北邮数字逻辑小学期交通灯控制器_北邮数字逻辑期末
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实验一交通灯控制器
一、实验目的a)熟练掌握 VHDL语言和QuartusII软件的使用。b)用VHDL进行较复杂逻辑电路的设计和调试。c)熟练掌握isp期间的下载方法。d)理解状态机的工作原理和设计方法。
二、实验所用设备和环境
a)实验设备：TEC－8实验箱一个、EPM7128SLC84-15芯片一个
b)实验环境：WinXP+QuartusII
三、实验任务及功能介绍
在十字路口，每条道路各有一组红、黄、绿灯，用以指挥车辆和行人有序的通行。其中红灯亮表示禁止通行，黄灯亮表示停车，绿灯亮表示可以通行。设计一交通灯控制器用于自动控制十字路口的交通灯，指挥各种车辆和行人安全通行。a)东西和南北方向各有一组绿、黄、红等用于指挥交通，绿灯、黄灯和红灯的持续时间分别为5s，1s和6s。其中初始状态为东西南北四个方向红黄绿灯全亮，持续1秒。后东西方向绿灯，南北方向红灯，持5秒。后东西方向黄灯闪烁，南北方向持续红灯，维持1秒。后东西、南北方向交换。b)有紧急状况时，如有消防车、救护车或者其他需要优先放行的车辆时，各方向上均是红灯亮。当紧急状况解除时，回复原来的状态，继续正常运行。
c)当复位开关置1时，切换到初始状态，即四个方向红黄绿灯全亮。
四、课题分析及流程图：
一共六个状态：S0, S1, S2, S3, S4, 紧急状态。
五、设计思路
a)本题主要是红黄绿灯时间的计时（即分频），和状态的切换。由于外部时钟信号CLK信号为1kHz，而我们需要1Hz，因此需要分频。
b)对于计时，采用计数器方式，根据外部时钟信号CLK，在上升沿时，将计数器加一，分别定义T1,T1,T3,T4的整型数，范围分别是0～999，0～1999，0～4999和0～199，分别表示1秒、2秒、5秒和0.2秒，其中0.2秒用于黄灯闪烁。引入TIMER数组来表示该进行何种时间的计数，每一位依次表示红黄绿灯，为分频后信号。
c)设计六个状态：S0, S1, S2, S3, S4和紧急状态。对于状态切换，引入currentSTATE和nextSTATE两个状态变量，取值在STATE中选择：TYPE STATE IS(S0, S1, S2, S3, S4);d)东西南北方向灯的表示：有三个4位二进制数，RED、YELLOW和GREEN进行输出，从高位到地位依次表示东西南北四个方向的灯的状态，1亮，0灭。
e)为了得知什么时候切换状态，需引入数组SWITCH，4位二进制数，每一位依次表示红黄绿灯计时器是否计时结束，若结束则置1，各位相或，得到CTRL信号若有效，则需要切换状态，反之则不用。
f)对于紧急状态信号URGENT和复位信号CLR，则由开关控制，若置1，则有效，立即切换到紧急状态或初始状态S0。
六、详细设计
a)交通灯控制器实体
b)arc中信号
c)分频进程，以计数器形式得出T1，T2，T3，T4四种时间。
d)判断何时切换状态
e)控制黄灯闪烁进程，每0.2s闪烁一次
f)六种状态的表现形式及紧急状态的切换
七、心得体会
这次虽然小学期有两周，但时间仍然是非常紧张。我由于身体原因在上学期期末申请了缓考，所以在小学期的同时还要准备6门缓考考试，显得非常忙碌，能够分给小学期的时间也不多。所以在第一天老师布置课题后，我们小组经过讨论，让我选择了简单一些的交通灯控制器。
在最开始的时候，显得无从下手。虽然我们编写过LED灯显示和各种译码器，但都只是很简单的一个进程，如今要自己设计整个控制器，觉得有点不知所措。后来用编写C＋＋等程序的经验，我仔细分析题目，将它分解成更小的模块，来分别实现，最后再整合在一起。
状态切换和显示部分的编码还比较简单，但是分频部分又有点不知所云，查阅了网上的例子和书籍后，感觉看不太懂他们的分频方式，询问同学，同学们也还不太清楚。后来借到第一天老师课上说的参考书，发现上面的分频方式是以计数器的形式，利用外部时钟，来一个上升沿计数器加一，简单容易理解，所以采用了。
每一次编写大作业的时候我都喜欢全部编写完毕后再编译、测试，但是这样就造成错误过多而引起不知道从何下手。因此我这一次采取的是逐部分编译、测试的方式。但是由于对VHDL已经一个多学期没有碰过，生疏了很多，语法错误非常多。而且编译通过后还经常不能运行。再反复完善代码却不能运行的时候，询问下同学，发现自己的管脚接的大有问题。是我自己忽略了有特殊指向的管脚，导致我的外部时钟CLK没有输入进去，程序无法继续进行。并且也发生了没有改代码，但是换了个实验箱就运行不了的情况，检查了很久发现是模式控制没有打到硬布线模式，影响了整体程序的运行，这些都是不通过自己调试、检验无法学习到的。
