基于EDA 的交通信號(hào)燈電路的設(shè)計(jì)與仿真

楊 東，王學(xué)春

（黃河科技學(xué)院 嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州450063）

傳統(tǒng)的交通信號(hào)燈控制電路的設(shè)計(jì)是基于中、小規(guī)模集成電路，電路元件多、焊接復(fù)雜、故障率高、可靠性低，而且控制系統(tǒng)的功能擴(kuò)展及調(diào)試都需要硬件電路的支持，為日常維護(hù)和管理增加了難度。目前很多城市的交通信號(hào)燈還是應(yīng)用傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)，一旦交通信號(hào)燈出現(xiàn)故障，不能及時(shí)維修和處理，勢(shì)必會(huì)造成道路的交通混亂。通過技術(shù)的改進(jìn)，采用基于EDA技術(shù)的交通信號(hào)燈控制電路彌補(bǔ)了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的缺點(diǎn)，通過VHDL語(yǔ)言編寫系統(tǒng)控制程序，利用軟件控制整個(gè)系統(tǒng)的硬件電路，還可以利用EDA集成開發(fā)環(huán)境對(duì)交通信號(hào)燈的設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果是否實(shí)現(xiàn)。改進(jìn)后的交通信號(hào)燈電路組成元器件少，可靠性高，操作簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展功能[1]。

1 交通信號(hào)燈控制電路

1.1 交通信號(hào)燈工作原理

基于FPGA的交通信號(hào)燈控制電路主要用于甲乙兩條車道匯合點(diǎn)形成的十字交叉路口，甲乙兩車道各有一組紅、黃、綠燈和倒計(jì)時(shí)顯示器，用以指揮車輛和行人有序的通行。兩組紅綠燈分別對(duì)兩個(gè)方向上的交通運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行管理，紅燈亮表示該道路禁止通行，黃燈表示停車，綠燈表示可以通行；倒計(jì)時(shí)顯示器是用來顯示允許通行或禁止通行的時(shí)間，以倒計(jì)時(shí)方式顯示交通燈閃亮持續(xù)時(shí)間[2]。為每個(gè)燈的閃亮狀態(tài)設(shè)置一個(gè)初始值，指示燈狀態(tài)改變后，開始按照初始值倒計(jì)時(shí)，倒計(jì)時(shí)歸零后，燈的狀態(tài)將會(huì)改變至下一個(gè)狀態(tài)。交通燈兩車道的指示燈閃亮狀態(tài)是相關(guān)的，每個(gè)方向的燈閃亮狀態(tài)影響著另一個(gè)方向的指示燈閃亮狀態(tài)，這樣才能夠協(xié)調(diào)兩個(gè)方向的車流。甲乙兩車道交通燈工作狀態(tài)如表1所示，其中“1”代表點(diǎn)亮，“0”代表熄滅。

表1 交通燈工作狀態(tài)Tab.1 The traffic light state

當(dāng)甲車道綠燈亮?xí)r，乙車道對(duì)應(yīng)紅燈亮，由綠燈轉(zhuǎn)換紅燈的過渡階段黃燈亮。同理，乙車道綠燈亮?xí)r，甲車道的交通燈也遵循此規(guī)則。當(dāng)出現(xiàn)特殊情況時(shí)，各方向均亮紅燈，倒計(jì)時(shí)停止，特殊運(yùn)行狀態(tài)結(jié)束后，控制器恢復(fù)原來狀態(tài)，繼續(xù)運(yùn)行[3]。

1.2 交通信號(hào)燈電路結(jié)構(gòu)

根據(jù)交叉路口交通燈工作原理，圖1為交通信號(hào)燈控制電路的原理圖。該電路包含了1個(gè)FPGA芯片，2個(gè)七段LED數(shù)碼顯示管，6個(gè)發(fā)光二極管分別表示甲乙兩車道上指示燈，以及一個(gè)緊急按鈕。FPGA芯片采用EP1C12Q240C8，作為系統(tǒng)總體控制部分；利用外接發(fā)光二極管模擬交通信號(hào)燈的紅、黃、綠，控制甲乙兩車道車輛運(yùn)行狀態(tài)；2個(gè)數(shù)碼管顯示交通信號(hào)燈閃亮持續(xù)時(shí)間，并采用動(dòng)態(tài)掃描方式[4]。

圖1 交通燈控制電路原理圖Fig.1 The traffic light control circuit diagram

2 交通信號(hào)燈控制電路的VHDL設(shè)計(jì)與仿真

十字交叉路口的交通燈指揮行人和車輛的安全運(yùn)行，在甲、乙車道的交叉路口設(shè)計(jì)一個(gè)交通控制，根據(jù)“紅燈停，綠燈行，黃燈等待”的交通規(guī)則，實(shí)現(xiàn)如下功能：

