ED技術(shù)應(yīng)用的項目七 交通燈控制器

《ED技術(shù)應(yīng)用的項目七 交通燈控制器》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《ED技術(shù)應(yīng)用的項目七 交通燈控制器（50頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、EDA技術(shù)應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用課件課件一、項目描述一、項目描述n 掌握有限狀態(tài)機（Finited State Machine ）的原理。n 了解交通燈控制系統(tǒng)的工作原理。n 采用狀態(tài)機的原理來設(shè)計交通燈控制系統(tǒng)。一、項目描述一、項目描述序號序號類別類別目目 標標一知識點1.掌握VHDL語言設(shè)計方法2.掌握有限狀態(tài)機的原理3.了解交通燈控制系統(tǒng)的工作原理二技能1.會利用狀態(tài)機原理進行電路設(shè)計2.使用VHDL語言進行EDA設(shè)計3.Quartus II軟件的原理圖輸入設(shè)計方法4.能使用Quartus II軟件的對設(shè)計電路進行功能仿真5.使用Quartus II軟件下載設(shè)計文件到學(xué)習開發(fā)板6.學(xué)習開發(fā)板的調(diào)試

2、三職業(yè)素養(yǎng)1.學(xué)生的溝通能力及團隊協(xié)作精神2.良好的職業(yè)道德3.質(zhì)量、成本、安全、環(huán)保意識二、項目資訊二、項目資訊n 可編程邏輯器件概述n FPGA與CPLD n MAX II器件介紹 n PLD開發(fā)軟件n 有限狀態(tài)機原理介紹n 交通燈工作原理介紹（前四項參見專題課件相應(yīng)內(nèi)容） 三、項目分析三、項目分析n 實際設(shè)計中比較復(fù)雜的時序邏輯電路的設(shè)計通常采用有限狀態(tài)機實現(xiàn)。n 有限狀態(tài)機的特征：1）用有限個狀態(tài)概括系統(tǒng)整個工作過程；2）各狀態(tài)可根據(jù)條件進行相互轉(zhuǎn)換；3）各狀態(tài)均有相應(yīng)輸出信號；4）系統(tǒng)復(fù)位時指定具體初始狀態(tài)。三、項目分析三、項目分析n 根據(jù)是否具有外部輸入控制信號，有限狀態(tài)機可以分為

3、： 1）米勒型(mealy)狀態(tài)機，狀態(tài)的轉(zhuǎn)移由當前狀態(tài)、時鐘與外部輸入控制信號共同控制； 2）摩爾型(moore)狀態(tài)機，狀態(tài)的轉(zhuǎn)移只受當前狀態(tài)和時鐘的控制。三、項目分析三、項目分析n 該狀態(tài)機共有3個狀態(tài)（S0、S1、S2），X為外部控制信號，Y為輸出控制信號。 三、項目分析三、項目分析LIBRARY IEEE；USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；ENTITY mealy IS PORT (x，clk：IN BIT； y：OUT BIT)；END mealy；ARCHITECTURE behave OF mealy IS TYPE fmst IS (s0，s1，s2)；

4、 SIGNAL state：fmst；BEGIN定義三個狀態(tài)定義實體三、項目分析三、項目分析P1: PROCESS(clk)BEGIN IF clkevent AND clk=1THEN CASE state IS WHEN s0= IF x=0 THEN state=s0; ELSE state IF x =0 THEN state=s0; ELSE state IF x =0 THEN state=s0; ELSE state y IF state=s2 THEN y=1； ELSE y=0； END IF； END CASE； END PROCESS P2；END behave；各狀態(tài)對

5、應(yīng)的輸出三、項目分析三、項目分析n 模仿設(shè)計案例設(shè)計雙向交通燈控制系統(tǒng)；n 任務(wù)描述：任務(wù)描述： 請設(shè)計一個雙向（南北向、東西向）交通燈系統(tǒng)控制系統(tǒng)，控制實驗板上6盞交通燈（東西向3盞，南北向3盞）協(xié)調(diào)工作，并用2個兩位數(shù)碼管實現(xiàn)兩個方向的倒計時顯示。規(guī)定南北向綠燈時間為30秒，紅燈時間為20秒，黃燈時間統(tǒng)一為3秒。n 要求：要求：1、利用有限狀態(tài)機進行設(shè)計。2、在Quartus II平臺上，采用VHDL語言來進行設(shè)計輸入并仿真驗證。3、下載到EDA學(xué)習開發(fā)板上進行調(diào)試。n 目標：目標：1、掌握有限狀態(tài)機的特征和原理；2、了解交通燈控制系統(tǒng)的工作原理； 三、項目分析三、項目分析n 微機一臺（W

