Proteus在交通燈控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

盧建華*

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Proteus在交通燈控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

盧建華*

（武漢科技大學(xué)計算機學(xué)院，湖北武漢，430065）

Proteus VSM是一款功能強大的電路仿真軟件，有效地利用Proteus VSM，能較好地解決硬件實驗條件不足的問題，讓學(xué)生方便地在個人電腦上完成計算機外圍電路的設(shè)計與運行。本文以十字路口交通燈控制系統(tǒng)為例，介紹了如何利用Proteus VSM軟件仿真設(shè)計計算機系統(tǒng)硬件電路的方法。

Proteus VSM；硬件設(shè)計；交通燈控制；仿真

引言

在計算機硬件類課程的教學(xué)過程中，由于受實驗設(shè)備、實驗場地等因素的限制，實踐環(huán)節(jié)大多是紙上談兵，學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容沒有直觀認(rèn)識，從而失去了興趣。引入Proteus VSM，使得學(xué)生可以隨時隨地在個人電腦上模擬試驗環(huán)節(jié)，大大地提升了學(xué)生對硬件類課程的學(xué)習(xí)興趣。

1 Proteus 簡介及其在實踐教學(xué)中的優(yōu)勢

Proteus是由英國Labcenter Electronics公司開發(fā)的一款功能強大的EDA工具軟件，它集電路設(shè)計、分析、制板和仿真等功能于一身，不僅是模擬電路、數(shù)字電路、模/數(shù)混合電路的設(shè)計與仿真平臺，更是目前世界上最先進、最完整的多種微控制器系統(tǒng)的設(shè)計與仿真平臺。Proteus提供了大量的模擬與數(shù)字元器件及外圍設(shè)備、虛擬儀器，并且具有對常用控制芯片及其外圍電路組成的綜合系統(tǒng)的交互仿真功能。在當(dāng)今的計算機專業(yè)教學(xué)過程中普遍存在著一種現(xiàn)象，就是學(xué)生對硬件類相關(guān)課程存在畏難情緒，學(xué)習(xí)興趣不高，主要原因是硬件類實驗環(huán)節(jié)受實驗設(shè)備、實驗場地的限制。學(xué)生對硬件系統(tǒng)的設(shè)計很難付諸實施，無法感受設(shè)計效果，不像計算機軟件，編制好應(yīng)用程序，在個人電腦上就可以運行，看到運行結(jié)果。

把Proteus VSM引入到計算機硬件類課程的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，能夠讓學(xué)生不受實驗設(shè)備、實驗場地的限制，在個人電腦上輕松地完成各種控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計、仿真運行，直觀地感受到設(shè)計的效果，可以大大地提升學(xué)生對計算機硬件類課程的學(xué)習(xí)興趣。

2 十字路口交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計要求

為了讓學(xué)生更好地理解所學(xué)的各種集成電路芯片的功能，并提高綜合運用各類芯片設(shè)計控制系統(tǒng)的能力，我們在課程設(shè)計中讓學(xué)生利用Proteus VSM設(shè)計一個十字路口交通燈控制系統(tǒng)。

設(shè)計的基本要求是：用Proteus VSM中提供的交通燈元器件模擬實際的交通燈，用七段數(shù)碼管顯示當(dāng)前交通狀態(tài)的剩余時間。對交通燈各狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換的具體要求如下：

（1）主干道和支干道交替允許通行，主干道每次放行45秒，支干道每次放行25秒。綠色交通燈亮表示允許通行，紅色交通燈亮表示禁止通行，每次從綠燈亮變?yōu)榧t燈亮的過程中，亮黃燈5秒作為過渡。

（2）用倒計時方式顯示當(dāng)前交通燈狀態(tài)的剩余時間。

（3）電路具有清零功能，使計數(shù)器從初始狀態(tài)開始計數(shù)，并顯示對應(yīng)的交通燈狀態(tài)。

（4）提供人工干預(yù)控制選項，使得在特殊情況下能夠只允許主干道通行或者只允許支干道通行。

3 基于Proteus VSM的交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計

（1）交通燈狀態(tài)轉(zhuǎn)換及交通燈的表示

根據(jù)設(shè)計題目要求，該控制系統(tǒng)存在4種狀態(tài)：S0——主干道亮綠燈，支干道亮紅燈；S1——主干道亮黃燈，支干道亮紅燈；S2——支干道亮綠燈，主干道亮紅燈；S3——支干道亮黃燈，主干道亮紅燈，狀態(tài)轉(zhuǎn)換表如表1所示。

