基于VHDL狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)的智能交通控制燈
十字路口設(shè)計(jì)兩組交通燈分別控制東西和南北兩個方向的交通。如圖1所示,當(dāng)東西方向的紅燈亮?xí)r,南北方向?qū)?yīng)綠燈亮,過渡階段黃燈亮,即東西方向紅燈亮的時間等于南北方向綠燈和黃燈亮的時間之和。交通燈維持變亮的時間取決于鍵盤輸入的控制鍵值。同理,當(dāng)南北方向的紅燈變亮?xí)r,東西方向的交通燈也遵循此邏輯??傮w上由狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)控制,本設(shè)計(jì)中使用兩個狀態(tài)機(jī)分別控制東西和南北兩個方向的交通。每個狀態(tài)機(jī)中都設(shè)有4個狀態(tài),分別對應(yīng)紅燈亮、綠燈亮、黃燈亮和出現(xiàn)緊急狀況時兩個方向上的紅燈同時變亮,停止倒計(jì)時的同時數(shù)碼管上出現(xiàn)閃爍。路口的繁忙程度是不一樣的,白天時的交通比較繁忙,因此,紅綠燈要變化快一些以便提高通過效率,減少擁堵時間;相反,夜晚交通稀疏,就需要紅綠燈變化慢一些。因此,加入鍵盤控制程序來控制交通維持變亮狀態(tài)的持續(xù)時間。
2 總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖
總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,共有11個功能模塊,包括控制東西方向交通燈的狀態(tài)機(jī)和控制南北方向交通燈的狀態(tài)機(jī)、計(jì)數(shù)器模塊、鍵盤掃描模塊、數(shù)字合成模塊、三個分位模塊、數(shù)碼管顯示模塊、動態(tài)顯示掃描模塊。
用VHDL語言對各個模塊進(jìn)行編程,最后形成頂層文件,在MAX+PLUSⅡ環(huán)境下進(jìn)行編譯與仿真,檢查所編程序是否運(yùn)行正確。如果出現(xiàn)錯誤,需要進(jìn)行修改,直到完全通過為止。需要說明的是,在進(jìn)行程序編譯時,要先從底層程序開始,所有底層程序都正確后,才能開始頂層程序的編譯。這是因?yàn)轫攲映绦蚴菍Φ讓映绦虻母爬?,它是把底層程序各個模塊連接起來,相當(dāng)于把每個模塊的功能匯聚到一起,實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的控制功能,所以底層程序的正確與否關(guān)系到頂層程序的運(yùn)行結(jié)果。VHDL語言編程生成的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。
3 VHDL程序設(shè)計(jì)
3.1 狀態(tài)機(jī)1(東西方向)程序關(guān)鍵代碼
用兩個狀態(tài)機(jī)分別控制東西方向和南北方向上的交通。從鍵盤獲得紅、綠、黃燈的總時間,紅燈時間占1/2,綠燈時間占3/8,黃燈時間占1/8。紅燈狀態(tài)為S0,綠燈狀態(tài)為S1,黃燈狀態(tài)為S2,緊急狀態(tài)為S3。當(dāng)計(jì)數(shù)器時間為0時,由紅燈狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到綠燈狀態(tài),當(dāng)計(jì)數(shù)器時間到達(dá)3/8時,由綠燈狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到黃燈狀態(tài)。當(dāng)?shù)竭_(dá)一半時間時,由黃燈狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到紅燈狀態(tài)。當(dāng)hold為1時,由任意狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到緊急狀態(tài)。
3.2 計(jì)數(shù)器源程序代碼
3.3 分位程序源代碼 |
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4 仿真結(jié)果
東西方向和南北方向狀態(tài)機(jī)仿真結(jié)果如圖4、5所示,從圖4可以看出,getin是從鍵盤獲得的鍵值,這里輸入的是40 s,初始狀態(tài)為S0狀態(tài).紅燈亮。從S0狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到S1狀態(tài)即由紅燈狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到綠燈狀態(tài)時,數(shù)碼管顯示的倒計(jì)時從15 s開始;當(dāng)由S1狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到S2狀態(tài)即由綠燈狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到黃燈狀態(tài)時,GREENA由高電平變?yōu)榈碗娖?,YELLOWA由低電平變?yōu)楦唠娖?。倒?jì)時時間從5s開始。南北方向仿真圖與東西方向類似,這里不再贅述。
計(jì)數(shù)器從鍵盤上得到的鍵值為40 s,從仿真圖(圖6所示)上可以看出,計(jì)數(shù)器能正常計(jì)數(shù)。
從仿真結(jié)果可以看出,計(jì)數(shù)器能夠正常計(jì)數(shù),狀態(tài)機(jī)狀態(tài)能夠正確狀態(tài)變換。東西方向初始狀態(tài)為綠燈,從15開始倒計(jì)時,南北方向初始狀態(tài)為紅燈,從20開始倒計(jì)時。
該系統(tǒng)硬件電路包含了1個CPLD,6個7段LED數(shù)碼顯示器,分別表示各個方向上的紅、黃、綠燈,以及相應(yīng)的限流電阻。與其他控制方法相比,所用器件可以說是比較簡單經(jīng)濟(jì)的。經(jīng)過實(shí)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的交通燈系統(tǒng)的控制功能。數(shù)碼顯示器采用動態(tài)掃描方式,大大節(jié)約了資源。
5 結(jié)束語
該交通燈控制邏輯可以實(shí)現(xiàn)3種顏色燈的交替點(diǎn)亮以及時間的倒計(jì)時,指揮車輛和行人安全通行。本文介紹的是一種最基本和簡單的交通燈設(shè)計(jì)情況,并且提供了一些模塊的源程序代碼。在此基礎(chǔ)上能夠舉一反三,從而用VHDL語言實(shí)現(xiàn)其它交通燈的控制設(shè)計(jì)。
隨著EDA技術(shù)的發(fā)展,在今后的電子產(chǎn)品研究開發(fā)中,EDA技術(shù)具有更好的開發(fā)手段和性價比,擁有廣泛的市場應(yīng)用前景。
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