6、indows XP系統(tǒng)、安裝好Quartus 7.2等相關(guān)軟件）；n EDA學(xué)習開發(fā)板一塊；n USB電源線一條；n USB下載線一條。三、項目分析三、項目分析 EDA學(xué)習開發(fā)板采用的芯片為Altera公司的EPM1270T144C5型CPLD，實驗板上提供了豐富的外設(shè)，除了常見的按鍵，LED燈，數(shù)碼管和蜂鳴器外，還包括有液晶和兩個擴展插口等，方便與實驗子板想連接，拓展實驗內(nèi)容。三、項目分析三、項目分析EDA學(xué)習開發(fā)板（母板）雙向交通燈實驗板（子板）三、項目分析三、項目分析功功 能能MAX II output功功 能能MAX II outputLCD接口接口LCD_I01121USB接口接口T

7、XD7LCD_I02120RXD8LCD_I03119USB_RXFN1LCD_I04118USB_WU2LCD_I05117USB_PWREN3LCD_I06114USB_RDN142LCD_I07113USB_WR143LCD_I08112USB_TXEN144LCD_I09111USB_D0132LCD_I010110USB_D1133LCD_I011109USB_D2134LCD_I012108USB_D3137USB_D4138USB_D5139USB_D6140USB_D7141IO3573IO3674三、項目分析三、項目分析功功 能能MAX II output功功 能能MAX I

8、I output擴展接口擴展接口J5IO1107擴展接口擴展接口J6IO1996IO2106IO2095IO3105IO2194IO4104IO2293IO5103IO2391IO6102IO2489IO7101IO2588IO898IO2687IO997IO2786IO1066IO2885IO1163IO2984IO1262IO3081IO1360IO3180IO1459IO3279IO1558IO3378IO1657IO3477IO1755IO3576IO1853IO3675三、項目分析三、項目分析功功 能能MAX II output功功 能能MAX II output按鍵開關(guān)按鍵開關(guān)KE

9、Y142七段數(shù)碼管七段數(shù)碼管7SEG1_A23KEY2437SEG1_B21KEY3447SEG1_C29KEY4457SEG1_D27KEY5487SEG1_E28KEY6497SEG1_F22KEY7507SEG1_G24KEY8517SEG2_A15撥動開關(guān)撥動開關(guān)SW1307SEG2_B20SW2317SEG2_C11SW3327SEG2_D13SW4377SEG2_E12SW5387SEG2_F16SW6397SEG2_G14SW740LED燈燈LED1131SW841LED2130LED3129LED4127LED5125LED6124LED7123LED8122四、項目實施四、項

10、目實施n 設(shè)計一個單方向交通燈控制系統(tǒng)；n 設(shè)計指標： 1）控制紅黃綠三盞燈交替工作，數(shù)碼管顯示倒計時時間；2）綠燈時間為30秒(S0)，黃燈時間為3秒(S1) ，紅燈時間為20秒(S2) ； 3）能通過按鍵復(fù)位；四、項目實施四、項目實施n 分頻模塊：對外部時鐘信號進行分頻得到1Hz信號；n 系統(tǒng)控制模塊：控制交通燈狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，并輸出相應(yīng)控制信號；n 顯示模塊：控制數(shù)碼管及發(fā)光二極管；四、項目實施四、項目實施n 外部輸入脈沖為12MHz，分頻后輸出信號為1Hz。（分頻模塊設(shè)計詳見專題課件）四、項目實施四、項目實施n 系統(tǒng)控制模塊由倒計時模塊和狀態(tài)機模塊構(gòu)成;n 倒計時模塊主要實現(xiàn)數(shù)碼管倒計時信

11、號的控制；n 狀態(tài)機模塊主要實現(xiàn)交通燈各狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換。四、項目實施四、項目實施LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY SM ISPORT(CLK: IN STD_LOGIC; CR: IN STD_LOGIC; LAMP: OUT STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0); LEDM: OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); LEDS: OUT STD_LOGIC_VECTO

12、R(3 DOWNTO 0) );END SM;庫文件定義實體四、項目實施四、項目實施ARCHITECTURE BEHAVIORAL OF SM ISTYPE STATES IS (S2,S1,S0);SIGNAL STATE: STATES:=S0;SIGNAL NEXT_STATE: STATES:=S0;SIGNAL SEC: STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);SIGNAL MIN: STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);SIGNAL DATAS: STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);SIGNAL DATAM: STD_LO

