数字电路综合设计案例8.1 十字路口交通管理器一、要求设计一个十字路口交通管理器，该管理器自动控制十字路口两组红、黄、绿三色交通灯，指挥各种车辆和行人安全通过。

二、技术指标1、交通管理器应能有效操纵路口两组红、黄、绿灯，使两条交叉道路上的车辆交替通行，每次通行时间按需要和实际情况设定。

2、在某条道路上有老人、孩子或者残疾人需要横穿马路时，他们可以举旗示意，执勤人员按动路口设置的开关，交通管理器接受信号，在路口的通行方向发生转换时，响应上述请求信号，让人们横穿马路，这条道上的车辆禁止通行，即管理这条道路的红灯亮。

3、横穿马路的请求结束后，管理器使道口交通恢复交替通行的正常状态。

三、设计原理和过程：本课题采用自上而下的方法进行设计。

1．确定交通管理器逻辑功能⑴、十字路口每条道路各有一组红、黄、绿灯，用以指挥车辆和行人有序地通行。

其中红灯亮表示该条道路禁止通行；黄灯亮表示停车；绿灯亮表示通行。

因此，十字路口车辆运行情况有以下几种可能：①甲道通行，乙道禁止通行；②甲道停车线以外的车辆禁止通行（必须停车），乙道仍然禁止通行，以便让甲道停车线以内的车辆安全通过；③甲道禁止通行，乙道通行；④甲道仍然不通行，乙道停车线以外的车辆必须停车，停车线以内的车辆顺利通行。

⑵、每条道路的通车时间（也可看作禁止通行时间）为30秒~2分钟，可视需要和实际情况调整，而每条道路的停车时间即黄灯亮的时间为5秒~10秒，且也可调整。

⑶、响应老人、孩子或残疾人特殊请求信号时，必须在一次通行—禁止情况完毕后，阻止要求横穿的那条马路上车辆的通行。

换句话说，使另一条道路增加若干通行时间。

设S1和S2分别为请求横穿甲道和乙道的手控开关，那么，响应S1或S2的时间必定在甲道通乙道禁止或甲道禁止乙道通两种情况结束时，且不必过黄灯的转换。

这种规定是为了简化设计。

由上述逻辑功能，画出交通管理器的示意图如图8-1所示，它的简单逻辑流程图如图8-2所示。

示意图中甲道的红、黄、绿灯分别用R、Y、G表示，而乙道的红、黄、绿灯分别用r、y、g表示。

简单逻辑流程图中设定通行（禁止）时间为60秒，停车时间为10秒。

2．确定系统方案及逻辑划分由确定的逻辑功能，进而来具体地讨论实施方案。

交通管理器与其他数字系统一样，划分成控制器和受控电路两部分，控制器送出对受控部分的控制信号，它接受来自外部的请求信号S1和S2 以及受控部分的反馈信号，决定自身状态转换方向以及输出信号。

⑴设定S1=1时为有人要横穿甲道，又设定S2=1时为有人要横穿乙道，若S1=0，且S2=0，则表示没有穿越马路的特殊请求。

S1和S2信号均用纽子开关产生。

⑵控制器应送出甲、乙道红、黄、绿灯的控制信号。

为简便起见，我们把灯的代号和驱动灯的信号合而为一，因此有如下规定：R=1 甲道红灯亮Y=1 甲道黄灯亮G=1 甲道绿灯亮r=1 乙道红灯亮y=1 乙道黄灯亮g=1 乙道绿灯亮同时又作以下规定：①甲道通行、乙道禁止的一段时间内，即G=1，r=1的时间内（假设调定为60秒），用符号W=0表示，否则W=1。

②乙道通行、甲道禁止的一段时间内，即g=1，R=1的时间内（假设也调定为60秒），用符号P=0表示，否则P=1。

③在黄灯亮的时间内（假设调定为10秒），用L=0表示，否则L=1。

在上述各种情况时，如果无特殊请求横穿马路，那么，甲、乙道交替通行60秒钟，转换时有10秒钟的停车或准备时间。

（3）当交通控制处于甲禁止乙通行的状态时，它只响应S1信号，因为若S2=1时，只需本状态结束，经过10秒钟就转入甲通乙不通状态，行人可以穿越乙道，这样做的目的是为了简化设计。