表1 交通燈控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表

根據(jù)4種狀態(tài)轉(zhuǎn)換的條件，可以畫出狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖1所示。十字路口交通指示燈采用交通燈專用器件Traffic Light，如圖2所示。

圖1 交通燈控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

圖2 交通燈專用器件Traffic Light

（引腳送高電平時對應(yīng)的燈亮）

（2）交通燈持續(xù)時間的倒計時設(shè)計

選用兩片帶預(yù)置功能的BCD加/減計數(shù)器74HC190，根據(jù)設(shè)計要求，主干道的通行時間為45s，考慮裝入初值的過程需要占用1s的時間，所以在S0狀態(tài)時，對主干道計數(shù)器預(yù)置初值39用于亮綠燈的計時，減為0時轉(zhuǎn)換到S1狀態(tài)，再裝入4用于亮黃燈的計時，以滿足主干道通行45s的要求；同時，在S0狀態(tài)時對支干道計數(shù)器預(yù)置初值44用于亮紅燈的計時，以滿足主干道通行期間，支干道亮紅燈的要求。同理，從S1狀態(tài)過渡到S2狀態(tài)時，對支干道計數(shù)器預(yù)置初值19用于亮綠燈的計時，減為0時轉(zhuǎn)換到S3狀態(tài)，再裝入4用于亮黃燈的計時，以滿足支干道通行25s的要求；同時，在S2狀態(tài)時對主干道計數(shù)器預(yù)置初值24用于亮紅燈的計時，以滿足支干道通行期間，主干道亮紅燈的要求。圖3為裝入初值24的減1計數(shù)器單元電路，其中上面一片74HC190完成對十位的計數(shù)，下面一片完成對個位的計數(shù)。

圖3 初值為24的倒計時減1計數(shù)器電路

裝入計數(shù)初值后，個位減1計數(shù)器開始對輸入脈沖做減1計數(shù)，當(dāng)個位減為0時，令十位計數(shù)器計數(shù)使能端有效，完成十位減1的操作。計數(shù)器的輸出鎖存到鎖存器74HC373的輸出端，提供給字形譯碼器74HC248進行譯碼，驅(qū)動數(shù)碼管顯示計數(shù)值。根據(jù)需要可設(shè)計同類型的計時單元電路，預(yù)置的初值分別設(shè)置為39、44、19、24，用作主干道綠燈、支干道紅燈、支干道綠燈、主干道紅燈的計時初值。黃燈亮5s的計時用另一片74HC190實現(xiàn)，并將其輸出分別送至主干道和支干道輸出顯示電路的個位字形譯碼器。

由于是多個單元電路分時有效，為字形譯碼器74HC248提供顯示數(shù)據(jù)，所以在計數(shù)器輸出端設(shè)置一片鎖存器74HC373，用于控制顯示器顯示哪個計數(shù)器的計數(shù)值。

（3）4種不同的狀態(tài)及其相互轉(zhuǎn)換

狀態(tài)S0：初始狀態(tài)，主干道亮綠燈，數(shù)碼管從初值39開始倒計時顯示；支干道亮紅燈，數(shù)碼管從初值44開始倒計時顯示。當(dāng)主干道計數(shù)器減到0而支干道計數(shù)器減到5時，切換到狀態(tài)S1。

狀態(tài)S1：主干道計數(shù)器從初值4開始倒計時，顯示黃燈，支干道繼續(xù)亮紅燈，當(dāng)兩個計數(shù)器都減到0時，切換到狀態(tài)S2。

狀態(tài)S2：主干道亮紅燈，數(shù)碼管從初值24開始倒計時顯示；支干道亮綠燈，數(shù)碼管從初值19開始倒計時顯示。當(dāng)支干道計數(shù)器減到0而主干道計數(shù)器減到5時，切換到狀態(tài)S3。

狀態(tài)S3：支干道計數(shù)器從初值4開始倒計時，顯示黃燈，主干道繼續(xù)亮紅燈，當(dāng)兩個計數(shù)器都減到0時，切換到狀態(tài)S0，開始新一輪的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

表2列出了4種不同狀態(tài)下的交通燈控制信號，其中，J1612、J1611是狀態(tài)轉(zhuǎn)換計數(shù)器74HC161的輸出，GA、YA、RA和GB、YB、RB分別是主干道和支干道的綠燈、黃燈、紅燈的控制信號。

