第6章大型完整系統(tǒng)設計實例-交通燈和頻率計ppt課件

1、設計一個主干道和支干道十字路口的交通管理系統(tǒng)，并用VHDL進行描述。該交通管理系統(tǒng)的技術要求為：如果只有一個方向有車時，則保持該方向暢通；當兩個方向都有車時， 主干道和支干道交替通行， 但主干道通行的時間要比支干道長一些。 系統(tǒng)設計系統(tǒng)設計第一步：在明確技術要求的基礎上，首先制定系統(tǒng)的設計方案。第一步：在明確技術要求的基礎上，首先制定系統(tǒng)的設計方案。 第二步：第二步： 系統(tǒng)劃分，得到系統(tǒng)結構圖。系統(tǒng)劃分，得到系統(tǒng)結構圖。第三步：根據(jù)設計方案和系統(tǒng)結構圖進行算法設計，第三步：根據(jù)設計方案和系統(tǒng)結構圖進行算法設計， 可以畫出可以畫出控制系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的ASM圖。圖。第四步：設計輸入，用第四步：設計

2、輸入，用VHDL對該系統(tǒng)進行描述。對該系統(tǒng)進行描述。根據(jù)技術要求，在主干道和支干道兩個方向上都安裝紅、黃、綠三色信號燈；Ca和Cb分別是安裝在主干道和支干道上的傳感器，用于檢測是否有車輛需要通過路口。在只有主干道有車時， 主干道亮綠燈， 支干道亮紅燈；當只有支干道有車時，主干道亮紅燈，支干道亮綠燈；當兩個方向都有車時，則兩個方向輪流亮綠燈和紅燈，但主干道每次亮綠燈的時間不得少于60s，支干道每次亮綠燈的時間不得多于40s，在由綠燈轉紅燈之間要有10s的黃燈公共停車時間作為過渡。本系統(tǒng)最終采用可編程邏輯器件來實現(xiàn)。Cb支干道CaCa主干道Cb第一步：在明確技術要求的基礎上，首先制定系統(tǒng)的設計方案

3、。交通管理系統(tǒng)的結構圖 第二步： 系統(tǒng)劃分，得到系統(tǒng)結構圖。 根據(jù)以上的設計方案， 可以畫出系統(tǒng)的結構圖。 控 制 器定 時 器RaGaYaRaYaGaYbRbGbGbYbRbCaCbCNTclkresetclkresetSTLD 本系統(tǒng)主要由控制器和受控制的定時器組成。定時器用來確定主干道、支干道通行時間以及公共停車時間；CNT是定時的值； LD是定時值的同步預置信號，高電平有效；ST是這個定時器的狀態(tài)信號，當定時結束時，ST輸出為1； Ca和Cb分別為主干道和支干道的傳感器輸出信號，高電平表示有車需要通過；clk是周期為秒的時鐘信號；reset是異步復位信號，低電平有效，復位后的初始狀態(tài)為

4、主干道暢通；Ra、Ya、Ga和Rb、Yb、Gb分別為主干道和支干道的紅、黃、綠燈的控制信號，高電平有效。 控 制 器定 時 器RaGaYaRaYaGaYbRbGbGbYbRbCaCbCNTclkresetclkresetSTLD 第三步：根據(jù)設計方案和系統(tǒng)結構圖進行算法設計， 可以畫出控制系統(tǒng)的ASM圖。 ASM圖很清楚地表明了該交通管理系統(tǒng)共有4個狀態(tài)S0、 S1、 S2和S3以及各狀態(tài)之間的轉換關系。主 道 通 行 ， 支 道 禁 止Ga R b 1ST 1?C b 1?主 道 停 車 ， 支 道 禁 止Ya R b 1ST 1?主 道 禁 止 ， 支 道 通 行R a Gb 1ST 1?

