馮競楠

（陜西科技大學 陜西 西安 710021）

實現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。但是這些方法在進行功能修改及調試時，都涉及硬件電路的調整，在一定程度上增加了工作的難度。隨著電子技術的迅猛發(fā)展，集成電路的設計方法也在不斷地更新，傳統(tǒng)的“固定功能集成電路+連線”的手工電子設計方法已被現代的對“芯片”進行設計的電子設計自動化（EDA）的設計方法所替代[1-3]，使用“語言”進行電子電路設計已成為一種趨勢。筆者設計開發(fā)的交通信號燈控制器系統(tǒng)，采用EDA技術和可編程邏輯器件FPGA，應用VHDL有限狀態(tài)機來設計控制系統(tǒng)的控制功能，并可根據實際情況對燈亮時間進行自由調整，整個系統(tǒng)通過QuartusⅡ軟件平臺進行了仿真，并下載到FPGA器件EP1C12Q240C8中進行調試，驗證了設計的交通信號燈控制電路完全可以實現預定的功能。該系統(tǒng)可以較好地緩解交通壓力，并可實現對突發(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)及其相互之間的轉移關系構成。從有限狀態(tài)機的角度看，許多數字系統(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。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，因為無論與VHDL的其他設計方案相比，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，主要表現在以下幾個方面[4]：

1）有限狀態(tài)機由純硬件來實現，工作方式是根據控制信號按照預先設定的狀態(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，而在設計中能使用各種完整的容錯技術，使其在運行速度和工作可靠性方面又都優(yōu)于CPU。

2）用VHDL設計有限狀態(tài)機，設計流程和方案相對固定，程序層次分明，程序結構簡單清晰，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)機容易構成性能良好的同步時序模塊，為了消除電路中的毛刺現象，在有限狀態(tài)機設計中有多種設計方案可供選擇，相比其他硬件設計方法，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)設計中應用VHDL設計有限狀態(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定義新的數據類型和狀態(tài)名，以及在此新數據下定義的狀態(tài)變量[5]。

2 基于有限狀態(tài)機的交通燈控制系統(tǒng)設計

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各設置兩組（雙向）紅燈、綠燈、黃燈，以指示通行狀態(tài)；同時還設置數字式的時間顯示，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，當出現故障時，可復位回到初始設置狀態(tài)。

3）當主路a或支路b出現緊急情況時，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置。

2.2 交通燈控制系統(tǒng)整體設計

按照功能分析的要求，自頂向下，設計交通燈控制系統(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。根據對VHDL的使用熟悉程度，可對各模塊繼續(xù)分解，可視情而定。

圖1 交通燈控制系統(tǒng)整體組成框圖Fig.1 Block diagram of traffic light control system

2.3 控制與倒計時模塊的有限狀態(tài)機設計2.3.1 建立狀態(tài)轉移圖

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)機設計實現。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)之間的具體關系如表 1 所示，其中，red1_cnt、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)轉換圖如圖2所示。cnt為倒計時的計數值，同時用它來判斷是否進入下一個狀態(tài)。

表1 交通燈狀態(tài)控制關系表Tab.1 Relationship of traffic light state control

圖2 交通燈控制與倒計時模塊的狀態(tài)轉移圖Fig.2 State transfer of traffic light control and count down module

2.3.2 控制與倒計時模塊的VHDL描述

用VHDL設計有限狀態(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，由輸出相關的信號觸發(fā)，該進程根據觸發(fā)信號決定狀態(tài)機的輸出信號值[6]，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語句結構中的一條CASE語句，狀態(tài)的轉移通過IF_THEN_ELSE語句實現[7]，并輸出信號以控制其他進程，從而實現狀態(tài)的轉移。

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，轉向狀態(tài)機的下一狀態(tài)；在組合進程中，狀態(tài)機根據外部輸入的控制信號 （如hold），以及來自狀態(tài)機內部（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構體部分如下：

