利用有限狀態機的交通燈控制系統設計與仿真

2021-01-07 電子產品世界

摘要：基於硬體電路設計軟體化的思想，根據路口交通燈控制功能要求，以可編程邏輯器件(FPGA)為硬體基礎，以有限狀態機為設計基礎，通過對系統狀態及其轉移關係的定義，運用多進程方式描述硬體模塊的邏輯關係，用VHDL語言編程實現了交通燈控制系統，經仿真，並在實驗箱上進行功能測試，正確實現了預期功能。僅用一片可編程邏輯器件，即完成需要的控制功能，設計思路清晰，實現過程靈活。
關鍵詞：有限狀態機；交通燈；控制系統；設計

實現路口交通燈控制器系統的方法很多，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，都涉及硬體電路的調整，在一定程度上增加了工作的難度。隨著電子技術的迅猛發展，集成電路的設計方法也在不斷地更新，傳統的「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「晶片」進行設計的電子設計自動化(EDA)的設計方法所替代，使用「語言」進行電子電路設計已成為一種趨勢。筆者設計開發的交通信號燈控制器系統，採用EDA技術和可編程邏輯器件FPGA，應用VHDL有限狀態機來設計控制系統的控制功能，並可根據實際情況對燈亮時間進行自由調整，整個系統通過OuartusⅡ軟體平臺進行了仿真，並下載到FPGA器件EP1C120240C8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。該系統可以較好地緩解交通壓力，並可實現對突發事件進行緊急處理，具有一定的實用性。

1 有限狀態機的基本特性
有限狀態機FSM(finite state machine)由有限的狀態及其相互之間的轉移關係構成。從有限狀態機的角度看，許多數字系統中的時序電路都可以用其來描述，因此，有限狀態機是一種重要的、易於建立的、比較規範、以描述控制特性為主的建模方法，它可以應用於從系統分析到設計的所有階段。同時，因為有限狀態機具有有限個狀態，所以可以在實際的工程上實現。但這並不意味著其只能進行有限次的處理。相反，有限狀態機是閉環系統，可以用有限的狀態，處理無窮的事務。
在用VHDL語言來設計實用系統的控制功能時，通常會選用有限狀態機方法來實現，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，有限狀態機有其獨特的、難以超越的優越性，主要表現在以下幾個方面：
1)有限狀態機由純硬體來實現，工作方式是根據控制信號按照預先設定的狀態進行順序運行，在運行和控制方式上類似於控制靈活和方便的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於CPU。
2)用VHDL設計有限狀態機，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，使VHDL綜合器對狀態機具有強大的優化功能。
3)狀態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，在有限狀態機設計中有多種設計方案可供選擇，相比其他硬體設計方法，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設計中應用VHDL設計有限狀態機將是非常實用的選擇。
利用VHDL的有限狀態機設計不同實用邏輯控制系統時，通常採用枚舉類型來定義狀態機的狀態，這樣可以獲得可綜合的、高效的VHDL描述，並且使用多進程方式來描述狀態機的內部邏輯。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名，以及在此新數據下定義的狀態變量。

2 基於有限狀態機的交通燈控制系統設計
2．1 功能分析
作為一個十字路口交通信號燈控制系統，每條道路都需要有一組紅、綠、黃燈和倒計時計數器，用於指揮車輛的有序通行。為便於區分，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：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餘時間。
2)具有復位功能，當出現故障時，可復位回到初始設置狀態。
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，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繼續運行。
4)主路a或支路b的通行時間可在一定範圍自定義設置。
2．2 交通燈控制系統整體設計
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掃描顯示控制模塊組成。分頻電路用於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，可對各模塊繼續分解，可視情而定。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/160987.htm


2．3 控制與倒計時模塊的有限狀態機設計
2．3．1 建立狀態轉移圖
在交通燈控制系統中，交通燈控制與倒計時模塊是系統的核心部分，採用有限狀態機設計實現。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，每個狀態之間的具體關係如表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，這裡可自己定義倒計時時間。其狀態轉換圖如圖2所示。ent為倒計時的計數值，同時用它來判斷是否進入下一個狀態。


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