基于VHDL狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)的智能交通控制燈

1設(shè)計(jì)方案

    十字路口設(shè)計(jì)兩組交通燈分別控制東西和南北兩個(gè)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(guò)渡階段黃燈亮，即東西方向紅燈亮的時(shí)間等于南北方向綠燈和黃燈亮的時(shí)間之和。交通燈維持變亮的時(shí)間取決于鍵盤(pán)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(gè)狀態(tài)機(jī)分別控制東西和南北兩個(gè)方向的交通。每個(gè)狀態(tài)機(jī)中都設(shè)有4個(gè)狀態(tài)，分別對(duì)應(yīng)紅燈亮、綠燈亮、黃燈亮和出現(xiàn)緊急狀況時(shí)兩個(gè)方向上的紅燈同時(shí)變亮，停止倒計(jì)時(shí)的同時(shí)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(shí)的交通比較繁忙，因此，紅綠燈要變化快一些以便提高通過(guò)效率，減少擁堵時(shí)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(pán)控制程序來(lái)控制交通維持變亮狀態(tài)的持續(xù)時(shí)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(gè)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(pán)掃描模塊、數(shù)字合成模塊、三個(gè)分位模塊、數(shù)碼管顯示模塊、動(dòng)態(tài)顯示掃描模塊。

    用VHDL語(yǔ)言對(duì)各個(gè)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(cuò)誤，需要進(jìn)行修改，直到完全通過(guò)為止。需要說(shuō)明的是，在進(jìn)行程序編譯時(shí)，要先從底層程序開(kāi)始，所有底層程序都正確后，才能開(kāi)始頂層程序的編譯。這是因?yàn)轫攲映绦蚴菍?duì)底層程序的概括，它是把底層程序各個(gè)模塊連接起來(lái)，相當(dāng)于把每個(gè)模塊的功能匯聚到一起，實(shí)現(xiàn)整個(gè)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(yǔ)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(gè)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(pán)獲得紅、綠、黃燈的總時(shí)間，紅燈時(shí)間占1/2，綠燈時(shí)間占3／8，黃燈時(shí)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(shí)間為0時(shí)，由紅燈狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到綠燈狀態(tài)，當(dāng)計(jì)數(shù)器時(shí)間到達(dá)3／8時(shí)，由綠燈狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到黃燈狀態(tài)。當(dāng)?shù)竭_(dá)一半時(shí)間時(shí)，由黃燈狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到紅燈狀態(tài)。當(dāng)hold為1時(shí)，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

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(pán)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(shí)，數(shù)碼管顯示的倒計(jì)時(shí)從15 s開(kāi)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(shí)，GREENA由高電平變?yōu)榈碗娖?，YELLOWA由低電平變?yōu)楦唠娖?。倒?jì)時(shí)時(shí)間從5s開(kāi)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(pán)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(kāi)始倒計(jì)時(shí)，南北方向初始狀態(tài)為紅燈，從20開(kāi)始倒計(jì)時(shí)。

    該系統(tǒng)硬件電路包含了1個(gè)CPLD，6個(gè)7段LED數(shù)碼顯示器，分別表示各個(gè)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(shuō)是比較簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的。經(jīng)過(guò)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(dòng)態(tài)掃描方式，大大節(jié)約了資源。

5 結(jié)束語(yǔ)

    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(shí)間的倒計(jì)時(shí)，指揮車輛和行人安全通行。本文介紹的是一種最基本和簡(jiǎn)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(yǔ)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(kāi)發(fā)中，EDA技術(shù)具有更好的開(kāi)發(fā)手段和性價(jià)比，擁有廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用前景。