利用有限狀態(tài)機的交通燈控制系統設計與仿真

摘要：基于硬件電路設計軟件化的思想，根據路口交通燈控制功能要求，以可編程邏輯器件(FPGA)為硬件基礎，以有限狀態(tài)機為設計基礎，通過(guò)對系統狀態(tài)及其轉移關(guān)系的定義，運用多進(jìn)程方式描述硬件模塊的邏輯關(guān)系，用VHDL語(yǔ)言編程實(shí)現了交通燈控制系統，經(jīng)仿真，并在實(shí)驗箱上進(jìn)行功能測試，正確實(shí)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(shí)現過(guò)程靈活。
關(guān)鍵詞：有限狀態(tài)機；交通燈；控制系統；設計

實(shí)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(lái)實(shí)現。但是這些方法在進(jìn)行功能修改及調試時(shí)，都涉及硬件電路的調整，在一定程度上增加了工作的難度。隨著(zhù)電子技術(shù)的迅猛發(fā)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(xiàn)”的手工電子設計方法已被現代的對“芯片”進(jìn)行設計的電子設計自動(dòng)化(EDA)的設計方法所替代，使用“語(yǔ)言”進(jìn)行電子電路設計已成為一種趨勢。筆者設計開(kāi)發(fā)的交通信號燈控制器系統，采用EDA技術(shù)和可編程邏輯器件FPGA，應用VHDL有限狀態(tài)機來(lái)設計控制系統的控制功能，并可根據實(shí)際情況對燈亮時(shí)間進(jìn)行自由調整，整個(gè)系統通過(guò)OuartusⅡ軟件平臺進(jìn)行了仿真，并下載到FPGA器件EP1C120240C8中進(jìn)行調試，驗證了設計的交通信號燈控制電路完全可以實(shí)現預定的功能。該系統可以較好地緩解交通壓力，并可實(shí)現對突發(fā)事件進(jìn)行緊急處理，具有一定的實(shí)用性。

1 有限狀態(tài)機的基本特性
有限狀態(tài)機FSM(finite state machine)由有限的狀態(tài)及其相互之間的轉移關(guān)系構成。從有限狀態(tài)機的角度看，許多數字系統中的時(shí)序電路都可以用其來(lái)描述，因此，有限狀態(tài)機是一種重要的、易于建立的、比較規范、以描述控制特性為主的建模方法，它可以應用于從系統分析到設計的所有階段。同時(shí)，因為有限狀態(tài)機具有有限個(gè)狀態(tài)，所以可以在實(shí)際的工程上實(shí)現。但這并不意味著(zhù)其只能進(jìn)行有限次的處理。相反，有限狀態(tài)機是閉環(huán)系統，可以用有限的狀態(tài)，處理無(wú)窮的事務(wù)。
在用VHDL語(yǔ)言來(lái)設計實(shí)用系統的控制功能時(shí)，通常會(huì )選用有限狀態(tài)機方法來(lái)實(shí)現，因為無(wú)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(tài)機有其獨特的、難以超越的優(yōu)越性，主要表現在以下幾個(gè)方面：
1)有限狀態(tài)機由純硬件來(lái)實(shí)現，工作方式是根據控制信號按照預先設定的狀態(tài)進(jìn)行順序運行，在運行和控制方式上類(lèi)似于控制靈活和方便的CPU，而在設計中能使用各種完整的容錯技術(shù)，使其在運行速度和工作可靠性方面又都優(yōu)于CPU。
2)用VHDL設計有限狀態(tài)機，設計流程和方案相對固定，程序層次分明，程序結構簡(jiǎn)單清晰，特別是可以定義符號化枚舉類(lèi)型的狀態(tài)，使VHDL綜合器對狀態(tài)機具有強大的優(yōu)化功能。
3)狀態(tài)機容易構成性能良好的同步時(shí)序模塊，為了消除電路中的毛刺現象，在有限狀態(tài)機設計中有多種設計方案可供選擇，相比其他硬件設計方法，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(tài)機將是非常實(shí)用的選擇。
利用VHDL的有限狀態(tài)機設計不同實(shí)用邏輯控制系統時(shí)，通常采用枚舉類(lèi)型來(lái)定義狀態(tài)機的狀態(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(lái)描述狀態(tài)機的內部邏輯。例如：可用兩個(gè)進(jìn)程來(lái)描述，一個(gè)進(jìn)程描述時(shí)序邏輯功能，通常稱(chēng)為時(shí)序進(jìn)程；另一個(gè)進(jìn)程描述組合邏輯功能，即組合進(jìn)程，必要時(shí)還可以引入第3個(gè)進(jìn)程完成其他的邏輯功能，另外還需要相應的說(shuō)明部分，在說(shuō)明部分用TYPE定義新的數據類(lèi)型和狀態(tài)名，以及在此新數據下定義的狀態(tài)變量。

2 基于有限狀態(tài)機的交通燈控制系統設計
2．1 功能分析
作為一個(gè)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(shí)計數器，用于指揮車(chē)輛的有序通行。為便于區分，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(tài)：同時(shí)還設置數字式的時(shí)間顯示，以倒計時(shí)方式顯示每一路允許通行或禁止通行的剩余時(shí)間。
2)具有復位功能，當出現故障時(shí)，可復位回到初始設置狀態(tài)。
3)當主路a或支路b出現緊急情況時(shí)，按緊急情況鍵可進(jìn)入緊急情況狀態(tài)，各方向(兩路)均亮紅燈，倒計時(shí)停止。當特殊情況結束時(shí)，控制其恢復到電路的原來(lái)狀態(tài)繼續運行。
4)主路a或支路b的通行時(shí)間可在一定范圍自定義設置。
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(shí)模塊和動(dòng)態(tài)掃描顯示控制模塊組成。分頻電路用于產(chǎn)生倒計時(shí)控制電路所需的周期為1 s的時(shí)鐘信號頻率；倒計時(shí)控制電路控制交通信號燈(紅、綠、黃)的亮燈時(shí)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。

2．3 控制與倒計時(shí)模塊的有限狀態(tài)機設計
2．3．1 建立狀態(tài)轉移圖
在交通燈控制系統中，交通燈控制與倒計時(shí)模塊是系統的核心部分，采用有限狀態(tài)機設計實(shí)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(shí)間和亮燈順序，正常工作時(shí)共有St0、St1、St2、St3 4種狀態(tài)，每個(gè)狀態(tài)之間的具體關(guān)系如表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(shí)間，這里可自己定義倒計時(shí)時(shí)間。其狀態(tài)轉換圖如圖2所示。ent為倒計時(shí)的計數值，同時(shí)用它來(lái)判斷是否進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)。