TLMS 实验报告

作者：郑钊计算机应用 15331424
时间：2018-07-03

[TOC]

1. 设计思路

本次实验项目，综合了《嵌入式系统案例分析》课程的四部分内容：GPIO、UART、中断、系统定时器、状态机、LED，实现了一个基础的交通信号灯管理系统（下面简称 TLMS）。

2. 实现功能

假定在一个有南/北、东/西方向车流的十字路口：

初始状态为：南/北方向绿灯，东/西方向红灯。

计时 10s 之后，若检测到东/西方向有车流（若无车流则直接维持信号灯的当前状态），则改变交通灯的状态为：南/北方向红灯，东/西方向绿灯，且中间会有短暂的黄灯等待时间（3s）。

整个系统按照上述规则不断地循环切换状态。

南/北，东/西方向的车流有无可以通过 EasyARM 程序的串口输入来进行人为控制。

信号灯的状态可以直接观察 LED 灯得到。

本次实验项目通过下面五点体现课程内容。

2.1. 状态机

2.1.1. TLMS 五个状态

goN：南北方向通行
waitN：南北方向等待
goE：东西方向通行
waitE：东西方向等待
Emer：紧急状态

2.1.2. 状态转换表

State\PE2-0	000	001	010	011	1XX
goN	goN	waitN	goN	waitN	Emer
waitN	goE	goE	goE	goE	Emer
goE	goE	goE	waitE	waitE	Emer
waitE	goN	goN	goN	goN	Emer
Emer	goN	goN	goN	goN	Emer

2.1.3. 状态机的结构

struct State {
  uint32_t Out;                 // 6-bit 输出
  uint32_t Time;                // 维持该状态的时间
  uint32_t Color;               // 对应的 LED 灯颜色
  const struct State *Next[8];  // 下一个状态转换
};

2.2. 系统计时器

这里我使用的是查询模式下的系统计时器，用于状态机对应时间的等待。

2.3. UART 串口输入/输出

当状态机处于 goN, goE, Emer 三种状态的时候，程序会输出 please input! 到 EasyARM，然后从 EasyARM 输入三个字符（总共 8 种情况，从 000 到 111），程序接收到输入之后，状态机切换状态。

2.4. 中断

本项目是间接使用了中断功能，因为 UART 中接收用户的输入函数 UART_InChar() 是通过中断实现的。

2.5. LED

goN 显示绿灯
waitN 显示黄灯
goE 显示红灯
waitE 显示黄灯
Emer 显示白灯

3. 实验环境与相关工具

开发环境：Windows 10
开发工具：Keil uVision4
嵌入式板：Texas TM4C123
辅助软件：EasyARM

4. 程序流程图

5. 实际运行现象

初始状态为 goN（绿灯），等待 10s 后提示 UART 输入。

输入 011，代表南北方向都有车，状态变为 waitN（黄灯），等待 3s。

黄灯之后，不用输入直接进入 goE 状态（红灯），等待 10s 后提示 UART 输入。

输入 100，代表紧急状态，状态变为 Emer（白灯），等待 10s 后提示 UART 输入。

6. 设计分析 & 心得

这次期末实验项目对我个人来说意义很大，因为综合了这个许多内容。设计灵感主要来源于期中的交通灯状态机项目，基于此，我加入了 UART 串口、LED 灯、中断、系统计时器等功能，实现了一个更为复杂的交通信号灯管理系统。

由于要讲不同的内容综合在一起，需要仔细分析不同内容的工程案例，分析出哪部分是必要的，哪部分是可许的，这样再进行代码的融合。

通过这次实验，我也对状态机这个概念有了深刻的理解，毕竟已经在本次项目里用 C 语言实现出来了。另外也增加对于系统计时器的了解，系统计时器有两种模式，中断模式和查询模式，前者是在计时 RELOAD 的时候触发一次中断，然后程序跳到相应的中断服务程序；查询模式则是通过改变寄存器中的某个标志位来标明计时时间到。

最后，感谢郭雪梅老师开设这门《嵌入式系统案例分析与设计》课程，让我有机会接触嵌入式的一些几本的概念和玩法，也确实有学到了东西。

友情鸣谢赖秀娜与王世祺这两位优秀的同学，在我做本次实验项目的时候提供了许多帮助。

7. 代码

完整的工程代码参考：TLMS.zip

关键代码文件：

// PointerTrafficLight.c
#include <stdint.h>
#include "inc/tm4c123gh6pm.h"
#include "PLL.h"
#include "SysTick.h"
#include "UART.h"

#define LIGHT                   (*((volatile uint32_t *)0x400051FC))
#define GPIO_PORTB_OUT          (*((volatile uint32_t *)0x400051FC)) // bits 0~6
#define GPIO_PORTE_IN           (*((volatile uint32_t *)0x4002401C)) // bits 0~2
#define SENSOR                  (*((volatile uint32_t *)0x4002401C))

struct State {
  uint32_t Out;            // 6-bit output
  uint32_t Time;           // 
  uint32_t Color;
  const struct State *Next[8];
};  // depends on 3-bit input
typedef const struct State STyp;
	