5、C a 1?主 道 禁 止 ， 支 道 停 車R a Yb 1ST 1?NNS0S1S2NYYYNNYYNYS3當ST=1時， LD =1，CNT的值取決于當前的狀態(tài)和Ca、Cb的值。CNT的取值表的取值表狀態(tài)Ca、CbCNTS0Cb=060Cb=110S140S2Ca=040Ca=110S360 第四步：設計輸入，用VHDL對該系統(tǒng)進行描述。 本設計采用分層次描述，以下為VHDL源文件。-定時器模塊count.vhd）： LIBRARY IEEE； USE IEEE.STD-LOGIC-1164.ALL； USE IEEE.STD-LOGIC-UNSIGNED.ALL； ENTITY cou

6、nter IS PORT( reset ,clk ,LD : IN STD-LOGIC； CNT : IN INTEGER RANGE 0 TO 63； ST : OUT STD-LOGIC )； END ENTITY counter； ARCHITECTURE arch OF counter IS SIGNAL Q : INTEGER RANGE 0 TO 63； BEGIN PROCESS( reset， clk )- -定時器進程 BEGIN IF( reset = 0 ) THEN Q = 60； ELSIF( clkEVENT AND clk = 1 ) THEN IF( LD =

7、1 ) THEN Q = CNT； ELSIF ( Q /= 0 ) THEN Q = Q1; END IF； END IF；END PROCESS； PROCESS( reset ,clk ) -定時器定時器ST的進程的進程 BEGIN IF( reset = 0 ) THEN ST = 0； ELSIF( clkEVENT AND clk = 1 ) THEN IF( Q = 2 )THEN ST = 1； ELSE ST = 0； END IF； END IF； END PROCESS； END ARCHITECTURE arch； -控制器模塊control.vhd）： LIBRARY

8、 IEEE； USE IEEE.STD-LOGIC-1164.ALL； USE IEEE.STD-LOGIC-UNSIGNED.ALL； ENTITY con-trol IS PORT( reset ,clk ,ST ,Ca ,Cb : IN STD-LOGIC； Ra ,Ya ,Ga ,Rb ,Yb ,Gb ,LD : OUT STD-LOGIC； CNT : OUT INTEGER RANGE 0 TO 63 )； END ENTITY con-trol； ARCHITECTURE arch OF con-trol IS CONSTANT T1 : INTEGER : = 60； CONS

9、TANT T2 : INTEGER : = 40； CONSTANT T3 : INTEGER : = 10； TYPE STATE-TYPE IS ( S0 ,S1 ,S2 ,S3 )； SIGNAL state : STATE-TYPE； SIGNAL RYG : STD-LOGIC-VECTOR( 5 DOWNTO 0 )； BEGIN PROCESS( reset ,clk ) -描述狀態(tài)轉換 BEGIN IF( reset = 0 ) THEN state IF( Cb = 0) THEN state = S0； ELSE state state IF(Ca = 0) THEN st

10、ate = S2； ELSE state state = S0； END CASE； END IF； END IF； END PROCESS; -描述交通燈控制信號 Ra = RYG(5)； Ya = RYG(4)； Ga = RYG(3)； Rb = RYG(2)； Yb = RYG(1)； Gb RYG RYG RYG RYG = 100010； END CASE； END PROCESS； LD IF( Cb = 0) THEN CNT = T1；ELSE CNT CNT IF( Ca = 0) THEN CNT = T2；ELSE CNT CNT = T1； END CASE； END

11、 PROCESS； END ARCHITECTURE arch； -頂層文件traffic.vhd）： LIBRARY IEEE； USE IEEE.STD-LOGIC-1164.ALL； USE IEEE.STD-LOGIC-UNSIGNED.ALL； PACKAGE traffic-lib IS COMPONENT con-trol IS PORT( reset ,clk ,ST ,Ca ,Cb : IN STD-LOGIC； Ra ,Ya ,Ga ,Rb ,Yb ,Gb ,LD : OUT STD-LOGIC； CNT : OUT INTEGER RANGE 0 TO 63 )； END

12、 COMPONENT con-trol； COMPONENT counter IS PORT( reset ,clk ,LD : IN STD-LOGIC； CNT : IN INTEGER RANGE 0 TO 63； ST : OUT STD-LOGIC )； END COMPONENT counter； END PACKAGE traffic-lib； LIBRARY IEEE； USE IEEE.STD-LOGIC-1164.ALL； USE IEEE.STD-LOGIC-UNSIGNED.ALL； USE WORK.traffic-lib.ALL； ENTITY traffic IS