ENTITY rgy IS

PORT（clk，hold，rst：IN STD_LOGIC；

light：OUT STD_LOGIC_VECTOR（5 DOWNTO 0）；

a，b：OUT INTEGER RANGE 0 TO 35 ）；

END rgy；

ARCHITECTURE rtl OF rgy IS

TYPE states IS （st0，st1，st2，st3）；

SIGNAL state ：STATES：=st0；

SIGNAL cnt ：INTEGER RANGE 0 TO 35：=1；--cnt

計數值

SIGNAL cnt_enb ：STD_LOGIC：='0'；--cnt_enb 計 數的使能端

BEGIN PROCESS（clk，rst） --狀態(tài)機的時序進程（控制狀態(tài)的轉換）

BEGIN

IF（rst='1'）THEN state<=st0； cnt<=1； --清零部分

ELSIF（rising_edge（clk））THEN

IF（cnt_enb='1'）THEN

IF（hold='0'）THEN cnt<=cnt+1； --緊急情況的倒計時計數處理

ELSE cnt<=cnt；

END IF；

ELSE cnt<=1；

END IF；

CASE state IS

WHEN st0=>IF（cnt=green1_cnt）THEN state<=st1；

ELSE state<=st0；

END IF；

WHEN st1=>……

WHEN st2=>……

WHEN st3=> IF （cnt=yellow2_cnt）THEN

state<=st0；

ELSE state<=st3；

END IF；

END CASE；

END IF；

END PROCESS；

PROCESS（state，cnt，hold） --狀態(tài)機的組合邏輯進程

VARIABLE counta，countb：integer range 0 to 35；

BEGIN

IF （hold='1'）THEN light<="100100"；--緊急情況燈信號的處理

ELSE

CASE state IS --各個狀態(tài)的邏輯處理

WHEN st0=>light<="001100"；--該狀態(tài)下燈的信號賦值

cnt_enb<='1'； --開啟計數，開始倒計時

counta：=green1_cnt；--給主路倒計時賦初值

countb：=red2_cnt；--支路倒計時賦初值

IF （cnt=green1_cnt）THEN--當 cnt計數滿足該狀態(tài)下的時間長度 則進入下一狀態(tài)

cnt_enb<='0'； --- --停止計數，進入下一狀態(tài)開始計數

END IF；

WHEN st1=>light<="010100"；

……

WHEN st2=>light<="100001"；

……

WHEN st3=>light<="100010"；

……

END CASE；

END IF；

a<=counta-cnt；b<=countb-cnt； --給倒計時賦值

END PROCESS；

END rtl；

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個模塊設計完成之后，按照圖1所示電路結構，用原理圖輸入方式進行連接，構成交通燈控制系統(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。

圖3 交通燈控制與倒計時模塊仿真波形Fig.3 Simulation results for traffic light control and count down module

圖4 交通燈控制系統(tǒng)仿真波形Fig.4 Simulation results for traffic light control system

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。7段顯示譯碼器a方向的dec7sa和b方向的dec7sb分別顯示計數器a和b的數值，如當a計數到21時，dec7sa的高位 2和低位 1的 0gfedcba=01011011B （5B）和00000110 B（06），即 5B06，同理當 b 計數到 26 時，dec7sb 的值為5B7D，所以交通燈控制系統(tǒng)的仿真結果完全正確。

最后將頂層文件下載到可編程邏輯器件EP1C12Q240C8中，經測試，交通燈控制系統(tǒng)正常工作，完全符合設計要求。

4 結束語

有限狀態(tài)機及其設計技術是數字系統(tǒng)中實現高效率、高可靠性邏輯控制的重要途徑[7]。在交通燈控制系統(tǒng)設計中，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)轉移關系，較為準確、直觀的反映了實際需求。在用VHDL語言設計實現交通燈控制系統(tǒng)時，既有傳統(tǒng)的基于邏輯單元構建的整體組成結構方式，也有利用純軟件編程實現的邏輯模塊。設計方法靈活、實現簡單、性能穩(wěn)定的特點。

以上有限狀態(tài)機的設計方法具有通用性，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)，通過自頂向下設計、分步實現，是切實可行的方法。

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