基于FPGA的自適應交通信號系統設計與實現

閔富紅， 褚周健， 王恩榮， 葉彪明

(南京師范大學 電氣與自動化工程學院， 南京 210042)

基于FPGA的自適應交通信號系統設計與實現

閔富紅， 褚周健， 王恩榮， 葉彪明

(南京師范大學 電氣與自動化工程學院， 南京 210042)

針對當前道路車輛逐漸增多，固定配時方案的交通信號系統無法滿足復雜車流變化的情況。提出將感應控制方式融入到交通信號系統中，并與定時配置方案相結合，采用FPGA技術設計一種自適應的交通控制系統。通過Verilog語言編寫各模塊的控制程序，在QuartusⅡ軟件環境下進行綜合編譯與仿真驗證，設計出能夠采集路口車流信息并實時反饋、自動調整配時方案的交通信號控制系統。然后，結合開發板模塊電路，選擇合適的電子器件，設計車流檢測和交通信號模擬顯示電路，并通過管腳約束的方式，完成外接模擬顯示電路與開發板的硬件連接，下載程序并調試運行。最終，在實驗室完成自適應交通信號系統的硬件電路調試。

交通系統； 現場可編程門陣列； 自適應控制； 仿真實驗； 硬件電路

0 引 言

目前，我國汽車保有量在世界上所占比重逐漸加大，道路上車輛大幅度增加，尤其是一二線城市，交通問題已經嚴重影響了人們的日常出行，交通信號作為交叉路口車輛通行的規則，能夠保證車輛安全、高效的通過路口，合理配置控制信號的周期和相位，減少車輛在路口不必要的等待和延誤，是緩解交通擁堵的有效手段。然而，目前絕大多數路口使用的依然是固定模式下的定時配時方案，無法滿足當前車輛猛增、路口不同時段的復雜車流量情況，極易造成交叉路口的擁堵，排隊過長，陷入惡性循環[1-4]。

本文將基于FPGA數字技術[5-9]，采用硬件描述語言Verilog進行編程，設計出能夠采集路口車流量信息并作為判斷依據，并實時調整路口交通信號相位及周期的配時方案的自適應控制的交通信號系統。

1 系統設計方案及結構

目前，路面上的交叉路口有丁字路口、三岔路口、十字路口、五叉路口等[10]，其中以十字路口居多。本次交通信號系統以一個十字路口為控制對象，設計車流檢測的傳感器電路，用于檢測一定時間內通過路口的車流數據，同時將數據進行實時保存，并反饋到主芯片中進行處理，從而確定下一周期路口的配時方案[11-12]。

十字路口的相位轉換以四相位的8個狀態來設計，即在單方向上遵循直行綠燈→黃燈→左轉綠燈→黃燈→紅燈，當其中一個方向上非紅燈常亮時，另一方向，紅燈常亮，同時對每個相位分別進行賦值并倒計時，相位信號與倒計時同步跳轉。根據這一基本交通信號設計原則，同時依據路口車流量在短時間內不會突變的規律，以某一路口周期內實際的統計數據和經驗累計，得到8組不同車流數據下各個相位的具體配時方案，如表1所示。

表1 相位配時方案表 s

表1中，將檢測到的車流數據分為8個區間，其中車流量n<10時相位采用最短周期的配時方案，n>41時系統采用最長周期配時方案，在10～41之間每組均對應一個唯一的配時策略。其中,第1相位表示主干道方向上直行綠燈的配時時長；第2相位為主干道左轉方向上的綠信配時時長；第3相位表示次干道直行方向綠燈時長；第4相位為次干道左轉方向綠信時長。4個相位轉換期間配以5 s黃燈過度時間，每個相位的具體配時加上總黃燈延誤時間即為一個周期的配時時長。

自適應交通信號系統的設計以主芯片型號為EP2C5T144C8N的颶風2代FPGA開發板為核心器件，結合其電源模塊電路、復位模塊電路、時鐘模塊電路以及下載配置電路等，設計車流檢測電路及外接模擬顯示電路，并焊接實物，與開發板上的通用I/O口通過管腳約束的方式完成硬件連接，組成完整的交通信號系統。其次，采用硬件描述語言Verilog通過模塊化的方式，對系統各個模塊加以編程。本次設計的模塊主要包括時鐘分頻模塊、車流檢測及統計模塊、信號轉換模塊、相位賦值模塊、倒計時模塊、譯碼顯示模塊以及自適應決策模塊[13]。系統控制模塊結構如圖1所示。由于所用到的時鐘信號為1 Hz，系統自帶的時鐘信號為50 MHz，因此首先對其進行分頻，作為各個相位配時及倒計時的時鐘信號。然后，通過車流檢測傳感器采集車流數據并進行統計，將數據實時反饋到開發板主芯片中，通過查表自適應決策相應的配時方案并相位賦值輸出，數碼管顯示倒計時，信號燈同步進行相位轉換，實現信號系統的實時自適應控制。

