基于FPGA的交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡桂戎

【摘要】本文采用FPGA設(shè)計(jì)，結(jié)合了道路傳感器，設(shè)計(jì)了交通信號(hào)燈全感應(yīng)自適應(yīng)的控制方案。通過(guò)仿真與驗(yàn)證結(jié)果表明實(shí)現(xiàn)對(duì)交通道路的暢通達(dá)到優(yōu)化的效果。

【關(guān)鍵詞】FPGA；信號(hào)燈；系統(tǒng)

現(xiàn)代城市交通車流量大，交通信號(hào)燈的時(shí)間控制和狀態(tài)轉(zhuǎn)化往往是造成交通效率高低的主要原因。因此，就需要對(duì)信號(hào)燈的亮燈時(shí)間和轉(zhuǎn)化上，根據(jù)道路實(shí)際情況，做出最優(yōu)化的方案。本文對(duì)此，基于FPGA進(jìn)行設(shè)計(jì)出了較為智能化的交通信號(hào)燈的控制系統(tǒng)。

1、設(shè)計(jì)背景要求

1）需要在道路十字路口四個(gè)道口各設(shè)一組交通信號(hào)燈，包括左轉(zhuǎn)彎的指示燈。2）為體現(xiàn)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能，假設(shè)南北道路為主干道。車流量向北東西道較大，南北道可通行時(shí)間要長(zhǎng)于東西道路。3）為符合實(shí)際中的交通規(guī)則，所設(shè)計(jì)的程序需要在綠燈、紅燈以及左轉(zhuǎn)燈轉(zhuǎn)換之間，要有黃燈作為緩沖指示。4）根據(jù)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用需求，指示燈顯示時(shí)間可設(shè)定和調(diào)整。交通燈顯示時(shí)間需要有倒計(jì)時(shí)方式在旁邊亮起顯示。特殊情況需要應(yīng)急車通行時(shí)，指示燈需顯示出應(yīng)急功能保障應(yīng)急車輛優(yōu)先通過(guò)。

2、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。分頻器對(duì)晶振脈沖進(jìn)行分頻，產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖。主控制器收到時(shí)鐘信號(hào)后，做出轉(zhuǎn)換狀態(tài)，并輸出狀態(tài)時(shí)間。與此同時(shí)，信號(hào)燈控制器依據(jù)得到的狀態(tài)指示，對(duì)道路信號(hào)燈做出控制。運(yùn)行中，主控制器發(fā)出的信號(hào)是實(shí)數(shù)類型，分位器須將收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為BCD編碼送到顯示裝置內(nèi)。

3、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 分頻模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用模塊化方案。其中，分頻模塊的工作是把50MHz的基準(zhǔn)信號(hào)分成1Hz的激勵(lì)信號(hào)，然后提供給控制模塊。實(shí)際在軟件QuartusII里面進(jìn)行操作。在軟件的NewProjectWizard窗口下，輸入位置d：/trafficlight，然后輸入文件名。這個(gè)一般設(shè)計(jì)過(guò)程是相同的。依次選擇File→New→VerilogHDLFile，這時(shí)需要注意的是，在Verilog.v文件板塊中錄入系統(tǒng)分頻程序。最后把此文件進(jìn)行編譯，做出功能仿真。

3.2 控制模塊設(shè)計(jì)

控制模塊中，控制信號(hào)的產(chǎn)生主要采用按鍵形式。但運(yùn)行中按鍵會(huì)有抖動(dòng)的現(xiàn)象。消除抖動(dòng)的方式還是使用軟件。控制模塊的實(shí)用性較強(qiáng)，有時(shí)間預(yù)置、模式選擇、復(fù)位調(diào)整等功能。設(shè)計(jì)中，4個(gè)按鍵分別為krest、kset、kup和kdown。Krest是復(fù)位按鈕。Kset作為轉(zhuǎn)換狀態(tài)的調(diào)整使用。kup和kdown分別為設(shè)置量的加減。過(guò)程中，kset控制state[3..0]進(jìn)行狀態(tài)控制。交通信號(hào)燈顯示時(shí)間信號(hào)分別為G1_time[6..0]，Y1_time[6..0]，R1_time[6..0]，L1_time[6..0]。顯而易見，改變此閾值即為改變信號(hào)燈的倒計(jì)時(shí)時(shí)間。具體模式如下表所示。這為具體使用提供了便捷。

3.3 主干道計(jì)時(shí)模塊設(shè)計(jì)