13、 PORT( reset ,clk ,Ca ,Cb : IN STD-LOGIC； Ra ,Ya ,Ga ,Rb ,Yb ,Gb : OUT STD-LOGIC )； END ENTITY traffic；ARCHITECTURE arch OF traffic IS SIGNAL ST ,LD : STD-LOGIC； SIGNAL CNT : INTEGER RANGE 0 TO 63； BEGIN u1:con-trol PORT MAP( reset ,clk ,ST ,Ca ,Cb ,Ra ,Ya ,Ga ,Rb ,Yb ,Gb ,LD ,CNT )； u2:counter PORT

14、 MAP( reset ,clk ,LD ,CNT ,ST )； END ARCHITECTURE arch； 1. 設計思路 下圖是8位十進制數(shù)字頻率計的電路邏輯圖，它由一個測頻控制信號發(fā)生器TESTCTL、8個有時鐘使能的十進制計數(shù)器CNT10、一個32位鎖存器REG32B組成。以下分別敘述頻率計各邏輯模塊的功能與設計方法。 8位十進制數(shù)字頻率計邏輯圖SD31.0REG32BTESTCTLGNDFSINCLKDOUT31.0SD31.28SD27.24SD23.20SD19.16SD15.12SD11.8SD7.4SD3.0DOUT31.0DIN31.0LOADCLKCQ3.0CARRY_

15、OUTENACLRCNT10CNT10CLKCQ3.0CARRY_OUTENACLRCNT10CNT10CLKCQ3.0CARRY_OUTENACLRCNT10CNT10CLKCQ3.0CARRY_OUTENACLRCNT10CNT10CLKCQ3.0CARRY_OUTENACLRCNT10CNT10CLKCQ3.0CARRY_OUTENACLRCLKCQ3.0CARRY_OUTENACLRCNT10CLKCQ3.0CARRY_OUTENACLRLOADCLR_CNTTSTENRSTCLKU0U9U2U1U3U4U8U7U6U5SESCSLS1S2S3S4S5S6S7S8 1) 測頻控制信號發(fā)

16、生器設計 頻率測量的基本原理是計算每秒鐘內(nèi)待測信號的脈沖個數(shù)。這就要求TESTCTL的計數(shù)使能信號TSTEN能產(chǎn)生一個1秒脈寬的周期信號，并對頻率計的每一計數(shù)器CNT10的ENA使能端進行同步控制。當TSTEN高電平時，允許計數(shù)；低電平時，停止計數(shù)，并保持其所計的數(shù)。在停止計數(shù)期間，首先需要一個鎖存信號LOAD的上跳沿將計數(shù)器在前1秒鐘的計數(shù)值鎖存進32位鎖存器REG32B中，并由外部的7段譯碼器譯出并穩(wěn)定顯示。鎖存信號之后，必須有一清零信號CLR_CNT對計數(shù)器進行清零，為下1秒鐘的計數(shù)操作作準備。測頻控制信號發(fā)生器的工作時序如圖所示。為了產(chǎn)生這個時序圖，需首先建立一個由D觸發(fā)器構成的二分頻

17、器，在每次時鐘CLK上沿到來時其值翻轉。 其中控制信號時鐘CLK的頻率取1 Hz，而信號TSTEN的脈寬恰好為1 s，可以用作閘門信號。此時，根據(jù)測頻的時序要求，可得出信號LOAD和CLR_CNT的邏輯描述。由圖可見，在計數(shù)完成后，即計數(shù)使能信號TSTEN在1 s的高電平后，利用其反相值的上跳沿產(chǎn)生一個鎖存信號LOAD，0.5 s后，CLR_CNT產(chǎn)生一個清零信號上跳沿。 高質(zhì)量的測頻控制信號發(fā)生器的設計十分重要，設計中要對其進行仔細的實時仿真(TIMING SIMULATION)，防止可能產(chǎn)生的毛刺。測頻控制信號發(fā)生器工作時序I RSTI CLKO TSTENO LOADO CLR_CNT

