利用有限状态机的交通灯控制系统设计与仿真

摘要：基于硬件电路设计软件化的思想，根据路口交通灯控制功能要求，以可编程逻辑器件(FPGA)为硬件基础，以有限状态机为设计基础，通过对系统状态及其转移关系的定义，运用多进程方式描述硬件模块的逻辑关系，用VHDL语言编程实现了交通灯控制系统，经仿真，并在实验箱上进行功能测试，正确实现了预期功能。仅用一片可编程逻辑器件，即完成需要的控制功能，设计思路清晰，实现过程灵活。
关键词：有限状态机；交通灯；控制系统；设计

实现路口交通灯控制器系统的方法很多，可以用标准逻辑器件、可编程序控制器PLC、单片机等方案来实现。但是这些方法在进行功能修改及调试时，都涉及硬件电路的调整，在一定程度上增加了工作的难度。随着电子技术的迅猛发展，集成电路的设计方法也在不断地更新，传统的“固定功能集成电路+连线”的手工电子设计方法已被现代的对“芯片”进行设计的电子设计自动化(EDA)的设计方法所替代，使用“语言”进行电子电路设计已成为一种趋势。笔者设计开发的交通信号灯控制器系统，采用EDA技术和可编程逻辑器件FPGA，应用VHDL有限状态机来设计控制系统的控制功能，并可根据实际情况对灯亮时间进行自由调整，整个系统通过OuartusⅡ软件平台进行了仿真，并下载到FPGA器件EP1C120240C8中进行调试，验证了设计的交通信号灯控制电路完全可以实现预定的功能。该系统可以较好地缓解交通压力，并可实现对突发事件进行紧急处理，具有一定的实用性。

1 有限状态机的基本特性
有限状态机FSM(finite state machine)由有限的状态及其相互之间的转移关系构成。从有限状态机的角度看，许多数字系统中的时序电路都可以用其来描述，因此，有限状态机是一种重要的、易于建立的、比较规范、以描述控制特性为主的建模方法，它可以应用于从系统分析到设计的所有阶段。同时，因为有限状态机具有有限个状态，所以可以在实际的工程上实现。但这并不意味着其只能进行有限次的处理。相反，有限状态机是闭环系统，可以用有限的状态，处理无穷的事务。
在用VHDL语言来设计实用系统的控制功能时，通常会选用有限状态机方法来实现，因为无论与VHDL的其他设计方案相比，还是与可完成相同功能的CPU相比，有限状态机有其独特的、难以超越的优越性，主要表现在以下几个方面：
1)有限状态机由纯硬件来实现，工作方式是根据控制信号按照预先设定的状态进行顺序运行，在运行和控制方式上类似于控制灵活和方便的CPU，而在设计中能使用各种完整的容错技术，使其在运行速度和工作可靠性方面又都优于CPU。
2)用VHDL设计有限状态机，设计流程和方案相对固定，程序层次分明，程序结构简单清晰，特别是可以定义符号化枚举类型的状态，使VHDL综合器对状态机具有强大的优化功能。
3)状态机容易构成性能良好的同步时序模块，为了消除电路中的毛刺现象，在有限状态机设计中有多种设计方案可供选择，相比其他硬件设计方法，电路的完善性更能得到保证。
因此，在控制灵活、高速、高可靠性要求的系统设计中应用VHDL设计有限状态机将是非常实用的选择。
利用VHDL的有限状态机设计不同实用逻辑控制系统时，通常采用枚举类型来定义状态机的状态，这样可以获得可综合的、高效的VHDL描述，并且使用多进程方式来描述状态机的内部逻辑。例如：可用两个进程来描述，一个进程描述时序逻辑功能，通常称为时序进程；另一个进程描述组合逻辑功能，即组合进程，必要时还可以引入第3个进程完成其他的逻辑功能，另外还需要相应的说明部分，在说明部分用TYPE定义新的数据类型和状态名，以及在此新数据下定义的状态变量。

2 基于有限状态机的交通灯控制系统设计
2．1 功能分析
作为一个十字路口交通信号灯控制系统，每条道路都需要有一组红、绿、黄灯和倒计时计数器，用于指挥车辆的有序通行。为便于区分，将十字路口交通信号灯分为主路a和支路b，应具有以下功能：
1)主路a和支路b各设置两组(双向)红灯、绿灯、黄灯，以指示通行状态：同时还设置数字式的时间显示，以倒计时方式显示每一路允许通行或禁止通行的剩余时间。
2)具有复位功能，当出现故障时，可复位回到初始设置状态。
3)当主路a或支路b出现紧急情况时，按紧急情况键可进入紧急情况状态，各方向(两路)均亮红灯，倒计时停止。当特殊情况结束时，控制其恢复到电路的原来状态继续运行。
4)主路a或支路b的通行时间可在一定范围自定义设置。
2．2 交通灯控制系统整体设计
按照功能分析的要求，自顶向下，设计交通灯控制系统的整体组成框图如图1所示，它主要由分频模块，交通灯控制与倒计时模块和动态扫描显示控制模块组成。分频电路用于产生倒计时控制电路所需的周期为1 s的时钟信号频率；倒计时控制电路控制交通信号灯(红、绿、黄)的亮灯时间和亮灯顺序。根据对VHDL的使用熟悉程度，可对各模块继续分解，可视情而定。

2．3 控制与倒计时模块的有限状态机设计
2．3．1 建立状态转移图
在交通灯控制系统中，交通灯控制与倒计时模块是系统的核心部分，采用有限状态机设计实现。主路a和支路b分别控制该方向上红、绿、黄信号灯的亮灯时间和亮灯顺序，正常工作时共有St0、St1、St2、St3 4种状态，每个状态之间的具体关系如表1所示，其中，red1_cn t、green1_cnt、yellow1_cnt和red2_cnt、green2_cnt、yellow2_cnt分别表示主路a和支路b上红绿黄灯所亮灯的时间，这里可自己定义倒计时时间。其状态转换图如图2所示。ent为倒计时的计数值，同时用它来判断是否进入下一个状态。