對(duì)主干道模塊的設(shè)計(jì)，主要是為了實(shí)現(xiàn)各個(gè)道路信號(hào)燈的指示時(shí)間和轉(zhuǎn)換狀態(tài)。當(dāng)然還包括倒計(jì)時(shí)的顯示形式。在模塊中錄入clk_1s信號(hào)，為倒計(jì)時(shí)提供相應(yīng)的脈沖指控。主干道各信號(hào)燈的顯示時(shí)間值為G1_time[6..0]，Y1_time[6..0]，R1_time[6..0]和L1_time[6..0]，這些參考值能夠?yàn)槟K準(zhǔn)確計(jì)數(shù)和不同信號(hào)等的轉(zhuǎn)換做出判斷依據(jù)。設(shè)計(jì)中，復(fù)位信號(hào)為stt，對(duì)各種模式的控制信號(hào)是st。同樣道理，輸出信號(hào)為G1_ctime[6..0]，Y1_ctime[6..0]，R1_ctime[6..0]和L1_ctime[6..0]。在模塊設(shè)計(jì)這些信號(hào)時(shí)，一定要注重精確。這些信號(hào)能夠有效的為道路指示燈提供精確的倒計(jì)時(shí)顯示數(shù)值。現(xiàn)實(shí)中，將這些數(shù)值直接送達(dá)顯示模塊。顯示模塊所需要的顯示狀態(tài)為seg[1..0]的條件。G1、Y1、R1和L1分別為每個(gè)信號(hào)燈的輸入控制信號(hào)，并且為高電平點(diǎn)亮。設(shè)計(jì)中，首先建立main_module.v文件。直接錄入每個(gè)信號(hào)燈相對(duì)應(yīng)的模塊記時(shí)數(shù)據(jù)。對(duì)此功能，可以進(jìn)行功能仿真驗(yàn)證，以確保正確性。最終，還是要對(duì)此生成元件符號(hào)。

3.4 副干道計(jì)時(shí)模塊設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)過(guò)程中，如果沒(méi)有特殊要求，副干道的計(jì)時(shí)模塊的設(shè)計(jì)與上文提到的主干道計(jì)時(shí)模塊設(shè)計(jì)是比較類同的。設(shè)計(jì)過(guò)程中，只需注意實(shí)際運(yùn)用中的需求，對(duì)交通信號(hào)燈顯示順序的不同以及倒計(jì)時(shí)時(shí)間長(zhǎng)短不同，而進(jìn)行不同的設(shè)置。在程序及符號(hào)錄入時(shí)，同樣要十分注意準(zhǔn)確性，以確保實(shí)際應(yīng)用的正確。

4、系統(tǒng)仿真驗(yàn)證

在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，確保能夠投入到實(shí)際應(yīng)用中。由途中可知這次驗(yàn)證的結(jié)果：假設(shè)各交通路口一直都有車且機(jī)動(dòng)車輛已經(jīng)排隊(duì)，車隊(duì)長(zhǎng)約30m。在S1狀態(tài)綠燈15s時(shí)，達(dá)到綠燈熄滅條件。然后再設(shè)定每個(gè)路口都有車，同樣設(shè)定機(jī)動(dòng)車輛排隊(duì)長(zhǎng)度30m。通過(guò)這個(gè)轉(zhuǎn)換，能夠知道系統(tǒng)從一個(gè)基本狀態(tài)到另一個(gè)基本狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，依次進(jìn)行，沒(méi)有混亂。根據(jù)仿真驗(yàn)證，綠燈15s后，南北道路上左轉(zhuǎn)方向并無(wú)車輛需行駛的情況下，綠燈熄滅。準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)了S0到S3之間4個(gè)主要狀態(tài)的依次循環(huán)轉(zhuǎn)換。這次循環(huán)轉(zhuǎn)換仍沒(méi)有混亂現(xiàn)象。

再次進(jìn)行設(shè)定為上班高峰時(shí)段的仿真驗(yàn)證。設(shè)定每個(gè)道路口都有車，而且機(jī)動(dòng)車排隊(duì)有30m的長(zhǎng)度。在圖中140s處，系統(tǒng)控制成功實(shí)現(xiàn)了從S0到S34個(gè)基本狀態(tài)的顯示轉(zhuǎn)換。此時(shí)狀態(tài)變?yōu)樵O(shè)定好的上班高峰時(shí)段，狀態(tài)S4，系統(tǒng)又控制狀態(tài)有效的在S0到S4之間依次轉(zhuǎn)換。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)順序，再次對(duì)深夜車輛較少的情況下進(jìn)行仿真驗(yàn)證。設(shè)計(jì)只有4個(gè)時(shí)間段有車輛行駛，且為輕微堵車的狀態(tài)。路口有約40m長(zhǎng)的機(jī)動(dòng)車在排隊(duì)。仿真驗(yàn)證顯示，綠燈亮的時(shí)間為40s。此時(shí)，系統(tǒng)初始態(tài)S0仍舊為30s綠燈。可見，現(xiàn)實(shí)狀態(tài)下，已經(jīng)在在S0和S22個(gè)之間做出轉(zhuǎn)換。成功實(shí)現(xiàn)了根據(jù)排隊(duì)車輛長(zhǎng)度進(jìn)行智能操控的應(yīng)用。

結(jié)束語(yǔ)：

綜上所述，本文設(shè)計(jì)的交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)，采用有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)三種信號(hào)燈狀態(tài)轉(zhuǎn)化方案和兩種信號(hào)燈時(shí)間分配調(diào)節(jié)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了針對(duì)交通復(fù)雜路口的高效智能控制。實(shí)際運(yùn)用中，交通信號(hào)燈的智能化控制，為道路的暢通運(yùn)行提供了有效保障。