数字课程设计题目的状态机参考状态图.docx
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数字课程设计题目的状态机参考状态图
数字课程设计题目的状态机参考状态图
夏路易
太原理工大学自动化系
2009，5
前面的话
如下是《基于EDA的电子技术课程设计》书中的数字课程设计中各个题目的原理框图与状态机的状态图，供读者参考。
有不正确之处，请读者指正，在此表示感谢。
很多题目可能有多种实现答案，只要状态机可以按照题目要求正确实现状态转换就可以。
通常为实际调试方便，可将计数器的计数值显示在实验板的数码管上（设计中增加译码模块）。
另外，实际实验是要连接实验板的，所以锁定引脚时，要参考实验板电路。
下面介绍一些关于题目的基础知识。
（1）按钮输入与LED灯输出电路
按钮输入与LED灯输出电路如图F2-1所示。
图F2-1a显示的按钮电路中，当按钮按下时，按钮信号k1=0，当按钮抬起时，按钮信号k1=1。
图F2-1b是LED灯显示电路，当可编程逻辑器件的输出引脚输出低电平时，LED灯亮。
图F2-1按钮与LED灯电路
由于本参考答案设计的状态机中，都是以逻辑1表示有效信号，因此在实际接线时，应该增加反相器，以满足LED灯的驱动需求。
（2）定时器
定时器是用减法计数器组成，分为固定初值计数器和可变初值定时器两种。
图F2-2定时器电路
图F-2a所示的是固定初值为8的减法计数器，当t8=0时，计数器预置初值；当t8=1时计数器开始减法计数，当计数值减到0时td8=1。
图F-2b所示的是可变初值的减法计数器，当t=0时，数据D[7..0]被置入计数器，当t=1时，开始减法计数，当计数值减到0时，td=1。
通常作为定时器的计数器的时钟周期为1s，而状态机的时钟可以在ms级，甚至在μs级，但是在做状态机与定时器的联合仿真时，为加快仿真速度，可以使状态机与定时器具有相同的时钟信号。
（3）行程开关
行程开关（又称为限位开关）是一种检测物体移动位置的开关。
图F2-3a是结构图，当物体碰到行程开关的接触杆时，接触杆向下移动，使开关的常开触点闭合。
若是具有上拉电阻，如图F2-3b所示，则常开触点闭合后，行程开关输出低电平；若是具有下拉电阻，如图F2-3c所示，则常开触点闭合后，行程开关输出高电平。
图F2-3行程开关结构与接线图
实际中还有一种近接（或是接近）开关，就是当一铁物体接近开关时，开关内部的接点会闭合，用于判断移动物体的位置。
（4）车辆传感器
车辆传感器是检测汽车是否存在的装置，该装置由1m宽x2m长的长方形线圈组成，通常埋在汽车行驶的路面上，当汽车经过线圈时，线圈与电容组成的谐振电路就改变谐振频率，检测该频率的变化，就可以判断是否有汽车存在。
（5）被控对象-交通灯
现在的新型交通灯通常用发光二极管组成，由于是多个发光二极管串、并联在一起，因此有很大的电流驱动才能工作，通常是用可编程逻辑器件实现状态机，因此状态机输出驱动能力有限，所以要驱动交通灯，需要大功率器件才可以。
在实验交通灯电路时，可以用单个发光二极管，这样不加驱动就可以用可编程逻辑器件直接驱动。
（6）被控对象-电灯
电灯一般是日光灯或是白炽灯，通常采用220V交流电源。
可编程逻辑器件（状态机）输出弱电控制信号，驱动继电器、晶闸管等器件才能控制白炽灯的亮灭。
（7）被控对象-电机
电机是一种机电能量转换器件，是将电能转换为旋转机械能的装置，通常分为直流电机和交流电机两类。
直流电机需要加直流电，改变直流电压值，就可以改变旋转速度。
常用可编程逻辑器件（状态机）输出的弱电信号控制继电器切换直流电机电源的方法控制直流电机是否运行
若是改变直流转速，则要状态机输出相应的弱电信号，分段改变控制直流电机的电压的方法实现。
