀態(tài)轉(zhuǎn)換值的輸出，對類似含有邏輯控制功能的系統(tǒng)，通過自頂向下設(shè)計、分步實現(xiàn)，是切實可行的方法。