基于FPGA的交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

【摘要】以可編程邏輯器件（FPGA）為載體，采用狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)思想對十字路口交通燈的狀態(tài)及其相互轉(zhuǎn)移關(guān)系的描述，運(yùn)用時(shí)序和組合邏輯等進(jìn)程描述硬件模塊間的邏輯關(guān)系，用Very-High-Speed Integrated Circuit HardwareDescription Language（簡稱VHDL）編程實(shí)現(xiàn)了十字路口交通的控制。經(jīng)波形仿真，并下載到EPIC3T144C8芯片進(jìn)行了硬件調(diào)試，達(dá)到了設(shè)定的功能仿真，整個(gè)程序設(shè)計(jì)思路清晰，硬件電路簡單，實(shí)現(xiàn)過程靈活。

【關(guān)鍵詞】FPGA；狀態(tài)機(jī)；交通燈；VHDL

1.引言

目前在教學(xué)中運(yùn)用軟件實(shí)現(xiàn)交通燈的控制可以用標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件、可編程序控制器PLC、單片機(jī)等方案來實(shí)現(xiàn)。但是這些方法在進(jìn)行功能修改及調(diào)試時(shí)，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，另外對初學(xué)者而言，設(shè)計(jì)程序也有一定困難，采用可編程邏輯器件FPGA，應(yīng)用狀態(tài)機(jī)來設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的控制功能，可根據(jù)實(shí)際情況對燈亮?xí)r間進(jìn)行自由調(diào)整，整個(gè)系統(tǒng)通過QuartusⅡ9.0軟件平臺(tái)進(jìn)行了仿真，同時(shí)下載到EP1C3T144C8中進(jìn)行調(diào)試，驗(yàn)證了交通信號(hào)燈控制電路預(yù)定的功能。采取狀態(tài)機(jī)進(jìn)行控制，學(xué)生容易接受。對初學(xué)者而言，有一定的指導(dǎo)意義。利用狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)一般步驟：首先將行為狀態(tài)轉(zhuǎn)換成符號(hào)狀態(tài)，接著將符號(hào)狀態(tài)轉(zhuǎn)換成真值表，利用真值表列出狀態(tài)轉(zhuǎn)換的組合邏輯、時(shí)序邏輯關(guān)系，編寫程序、芯片選擇、引腳鎖定和下載調(diào)試。

2.交通燈行為分析

任何模型和控制對象建立，均要找出運(yùn)行規(guī)律，將行為語言轉(zhuǎn)換為數(shù)字符號(hào)，以便于控制。下面以十字路口雙向六車道為例介紹交通燈的控制情況，東西方向交通流直行即東西方向交通流左轉(zhuǎn)，南北方向交通流直行，南北方向交通流左轉(zhuǎn)，所有右轉(zhuǎn)方向交通流不予控制。交通燈控制示意圖如圖1所示。

圖1 雙向六車道的示意圖

根據(jù)交通運(yùn)行規(guī)則，在十字路口雙向六車道中有下列6種循環(huán)的工作狀態(tài)，順序?yàn)椋樞驗(yàn)椋篠0→S1→S2→S3→S4→S5。在各方向的交通燈運(yùn)行狀態(tài)有綠燈亮、黃燈亮、左轉(zhuǎn)彎亮、紅燈亮，詳細(xì)情況如表1所示。

表1 交通燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)律表

工作狀態(tài)東西方向符號(hào)時(shí)間（秒）南北方向符號(hào)時(shí)間（秒）

S0綠燈亮GA40紅燈亮GB60

S1黃燈亮YA5紅燈亮YB

S2左轉(zhuǎn)彎亮LTA15紅燈亮LTB

S3紅燈亮RA60綠燈亮RB40

S4紅燈亮 黃燈亮 5

S5紅燈亮 左轉(zhuǎn)彎亮 15

為了便于利用狀態(tài)機(jī)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，用1表示指示燈亮，0指示燈滅，根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)律轉(zhuǎn)化成真值表如2所示。