例如状态机输出速度1，则电机电压为100V，速度2，则电机电压为150V，等等。
交流电机需要加交流电才能运行，加单相电源的电机称为单相交流电机，加三相电源的电机称为三相交流电机。
无论单相电机还是三相电机，用状态机控制继电器切换电机的电源，就可以控制电机是否运转。
若是需要改变电机转向，则需要更改电机接线，例如，三相电机，交换任意两相的接线，就可以改变旋转方向。
实际中状态机输出信号与三相电机的控制接线如图F2-4所示。
图F2-4状态机输出信号与三相电机的控制接线图
（8）继电器
继电器结构图与符号图如图F2-5所示。
图F2-5继电器结构图与符号图
当继电器线圈通电后，动铁被磁路吸合，常开触点闭合，使触点外电路连接在一起。
继电器触点功率较小，不能流过大电流，例如交流220V、5A以上的电流。
接触器是大触点功率的继电器，其触点功率一般在10A以上，可达数百安培。
如下题目参考的内容中只给出了原理框图与状态图，还需要用硬件描述语言描述状态机，描述完毕后还要仿真，仿真正确后才能说明所设计的状态机是正确的。
在状态图给出的情况下，还需要如下步骤：
（1）采用硬件描述语言（例如，VerilogHDL语言）描述状态机，编译文件，检查语法错误与描述错误。
（2）输入状态机实现状态转换的所有输入信号，进行状态机仿真，若是所有状态都可以按照预想转换方向实现状态转换，而且状态机输出正确，则说明状态机设计正确。
（3）设计定时器、译码器等外围电路，并仿真验证是否正确，若是正确，进行下一步。
（4）设计顶层电路图（为仿真方便，定时器与状态机可以采用相同时钟源），添加时钟引脚、输入信号与输出信号引脚后，再次仿真，（这时只需要所设计控制器的输入引脚，而定时器与状态机等之间的连接引脚，例如td等，就不用输入了）若仿真正确，则进行下一步。
（5）选定可编程逻辑器件，例如FPGA芯片10k20TC144，然后实现引脚锁定。
这时应该参考实验电路图，正确锁定按钮、发光二极管、数码管、时钟源等的引脚，搭配信号逻辑电平。
（6）将综合形成的文件，写入可编程逻辑器件，实际验证所设计控制器的正确性。
（7）写课程设计报告书
[题目B1]带有强制按钮的交通灯
交通信号灯的动作如下图所示。
要求可以用按钮强制使南北通行或东西通行。
试设计该交通灯控制器。
（1）原理框图
其中：
na是南北强制按钮
da是东西强制按钮
n1，n2和n3是南北方向红、黄、绿灯控制信号
d1、d2和d3是东西方向红、黄、绿灯控制信号
图中定时器用减法计数器组成，当减到0时，td=1。
（2）状态图
a0状态：
南北绿灯亮，东西红灯亮，其他灯灭。
a1状态：
南北黄灯亮，东西红灯亮，其他灯灭。
a2状态：
东西绿灯亮，南北红灯亮。
其他灯灭
a3状态：
东西黄灯亮，南北红灯亮。
其他灯灭
[题目B2]交通灯控制器
试设计一交通信号灯控制器，图中绿灯在转黄灯前，闪烁3次。
该交通灯的亮灭顺序是如下：
（1）原理框图
图中：
定时器用减法计数器实现。
n1、n2与n3是南北方向红、黄、绿灯的控制信号。
d1、d2、d3是东西方向的红、黄、绿灯的控制信号。
（2）状态图
状态说明
在a0状态：
南北绿灯亮，东西红灯亮，其他灯灭。
在a1状态：
南北绿灯闪，东西红灯亮，其他灯灭。
在a2状态：
南北黄灯亮，东西红灯亮，其他灯灭。
在a3状态：
南北红灯亮，东西绿灯亮，其他灯灭。
在a4状态：
南北红灯亮，东西绿灯闪，其他灯灭。
在a5状态：
南北红灯亮，东西黄灯亮，其他灯灭。
*使用秒脉冲“与”绿灯闪烁信号就可以使绿灯闪烁。
[题目B3]交通灯控制器。
设计一个交通灯控制器，该控制器控制的交通灯顺序为，
南北方向是：
绿（15s）、黄（5s）、红（20s），红（5s）
东西方向是：
红（15s）、红（5s）、绿（20s），黄（5s）