#define goN   &FSM[0]  // GREEN
#define waitN &FSM[1]  // YELLOW
#define goE   &FSM[2]  // RED
#define waitE &FSM[3]  // YELLOW
#define Emer  &FSM[4]  // WHITE

#define PF1       (*((volatile uint32_t *)0x40025008))
#define PF2       (*((volatile uint32_t *)0x40025010))
#define PF3       (*((volatile uint32_t *)0x40025020))
#define LEDS      (*((volatile uint32_t *)0x40025038))
#define RED       0x02
#define GREEN     0x08
#define YELLOW    0x0A
#define WHITE     0x0E
#define WHEELSIZE 4           // must be an integer multiple of 2
const long COLORWHEEL[WHEELSIZE] = {GREEN, YELLOW, RED, WHITE};  // red, yellow, green, white

STyp FSM[5]={
 {0x21, 10, GREEN,  {goN, waitN, goN,   waitN, Emer, Emer, Emer, Emer}},
 {0x22, 03, YELLOW, {goE, goE,   goE,   goE,   Emer, Emer, Emer, Emer}},
 {0x0C, 10, RED,    {goE, goE,   waitE, waitE, Emer, Emer, Emer, Emer}},
 {0x14, 03, YELLOW, {goN, goN,   goN,   goN,   Emer, Emer, Emer, Emer}},
 {0x40, 10, WHITE,  {goN, goN,   goN,   goN,   Emer, Emer, Emer, Emer}}
};


void Ports_Init(void) {
  SYSCTL_RCGCGPIO_R |= 0x32;
  while((SYSCTL_PRGPIO_R&0x0020) == 0){};  // ready?

  // Port F
  GPIO_PORTF_DIR_R |= 0x0E;        // make PF3-1 output (PF3-1 built-in LEDs)
  GPIO_PORTF_AFSEL_R &= ~0x0E;     // disable alt funct on PF3-1
  GPIO_PORTF_DEN_R |= 0x0E;        // enable digital I/O on PF3-1
  GPIO_PORTF_PCTL_R = (GPIO_PORTF_PCTL_R&0xFFFFF0FF)+0x00000000;  // configure PF3-1 as GPIO
  GPIO_PORTF_AMSEL_R = 0;          // disable analog functionality on PF

  // Port E
  GPIO_PORTE_DIR_R &= ~0x07;   // make PE2-0 in
  GPIO_PORTE_AFSEL_R &= ~0x07; // disable alt func on PE2-0
  GPIO_PORTE_DEN_R |= 0x07;    // enable digital I/O on PE2-0
  GPIO_PORTE_PCTL_R = (GPIO_PORTE_PCTL_R&0xFFFFFFF0)+0x00000000;  // configure PE2-0 as GPIO, 0xFFFFFF00
  GPIO_PORTE_AMSEL_R &= ~0x07; // disable analog functionality on PE2-0

  // Port B
  GPIO_PORTB_DIR_R |= 0x7F;    // make PB6-0 out
  GPIO_PORTB_AFSEL_R &= ~0x7F; // disable alt func on PB6-0
  GPIO_PORTB_DEN_R |= 0x7F;    // enable digital I/O on PB6-0         
  GPIO_PORTB_PCTL_R &= ~0x0FFFFFFF;  // configure PB6-0 as GPIO, 0x00FFFFFF
  GPIO_PORTB_AMSEL_R &= ~0x7F; // disable analog functionality on PB6-0
}

uint32_t GetInput() {
  static char input[3];             // global to assist in debugging
  uint32_t result = 0;
  OutCRLF();
  UART_OutString("please input!\n");
  input[0] = UART_InChar();
  input[1] = UART_InChar();
  input[2] = UART_InChar();
  if (input[0]=='1') result |= 0x4;
  if (input[1]=='1') result |= 0x2;
  if (input[2]=='1') result |= 0x1;
  return result;
}

int main(void){
  STyp *Pt;                    // state pointer
  uint32_t Input;
  char ch;
  uint32_t n;

  PLL_Init();                  // configure for 50 MHz clock
  SysTick_Init();              // initialize SysTick timer
  Ports_Init();                // initialize GPIO ports
  UART_Init();                 // initialize UART

  Pt = goN;                    // initial state: Green north; Red east
  while(1) {
    LIGHT = Pt->Out;           // set lights to current state's Out value
    LEDS = Pt->Color;          // set LED color
    WaitSeconds(Pt->Time);
    if (Pt->Color != YELLOW) Input = GetInput();
    Pt = Pt->Next[Input];      // transition to next state
  }
}

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