3.程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用有限狀態(tài)機(jī)FSM（finite state machine）來進(jìn)行設(shè)計(jì)，狀態(tài)機(jī)，與可完成相同功能的CPU相比，有限狀態(tài)機(jī)有其獨(dú)特的、難以超越的優(yōu)越性，利用VHDL的有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)不同實(shí)用邏輯控制系統(tǒng)時(shí)，通常采用枚舉類型來定義狀態(tài)機(jī)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(jìn)程方式來描述狀態(tài)機(jī)的內(nèi)部邏輯。在程序設(shè)計(jì)中一般由說明部分、組合部分、時(shí)序部分組成，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。本設(shè)計(jì)采用狀態(tài)機(jī)來進(jìn)行頂層文件的設(shè)計(jì)，狀態(tài)機(jī)的說明語句如下：

type state is（S0，S1，S2，S3，S4，S5）；

signal presentstate，nextstate：state；

該程序結(jié)構(gòu)體分成以下四個(gè)部分：

3.1 分頻器秒脈沖的產(chǎn)生程序

由于選擇芯片的某引腳輸出信號(hào)為4HZ，則進(jìn)行四分頻就可以得到1HZ的信號(hào)，clk定義為輸入信號(hào)，sec為結(jié)構(gòu)體時(shí)序轉(zhuǎn)換的邏輯信號(hào)，則程序如下：

——get 1 hz clock pulse

process（clk）

begin

if clk'event and clk='1'then q<=q+1；end if；

sec<=q（2）；——get 1 hz clock pulse

end process；

3.2 交通燈時(shí)序控制程序

根據(jù)交通燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)律表中需要有40秒、5秒、15秒三個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)間，為了方便狀態(tài)轉(zhuǎn)換描述，定義了timeout1、timeout2、timeout3三個(gè)時(shí)間標(biāo)致信號(hào)，為1時(shí)表示時(shí)間結(jié)束，而且三個(gè)時(shí)間有先后順序，Presentstate <=nextstate達(dá)到了狀態(tài)在時(shí)序條件下轉(zhuǎn)換。則得到了流程圖如圖2所示。

圖2 交通燈時(shí)序控制流程圖

如下的時(shí)序控制程序：

timing：process（sec）

begin

if sec'event and sec='1'then

if tmp1=39 then timeout1<='1'；timeout2<='0'；timeout3<='0'；tmp1<=0；

else if timeout1='1'then

if tmp2=4 then timeout2<='1'；timeout1<='0'；timeout3<='0'；tmp2<=0；

else if timeout2='1'then

if tmp3=14 then timeout3<='1'；timeout1<='0'；timeout2<='0'；tmp3<=0；

else tmp3<=tmp3+1；end if；

tmp2<=tmp2+1；end if；

tmp1<=tmp1+1；end if；

end if；

Presentstate<=nextstate；

end if；

end process；

3.3 交通燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)換組合程序

下面以狀態(tài)為S0來進(jìn)行說明，timeout1 =‘0’表示40秒的時(shí)間未到，則仍然在此狀態(tài)循環(huán)，否則轉(zhuǎn)到下一狀態(tài)S1，其組合邏輯控制程序如下：

changestate：process（presentstate）

Begin

case presentstate is

when S0 => if timeout1='0'then

nextstate<=s0；

ra<='0'；ya<='0'；ga<='1'；lta<='0'；

rb<='1'；yb<='0'；gb<='0'；ltb<='0'；

else nextstate<=s1；end if；

……

end case；

end process；

4.仿真下載調(diào)試

將編寫好的程序首先利用波形編輯器進(jìn)行功能仿真，在分析波形仿真正常的情況，將輸入、輸出引腳進(jìn)行鎖定。比如采用EPIC3T144C8，時(shí)鐘端連接17引腳，輸出端分別接100、99、98和83、82、79。編譯下載后可以觀察到交通燈的模擬狀態(tài)圖。

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