要求：
在红灯方向上，若是没有车（两路上分别安装有传感器ns和ds，若无车时，传感器输出高电平），永远是红灯。
（1）原理框图
图中：
n1:
，n2：
，n3：
南北红灯、黄灯、绿灯控制信号。
d1:
，d2：
，d3：
东西红灯、黄灯、绿灯控制信号。
ns是南北方向的车辆传感器。
ds是东西方向的车辆传感器。
图中定时器是由对确定周期时钟脉冲计数的减法计数器构成。
当减到0时，td=1。
（2）状态机
南绿、东红状态a0：
n1=0,n2=0,n3=1;d1=1,d2=0,d3=0；t15=1，t5=0，t20=0
南黄、东红状态a1：
n1=0,n2=1,n3=0;d1=1,d2=0,d3=0；t15=0，t5=1，t20=0
南红、东绿状态a2：
n1=1,n2=0,n3=0;d1=0,d2=0,d3=1；t15=0，t5=0，t20=1
南红、东黄状态a3：
n1=1,n2=0,n3=0;d1=0,d2=1,d3=0；t15=0，t5=1，t20=0
[题目B4]人行横道灯控制。
一条快速路上有人行横道，通常情况下，快速路是绿灯，人行横道是红灯。
如果有人通过人行横道时，需要按下按钮k，当按钮k按下时，快速路上的绿灯变为黄灯，5秒后变成红灯，随后人行横道绿灯15秒后，绿灯开始闪烁5秒，然后人行横道变红灯，快速路变绿灯，在快速路变为绿灯后的90秒内，即使有按钮按下，人行横道也不会转成绿灯，一定要等到快速路绿灯持续90s后，才能变为黄灯，进而转成红灯（如果高速路绿灯已经持续了90s，则只要按钮k按下，快速路立刻就会变为黄灯，再转成红灯）。
（1）原理框图
图中定时器使用可预置数减法计数器构成，当减到0时，td=1。
kg、ky和kr是快速路绿、黄和红灯控制信号。
hg、hy和hr是人行横道的绿、黄和红灯控制信号。
D[7..0]是定时器预置数。
（2）状态机
快速路绿灯90s定时a0：
D=0,t=1,kg=1,ky=0,kr=0;hg1=0,hg2=0,hr=1
横道按钮按下后，
快速路绿灯90s继续定时a1：
D=0,t=1,kg=1,ky=0,kr=0;hg1=0,hg2=0,hr=1
快速路黄灯、横道红灯、置数5sa2：
D=5,t=0,kg=0,ky=1,kr=0;hg1=0,hg2=0,hr=1
快速路黄灯、横道红灯、定时5sa3：
D=5,t=1,kg=0,ky=1,kr=0;hg1=0,hg2=0,hr=1
快速路红灯、横道绿灯、置数15sa4：
D=15,t=0,kg=0,ky=0,kr=1;hg1=1,hg2=0,hr=0
快速路红灯、横道绿灯、定时15sa5：
D=15,t=1,kg=0,ky=0,kr=1;hg1=1,hg2=0,hr=0
快速路红灯、横道绿灯闪、置数5sa6：
D=5,t=0,kg=0,ky=0,kr=1;hg1=0,hg2=1,hr=0
快速路红灯、横道绿灯闪、定时5sa7：
D=5,t=1,kg=0,ky=0,kr=1;hg1=0,hg2=1,hr=0
快速路绿灯、横道红灯、置数90sa8：
D=90,t=0,kg=1,ky=0,kr=0;hg1=0,hg2=0,hr=1
[题目B5]乡村小路交通灯。
一主要交通道路和一条乡间小路的相交路口上安装了红绿灯，该红绿灯的功能如下：
当安装在乡间小路上的车辆传感器没有车辆信号时，主道路的绿灯一直亮，乡间小路的红灯一直亮，直到25s定时器到时、同时乡间小路上有车为止。
当乡间小路上的传感器检测到车辆时，主道路的黄灯亮、乡间小路的红灯亮，这种状态直到当5s定时器时间到。
然后主道路红灯亮，乡间小路绿灯亮，直到20s定时器定时时间到或者乡间小路没有车为止。
最后乡间小路的黄灯亮，主道路的红灯亮，4s定时器时间到，再回到主道路绿灯、乡间小路红灯亮的初始状态。
