8 状态机设计：电子火车控制器
8.3 火车控制问题
图8.1列出一个小型的电子火车系统轨道图。2列火车，分别命名为A和B，运行在轨道上，希望不会碰撞。要避免碰撞，需要一个安全控制器来控制火车无事故的出入交叉点。
为了安全运行，同一时间只能有一列火车出现在给定的轨道段上。图8.1所示的轨道图将轨道分为4部分。每段轨道都有感应器检测火车的出入点。
在图8.1中，有2列火车A和B。例如，假设火车A总是运行在外围轨道，火车B总是运行在内圈轨道。在某一时刻，火车A逆时针运行刚好通过感应器4接近开关3.我们假设火车B也是逆时针运行接近感应器2.既然火车B将要进入公共轨道段（轨道段2）。当火车A到达感应器1必须停止。直到火车B通过感应器3（比如，火车B离开公共轨道段）。这时，轨道开关应切向火车A，允许火车A进入轨道2，而火车B继续向感应器2运行。
控制器是一个使用感应器作为输入的状态机。控制器的输出控制火车的运行方向和开关的位置。当然，状态机不控制火车的速度。这样控制系统的功能正确与否不依赖于2列火车的速度。
一个基于FPGA的虚拟火车仿真将用来验证这个设置并提供视频输出。因为FPGA板上没有实际的连接火车的电路，所以打算只视觉演示输出信号在实际系统里是如何工作的。以下的章节描述状态机是如何恰当的控制每个信号，管理火车运行的。
8.2 火车运行方向输出（DA1-DA0和DB1-DB0）
火车的运行方向由4个输出信号控制（每列火车2个），火车A用DA（DA1-DA0），火车B用DB（DB1-DB0）。值为01表示逆时针方向（对于轨道段4，火车向脱轨的方向），值为10，表示顺时针方向，值11表示非法，禁用，值00表示停止。（如图8.2所示）
8.3 开关方向的输出（SW1，SW2，SW3）
开关方向由SW1，SW2，SW3的值决定，高为连接内圈轨道，低为连接外圈轨道。因此，任何时候将所有的开关设为1，像图8.3所示，外圈的轨道连接到内圈。如果一列火车以错误方向通过一个打开的开关，将脱轨。注意在图8.3中，如果火车在标签“Track 1”的轨道向左运行，将在开关3脱轨。要避免脱轨，开关3应设为0.
另外，注意轨道段3和4有交叉点，要避免撞车。
8.4 火车感应器的输入信号（S1，S2，S3，S4，S5）
当火车接近感应器时，感应器的输入信号（S1，S2，S3，S4，S5）为高电平。注意感应器的高电平不是只持续一个时钟周期。事实上，每经过一列火车，感应器持续高电平多个时钟周期。因此，要测试设计里的同一个感应器的状态转换，必须等到信号由高电平变为低电平。
比如，要计算火车通过感应器1的次数，不能只用递增语句。必须有个状态判断S1=1，然后S1=0，又S1=1，以确定通过了S1两次。如果状态机有2个同时查找S1=1的状态，尽管火车只经过S1一次，每个状态都要经历2个连续的时钟周期。
另一种方法是如果检测到S1=1，然后S4=1，然后S1=1，那么确定火车在外圈运行。每种方法都要确定火车通过S1两次。
状态机的输入、输出信号总结如下图：
8.5 控制器设计范例
接下来看一个火车控制器的范例。对于这个控制器，2列火车以不同的速度逆时针方向运行。火车A运行在外圈，火车B运行在内圈。同一时间，只允许1列火车占据公共轨道。
图8.5和8.6分别列出ASM和状态图。在ASM图里，状态名About，Ain，Bin，Bstop，和Astop表示状态。长方框包含给定状态的有效输出（高电平）。没列出的输出通常假设为无效（低电平）。
菱形框表示条件判断。当框中有2个信号时，它们都在同一时间测试为指定值。
图8.6所示的经典状态图。和8.5包含同样的信息。ASM和状态图的区别只是表示的风格不同。图8.7的轨道图将状态视觉显示。状态名里的in和out参考轨道2的状态，这段轨道为公共轨道。
状态描述
All States
l 所有未声明的信号都是0并意味着期望合乎逻辑的结果。
ABout：火车A和B的外部
l DA0有效：火车A在外部轨道并逆时针前进。
l DB0有效：火车B在内部轨道（非公共轨道）运行。
l 注意并未指定DA1，它自动赋0—DB1也如此，这样，输出就是DA=01和DB=01.