1)甲車道和乙車道的車輛交替運(yùn)行，每次通行時(shí)間設(shè)為30 s；

2)每次黃燈先亮5 s，才能變換運(yùn)行車道；

3)黃燈亮?xí)r，要求每秒鐘閃亮一次；

4)信號(hào)燈點(diǎn)亮?xí)r間可預(yù)置；

5)特殊情況下可通過開關(guān)單獨(dú)控制，顯示器停止計(jì)時(shí)并閃爍顯示。

通過對(duì)電路實(shí)現(xiàn)功能分析，整個(gè)系統(tǒng)主要由分頻模塊、狀態(tài)控制模塊、譯碼模塊以及顯示電路構(gòu)成。如圖2所示，其中clk為系統(tǒng)外加時(shí)鐘信號(hào)，jin為特殊狀態(tài)禁止通行信號(hào)。

圖2 交通燈系統(tǒng)模塊圖Fig.2 Block the traffic light system

2.1 分頻模塊

分頻模塊主要是把基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)轉(zhuǎn)換為激勵(lì)信號(hào)，由于系統(tǒng)的外接時(shí)鐘信號(hào)設(shè)為1 kHz，而系統(tǒng)計(jì)時(shí)所需時(shí)鐘信號(hào)為1 Hz，因此首先通過分頻器把外部高頻率的時(shí)鐘信號(hào)轉(zhuǎn)換為內(nèi)部需要的激勵(lì)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)狀態(tài)控制模塊工作。所謂分頻器實(shí)際上就是一個(gè)計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器對(duì)1 kHz信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，每當(dāng)999時(shí)輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，從而得到1 Hz時(shí)鐘信號(hào)，其仿真波形如圖3所示。

圖3 分頻模塊仿真波形Fig.3 Frequency module simulation waveform

2.2 狀態(tài)控制模塊

狀態(tài)控制模塊是本系統(tǒng)的核心模塊，它的作用是根據(jù)計(jì)時(shí)賦值標(biāo)志位和時(shí)鐘信號(hào)，判斷、調(diào)整和控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)，提供適當(dāng)?shù)闹甘緹艨刂菩盘?hào)。其中對(duì)應(yīng)輸出的工作狀態(tài)有 4種，分別是 st1、st2、st3和 st4。控制甲、乙車道的紅、黃、綠燈的信號(hào)分別用 ra、ya、ga 和 rb、yb、gb 表示，其值為‘1’表示燈亮，為‘0’表示燈滅。

狀態(tài)控制模塊在脈沖信號(hào)作用下分別對(duì)甲乙車道的計(jì)數(shù)進(jìn)行減1計(jì)數(shù)，并監(jiān)測(cè)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，當(dāng)計(jì)數(shù)器到臨界計(jì)數(shù)值時(shí)，在下一秒脈沖為計(jì)數(shù)器裝載新的計(jì)數(shù)初值，同時(shí)改變車道的指示燈狀態(tài)。當(dāng)出現(xiàn)特殊情況時(shí)，控制按鍵輸入禁止通行信號(hào)，即jin為‘1’，計(jì)數(shù)器暫停計(jì)數(shù)，各方向車輛都處于禁止運(yùn)行狀態(tài)。各狀態(tài)及特殊情況指示燈工作仿真波形如圖4所示。

圖4 控制模塊仿真波形Fig.4 The simulation waveform control module

當(dāng)工作狀態(tài)為 st1 時(shí) ra=’0’、ya=’0’、ga=’1’， 即甲車道綠燈亮；rb=’1’、yb=’0’、gb=’0’，即乙車道紅燈亮；此時(shí)計(jì)數(shù)器 qh=3，ql=0， 即 30s。 當(dāng)工作狀態(tài)為 st2 時(shí) ra=’0’、ya=’1’、ga=’0’，即甲車道黃燈亮；rb=’0’、yb=’1’、gb=’0’，即乙車道黃燈亮；此時(shí)計(jì)數(shù)器qh=0，ql=5，即5s。同理，當(dāng)工作狀態(tài)處于st3時(shí)，甲車道紅燈亮，乙車道綠燈亮，計(jì)數(shù)器置初值30；當(dāng)工作狀態(tài)處于st4時(shí)，甲乙車道都點(diǎn)亮黃燈，計(jì)數(shù)器置初值5。在特殊情況 jin=’1’時(shí)，ra=’1’，rb=’1’，此時(shí)甲乙車道紅燈都點(diǎn)亮，禁止各方向車輛通行，同時(shí)計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)[5]。