这两周的时间，我将自己的效率放大到最大，但是仍然因时间问题无法完成交通灯倒计时显示部分，也是小学期的一个遗憾。不过这两周，我不但又一次加深理解了自己动手操作的重要性，也对于芯片的设计思路有了更好的理解。由于交通灯控制器是一个简单一些的程序，因此我没有分模块实现，没有用到原理图，也没有遇到芯片的逻辑块溢出的问题，但是在每天的最后，小组讨论时，我们都会讨论解决这些问题，也让我从中学到了很多。总体来说，这一次的小学期算是收获颇丰。附件一：VHDL源代码 LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY trafficLight IS
PORT(CLR, CLK, URGENT : IN STD_LOGIC;GREEN : OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);YELLOW : OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);RED : OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0));
--CLOCK : OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0));END trafficLight;ARCHITECTURE lightARC OF trafficLight IS TYPE STATE IS(S0, S1, S2, S3, S4);SIGNAL currentSTATE, nextSTATE : STATE;SIGNAL CTRL : STD_LOGIC;SIGNAL SWITCH : STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);
--切换状态
SIGNAL TIMER : STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);
--时钟计时 SIGNAL T1 : INTEGER RANGE 0 TO 999;
--1s SIGNAL T2 : INTEGER RANGE 0 TO 1999;
--2s SIGNAL T3 : INTEGER RANGE 0 TO 4999;
--5s SIGNAL T4 : INTEGER RANGE 0 TO 199;
--0.2s
--SIGNAL T5 : INTEGER RANGE 0 TO 999;
BEGIN PROCESS(CLK, SWITCH)
BEGIN
IF(CLK'event AND CLK = '1')THEN
IF(SWITCH(0)= '0')THEN TIMER(0)
T1
ELSE IF(T1 = 999 AND URGENT = '0')THEN
T1
TIMER(0)
ELSE IF(URGENT = '0')THEN
T1
END IF;END IF;END IF;
IF(SWITCH(1)= '0')THEN TIMER(1)
T2
ELSE IF(T2 = 1999 AND URGENT = '0')THEN
T2
TIMER(1)
ELSE IF(URGENT = '0')THEN
T2
TIMER(1)
END IF;
END IF;
END IF;
IF(SWITCH(2)= '0')THEN
T3
ELSE IF(T3 = 4999 AND URGENT = '0')THEN
T3
ELSE IF(URGENT = '0')THEN
T3
TIMER(2)
END IF;
END IF;
END IF;
END IF;END PROCESS;
CTRL
PROCESS(CLK, SWITCH(3))
BEGIN
IF(CLK'event AND CLK = '1')THEN
IF(T4 = 199 AND SWITCH(3)= '1')THEN
T4
TIMER(3)
ELSIF(SWITCH(3)= '1')THEN
T4
END IF;
END IF;
END PROCESS;
PROCESS(CTRL, CLR)