（1）原理框图
图中：
N1、N2、N3是南北主要交通道路的红、黄、绿灯。
D1、D2、D3是东西乡间小道的红、黄、绿灯。
X是乡间小路上的车辆传感器输出信号。
td是计数器归0信号
t是定时器置数/计数控制信号，当t=0时定时器预置数，当t=1时定时器定时。
D[7..0]是定时器的预置数据。
图中定时器是由减法计数器构成，当减到0时，td=1。
（2）状态表
乡村小路交通灯控制器的状态表
说明
现态
次态
条件
输出
DB7..DB0
T
N1N2N3
D1D2D3
置数
A0
A1
－
25
0
100
010
主绿灯、小路红
A1
A2
TD&X
1
001
100
置数
A2
A3
－
4
0
001
100
主黄灯、小路红
A3
A4
TD
1
010
100
置数
A4
A5
－
20
0
010
100
主红灯、小路绿
A5
A6
TD3+
1
100
001
置数
A6
A7
－
5
0
100
001
主灯红、小路黄
A7
A0
TD
1
100
010
[题目B6]单行道交通控制器
试设计一个单行道交通灯控制器，该单行道交通示意图如图题B6所示。
图中传感器s1、s2检测车辆，当车辆经过时产生一个脉冲。
当方向1为绿灯时，进入单行道几辆车，就必须在方向2检测到几辆车开出，就是两个传感器检测到的车辆之差为0时，才能给方向2绿灯，否则两个方向都是红灯。
车辆从方向2进入时的情况与方向1相同。
要求，绿灯经过黄灯后才能变红灯。
题图B6单行道交通灯控制示意图与时间图
（1）原理框图
图中，s1和s2是检测汽车的传感器，该传感器输出信号的上升沿使计数器1、2计数，当两数相同时，发出信号con=1。
定时器用减法计数器构成。
t20、t3是定时器预置初值/计数控制信号
td20、td3是定时器归零信号
G1、Y1、R1是方向1的红、黄、绿灯控制信号。
G2、Y2、R2是方向2的红、黄、绿灯控制信号。
rst是计数器1、2的清零信号。
（2）状态机
方向1绿灯、方向2红灯a0：
G1=1,Y1=0,R1=0;G2=0,Y2=0,R2=1;t20=1,t3=0，rst=1
方向1黄灯、方向2红灯a1：
G1=0,Y1=1,R1=0;G2=0,Y2=0,R2=1;t20=0,t3=1,rst=1
方向1红灯、方向2红灯a2：
G1=0,Y1=0,R1=1;G2=0,Y2=0,R2=1;t20=0,t3=0,rst=1
计数器1、2清零a3：
G1=0,Y1=0,R1=1;G2=0,Y2=0,R2=1;t20=0,t3=0,rst=0
方向1红灯、方向2绿灯a4：
G1=0,Y1=0,R1=1;G2=1,Y2=0,R2=0;t20=1,t3=0，rst=1
方向1红灯、方向2黄灯a5：
G1=0,Y1=0,R1=1;G2=0,Y2=1,R2=0;t20=0,t3=1，rst=1
方向1红灯、方向2红灯a6：
G1=0,Y1=0,R1=1;G2=0,Y2=0,R2=1;t20=0,t3=0,rst=1
计数器1、2清零a7：
G1=0,Y1=0,R1=1;G2=0,Y2=0,R2=1;t20=0,t3=0,rst=0
这里使用两个加计数器1、2分别计数两个方向的车辆，然后再使用相减（相比较）的方法，若是计数值相同，则con=1，表明驶入单行道的车与驶出单行道的车数相同。
注意在绿灯开始前，增加一个计数器清零状态，单独发出一个清零信号rst。
还可以使用具有两个计数端的加减计数器，当计数器为0时，发出车辆相等信号count。
[题目B7]流水灯1
试设计一个闪烁流水灯控制器，该控制器可以控制8个灯顺序亮灭，当按钮K按下1次后，每次顺序点亮一个灯。
而且每个点亮的灯在闪烁3次后，才能灭，周而复始，直到按钮K二次按下。
（1）原理框图