圖1 系統控制模塊結構圖

2 車流檢測電路的設計

依據上述系統控制模塊的結構，先要對車流檢測及采集模塊進行設計。目前路面上所采用的車流檢測裝置有壓電式、環形線圈式、微波式、視頻式以及紅外線式等[14-16]。本設計為在實驗室范圍內模擬運行，選擇紅外檢測器作為系統的車輛檢測裝置。工作原理是由調制脈沖發生器產生調制脈沖，并由紅外探頭向外輻射。當有車輛經過時，發射出的紅外線脈沖反射回來，被接收管接收，經紅外解調器解調，再通過選通、放大、整流和濾波后出發驅動器輸出檢測信號。

紅外車流檢測電路的設計是選用型號為ST188的紅外光電傳感器作為核心器件，它是由發射二極管和接收管組成，實物圖和內部電路圖如圖2所示。A、K是紅外發射二極管的正負極，C、E是接收管的正負極。使用時只要將A極接高電平、K極接低電平，紅外發射管就能發出紅外線，C極接高電平、E極接低電平便可正常接收反射回來的紅外線。單獨使用ST188時會出現較大的死區，因而，一般會在傳感器外圍加上電壓比較器作為輔助電路，來提高紅外檢測器的可靠性和靈敏度。圖3為本次設計的車流檢測電路原理圖。電路左側為ST188紅外傳感器，右側為型號為LM393的電壓比較器與傳感器相連構成輔助電路，電壓比較器同相端與紅外傳感器的輸出端直接相連，反相端接一個電位器，用于調整檢測器的靈敏度，電壓比較器輸出端接一個LED燈以方便觀察檢測器工作狀況。當沒有車輛經過反射紅外線時，CE之間截止，無電流流過，傳感器輸出端輸出電源電壓為高電平，電壓比較器輸出高電平，LED燈不亮，當有車輛經過反射紅外線時，CE之間導通，輸出端相當于接地，紅外傳感器輸出電壓為低電平，LED燈亮。同時將檢測器的輸出端與開發板相連，將得到的高、低電平作為采集和統計信號，傳送到開發板中進行處理，實現自適應控制。

(a)(b)

圖2 ST188實物圖(a)和內部電路圖(b)

圖3 紅外車流檢測器電路原理圖

3 系統軟件設計及仿真

自適應交通信號系統控制模塊的設計是通過Verilog語言進行編程，所涉及的模塊有時鐘分頻模塊、車流檢測及統計模塊、信號轉換模塊、相位賦值模塊、倒計時模塊、譯碼顯示模塊以及自適應決策模塊。時鐘分頻模塊是針對FPGA開發板自帶的50 MHz的時鐘信號進行分頻，得到交通信號所需的1 Hz信號，并在此時鐘信號下進行各個模塊計時控制；車流檢測及采集模塊是將車流檢測電路所采集到的路口車輛數據實時的加以統計并反饋到芯片中，作為配時方案選擇的依據；信號轉換模塊是對十字路口雙向直行綠燈、左轉綠燈、黃燈和紅燈四種信號燈根據相位轉換的次序進行控制；相位賦值模塊是按照配時方案表對各個相位的時長進行分配，與信號轉換實現同步控制；倒計時模塊是對各個相位上的賦值時長，在時鐘信號下，進行倒計時處理；譯碼顯示模塊是針對路口顯示倒計時間的數碼管進行譯碼顯示控制；自適應決策模塊是寫入在不同車流范圍下的8組不同配時方案，依據車流的統計數據進行選擇調用。系統控制模塊的軟件設計流程如圖4所示。

圖4 軟件設計流程圖

最后，按照軟件設計流程對各個模塊進行編程，并將編寫完畢的程序在QuartusⅡ軟件平臺下進行綜合編譯，編譯無誤后選擇輸入輸出信號創建波形文件，然后配置合適的參數并進行仿真，以驗證設計功能的正確性。為了驗證自適應交通信號系統的設計功能，輸入脈沖信號，模擬通過的車流數據，選取其中3組車流數據范圍，進行仿真驗證，仿真波形如圖5所示。