2.3 譯碼模塊

譯碼模塊的作用是根據(jù)根據(jù)狀態(tài)控制模塊中設(shè)置的計(jì)時(shí)初值顯示交通燈的閃亮持續(xù)時(shí)間，并將燈亮?xí)r間以倒計(jì)時(shí)的形式顯示出來。即將狀態(tài)控制模塊中計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)位各數(shù)值進(jìn)行譯碼，輸出譯碼信號(hào)，驅(qū)動(dòng)七段數(shù)碼管，由數(shù)碼管顯示器顯示當(dāng)前計(jì)數(shù)值。當(dāng)顯示黃燈點(diǎn)亮持續(xù)時(shí)間和特殊情況時(shí)數(shù)碼管顯示器實(shí)現(xiàn)閃爍顯示功能[6]。

譯碼模塊根據(jù)七段數(shù)碼管顯示控制規(guī)則，將狀態(tài)控制模塊計(jì)數(shù)器中數(shù)值按規(guī)則輸入譯碼信號(hào)，驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管各控制端。其中數(shù)碼管各顯示控制信號(hào)與數(shù)值顯示關(guān)系如表2所示。

譯碼模塊仿真波形如圖5。其中one存放計(jì)數(shù)器個(gè)位數(shù)值，ten存放計(jì)數(shù)器十位數(shù)值，seg7_1，seg7_2分別代表個(gè)位和十位數(shù)碼管顯示控制信號(hào)。根據(jù)計(jì)數(shù)器存放數(shù)值，seg7_1，seg7_2分別輸出對(duì)應(yīng)控制信號(hào)，以便驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示對(duì)應(yīng)數(shù)值，例如：當(dāng)one=6時(shí)seg7_1輸出“1011111”信號(hào)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示數(shù)字6；當(dāng)ten=0時(shí)seg7_2輸出“1111110”信號(hào)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示數(shù)字0。

表2 數(shù)碼管顯示對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.2 Digital tube display corresponding relationship

2.4 交通信號(hào)燈整體電路仿真分析

交通信號(hào)燈控制電路仿真波形如圖6所示。

圖6 交通燈時(shí)序仿真波形Fig.6 The traffic light timing simulation waveform

系統(tǒng)輸入的基準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖Clk=1 kHz，經(jīng)過分頻后得到系統(tǒng)電路需要的時(shí)鐘激勵(lì)信號(hào)1 Hz。當(dāng)工作狀態(tài)stx=st1時(shí)，甲車道綠燈信號(hào) ga=’1’，乙車道紅燈信號(hào) rb=’1’，并且計(jì)數(shù)器置入初始值30(qh=3，ql=0)，數(shù)碼管開始倒計(jì)時(shí)顯示時(shí)間，此時(shí)甲車道綠燈亮，允許車輛通行30s，乙車道紅燈亮，禁止車輛通行；當(dāng)工作狀態(tài)stx=st2時(shí)，甲車道黃燈信號(hào)ya=’1’，乙車道黃燈信號(hào)yb=’1’，并且計(jì)數(shù)器置入初始值5(qh=0，ql=5)，數(shù)碼管開始倒計(jì)時(shí)閃爍顯示時(shí)間，此時(shí)甲乙兩車道黃燈亮，兩車道車輛運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)入轉(zhuǎn)換階段；當(dāng)工作狀態(tài)stx=st3時(shí)，甲車道紅燈信號(hào) ra=’1’，乙車道綠燈信號(hào)gb=’1’，并且計(jì)數(shù)器置入初始值30，數(shù)碼管開始倒計(jì)時(shí)顯示時(shí)間，此時(shí)甲車道紅燈亮，禁止車輛通行，乙車道綠燈亮，允許車輛通行30s；當(dāng)工作狀態(tài)stx=st4時(shí)如同工作狀態(tài)st2。

如圖中所示，在正常運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)特殊情況時(shí)，啟動(dòng)特殊控制開關(guān)，使禁止通行信號(hào) jin=’1’，此時(shí) ra=’1’，rb=’1’，甲乙兩車道都亮紅燈，禁止各方向車輛運(yùn)行，此時(shí)數(shù)碼管停止計(jì)時(shí)并閃爍顯示，當(dāng)特殊狀態(tài)結(jié)束后[7]，恢復(fù)正常運(yùn)行，數(shù)碼管繼續(xù)計(jì)時(shí)顯示。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于EDA技術(shù)的交通信號(hào)燈控制電路設(shè)計(jì)改變了基于單片機(jī)的傳統(tǒng)交通燈不穩(wěn)定和不利于擴(kuò)展的缺點(diǎn)，突破了單片機(jī)的種種限制。通過VHDL語(yǔ)言編程，對(duì)交通信號(hào)燈控制電路做了改進(jìn)：增加了指示燈倒計(jì)時(shí)和閃爍提醒功能，以便讓司機(jī)控制過交叉路口的車速，使交通更加安全有序；增加了全紅燈的特殊狀態(tài)，保證了緊急情況下公務(wù)車能順利通行。

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