实时控制系统软件设计第二周作业-停车场门禁状态机-杨静梧

 

作业内容

根据本周课堂内容，设计一个停车场门禁控制系统的状态机。

门禁控制系统的输入信号包括：

• 起落杆位置传感器：有两个位置值信号（升起/落下）
• 汽车入闸传感器：有两个值（True/False）
• 汽车出闸传感器：有两个值（True/False）

门禁控制系统的输出信号包括：

• 起落杆电机控制信号：（上升/下降）
• 通行灯信号：（红灯/绿灯）

一辆汽车的通过流程为：

• 起落杆处于落下状态，通行灯为红灯。
• 汽车进入门禁系统，入闸传感器值变为True。
• 控制起落杆上升，直到起落杆位置传感器到达升起位置。
• 通行灯为绿灯。
• 汽车离开门禁，触发汽车出闸传感器值为True。
• 控制起落杆下降，直到起落杆位置传感器到达落下位置。
• 通行灯变为红灯。

所描述的控制系统的状态机包括：

• 状态机的所有状态
• 状态机所接收到的外部事件
• 状态机所产生的动作
• 状态机的所有状态跃迁：（原状态、新状态、触发条件、产生动作）

状态机分析

 

Verilog代码

module carlight(

  car_in      ,  //入闸传感器信号

  car_out     ,  //出闸传感器信号

  gan_up      ,  //起落杆上方传感器信号

  gan_down    ,  //起落杆下方传感器信号

  motion_up   ,  //起落杆电机上升控制信号

  motion_down ,  //起落杆电机下降控制信号

  light_red   ,  //红灯信号

  light_green ,  //绿灯信号

  clk         ,  //时钟信号

  ncr         ); //复位信号

//输入信号

input clk , ncr         ;

input car_in , car_out  ;

input gan_up , gan_down ;

//输出信号

output motion_up , motion_down ;

output light_red , light_green ;

//寄存器

reg [1:0] state , next_state ;

reg motion_up , motion_down  ;

reg light_red , light_green  ;

//状态机四种状态

parameter [1:0] down    = 2'b00 ,  //杆处于下方状态

                down2up = 2'b01 ,  //杆处于上升状态

                up      = 2'b11 ,  //杆处于上方状态

                up2down = 2'b10 ;  //杆处于下降状态

 

always@(posedge clk or negedge ncr) begin

if(~ncr)

  state <= down ;

else

  state <= next_state ;         //状态转移

end

 

always@(*) begin

case(state)

  down: begin                   //down状态时，有car_in信号，转换到down2up状态，否则，状态不变

    if(car_in==1)

      next_state = down2up ;

    else

      next_state = down ;

  end

  down2up: begin                //down2up状态时，有gan_up信号，转换到up状态，否则，状态不变

    if(gan_up==1)

      next_state = up ;

    else

      next_state = down2up ;

  end

  up: begin                     //up状态时，有car_out信号，转换到up2down状态，否则，状态不变

    if(car_out==1)

      next_state = up2down ;

    else

      next_state = up ;

  end

  up2down: begin                //up2down状态时，有gan_down信号，转换到down状态，否则，状态不变

    if(gan_down==1)

      next_state = down ;

    else

      next_state = up2down ;

  end

  default: next_state = down ;

endcase

end

 

always@(posedge clk or negedge ncr) begin

if(~ncr) begin

    motion_up   = 0 ;

    motion_down = 0 ;

    light_red   = 1 ;

    light_green = 0 ;

end

else begin

  case(state)

    down: begin                //down状态时对应的输出

      motion_up   = 0 ;

      motion_down = 0 ;

      light_red   = 1 ;

      light_green = 0 ;

    end

    down2up: begin             //down2up状态时对应的输出

      motion_up   = 1 ;

      motion_down = 0 ;

      light_red   = 1 ;

      light_green = 0 ;

    end

    up: begin                  //up状态时对应的输出

      motion_up   = 0 ;

      motion_down = 0 ;

      light_red   = 0 ;

      light_green = 1 ;

    end

    up2down: begin             //up2down状态时对应的输出

      motion_up   = 0 ;

      motion_down = 1 ;

      light_red   = 0 ;

      light_green = 1 ;

    end

    default: begin

      motion_up   = 0 ;

      motion_down = 0 ;

      light_red   = 1 ;

      light_green = 0 ;

    end

  endcase

end

end

endmodule

 

实际状态机

 

RTL电路图

 

 

C++代码

#include <iostream>

#include <string>

using namespace std;

 

 

string state;

bool car_in,car_out;  //出入闸信号

bool gan_up,gan_down;  //杆上下传感器信号

bool light_red,light_green;  //红绿灯控制信号

bool motion_up,motion_down;  //杆上下动作控制信号

 

void change_state()   //状态迁移函数

{

    if (state=="down")

    {

        if (car_in == true) state = "down2up";

        else state = "down";

    }

    else if (state == "down2up")

    {

        if (gan_up == true) state = "up";

        else state = "down2up";

    }

    else if (state == "up")

    {

        if (car_out == true) state = "up2down";

        else state = "up";

    }

    else if (state == "up2down")

    {

        if (gan_down == true) state = "down";

        else state = "up2down";

    }

}

 

void action()    //状态动作函数

{

    if (state == "down")

    {

        light_red = true;

        light_green = false;

        motion_up = false;

        motion_down = false;

    }

    else if (state == "down2up")

    {

        light_red = true;

        light_green = false;

        motion_up = true;

        motion_down = false;

    }

    else if (state == "up")

    {

        light_red = false;

        light_green = true;

        motion_up = false;

        motion_down = false;

    }

    else if (state == "up2down")

    {

        light_red = false;

        light_green = true;

        motion_up = false;

        motion_down = true;

    }

}

 

void ncr()       //复位函数

{

    car_in = false;

    car_out = false;

    gan_down = false;

    gan_up = false;

}

 

void read(string m)      //测试信号函数

{

    if (m=="1y") car_in = true;          //汽车入闸传感器为true

    else if (m == "1n") car_in = false;  //汽车入闸传感器为false

    else if (m == "2y") car_out = true;  //汽车出闸传感器为true

    else if (m == "2n") car_out = false;  //汽车出闸传感器为false

    else if (m == "3y") gan_up = true;   //杆上方传感器为true

    else if (m == "3n") gan_up = false;  //杆上方传感器为false

    else if (m == "4y") gan_down = true; //杆下方传感器为true

    else if (m == "4n") gan_down = false; //杆下方传感器为false

}

 

void main()    //主函数

{

    state = "down";    //默认杆放下

    string sensor;

    cout << "wait for car coming in..." << endl;

    cout << "current state is      " << "down" << endl;

    while (1) {    

        action();

        ncr();

        cout << "please input the signal" << endl;

        cin >> sensor;

        read(sensor);

        change_state();

        cout << "current state is      " << state << endl;

 

    }

}

 

结果显示图

 

c++测试结果分析

本c++代码程序是为了测试验证逻辑，所以一些信号是手动给出。首先默认当前状态为杆放下，即down状态，当有car_in信号输入时，即1y，状态变为down2up，其他信号发生改变时，状态不变。同理其他三个状态相似。测试结果符合预期要求。