13、GIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);SIGNAL LIGHT: STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0);SIGNAL LOAD: STD_LOGIC;BEGIN定義狀態(tài)定義信號四、項目實施四、項目實施P1:PROCESS(CLK,CR,LOAD) BEGIN IF CR=0 THENSEC=0000;MIN=0000; ELSIF RISING_EDGE(CLK)THENIF LOAD=1 THENSEC=DATAS;MIN=DATAM;ELSEIF SEC=0000 THENSEC=1001;ELSESEC=SEC-1;END IF;IF SEC=0000 THE

14、NMIN=MIN-1;END IF;END IF; END IF; END PROCESS P1;倒計時結(jié)束轉(zhuǎn)為下一狀態(tài)倒計時結(jié)束為倒計時模塊賦初值倒計時程序四、項目實施四、項目實施P2:PROCESS(CLK)BEGINIF (FALLING_EDGE(CLK) THENIF(SEC=0000) AND (MIN=0000)THENLOAD=1;STATE=NEXT_STATE;ELSELOAD LIGHT=100; -GREEN 30SNEXT_STATE=S1; -NEXT YELLOWDATAM=0010;DATAS LIGHT=010; -YELLOW 3SNEXT_STATE=S2

15、; -NEXT REDDATAM=0000;DATAS LIGHT=001; -RED 20SNEXT_STATE=S0; -NEXT GREENDATAM=0001;DATAS=“1001;END CASE;END PROCESS P3;LAMP=LIGHT;LEDM=MIN;LEDS=SEC;END BEHAVIORAL;東西向綠燈（S0）東西向黃燈（S1）東西向綠燈（S2）四、項目實施四、項目實施n 數(shù)碼管采用靜態(tài)顯示模式，該模塊功能即是將輸入的8421BCD碼轉(zhuǎn)換為7段數(shù)碼管控制信號。四、項目實施四、項目實施LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.AL

16、L;ENTITY LED ISPORT( DATA_IN : IN STD_LOGIC_VECTOR (3 DOWNTO 0); -輸入輸入8421BCD8421BCD碼碼 SEG_OUT : OUT STD_LOGIC_VECTOR (6 DOWNTO 0) -輸出數(shù)碼管段位碼輸出數(shù)碼管段位碼);END LED;ARCHITECTURE BIN27SEG OF LED ISBEGIN四、項目實施四、項目實施PROCESS(DATA_IN)BEGIN SEG_OUT 0); CASE DATA_IN ISWHEN 0000 = SEG_OUT SEG_OUT SEG_OUT SEG_OUT S

17、EG_OUT SEG_OUT SEG_OUT SEG_OUT SEG_OUT SEG_OUT NULL; END CASE;END PROCESS;END BIN27SEG;顯示譯碼程序四、項目實施四、項目實施四、項目實施四、項目實施輸入、輸出端輸入、輸出端管腳號管腳號功能功能CLK1812M晶振輸入晶振輸入KEY42按鍵按鍵1LAMP2131LED1LAMP1130LED2LAMP0129LED3LEDM6147SEG2_GLEDM5167SEG2_FLEDM4127SEG2_ELEDM3137SEG2_DLEDM2117SEG2_CLEDM1207SEG2_BLEDM0157SEG2_AL

18、EDS6247SEG1_GLEDS5227SEG1_FLEDS4287SEG1_ELEDS3277SEG1_DLEDS2297SEG1_CLEDS1217SEG1_BLEDS0237SEG1_A依次代表綠、黃、紅燈依次代表綠、黃、紅燈對應(yīng)兩位數(shù)碼管的十位對應(yīng)兩位數(shù)碼管的十位對應(yīng)兩位數(shù)碼管的個位對應(yīng)兩位數(shù)碼管的個位四、項目實施四、項目實施四、項目實施四、項目實施n 交通燈通常有東、西、南、北四個方向，其中東西方向完全一致，南北方向也完全一致，因此只需兩個控制器來控制；n 每組交通燈共有紅、黃、綠三盞燈和數(shù)碼管組成，按綠燈黃燈紅燈綠燈順序變化，并通過數(shù)碼管顯示倒計時時間；n 交通燈控制系統(tǒng)可簡單看

