基于VHDL的交通綠波帶控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

【摘要】：交通信號燈以其工程上易實(shí)現(xiàn)以及易理解的邏輯規(guī)則的特性被廣泛認(rèn)可。交通綠波帶的主要原理是通過模擬一個(gè)恒流速的交通流獲得一路段的通行時(shí)間，以此協(xié)調(diào)各個(gè)路口的交通燈變化，從而實(shí)現(xiàn)綠波交通。本文探析一種交通綠波帶系統(tǒng)，本質(zhì)上是基于VHDL的多個(gè)路口的交通控制系統(tǒng)，采用硬件描述語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)和Quartus Ⅱ軟件仿真測試。仿真結(jié)果表明，三個(gè)路口的交通燈能夠?qū)崿F(xiàn)雙向的交通綠波帶。如果付諸實(shí)踐，在各個(gè)路段都采用這種基于FPGA的交通綠波系統(tǒng)，預(yù)計(jì)會大大提升車輛流速以及在此路段的行車體驗(yàn)。

【關(guān)鍵詞】：交通綠波系統(tǒng) 仿真 VHDL語言

解決城市主干道擁堵問題，行之有效的方法是搭建交通綠波帶，讓車輛盡快通過，從而提高單位時(shí)間內(nèi)車輛通行效率。對此，需要先設(shè)計(jì)出各個(gè)路口合適的交通燈模式，測算和獲取設(shè)計(jì)所需的交通參數(shù)和信號燈參數(shù)，測算出最人性化的行人綠燈時(shí)間，選擇合適的交通燈變換周期。本文選擇某城市WY大道上的三個(gè)路口，利用VHDL硬件描述語言進(jìn)行綠波帶交通燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具有很強(qiáng)的移植性，稍作改編，可用于更大更復(fù)雜的交通綠波帶設(shè)計(jì)。

1 參數(shù)的獲取與處理

在設(shè)計(jì)一條在主干線上的交通綠波帶時(shí)，主要原則利用優(yōu)化算法對各種參數(shù)進(jìn)行處理，從而確定出一條延誤時(shí)間最短的干線綠波帶。有很多參數(shù)需要實(shí)地考察或者建模計(jì)算來確定。

1、路段長度及車速：

路段選擇以WY大道牌樓口為起點(diǎn)A，其與WY大道桃子湖路口B相距476米，而B與WY大道新民路口C相距924米。從起點(diǎn)A到終點(diǎn)C總長達(dá)1.4公里。

經(jīng)實(shí)地考察，南北走向車輛速度一般為60Km/h，而東西走向直行都是行人和非機(jī)動(dòng)車，東西左轉(zhuǎn)的車流量較小。

2、周期時(shí)長

為了干線上的各交叉口的信號燈能協(xié)調(diào)統(tǒng)一，各個(gè)信號燈的周期必須相同。一般情況下，信號燈周期不能小于一分鐘，否則會出現(xiàn)車輛和行人無法及時(shí)通過路口以致交叉路口堵塞。周期也不能太長，因?yàn)锳路口到B路口的距離只有四百多米，在車流速度平均為50-60Km/h的情況下，只需半分鐘車輛就可以穿過，若周期時(shí)長大于三分鐘，就會造成較長放入延誤時(shí)間，甚至?xí)?dǎo)致延誤放入車輛由第一個(gè)路口延伸到下一路口。本文將A、B、C三個(gè)路口的信號燈周期都定為180秒。

3、綠信比

綠信比定義為：在一個(gè)周期下，一個(gè)路口的綠燈時(shí)長與總周期時(shí)長的比率。綠信比是調(diào)節(jié)其所在路口的通行能力的重要參數(shù)。在交叉路口中，一個(gè)方向的綠信比增加必須是以減少另一方向的綠信比為代價(jià)，所以在確定綠信比時(shí)一定要如實(shí)反映路口的車流量，以達(dá)到各個(gè)方向的通行能力一致。

4、相位及相位差

一個(gè)路口的交通燈相位設(shè)置要兼顧各個(gè)方向車輛通行的需求，不合理的相位設(shè)置會導(dǎo)致交通混亂及交通堵塞。

本文所實(shí)現(xiàn)的交通綠波帶主要靠調(diào)節(jié)相位差，使相位差的時(shí)間剛好是車流通過這些交叉口的時(shí)間差。這樣，當(dāng)車輛從路口出發(fā)到達(dá)下一路口時(shí)，剛好是綠燈。由于三個(gè)路口的信號燈周期一致，只要實(shí)現(xiàn)第一次信號燈相位差優(yōu)化成綠波帶，接下來每個(gè)周期的相位差就固定下來了，從而實(shí)現(xiàn)一條持續(xù)的綠波帶。