在甲通乙不通的状态时，管理器能响应S1信号，控制器受到S1信号后，状态转换为甲禁止、乙通行状态；如果S1=0，而控制器收到S2=1信号，则维持甲道通行、乙道禁止状态，让行人通过乙道。

（4）为使交通管理器按照规定的通行和停车时间有效地工作，故设置秒脉冲信号发生器，它作为整个电路的时钟信号和定时电路的参考间。

秒脉冲发生器的构成请参阅“数字钟”的有关内容。

设计者亦可安装一个模拟性的简单的秒信号发生器。

（5）管理器设置60秒通行时间和10秒停车时间的定时电路。

定时电路接受控制器送来C1（甲道禁止乙道通行）和C2（甲道通行乙道禁止）信号，驱动60秒定时电路工作，它接受C3信号，驱动10秒定时电路运行，定时电路的参考时间就是秒脉冲。

申明一点：定时电路的定时时间可由设计者调整。

定时电路的输出信号是W、P、L，其中W和P是60秒定时结束时馈送给控制器的信号，而L是10秒定时结束时定时电路送到控制器的反馈信号。

控制器根据这些信号的状况，发生相应的状态变换。

（6）控制器的状态经译码器译出交通信号灯的控制信号，驱动甲、乙道相应灯点亮。

现在就可以画出交通管理器的结构组成图如图8-3所示。

而它的控制器的详细逻辑流程图可用图8-4示出。

控制器的输出已在流程图各工作块的外侧标明。

3．受控电路的硬件设计由于受控电路的组成已经明确，现在的问题是如何选择具体的器件来实现。

在此作简明介绍。

⑴秒脉冲信号发生器秒脉冲是交通管理器的时间基准，秒脉冲发生器可以参照数字闹钟课题内的标准时间源。

由于本课题对秒信号稳定度、精度的要求并不高，因此建议用一般的环形震荡器组成，电路如图8-5所示。

其中逻辑门选用74LS00四与非门。

由于该电路输出信号的周期约为T=2.2RC在保证(R+Re)<700Ω（TTL门电路关门电阻）的前提下，选择恰当的R和C值组成。

⑵60秒和10秒定时电路定时电路有多种形式，设计者可以任选。

这里介绍一种用MSI 74LS161同步计数器构成定时电路的方法。

由于电路配置秒脉冲信号发生器，如果把秒信号作为计数器的CP输入，那么计数器连接成60进制时就可作为60秒定时电路。

由此推广，模N计数器就是N秒定时电路，这对于灵活调整道路通行时间是相当方便的。

以下讨论用74LS161构成N进制计数器的方法。

74LS161具有同步预置控制端LD，因此可以采用反馈预置法实现N进制计数器。

实现的方法为：首先使L D=0，数据输入端A=B=C=D=0，CP来到将计数器置0（即Q D Q C Q B Q A=0000），并以此作为初态；然后使L D=1，器件在CP作用下开始计数，当计数到（N-1）时，经与非门反馈给预置控制端L D，又使L D=0，再次预置数据0，从而完成一个0到（N-1）的循环，实现了N进制计数器的功能。

图8-6（a）示出了根据上述原理构成的模14计数器的外部连接图。

一片74LS161的最大计数模数为16，大于模16时必须用若干片连接。

但是在连接成同步计数链时，应注意用计数器控制端P、T传递溢出进位信号，使各片计数器快速、正确地工作。

图8-6 (b) 示出了用两片74LS161组成M=60计数器的连接图，因为N=（60）10=（111100）2，故反馈预置端，其中Q A1、Q B1和Q D1是低位片的三个触发器的输出，Q A2和Q B2是高位片的两个低位的输出。