19、作摩爾型狀態(tài)機，可分為4種不同狀態(tài)，詳見下表；四、項目實施四、項目實施狀 態(tài)東 西 方 向南 北 方 向綠 黃 紅綠 黃 紅11 0 00 0 120 1 00 0 130 0 11 0 040 0 10 1 0四、項目實施四、項目實施 交通燈時間分配： 1）東西向綠燈時間30秒，黃燈3秒，紅燈20秒； 2）南北向紅燈時間33秒，黃燈3秒，綠燈17秒。四、項目實施四、項目實施 交通燈狀態(tài): 1）東西向綠燈（S0）； 2）東西向黃燈（S1）； 3）南北向綠燈（S2）； 4）南北向黃燈（S3）。四、項目實施四、項目實施LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL

20、;USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY SM4 ISPORT(CLK: IN STD_LOGIC; -時鐘信號時鐘信號 CR: IN STD_LOGIC; -復(fù)位信號復(fù)位信號 LAMP: OUT STD_LOGIC_VECTOR(5 DOWNTO 0); -紅黃綠燈信號紅黃綠燈信號 WELED1: OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); -東西向倒計時十位信號東西向倒計時十位信號 WELED0: OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); -東西

21、向倒計時個位信號東西向倒計時個位信號 NSLED1: OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); -南北向倒計時十位信號南北向倒計時十位信號 NSLED0: OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0) -南北向倒計時個位信號南北向倒計時個位信號 );END SM4;庫文件定義實體四、項目實施四、項目實施ARCHITECTURE BEHAVIORAL OF SM4 ISTYPE STATES IS(S3,S2,S1,S0);SIGNAL STATE: STATES:=S0;SIGNAL NEXT_STATE: STATES:=S0;SIGNAL CO

22、UNT0:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);SIGNAL COUNT1:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);SIGNAL CDATA0: STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);SIGNAL CDATA1: STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);SIGNAL WESEC0: STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);SIGNAL WESEC1: STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);SIGNAL WEDATA0: STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);SI

23、GNAL WEDATA1: STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);SIGNAL NSSEC0: STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);SIGNAL NSSEC1: STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);SIGNAL NSDATA0: STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);SIGNAL NSDATA1: STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);SIGNAL LIGHT: STD_LOGIC_VECTOR(5 DOWNTO 0);SIGNAL LOAD:STD_LOGIC;BEGIN定義狀態(tài)定義信號四

24、、項目實施四、項目實施P1: PROCESS(CLK,CR,LOAD)BEGINIF CR=0 THENCOUNT0=0000;COUNT1=0000;ELSIF RISING_EDGE(CLK)THENIF LOAD=1THENCOUNT0=CDATA0;COUNT1=CDATA1;ELSEIF COUNT0=0000 THEN COUNT0=1001;ELSECOUNT0=COUNT0-1;END IF;IF COUNT0=0000THENCOUNT1=COUNT1-1;END IF;END IF;END IF;END PROCESS P1;倒計時器復(fù)位倒計時結(jié)束為倒計時模塊賦初值倒計時程

25、序四、項目實施四、項目實施P2: PROCESS(CLK)BEGINIF(FALLING_EDGE(CLK)THENIF(COUNT0=0000)AND(COUNT1=0000)THENLOAD=1;STATE=NEXT_STATE;ELSELOADLIGHT=100001;NEXT_STATE=S1;CDATA1=0010;CDATA0LIGHT=010001;NEXT_STATE=S2;CDATA1=0000;CDATA0LIGHT=001100;NEXT_STATE=S3;CDATA1=0001;CDATA0LIGHT=001010;NEXT_STATE=S0;CDATA1=0000;C

26、DATA0 WEDATA1=0010;WEDATA0=1001; NSDATA1=0011;NSDATA0 WEDATA1=0000;WEDATA0 WEDATA1=0001;WEDATA0=1001; NSDATA1=0001;NSDATA0 NSDATA1=0000;NSDATA0=0010;END CASE;END PROCESS P4;根據(jù)不同狀態(tài)為兩個方向的倒計時計數(shù)器賦初值東西向綠燈（S0）東西向黃燈（S1）南北向綠燈（S2）南北向黃燈（S3）四、項目實施四、項目實施P5: PROCESS(CLK,LOAD,STATE)BEGINIF RISING_EDGE(CLK)THENIF