这里，k是按钮，D1~8是控制电灯的信号。
（2）状态图
状态a0是初始状态，k按下后再抬起进入状态a2。
从状态a2开始，到a9状态，每个状态有一个灯亮。
闪烁电路：
状态机的每个输出都与秒信号“与”后输出，产生每秒闪烁一次的效果。
当按钮k再次按下后再抬起，回到状态a0。
时钟信号CLK经过3分频后作为状态机的时钟，该时钟的周期是状态转换的间隔时间。
[题目B8]流水灯2
设计一个流水灯控制器，在开关A=0时，8个流水灯的亮灭顺序是1、2、3、4、5、6、7、8；当A=1时，8个灯的亮灭顺序是8、、7、6、5、4、3、2、1。
当开关B可以随时启动或是停止流水灯的运行。
这里A和B是开关信号，用钮子开关实现。
（1）原理图
图中：
A、B是开关信号。
L（1~8）是控制灯的信号。
（2）状态图
当A信号为1时，状态从S0向S7转换；当A信号为0时，状态从S7向S0转换。
当B信号为0时，可以从任何状态回到状态S0。
[题目B9]流水灯3
设计一个流水灯控制器，第1次按下按钮k，8个流水灯首先以1、2、3、4、8、7、6、5的顺序亮灭；然后再以4、3、2、1、5、6、7、8的顺序亮灭，周而复始，直到k再一次按下后停止。
（k按钮按下时输出低电平，抬起时输出高电平）
（1）原理框图
其中k是按钮
d1~d8是控制发光二极管的信号。
（2）状态图
当按钮k第1次按下时，状态从a0向a15转换。
当k第2次按下时，从任何状态回到状态k0。
状态与灯之间的关系：
d1=a0+a11；d2=a1+a10、d3=a2+a9、d4=a3+a8、d5=a7+a12、d6=a6+a13、d7=a5+a14、d8=a4+a15
状态转换时间间隔由状态机时钟CLK的周期控制。
[题目B10]电灯控制开关1
设计一个电灯延时开关，该开关有一个按钮k，当按钮按下1次，则电灯亮10s后灭；当按钮按下2次（在按钮第1次按下后的10s内），则电灯亮20s后灭；当按钮按下3次（在按钮第2次按下的20s内），则电灯亮30s后灭。
（1）原理框图
k是按钮信号
d是控制电灯的信号。
tdx是定时器时间到信号
tx是定时器初值设置/定时控制信号
这里的定时器是由减法计数器构成。
（2）状态图
状态机输出：
a0：
d=0,t10=0,t20=0，t30=0
a1：
d=1,t10=1,t20=0，t30=0
a2：
d=1,t10=1,t20=0，t30=0
a3：
d=1,t10=0,t20=1，t30=0
a4：
d=1,t10=0,t20=1，t30=0
a5：
d=1,t10=0,t20=0，t30=1
a6：
d=1,t10=0,t20=0，t30=1
[题目B11]电灯控制开关2
设计一个电灯延时开关，该开关有一个按钮k，当按钮k按下1次，则电灯d亮10秒钟后灭；当按钮按下2次，则电灯长亮不灭；当再按1次，则电灯灭。
（1）原理框图
这里k是按钮
d是控制电灯的信号。
定时器用减法计数器构成。
td10是定时器时间到信号。
t10是定时器设置初值/定时控制信号
（2）状态图
状态机输出：
a0：
d=0,t10=0
a1：
d=1,t10=1
a2：
d=1,t10=1
a3：
d=1,t10=0
a4：
d=1,t10=0
a5：
d=0,t10=0
[题目B12]电灯控制开关3
设计一个电灯延时开关，该开关有一个按钮k1和k2，当按钮k1按下1次，则电灯d亮25秒钟后灭；当按钮k1连续按下2次，则电灯长亮不灭；任何时候按钮k2按下时，都能使电灯灭。
（1）原理图
k1是状态机启动按钮，当k1按下后启动状态机
k2是停止按钮，当k2按下后，从任何状态回到初始状态。
td是定时器时间到信号
D[7..0]是定时器预置数
t是定时器预置/定时控制信号。
d是控制电灯的信号。
（2）状态图