BEGIN
--倒计时完成IF(CLR = '1')THEN currentSTATE
ELSIF(CTRL'event AND CTRL = '0')THEN currentSTATE
END IF;
END PROCESS;
PROCESS(currentSTATE, URGENT)
BEGIN
IF(URGENT = '1')THEN
--紧急状态，所有方向点亮红灯
GREEN
ELSE
CASE currentSTATE IS
WHEN s0 => SWITCH
GREEN
YELLOW
RED
--CLOCK
WHEN s1 => SWITCH
GREEN
YELLOW
RED
--CLOCK SWITCH
GREEN
YELLOW(3)SWITCH
GREEN
YELLOW
RED
--CLOCK
WHEN s4 => SWITCH
GREEN
YELLOW(3 DOWNTO 2)
YELLOW(1)
RED
END CASE;
END IF;
END PROCESS;
--
PROCESS(CLK, CLOCK)
--
BEGIN----------IF(CLK'event AND CLK = '1')THEN
IF(CLOCK = “0000”)THEN CLOCK
ELSE T5
END IF;--
END IF;
--
END PROCESS;END lightARC;
附件二：调试日志 2015／9／8周二：
复习VHDL基础知识及语法，了解交通灯大致编写思路。2015／9／9周三：
分解交通灯控制器：分频部分，状态切换部分，显示部分
今日计划：初步完成分频部分，考虑程序流程和各个进程间的配合。学习时钟分频的方式：途径：去图书馆借书查阅《VHDL数字电路设计与应用实践教程》，采用计数器的方式，针对外部时钟所给的1kHz分成1Hz，从而得到想要的5s、1s、0.2s等时间。
遇到问题：能够得到时间，但不知道该怎么将时间运用到状态切换中。解决方案：上网查阅资料。2015／9／10周四：
今日计划：完成状态切换部分和显示部分，考虑如何将分频好的时钟信号用在状态切换部分。
遇到问题：切换状态部分和显示部分比较简单，只是需要注意if－else语句使用，因为VHDL语法不熟悉导致语法报错很多。定义的状态太多，重复性大。
解决方案：开始在状态切换时，没想好要几个状态，零零散散分了很多个，导致很多状态其实根本是重合的，删减后得到最精简的6个状态。对于分频时钟，引入TIMER数组记录时钟是否计时完毕，若完毕则需要切换状态，将分频部分与其他部分串接在一起。2015／9／11周五：
今日计划：完成程序，在TEC－8上进行初步调试。
遇到问题：忘记如何下载芯片，询问同学后解决。成功下载芯片后发现不能运行，灯的显示也是乱的。
解决方案：回头看代码，发现在TIMER信号表示出计时完毕后，并没有给激励进行状态切换，引入CTRL信号给予激励，当CTRL有效时切换状态，为了方便观察CTRL信号的变化，将其连接到灯上。遇到问题：下载芯片后仍旧不能继续运行，但CTRL信号有改变。2015／9／14周一：
今日计划：完善程序，在TEC－8上运行成功。
遇到问题：下载芯片后仍旧不能继续运行，但CTRL信号有改变。解决方案：能够判断计时结束，能够给激励改变状态，却没有改变状态。发现没有信号表示红黄绿灯的切换，用S0～S4来判断状态并切换，但发现红黄绿灯有对称，而S2和S4、S1和S3对于计时器来说没有任何区别，不需要重复判断，因此引入SWITCH数组，每一位代表一种灯，使得能够判断计时结束后切换到何种状态，减少重复。修改编译报错。2015／9／15周二：
今日计划：完成程序，并在TEC－8上正确运行。
遇到问题：下载芯片后仍旧不能运行。发现管脚配置有问题。解决方案：按照老师给的ppt上的管脚配置，CLK接57管脚，CLR、URGENT分别接81，80开关上。RED，YELLOW，GREEN按顺序接到20到34的红黄绿灯上。（开始将CLR接到1号管脚上，发现必须一直按着CLR才可以运行程序，后将CLR改接开关上。）
遇到问题：在上午运行成功后，下午换了一台电脑，发现下载芯片后程序不动了。
解决方案：在完全没有改代码的情况下只能检查实验箱是否有误碰情况。排除灯显示问题后，确定是外部时钟没有走，发现开关置于独立而非硬布线模式，导致程序无法运行。拨回独立后运行正常。2015／9／16周三：
完成交通灯控制器，改正红绿灯显示不合理的地方，在考虑加入倒计时模块未果后，接受验收。
