Laboratorio 2: Controlador de luces de sem´aforo Preparado por:
Ing. Jorge Castro-God´ınez Basado en [1]
Curso:
CE-3201 Taller de Dise˜no Digital. I Semestre 2012 ´
Area de Ingenier´ıa en Computadoras, Instituto Tecnol´ogico de Costa Rica, Fecha de inicio: 12 de marzo, 2012
Fecha de conclusi´on (bit´acora completa): 25 de marzo, 2012
1.
Introducci´on
En este laboratorio el estudiante implementar´a un controlador de luces de sem´aforo que opera sobre una calle principal, una calle lateral y el sem´aforo de paso peatonal. Usar´a m´aquinas de estado finitas (FSM) para la implementaci´on de este controlador. Este laboratorio le proveer´a de la metodo-log´ıa de dise˜no que ser´a ´util en los restantes laboratorios y el proyecto final, de manera que implica planeamiento del dise˜no, la descripci´on del hardware y la depuraci´on respectiva.
2.
Procedimiento
El laboratorio presenta dos etapas principales. La primera es la etapa de dise˜no la cual consiste en estudiar esta gu´ıa, planear y desarrollar el dise˜no. Se sugiere que establezca una cita con el profesor para revisar su dise˜no. Esto le ayudar´a a determinar cualquier error grande en las primeras etapas del proceso.
La siguiente fase consiste en implementar el dise˜no en la FPGA. Despu´es de verificar la funcio-nalidad del controlador de luces de sem´aforo. Debe estar listo para demostrar dicho funcionamiento y para dar respuesta a las preguntas que se plantean al final de esta gu´ıa.
3.
Descripci´on del controlador de luces de tr´afico
El controlador de luces de tr´afico es para una intersecci´on entre una Calle Principal (Main Street) y una Calle Lateral (Side Street). Ambas calles poseen luces roja, amarilla y verde. Los transe´untes tienen la opci´ıon de emplear el sem´aforo peatonal presionando el bot´on correspondiente (walk button) lo cual hace que las luces de los sem´aforos se coloquen en rojo y que la luz de paso peatonal se ilumine. Por ´ultimo hay un sensor en la Calle Lateral la cual le indica al controlador que a´un hay carros en dicha calle. La Figura 1 resume ´esta descripci´on.
Puede asumir que los cuatro botones que activan el paso peatonal y que se ubican en las cuatro esquinas est´an asociados mediante unaOR-alambradaen el controlador (oprimir cualquiera de los botones activa el paso peatonal). Por esta raz´on debe asumir que el controlador solo tendr´a una entrada llamadaWalk-Request.
El sensor en la calle lateral se encuentra cerca de la intersecci´on para indicar al controlador cuando hay carros que pasan sobre ´el. Debe asumir que el sensor se mantiene en alto si varios carros est´an pasando sobre ´el. Esta entrada es llamadaSensor.
Figura 1: Diagrama para la intersecci´on de sem´aforos.
Las luces del sem´aforo est´an temporizadas con tres par´ametros dados en segundos, el intervalo base (tBASE), el intervalo extendido (tEXT) y el intervalo para la luz amarilla (tY EL). Los valores
por defecto, listados en la Tabla 1, deben de ser cargados en los correspondientes registros en la FPGA cada vez que se da unresety estos pueden ser reprogramados empleando los interruptores y pulsadores de la tarjeta con las se˜nalesTime Parameter Selector,Time ValueyReprogram, tal como se muestran en la Figura 2.Time Parameter Selectoremplea un c´odigo de n´umero de par´ametro (dos bits) para seleccionar el intervalo durante la programaci´on.Time Valuees un valor de 4 bits que representa el valor a ser programado, por consiguiente posee una duraci´on entre 0 y 15 segundos. El bot´on de
Reprogramle indica al sistema a establecer el valor seleccionado enTime Value.
