FPGA在智能交通產品中的應用研究

摘 要傳統的交通控制策略常常造成單方向的交通擁堵，造成單方向交通延誤時長較大。為了解決目前傳統交通控制策略的缺陷，基于不同的情景構造相應的智能交通控制系統，并在FPGA上模擬。通過模擬發現，FPGA技術能夠有效的應用于智能交通產品的開發和利用當中。

【關鍵詞】智能交通 系統 FPGA 產品

1 FPGA簡介

FPGA是一種新型的可編程邏輯器件，是著名可編程邏輯器件廠商Altera在20世界80年代推出的可擴展性的現場可編程門陣列，其很好的兼容了GAL和PAL器件的優點，具有可以用于大規模電路設計以及編程靈活等特點，現在已經成為可編程邏輯器件的主流器件之一。其出現推動了可編程邏輯器件的發展，具有里程碑的意義。FPGA芯片包括六個組成部分，即可編程輸入/輸出單元、基本可編程邏輯單元、完整的時鐘管理、嵌入式RAM、豐富的布線資源和內嵌的底層功能單元和內嵌專用硬核。隨著技術的不斷進步，FPGA技術的發展具有如下發展趨勢：

（1）基于FPGA的可編程片上系統技術；

（2）向著高性能、高密度、低功效的方向發展；

（3）動態可重構三個方面發展。

從而使其具有如下幾個方面的優點：

（1）能夠實現硬件的時分復用，能夠有效的實現電路功能進行動態配置；

（2）具有并行處置能力，能夠有效提高其處理效率；

（3）能夠改變硬件來實現正在運行的程序；

（4）投入成本低、開發周期短，將其應用于智能交通系統控制中能夠有效降低其運行和開發成本。

正是由于FPGA具有上述優點，使其在智能交通產品中得到廣泛的應用。為了有效的說明FPGA在智能交通產品中的應用，本文通過FPGA在智能交通信號控制系統中的應用來進行具體的說明。

2 智能交通信號控制系統基本理論

2.1 交通信號控制系統的分類

交通控制系統可以按照信號控制范圍和信號控制原理兩種類型進行分類，其中信號控制范圍分類包括點控、線控和面控，信號控制原理分類包括定時控制、感應控制和自適應控制。

為了能有效建立交通信號控制系統，需要幾個重要參數，包括以下幾個參數：

（1）周期，周期主要用于指揮交通的信號燈總是按照預先設計的程序一步一步循環變換，其完成每一次循環需要的總時間，即紅燈時間加上綠燈時間加上黃燈時間，將其定義為周期。通常根據十字路口的紅綠燈的時間長度來確定周期的長短，通常周期的設定長短影響著道路的擁擠程度，因此在交通控制系統中需要根據具體情況進行合理的設置。

（2）相位和相位差十字路口的不同方向的不同燈色的組合稱之為相位，不同燈色之間的時間差定義為相位差。通過在十字路口采用分時通行的方法能夠有效避免各個交通路口出現交通擁堵，減少單向停車時間，從而有利于道路暢通。

（3）綠燈有效時間和綠信比有效綠燈時間指綠燈信號時段減去前后損失時間，相位綠信比指一個相位信號有效綠燈長度與信號周期的比值。可以通過合理的分配綠信比來達到各方向延誤時間和停車次數達到最小。基于上述基本參數，為了有效評估交通控制系統的性能，常用采用通行能力、延誤時間、飽和度、停車率來評估其性能的好壞。

2.2 交通等控制系統設計

在城市交通中，在平時能夠使單方向的停車數達到最小，避免出現交通阻塞；在出現緊急情況下，能夠通過控制交通系統使損失達到最小，從而使得交通系統設計需要滿足達到以下兩點目標：

（1）在平時能夠有效指揮交通，協調車輛的正常通行，當城市發生交通事故時，能夠一定程度上減少不必要的損失；

（2）城市交通網絡配時優化的好壞通常由紅綠燈配時方案的好壞決定

根據上述兩個基本目標，使得城市交通等控制系統需要解決以下幾個方面的問題：

（1）城市市區內的十字路口的交通控制系統具有在平時情況下能夠按照合理的順序依次點亮，能在急車通行的情況下能保證緊急車輛優先通行；

（2）城鄉結合處的十字路口的交通燈需要在交通高峰時間，主副干道都要有車輛通行。基于此，為了能夠很好的設計交通控制系統，通常其設計通常由分頻模塊、計數模塊、控制模塊和顯示模塊四個基本模塊組成。

3 基于FPGA的交通等控制系統的實現

交通信號控制系統在EDA技術的基礎上，利用FPGA開發軟件ISE以及硬件描述語言HDL設計實現城市和城鄉結合處的交通控制系統。

3.1 十字路口交通控制模塊設計

以城市十字路口交通控制模塊設計為例，假設主干道的紅綠燈順序依次為：綠燈、黃燈、左轉綠燈、黃燈、綠燈，并依此順序不斷循環，副干道的順序依次為：紅燈、綠燈、黃燈、左轉綠燈和黃燈。以主干道方向為例，通過編程發現，主干道的交通等完全按照綠燈、黃燈、左轉綠燈、黃燈、綠燈順序循環點亮，符合當初的設計要求。

3.2 顯示模塊設計

顯示模塊設計采用四個共陰極數碼管，通過動態掃描方式連接，并共用一套驅動設計電路，以達到每個數碼管共同通過公共的端被輪流驅動，以達到減少I/O資源和內部邏輯資源的目的。采用時分原理和人類的視覺暫留效應以達到動態掃描顯示的目的，采用512Hz左右的時鐘進行輪流驅動以點亮數碼管，但是由于人的視覺暫留效應，此時所有的數碼管感覺是同時點亮。為了能夠解決上述問題，將掃描的時鐘頻率設定為400Hz。

3.3 交通燈控制系統硬件電路設計

為了能夠有效的設計交通燈控制系統的硬件電路，需要發光二極管（紅）4個、發光二極管（黃）4個、發光二極管（綠）8個、八段數碼管4個、電路板1個、電阻4個和導線若干。通過基于FPGA實現的數碼管的點亮，通常采用動態掃描連接，具體來講：八段管采用動態掃描連接，四個數碼管采用同一顯示驅動電路。

4 結語

通過對交通燈控制系統的目標和要求進行分析的基礎上，構建交通燈控制系統，并基于FPGA來實現交通燈的有效控制。根據設計不同情景下的交通運行情況，分別設計不同的交通控制系統，通過實驗驗證發現，只要FPGA的I/O數量滿足要求，交通控制系統都可以通過FPGA芯片來同時執行。

參考文獻

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作者簡介

曹晶（1982-），男，河北省鹿泉市人。大學本科學歷。現為石家莊域聯視控控制技術有限公司工程師。研究方向為智能交通中視頻技術的應用。

作者單位

石家莊域聯視控控制技術有限公司 河北省石家莊市 050000