18、2) 寄存器REG32B設計 設置鎖存器的好處是，顯示的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，不會由于周期性的清零信號而不斷閃爍。若已有32位BCD碼存在于此模塊的輸入口，在信號LOAD的上升沿后即被鎖存到寄存器REG32B的內(nèi)部，并由REG32B的輸出端輸出，然后由實驗板上的7段譯碼器譯成能在數(shù)碼管上顯示輸出的相對應的數(shù)值。 3) 十進制計數(shù)器CNT10的設計 如下圖，此十進制計數(shù)器的特殊之處是，有一時鐘使能輸入端ENA，用于鎖定計數(shù)值。當高電平時計數(shù)允許，低電平時禁止計數(shù)。2. VHDL源程序源程序1) 有時鐘使能的十進制計數(shù)器的源程序有時鐘使能的十進制計數(shù)器的源程序CNT10.VHDLIBRARY IEEE；USE

19、 IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL； -有時鐘使能的十進制計數(shù)器有時鐘使能的十進制計數(shù)器ENTITY CNT10 ISPORT (CLK：IN STD_LOGIC； -計數(shù)時鐘信號計數(shù)時鐘信號 CLR：IN STD_LOGIC； -清零信號清零信號 END：IN STD_LOGIC； -計數(shù)使能信號計數(shù)使能信號 CQ：OUT INTEGER RANGE 0 TO 15； -4位計數(shù)結果輸出位計數(shù)結果輸出 CARRY_OUT：OUT STD_LOGIC)； -計數(shù)進位計數(shù)進位 END CNT10；ARCHITECTURE ART OF CNT10 IS SIGNAL CQI ：IN

20、TEGER RANGE 0 TO 15；BEGIN PROCESS(CLK，CLR，ENA) BEGIN IF CLR= 1 THEN CQI= 0； -計數(shù)器異步清零 ELSIF CLKEVENT AND CLK= 1 THEN IF ENA= 1 THEN IF CQI9 THEN CQI=CQI+1； ELSE CQI=0；END IF； -等于9，則計數(shù)器清零 END IF； END IF； END PROCESS； PROCESS (CQI) BEGIN IF CQI=9 THEN CARRY_OUT= 1； -進位輸出 ELSE CARRY_OUT= 0；END IF； END P

21、ROCESS； CQ=CQI；END ART；2) 32位鎖存器的源程序REG32B.VHDLIBRARY IEEE； -32位鎖存器USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；ENTITY REG32B IS PORT(LOAD：IN STD_LOGIC； DIN：IN STD_LOGIC_VECTOR(31 DOWNTO 0)； DOUT：OUT STD_LOGEC_VECTOR(31 DOWNTO 0)；END REG32B；ARCHITECTURE ART OF REG32B IS BEGINPROCESS ( LOAD， DIN )BEGINIF LOAD EVENT A

22、ND LOAD= 1 THEN DOUT=DIN； -鎖存輸入數(shù)據(jù) END IF ； END PROCESS；END ART；3) 測頻控制信號發(fā)生器的源程序TESTCTL.VHD LIBRARY IEEE；USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL； -測頻控制信號發(fā)生器USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALLENTITY TESTCTL IS PORT (CLK：IN STD_LOGIC； -1 Hz測頻控制時鐘 TSTEN：OUT STD_LOGIC； -計數(shù)器時鐘使能 CLR_CNT：OUT STD_LOGIC； -計數(shù)器清零 LOAD：OUT STD

23、_LOGIC)； -輸出鎖存信號END TESTCTL；ARCHITECTURE ART OF TESTCTL IS SIGNAL Dvi2CLK ：STD_LOGIC； BEGINPROCESS ( CLK )BEGINIF CLKEVENT AND CLK= 1 THEN -1 Hz時鐘二分頻Div2CLK=NOT Div2CLK；END IF ；END PROCESS；PROCESS ( CLK，Div2CLK )BEGIN IF CLK= 0 AND Div2CLK = 0 THEN -產(chǎn)生計數(shù)器清零信號 CLR_CNT= 1； ELSE CLR_CNT= 0 ； END IF； END PROCESS； LOAD=NOT Div2CLK； TSTENCLK，TSTEN=TSTEN， CLR_CNT=CLR_CNT，LOAD=LOAD)；U1：CNT10 PORT MAP(CLK=FSIN，CLR=CLR_CNT，ENA=TSTEN， CQ=DIN (3 DOWNTO 0)，CARRY_OUT=CARRY1)；U2：CNT10 PORT MAP(CLK=CARRY1，CLR=CLR_CNT，ENA=TSTEN， CQ=DIN (7 DOWNTO 4)，CARRY_OUT=CARRY2)；U3：CNT10 PORT MAP