27、(LOAD=1)AND(NOT(STATE=S3)THENWESEC0=WEDATA0;WESEC1=WEDATA1;ELSEIF WESEC0=0000 THENWESEC0=1001;ELSEWESEC0=WESEC0-1;END IF;IF WESEC0=0000THENWESEC1=WESEC1-1;END IF;END IF;END IF;END PROCESS P5;東西向交通燈倒計時器四、項目實施四、項目實施P6: PROCESS(CLK,LOAD)BEGINIF RISING_EDGE(CLK)THENIF (LOAD=1)AND (NOT(STATE=S1)THENNSSEC

28、0=NSDATA0;NSSEC1=NSDATA1;ELSEIF NSSEC0=0000 THENNSSEC0=1001;ELSENSSEC0=NSSEC0-1;END IF;IF NSSEC0=0000THENNSSEC1=NSSEC1-1;END IF;END IF;END IF;END PROCESS P6;南北向交通燈倒計時器四、項目實施四、項目實施LAMP=LIGHT;WELED1=WESEC1;WELED0=WESEC0;NSLED1=NSSEC1;NSLED0=NSSEC0;END BEHAVIORAL;將寄存器信號賦給輸出結(jié)束結(jié)構(gòu)體四、項目實施四、項目實施五、項目評價與總結(jié)提高五

29、、項目評價與總結(jié)提高 考核點及占項目考核點及占項目分值比分值比建議考核方式建議考核方式評價標準評價標準優(yōu)優(yōu)良良及格及格1根據(jù)項目要求完成資訊并制訂行動方案（15%）教師評價+互評能根據(jù)項目要求很好地完成資訊及學(xué)習，能制訂合理的行動計劃，計劃詳細。能根據(jù)項目要求完成資訊及學(xué)習，能制訂合理的行動計劃。能根據(jù)項目要求完成資訊及學(xué)習，能制訂合理的行動計劃2詳細設(shè)計（20%）教師評價+互評交通燈控制器軟硬件設(shè)計正確，項目方案可實施。交通燈控制器軟硬件設(shè)計基本正確，項目方案需要調(diào)整。交通燈控制器軟硬件設(shè)計思路基本正確，但有一定缺陷。3操作實施（30%）教師評價+自評能正確使用Quartus II軟件綜合、

30、編譯、仿真并下載程序到學(xué)習板，能正確調(diào)試電路，達到項目要求。能正確使用QuartusII軟件綜合、編譯、仿真并下載程序到學(xué)習板，能正確調(diào)試電路，基本完成項目要求。能正確使用QuartusII軟件綜合、編譯、仿真并下載程序到學(xué)習板，會調(diào)試電路。4項目總結(jié)報告（10%）教師評價格式符合標準、內(nèi)容完整、有詳細過程記錄和分析，并能提出一些新的建議。格式符合標準、內(nèi)容完整、有一定過程記錄和分析。格式符合標準、內(nèi)容較完整。5職業(yè)素養(yǎng)（25%）教師評價+自評+互評安全、文明工作，具有良好的職業(yè)操守，學(xué)習積極性高，遵守紀律，虛心好學(xué)，具有良好的團隊合作精神，熱心幫助同學(xué)，能用專業(yè)語言準確、流利地進行交流安全文

31、明工作，職業(yè)操守較好，學(xué)習積極性較高，具有良好的團隊合作精神，熱心幫助同學(xué)，能用專業(yè)語言準確地進行交流。沒出現(xiàn)違紀違規(guī)現(xiàn)象，沒有厭學(xué)現(xiàn)象，能按照規(guī)定完成所分配的項目。表達基本清楚、準確。五、項目評價與總結(jié)提高五、項目評價與總結(jié)提高n 有限狀態(tài)機是處理復(fù)雜時序邏輯電路的常用手段，通?？梢苑譃槊桌招秃湍栃蜖顟B(tài)機。n 雙向交通燈控制系統(tǒng)通常包括了4個狀態(tài)，通過時序來控制狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，輸出包括三色交通燈和倒計時信號。參考米勒型狀態(tài)機的VHDL實習，采用VHDL實現(xiàn)3個狀態(tài)（S0、S1、S2）摩爾型狀態(tài)機的編寫，當時鐘信號上升沿到來時狀態(tài)變換，要求在狀態(tài)S2轉(zhuǎn)化為S0時輸出為1，其他情況輸出為0。嘗試設(shè)計帶有左拐、右拐和直行指示燈的交通燈控制系統(tǒng)，思考該控制系統(tǒng)包括幾個狀態(tài)，各方向間的紅綠燈時間應(yīng)如何協(xié)調(diào)設(shè)置。