(a) n≤10

(b) n∈[21，25]

(c) n≥41

程序設計中，信號燈共陽極，高位公共連接，低位點亮。當車流小于10時，仿真波形圖5(a)所示。系統工作在最小周期下，此時主干道南北方向第1相位賦值為7，轉換成二進制0111，第4相位直行綠燈信號點亮，同時賦值15 s倒計時，然后跳轉成11，即1011，第3相位的黃燈點亮5 s，接著信號相位賦值為13，即1101，第2相位信號燈點亮15 s，最后是11的黃燈倒計時5 s，完成南北方向4個相位狀態的切換，賦值14，即1110，紅燈點亮，相位賦值為南北向4個狀態時長總和40 s。南北方向進入紅燈信號，時長為40 s，在此期間，次干道東西方向上由直行綠燈、黃燈、左轉、黃燈4個相位狀態依次跳轉，分別賦值為15、5、15以及5 s，各相位賦值與配時方案表最小周期的相位賦值一一對應。當檢測車流數據在21～25之間時，仿真波形圖5(b)所示，主干道南北方向上第一相位賦值為7，直行的綠燈信號點亮，同時其相位時長延長至30 s，東西方向賦值14，紅燈信號打開，信號配時延長至60 s。當給入車流數據大于41時，仿真波形如圖5(c)所示，主干道南北方向上第一相位綠信時長為50 s，次干道東西方向紅燈信號時長90 s，配時方案得到進一步的延長，同時，各方向上信號按照直行綠燈、黃燈、左轉、黃燈4個相位狀態順序依次跳轉，且各相位配時方案與配時方案表的查詢結果相一致。

通過3組不同車流數據下的仿真，驗證了系統能夠根據采集到的不同車流數據，自動調整相位以及周期配時方案，且配時方案與配時數據表一一對應。選取3組數據分別為兩個臨界值和一個中間值，對應了最小周期、最長周期以及一個中間范圍的周期，更具代表性，從而驗證了本次實時自適應交通系統控制器功能設計的正確性。

4 硬件電路及實驗驗證

自適應交通信號系統的硬件電路包含FPGA開發板的集成模塊電路，以及外接顯示和車流檢測電路。設計中所使用到的開發板集成模塊電路有電源電路、配置下載接口電路、復位電路、時鐘晶振電路等，集成模塊電路通過軟件設計，配置參數進行選擇調用。外接的顯示電路包括相位顯示的信號燈和譯碼顯示的數碼管電路，信號燈選用黃、綠、紅三色的LED燈代替，每個路口分別設置直行綠燈、黃燈、左轉綠燈和紅燈各四盞，4個路口共16盞，同向的LED燈接相同的控制信號，統一工作。同時，在各個路口設置相應的數碼管顯示倒計時時間，模擬交叉路口的交通系統運行。車流檢測電路在之前已做過詳細介紹。外接的硬件電路原理圖如圖6所示。

外接硬件電路中，信號燈作為相位顯示硬件模塊，采用共接高電平的方式連接，經電阻懸掛端與開發板經過管腳約束直接相連，雙路口總共需要8個引腳接口，低電平時對應的信號燈點亮。二位共陽極數碼管經過三極管放大驅動，三極管基集經電阻懸掛端經過引腳分配與開發板公共I/O口相連，進行位選，占用8個引腳接口，同時將數碼管段碼信號進行約束分配，雙向兩組，每組8個信號，共占用16個引腳接口，最后經過段選和片選，實現動態掃描工作。紅外光電傳感器放置于主干道路口，當有車輛經過時，在一個相位周期內對所有經過的車輛統計計數，并將檢測到車流數據經與FPGA開發板相連的比較器輸出端發送到芯片中進行處理，實現控制功能。

圖6 外接電路原理圖

最后，將外接硬件電路按原理圖進行實物焊接，同時在QuartusⅡ軟件中選擇開發板器件型號，對其管腳進行約束，選用其中44個I/O口分別作輸入輸出的引腳分配，按照分配的規則完成開發板與外接電路的硬件連接。上電調試打開控制開關，系統直接運行在最短周期下，南北方向直行綠燈15 s倒計時，東西方向紅燈顯示40 s開始倒計時。然后模擬車輛經過路口，觸發傳感器并使其計數，其具體運行結果如圖7所示。

