基于EDA技術(shù)的智能交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)

賈 健

（石家莊優(yōu)創(chuàng)科技股份有限公司 河北 石家莊 050000）

1 引言

隨著城市的日新月異，私人汽車數(shù)量的不斷增加，交通燈的運(yùn)行模式和管制變得越來(lái)越重要，智能數(shù)字化信息為基礎(chǔ)建立起的數(shù)字化城市不斷的發(fā)展。隨著數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)正向著速度快、容量大、體積小、重量輕的軌道上發(fā)展。現(xiàn)代化城市交通作為城市發(fā)展的一個(gè)重要問(wèn)題引起人們的注意，智能交通燈控制系統(tǒng)也是應(yīng)用電子技術(shù)中較為經(jīng)典的設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的電子設(shè)計(jì)方法電路應(yīng)用元器件多、接線較復(fù)雜、故障率很高、系統(tǒng)維護(hù)不方便。EDA（Electronic Design Automation）技術(shù)近年來(lái)不斷發(fā)展，大大的縮短了研發(fā)周期，節(jié)約了成本。

本文采用EDA技術(shù)，基于VHDL語(yǔ)言，利用可編程邏輯器件（FPGA）器件通過(guò)QuartusⅡ軟件的功能仿真和調(diào)試，完成整個(gè)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。表現(xiàn)出了EDA技術(shù)的優(yōu)越性。不僅使系統(tǒng)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品集成化、小型化，而且最重要的是提高了系統(tǒng)的故障率，由于系統(tǒng)具有可編程的優(yōu)點(diǎn)，從而大大降低設(shè)計(jì)成本費(fèi)用、縮短了開(kāi)發(fā)周期、方便進(jìn)行產(chǎn)品的維修以及系統(tǒng)的升級(jí)。

系統(tǒng)總體功能描述：交通燈控制系統(tǒng)是每個(gè)城市必須的基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)人、車、路三者進(jìn)行調(diào)控。根據(jù)交通規(guī)則的規(guī)定，來(lái)設(shè)計(jì)完成東西方向和南北方向的顯示時(shí)間功能和交通指示燈控制。在一個(gè)有一條主干道和一條支干道的實(shí)際十字路口，每條干道的每個(gè)入口設(shè)置了一組兩位數(shù)碼管顯示裝置和一組綠、紅、黃信號(hào)指示燈，分別用來(lái)顯示直行、左右轉(zhuǎn)彎、禁止通行的通行信息，確保車輛安全通行。

2 設(shè)計(jì)要求

（1）具有進(jìn)行系統(tǒng)初始化的功能，起初每個(gè)路口都顯示紅燈10秒（可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)試），然后所有路口均閃亮黃燈5秒（可調(diào)），所有數(shù)碼管熄滅指示燈，從而系統(tǒng)完成初始化并進(jìn)入周期性的循環(huán)控制狀態(tài)。

（2）具有規(guī)律且穩(wěn)定的周期性循環(huán)指示狀態(tài)，循環(huán)周期為140秒。東西左轉(zhuǎn)彎、南北方向禁行時(shí)為狀態(tài)w0，狀態(tài)時(shí)間為25s；東西左轉(zhuǎn)彎、南北方向禁行時(shí)為狀態(tài)w1，狀態(tài)時(shí)間為5s；東西方向直行、南北方向禁行時(shí)為狀態(tài)w2，狀態(tài)時(shí)間為35s；東西方向直行、南北方向禁行時(shí)為狀態(tài)w3，狀態(tài)時(shí)間為5s；南北左轉(zhuǎn)彎、東西方向禁行時(shí)為狀態(tài)w4，狀態(tài)時(shí)間為20s；南北左轉(zhuǎn)彎、東西方向禁行時(shí)為狀態(tài)w5，狀態(tài)時(shí)間為5s；南北方向直行、東西方向禁行時(shí)為狀態(tài)w6，狀態(tài)時(shí)間為35s；南北方向直行、東西方向禁行時(shí)為狀態(tài)w7，狀態(tài)時(shí)間為5s。

（3）交通燈控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)秒表倒計(jì)時(shí)功能。

（4）遇見(jiàn)緊急狀態(tài)時(shí)，具有實(shí)現(xiàn)特殊狀態(tài)的緊急功能顯示控制，即所有路口指示燈都顯示紅燈，直到人為的解除該狀態(tài)，使之進(jìn)入正常周期性循序工作。

（5）交通燈控制系統(tǒng)要有相應(yīng)的抗干擾措施，來(lái)應(yīng)對(duì)不同環(huán)境的影響，提高其可靠性。

3 硬件系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)各模塊的功能

各模塊功能如下：

（1）CLK時(shí)鐘模塊。CLK信號(hào)發(fā)生模塊采用分頻計(jì)數(shù)器來(lái)發(fā)出準(zhǔn)確的秒脈沖信號(hào)，為控制模塊提供準(zhǔn)確的時(shí)鐘脈沖信號(hào)。

（2）交通燈控制模塊。交通燈控制模塊用于控制干路、支路的交通燈狀態(tài)和倒計(jì)時(shí)顯示內(nèi)容，來(lái)顯示交通燈控制狀態(tài)表中的數(shù)據(jù)，完成交通的布控。