在測得各路口的車流速度和路段距離的情況下，可依據(jù)公式pn=sn/v求得相位差。

其中pn為相位差，單位是秒，sn為路段的長度，單位是米，v是平均車流速度，單位是m/s。實(shí)際中不同方向的平均車速是一個(gè)不定值，它會隨著上下班高峰期、節(jié)假日出城高峰或返程高峰、上下學(xué)時(shí)間變動(dòng)。為了工程上的簡便，讓相位差是整數(shù)，取v=57Km/h，s1=476m，s2=924m代入上式，得p1=30s，p2=60s。

2 綠波系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真

2.1 系統(tǒng)框架和程序設(shè)計(jì)

本文采用雙向綠波帶模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以全時(shí)段地實(shí)現(xiàn)干線的上行和下行無滯留調(diào)制。對于兩個(gè)端口，要求當(dāng)其開放主干線的通行權(quán)時(shí)，既要作為入口去放行一波將駛?cè)刖G波帶的車流，同時(shí)要作為出口去精準(zhǔn)無滯留地放行一波已駛過綠波帶的車流。對于路段中間的交叉口，由于上下游的路口距離不同，很難做到每次放行都是剛好囊括兩個(gè)方向的綠波帶，所以其主干線的通行時(shí)間較長，同時(shí)綠信比增大、效率下降。這是無法避免卻可以通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)來優(yōu)化的問題。

2.1.1 綠波系統(tǒng)框架的設(shè)計(jì)

在一個(gè)周期中A、C路口相位1的通行權(quán)時(shí)間為80s，其他相位的總通行時(shí)間為100s，而B路口的相位1通行時(shí)間為140s，其他相位的總通行時(shí)間為40s。對于A、C路口，其綠信比是能夠忠實(shí)反映個(gè)方向的車流量的，在對其進(jìn)行信號燈設(shè)計(jì)時(shí)，按照正常的相位依次轉(zhuǎn)換模式設(shè)計(jì)即可。而對于B路口，顯然其主干線的綠信比過大，留給其他的相位的通行權(quán)時(shí)間總共只有40s，再采用上述模式是行不通的，需要適當(dāng)權(quán)衡和改變。

假設(shè)0s時(shí)刻C點(diǎn)交叉口調(diào)制出80s主干道的通行權(quán)，那么大概在60s的時(shí)刻，放行的這一波車流開始通過B點(diǎn)交叉口，大概在90s時(shí)刻開始通過A點(diǎn)交叉口。在A點(diǎn)交叉口開放80s通行權(quán)時(shí)，也有自A至C的車流駛?cè)耄@時(shí)候反向推算上述綠波即可。A、B、C交叉口的信號周期皆為180s，其中C路口的綠波帶從0s開始，B路口的綠波帶從60s開始，A路口的綠波帶從90s開始。值得注意的是：由于雙向綠波帶的特性，B路口的相位1的綠信比要大于A、C兩路口的，故對其要單獨(dú)設(shè)計(jì)。

對于C路口，主干線綠波帶從0s開始，持續(xù)80s，所以在0-80s，主干線直行綠燈亮，其他方向紅燈亮，爾后跳轉(zhuǎn)到其他相位通行；如果選擇相位2通行，會造成支干線的紅燈大于100s，由于交通燈的計(jì)時(shí)顯示設(shè)計(jì)大多兩位數(shù)，產(chǎn)生計(jì)時(shí)溢出；如果選擇相位3通行，就可以完美避免這種問題。所以在80-110s，相位3獲得通行權(quán)，支干線直行綠燈亮，其他方向紅燈亮。在110-150s，相位2獲得通行權(quán)，主干線左轉(zhuǎn)綠燈亮，其他方向紅燈亮。在150-180s，相位4獲得通行權(quán)，支干線左轉(zhuǎn)綠燈亮，其他方向紅燈亮。至此，一個(gè)周期完畢，進(jìn)入下一個(gè)周期循環(huán)。