表2 4種不同狀態(tài)下的交通燈控制信號表

4種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換由一片74HC161控制完成，其輸出經(jīng)74HC139譯碼后產(chǎn)生主干道、支干道的綠、黃、紅三色交通燈的控制信號，電路如圖4所示。

圖4 由狀態(tài)輸出驅(qū)動主、支干道信號燈的電路

圖4中的RST按鈕實現(xiàn)對電路的復(fù)位，使電路進入初始狀態(tài)S0，然后在沒有人工干預(yù)的情況下，4種狀態(tài)自動轉(zhuǎn)換，狀態(tài)轉(zhuǎn)換計數(shù)器的使能端STen由圖5所示的電路產(chǎn)生。

圖5 狀態(tài)轉(zhuǎn)換計數(shù)器使能控制電路

圖5中J390~J396是狀態(tài)S0時，主干道綠燈減1計數(shù)器的輸出端。J190~J196是狀態(tài)S2時，支干道綠燈減1計數(shù)器的輸出端。J0~J3是狀態(tài)S1和S3時，黃燈減1計數(shù)器的輸出端。由兩個4選1的多路選擇器74HC153，在不同狀態(tài)下控制STen輸出高電平。也就是，在狀態(tài)S0（對應(yīng)狀態(tài)計數(shù)器74HC161的輸出J1612、J1611=00）的40s減1計數(shù)器減到0，或在狀態(tài)S2（對應(yīng)狀態(tài)計數(shù)器74HC161的輸出J1612、J1611=10）的20s減1計數(shù)器減到0時，使74HC153的輸出STen為高電平，從而使74HC161的輸出分別轉(zhuǎn)換為01和11，即完成了從S0到S1、從S2到S3的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。同理，當(dāng)狀態(tài)為S1和S3（對應(yīng)狀態(tài)計數(shù)器74HC161的輸出J1612、J1611分別是01和11）時，若5s減1計數(shù)器減到0，則Sten為高電平，從而完成從S1到S2、從S3到S0的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

（4）單邊通行的實現(xiàn)方法

在特殊情況下，如果需要單邊通行，則采用人工干預(yù)，設(shè)置兩個開關(guān)，通過開關(guān)的狀態(tài)控制電路進入主干道單邊通行，或者支干道單邊通行，并阻止電路進行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

4 交通燈控制電路仿真效果

在非人工干預(yù)情況下，4個狀態(tài)自動轉(zhuǎn)換，仿真運行效果如圖6所示。

圖6 基于Proteus VSM的交通燈控制電路仿真效果

5 結(jié)束語

利用Proteus VSM對十字路口交通燈控制系統(tǒng)進行設(shè)計，不需要任何硬件電路實物，可以將設(shè)計理念以仿真的方式呈現(xiàn)出來。學(xué)生可以在自己的個人電腦上，在Proteus環(huán)境中設(shè)計好硬件電路，通過仿真就能看到生動、逼真的運行效果，對于理解各硬件芯片的工作原理和使用方法有很大的幫助，也降低了進行硬件系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)試的成本，有助于提高學(xué)生學(xué)習(xí)計算機硬件的興趣。

[1] 盧建華, 邵平凡. 數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2015.

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[5] 朱清慧, 張鳳蕊. Proteus教程(第2版). 北京: 清華大學(xué)出版社, 2011.

Application of Proteus in Traffic Light Control System

LU Jianhua*

(Wuhan University of Science and Technology, Hubei Wuhan, 430065, China)

Proteus VSM is a powerful circuit simulation software, effective use of Proteus VSM, can better solve the problem of insufficient hardware experimental conditions, so that students can easily complete the design and operation of computer peripheral circuits on the personal computer. This paper takes crossroads traffic light control system as an example to introduce how to use Proteus VSM software to simulate the design of computer system hardware circuit.

Proteus VSM; hardware design; traffic light control; simulation

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2018.01.002

G64

A

1672-9129(2018)01-0005-03

盧建華. Proteus在交通燈控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 數(shù)碼設(shè)計, 2018, 7(1): 5-6.

LU Jianhua. Application of Proteus in Traffic Light Control System[J]. Peak Data Science, 2018, 7(1): 5-6.

2017-10-19；

2017-11-15。

2014 年湖北省高等學(xué)校省級教學(xué)研究項目——基于CPLD/FPGA 的計算機硬件類課程教學(xué)體系改革與應(yīng)用（2014227）。

盧建華（1968-），女，黑龍江，副教授，碩士研究生學(xué)歷，研究方向：嵌入式系統(tǒng)。E-mail: 2646069240@qq.com