（3）數(shù)據(jù)顯示可控模塊。數(shù)據(jù)顯示可控模塊用于選擇和控制時(shí)間的動(dòng)態(tài)顯示。

（4）譯碼管驅(qū)動(dòng)模塊。譯碼管驅(qū)動(dòng)模塊用于驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管進(jìn)行倒計(jì)時(shí)輸出顯示。

（5）狀態(tài)顯示模塊。對(duì)交通燈的狀態(tài)顯示。

（6）倒計(jì)時(shí)顯示模塊。顯示保持交通燈目前的狀態(tài)剩余時(shí)間。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)十字路口位置情況，該路口的東、西方向的交通燈的亮滅和數(shù)碼管顯示的運(yùn)行規(guī)律相同，南、北方向的交通燈亮滅和數(shù)碼管顯示的運(yùn)的運(yùn)行規(guī)律相同，因此，可以省去一半的輸出控制線。

本文采用目前成熟先進(jìn)的EDA技術(shù)，基于VHDL硬件描述語(yǔ)言，采用FPGA芯片作為硬件電路，完全勝任本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的需要。芯片中內(nèi)部主要由初始化電路、分頻、求模取余、譯碼函數(shù)、計(jì)數(shù)狀態(tài)譯碼、位選掃描等7個(gè)模塊組成，其中，Reset為復(fù)位控制端，CLK時(shí)鐘信號(hào)為12MHz，輸出端口NS[8..0]為南北方向的兩組紅、黃、綠六個(gè)指示燈，WE[8..0]為東西方向的兩組組紅、綠、黃六個(gè)指示燈，NS-Led[6..0]為南北方向路口的數(shù)碼管段碼端，WE-Led[6..0]為控制東西路口的數(shù)碼管段碼端口，Sel[1..0]為譯碼管的公共位選端。

5 程序設(shè)計(jì)

應(yīng)用的FPGA芯片中的信號(hào)處理功能，只需借助分頻模塊主要功能是將12MHz的CLK時(shí)鐘信號(hào)分頻成為500Hz和1Hz不同的兩種信號(hào)。其中一個(gè)0.5KHz的時(shí)鐘信號(hào)用作系統(tǒng)的位選時(shí)鐘，并生成系統(tǒng)掃描位選信號(hào)；另一個(gè)1Hz 的CLK時(shí)鐘信號(hào)用于控制系統(tǒng)的計(jì)數(shù)處理。系統(tǒng)的初始化電路功能主要是實(shí)現(xiàn)交通燈控制系統(tǒng)進(jìn)入循環(huán)運(yùn)行的工作狀態(tài)，該電路主要實(shí)現(xiàn)15秒的初始化計(jì)數(shù)過(guò)程。

本設(shè)計(jì)利用QuartusII集成的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)的初始化電路及整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行了功能仿真。復(fù)位端Reset能控制初始化電路模塊，其時(shí)間長(zhǎng)度為15秒。初始化任務(wù)完成以后，高電平有效的使能信號(hào)EN便輸出各循環(huán)系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)完成系統(tǒng)的初始化之后，主控循環(huán)計(jì)數(shù)電路模塊便對(duì)1HZ時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行模為140 的循環(huán)計(jì)數(shù)，輸出共140個(gè)十進(jìn)制數(shù)為0，1，2 到139。各個(gè)計(jì)數(shù)狀態(tài)經(jīng)主控模塊進(jìn)行譯碼之后，一部分轉(zhuǎn)換為東西方向、南北方向的紅、綠、黃共12個(gè)指示信號(hào)，另一部分轉(zhuǎn)換為東西、南北方向的倒計(jì)時(shí)兩位十進(jìn)制數(shù)碼顯示。

6 實(shí)物測(cè)試

通過(guò)擴(kuò)展導(dǎo)線將EDA實(shí)驗(yàn)箱與外部電路板進(jìn)行連接，將程序下載到芯片EP1K10TC100 -3進(jìn)行實(shí)物模擬調(diào)試。經(jīng)過(guò)仿真后，本系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)十字路口交通指示信號(hào)的智能運(yùn)行控制。

7 結(jié)語(yǔ)

本文用LED交通燈指示模擬電路板以及數(shù)碼管顯示模擬電路板和EDA技術(shù)、基于VHDL語(yǔ)言及FPGA芯片。系統(tǒng)功能完備，成本低，運(yùn)行可靠。并在編程過(guò)程中充分考慮并利用了時(shí)鐘電路的計(jì)數(shù)狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的信息，實(shí)現(xiàn)了十字路口的交通燈的運(yùn)行控制。系統(tǒng)仿真分析證明，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)是成功的和符合實(shí)際的。不過(guò)在本次設(shè)計(jì)中也意識(shí)到存在著一些不足，比如在人機(jī)交互方面增加一些控制模塊，則可以實(shí)現(xiàn)管理者的手工調(diào)整交通燈的運(yùn)行狀態(tài)及系統(tǒng)的升級(jí)。

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