Ain：火车A进入公共轨道
l 感应器1触发或同时感应器2触发。
l 火车A将尝试进入公共轨道，或
l 2列火车都将试图进入公共轨道。
l 2列火车都允许进入，但是，如果都进入了，状态Bstop将停止B。
l DA0有效：火车A在外部轨道并逆时针前进。
l DB0有效：火车B在内部轨道（非公共轨道）运行。
Bstop：火车B停在S2，等待火车A离开公共轨道
l DA0有效：火车A从外圈前进到公共轨道。
l 火车B到达感应器2，停止，直到感应器4触发。
l SW1和SW2无效，使得外部轨道连接到公共轨道。
Bin：在火车A到达感应器1之前，火车B到达感应器2.
l 火车B被允许进入公共轨道。火车A将到达感应器1.
l DA0有效：火车A在外部轨道并逆时针前进。
l DB0有效：火车B在内部轨道向公共轨道前进。
l SW1有效：内圈轨道连接到公共轨道。
l SW2有效：内圈轨道连接到公共轨道。
Astop：火车A停在S1直到火车B离开公共轨道。
l DB0有效：火车B在内部轨道向公共轨道前进。
l SW1和SW2有效：内圈轨道连接到公共轨道。
verilog 代码：
//example verilog state machine to control trains
module Tcontrol(reset,clock,sensor1,sonsor2,sensor3,sensor4,sensor5,
switch1,switch2,switch3,dirA,dirB);
//this section defines state machine inputs and outputs
//no modifications should be needed in this section
input reset,clock,sensor1,sensor2,sensor3,sensor4,sensor5;
output switch1,switch2,switch3;
output [1:0] dirA,dirB;
reg switch1,switch2;
//dirA and dirB are 2-bit logic vector(i.e. an array of 2 bits)
reg [1:0] dirA,dirB;
reg [2:0] state;
//this code describes how the state machine operates
//this section will need changes for a different state machine
//state assignments are needed in verilog
parameter ABout=0,Ain=1,Bin=2,Astop=3,Bstop=4;
//this section describes how the state machine behaves
//this process runs once every time reset or the clock changes
always @(posedge clock or posedge reset)
begin
//reset to this state(i.e. asynchronous reset)
if(reset)
state=ABout;
else
//posedge clock means positive clock edge
//this section will execution once on each positive clock edge
//signal assignments in this section will generate D flip-flops
case(state) //case statement to determine next state
ABout:
//this case checks both sensor1 and sensor2 bits
case(sensor12)
2'b00: state=ABout;
2'b01: state=Bin;
2'b10: state=Ain;
2'b11: state=Ain;
//default case is needed here
default: state=ABout;
endcase
Ain:
case(sensor24)
2'b00: state=Ain;
2'b01: state=ABout;
2'b10: state=Bstop;
2'b11: state=ABout;
default: state=ABout;
endcase
Bin:
case(sensor13)
2'b00: state=Bin;
2'b01: state=ABout;
2'b10: state=Astop;
2'b11: state=ABout;
default: state=ABout;
endcase
Astop:
if(sensor3)
state=Ain;
else
state=Astop;
Bstop:
if(sensor4)
state=Bin;
else
state=Bstop;
default: state=ABout;
endcase
end
//combine sensor bits for case statement above
//{} operators combine bits
wire [1:0] sensor12={sensor1,sensor2};
wire [1:0] sensor13={sensor1,sensor3};
wire [1:0] sensor24={sensor2,sensor4};
//these outputs do not depend on the state
wire switch3=0;
//outputs that depend on state, use state to select value
//be sure to specify every output for every state
//value will not default to zero!
always @(state)
begin
case(state)
ABout:
begin
switch1=0;
switch2=0;
dirA=2'b01;
dirB=2'b01;
end
Ain:
begin
switch1=0;
switch2=0;
dirA=2'b01;
dirB=2'b01;
end
Bin:
begin
switch1=1;
switch2=1;
dirA=2'b01;
dirB=2'b01;
end
Astop:
begin
switch1=1;
switch2=1;
dirA=2'b00;
dirB=2'b01;
end
Bstop:
begin
switch1=0;
switch2=0;
dirA=2'b01;
dirB=2'b00;
end
default:
begin
switch1=0;
switch2=0;
dirA=2'b00;
dirB=2'b00;
end
endcase
end
endmodule