当按钮k1按下，又抬起后进入初始状态。
状态机输出：
初始状态a0：
d=0，D=25，t=0
过渡状态a1：
d=0，D=25，t=0
25s定时状态a2：
d=1，D=25，t=1
过渡状态a3：
d=0，D=25，t=0
长亮状态a4：
d=1，D=25，t=0
[题目B13]电灯控制开关4
设计一个电灯延时开关，该开关有一个按钮k，当按钮k按下1次，则电灯d亮8秒钟后灭；当按钮k连续按下2次，则电灯长亮不灭；当按钮再连续按下2次后，电灯灭。
（1）原理框图
图中：
k是按钮，用于启动状态机。
td8，当定时器定时时间到时，td8=1。
t8是定时器赋初值/定时控制信号。
定时器由8进制减法计数器构成。
d是控制电灯的信号。
（2）状态图
初始状态a0：
状态机输出d=0,t=0，当k按下后，进入状态a1
状态a1：
状态机输出d=0,t=0，当按钮抬起后，进入状态a2
8s定时状态a2：
状态机输出d=1,t=1，若是按钮按下进入状态a3，若是定时时间到td8=1，则返回状态a0。
状态a3：
状态机输出d=0,t=0
长亮状态a4：
状态机输出d=1,t=0，当按钮按下，进入状态a5
第1次k=0状态a5：
状态机输出d=1,t=0，当按钮抬起，进入状态a6
第1次k=1状态a6：
状态机输出d=1,t=0，当按钮按下进入a7
第2次k=0状态a7：
状态机输出d=0,t=0，按钮抬起后，返回a0
[题目B14]电灯控制开关5
设计一个电灯延时开关，该开关有一个按钮k，当按钮k按下1次，则电灯d亮8秒钟后灭；当按钮k连续按下2次，则电灯长亮不灭；当按钮再按下1次后，电灯延时5秒灭。
（1）原理框图
图中：
k是按钮信号
d是控制电灯的信号。
D[7..0]是定时器预置时间
td是定时器定时到信号
t是定时器预置/定时控制信号。
（2）状态图
初始状态a0：
状态机输出：
d=0,D=8,t=0
过渡状态a1：
状态机输出：
d=0,D=8,t=0
8s定时状态a2：
状态机输出：
d=1,D=8,t=1
过渡状态a3：
状态机输出：
d=0,D=8,t=0
长亮状态a4：
状态机输出：
d=1,D=5,t=0
过渡状态a5：
状态机输出：
d=1,D=5,t=0
5s定时状态a6：
状态机输出：
d=1,D=5,t=1
[题目B15]电灯控制开关6
试设计一控制器，该控制器控制4个灯，当按钮k1按下时，灯a亮，灯a亮后5秒，灯b亮，随后，按钮k2按下后，灯c亮，灯c亮后15秒，灯d亮，这时如果按钮k3按下，所有灯都灭。
（1）原理框图
图中：
k1、k2是控制灯亮的按钮信号。
k3是停止灯亮的信号。
a、b、c、d是控制电灯的信号
td是定时器时间到信号。
t是定时器预置/定时控制信号。
这里用确定时钟周期的减法计数器作为定时器
D[7..0]是定时器的预置时间。
（2）状态图
初始状态，置时间5s状态a0：
状态机输出：
D=5,t=0,a=0,b=0,c=0,d=0
a灯亮，5s定时状态a1：
状态机输出：
D=5,t=1,a=1,b=0,c=0,d=0
b灯亮，置时间15s状态a2：
状态机输出：
D=15,t=0,a=1,b=1,c=0,d=0
c灯亮，定时15s状态a3：
状态机输出：
D=15,t=1,a=1,b=1,c=1,d=0
d灯亮，灯全亮状态a4：
状态机输出：
D=15,t=0,a=1,b=1,c=1,d=1
[题目B16]顺序开关灯控制器7
试设计一个顺序开关灯控制器，要求当按钮k第1次按下时，灯a立刻亮，灯b在延时11秒钟后亮，在灯b亮后15秒后，灯c亮；当按钮k第2次按下时，灯c立刻灭，延时17秒后灯b灭，
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