La secuencia de operaci´on de la intersecci´on inicia con la Calle Principal en luz verde por una duraci´on de 2tBASE segundos. Seguidamente la luz se cambia a amarilla portY EL y despu´es de
esto cambia la a luz verde en el sem´aforo de la Calle Lateral, la cual tardatBASE segundos y su luz
amarilla tomatY ELsegundos. Siempre que para un sem´aforo la luz es verde o amarilla, la luz del otro
sem´aforo permanece en rojo. Bajo circunstancias normales este ciclo se repite continuamente. Existen dos formas en que se puede cambiar este lazo t´ıpico. Primero, el bot´on de paso peatonal es activado. El registro internoWalk Registeralmacena el valor del bot´on de paso peatonal y el con-trolador debe atender la solicitud despu´es de que la luz amarilla del sem´aforo de la Caller Principal, de manera que todas las luces se tornan en rojo y la luz de paso peatonal se activa. Despu´es detEXT
Tabla 1: Par´ametros de tiempo por defecto. Intervalo S´ımbolo Par´ametro Tiempo (s) Valor
Figura 2: Diagrama para la intersecci´on de sem´aforos.
segundos, las luces de los sem´aforos regresan a su operaci´on normal encendi´endose la luz verde de la Calle Lateral. La solicitud de paso peatonal debe ser ignorada durante la atenci´on a este servicio.
La segunda forma es por medio del sensor de tr´afico. Si el sensor de tr´afico se encuentra en alto al final de los primerostBASE segundos del sem´aforo de la Calle Principal, la luz debe permanecer en
verde por otrostEXT segundos en lugar detBASE segundos. Adicionalmente si el sensor de tr´afico
permanece en alto hacia el final de la luz verde de la Calle Lateral, debe permanecer en verde por
tEXT segundos adicionales. Descripci´on de bloques
Debe implementar la programaci´on de cada bloque de este laboratorio de forma individual y luego instanciar y conectar cada uno de los bloques en uno de mayor jerarqu´ıa. Se recomienda realizar bancos de prueba (testbench) para cada uno de estos m´odulos con lo que le permita validar su dise˜no.
Sincronizador
En el diagrama de la Figura 2 se observa que todas las se˜nales de entrada pasan a trav´es de un sincronizador antes de entrar a los dem´as bloques. El prop´osito de este sincronizador es asegurar que las se˜nales se encuentran sincronizadas con el reloj del sistema (se debe recordar que la tarjeta Digilent Spartan 3 cuenta con un reloj base de 50 MHz).
Walk Register
ElWalk Register permite a los peatones establecer una solicitud de paso en cualquier momento excepto cuando durante la atenci´on a este servicio. Existe una se˜nal controlada por la m´aquina de estados finitos que permite reinicializar el registro durante la atenci´on que se da a este servicio. Par´ametros temporales
El m´odulo de par´ametros temporales almacena los tres diferentes par´ametros de tiempo llamados
tBASE, tEXT y tY EL. El m´odulo act´ua como una peque˜na memoria de laFSMy los bloques
tem-porizadores, donde laFSM direcciona los tres par´ametros y el temporizador lee los datos. Desde la perspectiva del usuario, los valores de los tres par´ametros pueden ser modificados.
Cuando se da un reset, los par´ametros deben volver a sus valores por defecto. Sin embargo en cual-quier momento el usuario puede modificar cualcual-quiera de estos valores manipulandoTime Parameter Selector,
Time ValueyReprogram. Cada uno de estos valores son 4 bits y su selecci´on se realiza usando 2 bits de direcci´on. Cuando un par´ametro es reprogramado, la m´aquina de estados debe ser reestablecida a su estado inicial.
Divisor
El divisor es necesario para poder contabilizar el tiempo en segundos para cualquier estado de las luces de los sem´aforos. Empleando ´unicamente el reloj como entrada permite la generaci´on de un reloj de 1 Hz, el cual es enviado al temporizador. La se˜nal generada es un pulso que se mantiene en alto por un ciclo de reloj cada 1 segundo.
Temporizador
Es el responsable de tomarstart timer, la se˜nal de 1 Hz y los valores de los par´ametros temporales para controlar el tiempo de las luces de los sem´aforos. Cuando la cuenta se ha dado para un estado particular, la se˜nal de expirado (expired) se pone en alto para indicar a laFSMque debe cambiar de estado.
M´aquina de estados finitos
Se encarga de realizar todo el control que permite el orden en las luces de los sem´aforos. Como se ha mencioando anteriormente, elWalk Register, las se˜nales del sensor y la se˜nal de expirado producen cambios de estado
4.
Preguntas
1. ¿Qu´e suceder´ıa si alguna de las entradas no fuese sincronizada con el reloj? 2. Describa su m´odulo sincronizador y su importancia.
3. Describa su registro de solicitud de paso peatonal. 4. Describa su m´odulo dividor.
Referencias
[1] A. Chandrakasan, “Laboratory 2- Traffic Light Controller. ”, Introductory Digital Systems Labo-ratory, MIT OpenCourseWare, 2006.