(a) n≤10

(b)n∈[21,25](c)n≥41

圖7 硬件運行結果圖

硬件調試時，選取3組不同的車流數據進行測試。當在一個相位周期內模擬車流量在10以下時，系統繼續工作在最小周期下，此時南北方向第一相位直行綠燈顯示15 s，然后5 s黃燈，接著是15 s左轉信號燈亮，最后5 s黃燈倒計時，完成南北方向4個狀態轉換。其間東西方向紅燈亮40 s，與南北4個狀態時間總和一致。然后南北方向進入40 s紅燈倒計時，東西方向由直行綠燈、黃燈、左轉、黃燈4個相位狀態依次跳轉，分別賦值為15、5、15以及5 s；當模擬車流量在21～25區間內，南北方向初始相位配時為30 s，東西方向紅燈亮60 s，信號周期時長配置115 s，各方向上相位配時以及周期得到延長，系統運行在中間某一周期；當模擬車流量超過41輛時，系統工作在最長周期下，南北方向初始直行綠燈相位配時50 s，東西方向紅燈亮90 s，然后兩個方向分別按照相位次序進行狀態轉換，相位賦值數據以及周期配時得到進一步延長。由此可見，當系統檢測到相應車流數據，保存并反饋到下一周期，能夠實時自動調整其相位和周期的配時方案，且其配時數據與配時方案表一一對應。

通過硬件模擬運行試驗，可以證明所設計的車流檢測裝置能正常檢測通過的車輛并計數，同時能夠將數據反饋到FPGA主芯片中，判斷并準確地輸出唯一對應的配時方案。交通信號相位顯示的信號燈與倒計時能夠在周期內完整的協調運行，驗證了本次自適應交通信號系統的設計功能。

5 結 語

本文基于FPGA技術，選擇颶風二代的FPGA開發板器件，結合其部分集成模塊，設計車流檢測以及硬件顯示電路。通過硬件描述語言Verilog編寫各個模塊的控制程序，在QuartusⅡ軟件開發環境中對其加以綜合編譯，并進行仿真驗證。然后，通過管腳約束的方式，分配各個輸入輸出引腳，完成外接焊接實物電路與開發板之間的硬件連接，下載程序并進行調試運行。最終設計出能夠實時采集路口車流數據，并根據車流量自適應調整相位及周期配時時長的交通信號控制系統。綜合對比傳統的交通信號控制系統，這里的設計有很大改進之處，在一定程度上可有效疏導路口交通秩序、緩解交通壓力，對改進國內交通信號系統有一定參考價值和實際意義。此外，本文內容是大學生的創新實踐訓練課題，對培養應用型人才有具有很好的促進作用，有利于學生軟硬件的正確掌握，通過訓練增強了其動手實踐能力和創新能力。

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·名人名言·

提出一個問題往往比解決一個問題更重要，因為解決問題也許僅是一個數學上或實驗上的技能而已。而提出新的問題、新的可能性，從新的角度去看舊的問題，都需要有創造性的想像力，而且標志著科學的真正進步。

——愛因斯坦

Implement and Design of Adaptive Traffic Signal System through FPGA Technology

MINFuhong，CHUZhoujian,WANGEEnrong,YEBiaoming

(School of Electrical and Automation Engineering, Nanjing Normal University, Nanjing 210042, China)

The number of vehicles in the road increases gradually, traffic signal control system with fixed timing scheme is unable to meet the complex changes in traffic. In this paper, the induction control is integrated into the traffic signal system, combined with fixed cycle timing scheme. The program of traffic control system is designed based on the technology of FPGA, and then the written program with Verilog is compiled and simulated in Quartus Ⅱ. The adaptive traffic signal control system is designed to adjust automatically the traffic signal timing plan through the traffic flow information collected by the traffic detector. Then combing with different model circuits, the traffic detection circuit and traffic signal display circuit are carried out and welded. The connection of FPGA and hardware circuits is finished through the constraints of pins and is debugged. Finally, the hardware debugging of the adaptive traffic signal system is completed in the laboratory. It is practical significance for improving the traditional traffic control system which is easy to cause traffic congestion.

traffic system; field programmable gate array(FPGA); adaptive control; simulation experiments; hardware circuit

2016-06-15

江蘇省研究生教育教學改革研究與實踐課題(JGLX16_016)；南京師范大學研究生精品學位課程(201517)

閔富紅(1970-)，女，江蘇海安人，博士，副教授，研究方向：信號與電路系統。

Tel.: 025-85481045；E-mail：minfuhong@njnu.edu.cn

TP 391.9

A

1006-7167(2017)03-0137-05