基于VHDL狀態(tài)機設(shè)計的智能交通控制燈
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十字路口設(shè)計兩組交通燈分別控制東西和南北兩個方向的交通。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，過渡階段黃燈亮，即東西方向紅燈亮的時間等于南北方向綠燈和黃燈亮的時間之和。交通燈維持變亮的時間取決于鍵盤輸入的控制鍵值。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)機實現(xiàn)控制，本設(shè)計中使用兩個狀態(tài)機分別控制東西和南北兩個方向的交通。每個狀態(tài)機中都設(shè)有4個狀態(tài)，分別對應(yīng)紅燈亮、綠燈亮、黃燈亮和出現(xiàn)緊急狀況時兩個方向上的紅燈同時變亮，停止倒計時的同時數(shù)碼管上出現(xiàn)閃爍。路口的繁忙程度是不一樣的，白天時的交通比較繁忙，因此，紅綠燈要變化快一些以便提高通過效率，減少擁堵時間；相反，夜晚交通稀疏，就需要紅綠燈變化慢一些。因此，加入鍵盤控制程序來控制交通維持變亮狀態(tài)的持續(xù)時間。
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2 總體設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖
總體設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，共有11個功能模塊，包括控制東西方向交通燈的狀態(tài)機和控制南北方向交通燈的狀態(tài)機、計數(shù)器模塊、鍵盤掃描模塊、數(shù)字合成模塊、三個分位模塊、數(shù)碼管顯示模塊、動態(tài)顯示掃描模塊。
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用VHDL語言對各個模塊進(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行正確。如果出現(xiàn)錯誤，需要進(jìn)行修改，直到完全通過為止。需要說明的是，在進(jìn)行程序編譯時，要先從底層程序開始，所有底層程序都正確后，才能開始頂層程序的編譯。這是因為頂層程序是對底層程序的概括，它是把底層程序各個模塊連接起來，相當(dāng)于把每個模塊的功能匯聚到一起，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的控制功能，所以底層程序的正確與否關(guān)系到頂層程序的運行結(jié)果。VHDL語言編程生成的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。
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3 VHDL程序設(shè)計
3．1 狀態(tài)機1(東西方向)程序關(guān)鍵代碼
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用兩個狀態(tài)機分別控制東西方向和南北方向上的交通。從鍵盤獲得紅、綠、黃燈的總時間，紅燈時間占1/2，綠燈時間占3／8，黃燈時間占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)計數(shù)器時間為0時，由紅燈狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到綠燈狀態(tài)，當(dāng)計數(shù)器時間到達(dá)3／8時，由綠燈狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到黃燈狀態(tài)。當(dāng)?shù)竭_(dá)一半時間時，由黃燈狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到紅燈狀態(tài)。當(dāng)hold為1時，由任意狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到緊急狀態(tài)。
3．2 計數(shù)器源程序代碼
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3．3 分位程序源代碼 |
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4 仿真結(jié)果
東西方向和南北方向狀態(tài)機仿真結(jié)果如圖4、5所示，從圖4可以看出，getin是從鍵盤獲得的鍵值，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，數(shù)碼管顯示的倒計時從15 s開始；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，GREENA由高電平變?yōu)榈碗娖?，YELLOWA由低電平變?yōu)楦唠娖健５褂嫊r時間從5s開始。南北方向仿真圖與東西方向類似，這里不再贅述。
計數(shù)器從鍵盤上得到的鍵值為40 s，從仿真圖(圖6所示)上可以看出，計數(shù)器能正常計數(shù)。
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從仿真結(jié)果可以看出，計數(shù)器能夠正常計數(shù)，狀態(tài)機狀態(tài)能夠正確狀態(tài)變換。東西方向初始狀態(tài)為綠燈，從15開始倒計時，南北方向初始狀態(tài)為紅燈，從20開始倒計時。
該系統(tǒng)硬件電路包含了1個CPLD，6個7段LED數(shù)碼顯示器，分別表示各個方向上的紅、黃、綠燈，以及相應(yīng)的限流電阻。與其他控制方法相比，所用器件可以說是比較簡單經(jīng)濟(jì)的。經(jīng)過實驗，實現(xiàn)了預(yù)定的交通燈系統(tǒng)的控制功能。數(shù)碼顯示器采用動態(tài)掃描方式，大大節(jié)約了資源。
5 結(jié)束語
該交通燈控制邏輯可以實現(xiàn)3種顏色燈的交替點亮以及時間的倒計時，指揮車輛和行人安全通行。本文介紹的是一種最基本和簡單的交通燈設(shè)計情況，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語言實現(xiàn)其它交通燈的控制設(shè)計。
隨著EDA技術(shù)的發(fā)展，在今后的電子產(chǎn)品研究開發(fā)中，EDA技術(shù)具有更好的開發(fā)手段和性價比，擁有廣泛的市場應(yīng)用前景。
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