低位片的T·P固定接1，满足计数条件。

而高位片要计数，只有等待低位片输出为全1时，因此用低位片的溢出进位输出Q C控制高位片的T·P端，当Q C=1时，高位片在输入下一个计数脉冲时接受进位，加1计数，否则为保持状态。

再则，74LS161也有异步清零功能，故可使用清零控制端Cr，采用反馈复位法使它成为任意进制计数器。

图8-7(a) 是用用反馈复位法构成的模10计数器，因为（10）10=（1010）2，由于Cr是异步清零端，一旦Q B=1与Q D=1时，立即使计数器复0（0000），故（1010）2这个状态不能持续，计数器状态由0000、0001···1001、0000，实现十进制计数。

图8-7 （b）是反馈复位法连接成的60进制计数器，工作原理请读者自行分析。

本课题允许任选反馈预置法或反馈复位法构成60秒和10秒定时电路。

这里选择反馈预置法组成，如图8-8所示。

我们要注意几点：①选通信号C1、C2和C3来自控制器，它们反映在何时打开哪一个定时电路的CP控制门。

②如果确定两通道通行时间均为60秒，则可用同一定时电路实现。

但考虑到两道通行时间的灵活调整，即每道通行时间可在30秒~2分钟之内变动，甚至甲道和乙道通行时间不相同等等，故可分别用n1和n2秒定时电路来产生P和W应答信号，以供控制器判别、决策，如图8-9所示。

③黄灯亮的定时电路是公用的，设定时时间为n3秒，其输出信号L同样送至控制器。

⑶、交通管理灯选用红、黄、绿不同颜色的发光二极管组成，它们分别受控制器输出信号R、Y、G、r、y、g所驱动。

至此，我们可画出交通管理器受控部分硬件实施简图如图8-9所示。

4．控制器设计⑴导出管理器的MDS图从图8-4所示的交通管理器详细逻辑流程图出发，画出相应的MDS图如图8-10所示。

在图中状态A为甲道禁止乙道通行状态（甲R乙g），状态B为甲道禁止乙道停车状态（甲R乙y），状态C为甲道通行乙道禁止状态（甲G乙r）,状态D为甲道停车乙道禁止状态（甲Y乙r）。

⑵状态分配本课题采用D触发器作为控制器记忆元件，四个状态用两个D触发器，状态分配如下：状态A—00、状态B—01、状态C—11、状态D—10，状态分配图如图8-11所示。

⑶、填写激励图根据状态分配的情况，填写两个D触发器激励函数降维卡诺图如图8-12所示。

其中状态变量Q2为高位，Q1为低位。

由激励函数卡诺图求得激励函数为：经化简可得⑷求输出函数方程乙道通行、甲道禁止时（P=0）的定时电路选通信号甲道通行、乙道禁止时（W=0）的定时电路选通信号停车时间（L=0）定时电路的选通信号控制器驱动甲道红、黄、绿灯的信号控制器驱动乙道红、黄、绿灯的信号⑸控制器逻辑电路图设计工作至此，所有方程已经求出，设计者可以选择各种SSI、MSI、LSI器件来实现。

四、讨论1．试用MSI组合器件数据选择器和译码器实现交通管理器控制器，画出相应的控制器逻辑电路图。

2．试用集成单稳电路SN74121或SN74123组成交通管理器道路通行、禁止、停车定时电路。

在此情况下，受控部分硬件实施图和控制器逻辑电路图。

3．假设甲、乙道交叉路口的交通管理按以下规则进行：⑴甲道通行时间为2分钟；⑵甲道停车时间为20秒钟；⑶乙道通行时间为1分钟；⑷乙道停车时间为10秒钟；⑸老人、孩子和残疾人请求过马路时，管理器立即响应，10秒钟后允许行人穿越；⑹交通管理人员有权随时终止甲、乙道交替通行的状况，而使某道连续通行，以解决某道交通堵塞现象或者应付临时需要，如警车、消防车、救护车等特殊车辆的紧急或较长时间的通行。

试设计并实现上述要求的十字路口交通管理器。