一、实验目的
掌握有限状态机的编程和使用方法。
二、实验内容
设计一个十字路口交通灯控制器，东西(b)、南北(a)方向有红灯、黄灯、绿灯，持续时间分别为45、5、40秒，仿真验证其功能。
三、实验设计与结果
1.整体设计思路：根据题目要求可知，需要用VHDL描述设计不同的进程分别进行“复位清零”、“状态定义及转化”、“时间定义及控制”、“计时”的功能。而又因为红绿灯需要持续40秒，而黄灯只需要持续5秒，因此需要将“时间的定义及控制”、“计时”的功能各自都分开成两个部分。细节：需要注意复位清零的异步性、双向红绿灯存在的4种不同状态、计时功能与状态选择的衔接等。VHDL描述代码如下。
①引入与定义：
LIBRARY ieee; USE ieee.std_logic_1164.ALL; USE ieee.std_logic_unsigned.ALL; ENTITY rgy3 is port( clk,rst: in std_logic; Ra,Rb,Ga,Gb,Ya,Yb: out std_logic); END rgy3; Architecture bhv of rgy3 is type state is (S0,S1,S2,S3); signal presentstate,nextstate : state; signal time40,time5 : std_logic; signal rst40,rst5 : std_logic ; signal en40,en5 : std_logic ; signal tmp40 : std_logic_vector(5 downto 0); signal tmp5 : std_logic_vector(2 downto 0); begin
②异步复位清零：
process(clk,rst) begin if rst = '1' then presentstate <= S0; elsif clk'event and clk='1' then presentstate<=nextstate; end if; end process;
③40秒计时：
process(clk,rst40,en40) begin if rst = '1' then tmp40<="000000"; elsif rst40='1' then tmp40<="000000"; elsif clk'event and clk='1' then if en40='1' then if tmp40="100111" then tmp40<="000000"; else tmp40<=tmp40+1; end if; end if; end if; if tmp40="100111" then time40<='1'; else time40<='0'; end if; end process;
④5秒计时：
process(clk,rst5,en5) begin if rst = '1' then tmp5<="000"; elsif rst5='1' then tmp5<="000"; elsif clk 'event and clk='1' then if en5='1' then if tmp5="100" then tmp5<="000"; else tmp5<=tmp5+1; end if; end if; end if; if tmp5="100" then time5<='1'; else time5<='0'; end if; end process;
⑤时间与状态衔接：
process(presentstate,time40,time5) begin case presentstate is when S0 => rst40 <='0';en40<='1';rst5<='1';en5<='0'; if time40= '1' then nextstate<= S1;else nextstate<= S0; end if; when S1 => rst5 <='0';en5 <='1';rst40<='1';en40<='0'; if time5= '1' then nextstate<= S2;else nextstate<= S1; end if; when S2 => rst40 <='0';en40<='1';rst5<='1';en5<='0'; if time40= '1' then nextstate<= S3;else nextstate<= S2; end if; when S3 => rst5 <='0';en5<='1';rst40<='1';en40<='0'; if time5= '1' then nextstate<= S0;else nextstate<= S3; end if; end case; end process;
⑥状态对应转化：
process(presentstate) begin case presentstate is when S0 => Ra<='0'; Ya<= '0'; Ga<='1'; Rb<='1'; Yb<= '0'; Gb<='0'; when S1 => Ra<='0'; Ya<= '1'; Ga<='0'; Rb<='1'; Yb<= '0'; Gb<='0'; when S2 => Ra<='1'; Ya<= '0'; Ga<='0'; Rb<='0'; Yb<= '0'; Gb<='1'; when S3 => Ra<='1'; Ya<= '0'; Ga<='0'; Rb<='0'; Yb<= '1'; Gb<='0'; end case; end process;
2.仿真实验：输入：clk、rst，输出：Ra、Rb、Ga、Gb、Ya、Yb以及状态中间输出：presentstate、tmp40、tmp5。
3.状态机转换图。
4.根据引脚配置完成接线，下载至FPGA芯片中，在实验箱上完成验证。如下图为相关的实验验证。
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四、实验思考与小结
1.VHDL描述的模块化，将实现不同功能的VHDL描述分开在不同的进程里面，实现VHDL的“高内聚低耦合”。
2. 需要明确不同的状态机它们之间的转换条件。
3. 状态机由状态寄存器和组合逻辑电路构成，能够根据控制信号按照预先设定的状态进行状态转移，是协调相关信号动作、完成特定操作的控制中心。交通信号灯可以用状态机的原理来实现，因为信号灯的变化状态是有限的，各个状态可以列举出来，状态间切换由计数器决定。
以下请忽略！
import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt import matplotlib list=[[1,2,3,4,5,6],[2,4,6,8,10,12],[1,3,5,7,9,11],[1.1,2.2,3.3,4.4,5.5,6.6],[3,6,9,12,15,18],[4,8,12,16,20,24 ],[5,10,15,20,25,30],[1.5,2.5,3.5,4.5,5.5,6.5],[1,4,7,10,13,16],[2,5,8,11,14,17]] a=np.array(list) std=[] avg=[] x=[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10] for i in range(0,len(list)): std.append(np.std(a[i])) avg.append(np.mean(a[i])) fig=plt.figure() plt.xticks(x,x) plt.plot(x,avg,marker="o",color='#858687',markeredgecolor='black',linewidth=3,label="Mean Value") for i in range(len(avg)): plt.text(x[i],avg[i],avg[i],fontsize=10) y1=[] y2=[] for i in range(len(x)): y1.append(avg[i]+std[i]/2) y2.append(avg[i] - std[i] / 2) plt.fill_between(x,y1,y2,color='#d2e3f0',label="Standard deviation") plt.grid() plt.legend(loc=2) plt.show()