對于A路口，其相位1的綠信比與C路口一樣，但是其綠波帶開始時(shí)間要滯后于C路口90s。為了工程簡便，A、C路口交通燈設(shè)計(jì)一樣。

B路口的情況要復(fù)雜一些，140s的相位1需轉(zhuǎn)換成70s的相位1通行權(quán)加上70s的相位1和相位2的通行權(quán)。在前70s，自C至A方向的綠波帶所帶來的車流差不多都通行完畢，而后70s的車流量主要是自A至C方向的車輛，再結(jié)合WY大道特殊的T字型路口，這時(shí)候主干線的直行和左轉(zhuǎn)（也就是相位1和相位2）一起進(jìn)行，不會給B路口帶來大的交通混亂。所以B路口可以實(shí)行以下信號燈模式：從C路口周期時(shí)間的60s起，前70s相位1獲得通行權(quán)，主干線直行綠燈亮，其他方向紅燈亮。接下來70s里，相位1和相位2獲得通行權(quán)，主干線直行和主干線左轉(zhuǎn)綠燈亮，其他方向紅燈亮。然后是20s的相位3獲得通行權(quán)，支干線直行綠燈亮，其他方向紅燈亮。最后是20s的相位4獲得通行權(quán)，支干線左轉(zhuǎn)綠燈亮，其他方向紅燈亮。至此一個(gè)180s為周期的信號燈設(shè)計(jì)完畢。

2.1.2 單個(gè)交通燈的程序設(shè)計(jì)

本文只采用紅綠兩種燈色和兩位LED倒計(jì)時(shí)顯示器來設(shè)計(jì)。根據(jù)系統(tǒng)框架所設(shè)計(jì)的四種相位，狀態(tài)機(jī)也應(yīng)有四種狀態(tài)：zz、zl、cz、cl，分別代表相位1、相位2、相位3、相位4。采用TYPE類型（用戶自定義的數(shù)據(jù)類型）來定義這些狀態(tài)。

type states is （zz，zl，cz，cl）；

variable change0，change1，change2：states；

然后再具體的狀態(tài)下進(jìn)行減數(shù)計(jì)時(shí)和狀態(tài)判斷轉(zhuǎn)換。

elsif change0=zz then

if a='0' then zhu0<="10000000"；zhi0<="10000000"；

led0<="100001"；a：='1'；

else if zhu0="00000000" then a：='0'； change0：=cz；

elsif zhu0（3 downto 0）=0 then zhu0<=zhu0-7；zhi0<=zhi0-7；

else zhu0<=zhu0-1；zhi0<=zhi0-1；

end if； end if；

其中要注意存儲倒計(jì)時(shí)的變量是8位二進(jìn)制，要轉(zhuǎn)換成8為BCD碼，以便于顯示模塊的表達(dá)。轉(zhuǎn)換方法是遇到第四位全為0且減數(shù)計(jì)時(shí)上升沿發(fā)生時(shí)，整個(gè)向量減去7，其他情況均是減去1。

設(shè)計(jì)時(shí)鐘計(jì)時(shí)模塊時(shí)，假設(shè)外部時(shí)鐘源的頻率是10MHZ，要利用其生成一個(gè)頻率為1HZ的一位字，以供減數(shù)計(jì)時(shí)參考。這個(gè)模塊需要用進(jìn)程子程序來實(shí)現(xiàn)，優(yōu)勢是只要外部時(shí)鐘源有變動(dòng)，進(jìn)程就會順序執(zhí)行一次內(nèi)部命令。

process（f）

begin

if f'event and f='1' then

if cnt= 4999999 then

cnt<=0；

clk<=not clk；

else cnt<=cnt+1；

end if；

end if；

end process；

2.1.3 程序設(shè)計(jì)

VHDL語言IF語句是并行執(zhí)行的，而三個(gè)路口聯(lián)動(dòng)需要順序判斷。首先在系統(tǒng)剛開始就讓C路口進(jìn)入工作狀態(tài)，任一工作狀態(tài)皆可。如果計(jì)時(shí)所用存儲變量超過正常的數(shù)值，就強(qiáng)制其進(jìn)入周期的開始階段。

if zhu0>"10000001"then

a：='0'；change0：=zz；zhu0<="01111001"；zhi0<="01111001"；

接著是判斷C路口的狀態(tài)從而讓B路口適時(shí)進(jìn)入新的周期循環(huán)，綠波系統(tǒng)設(shè)計(jì)指明在C路口開始計(jì)數(shù)60s后B路口開始新的周期，這就需要if判斷語句：

If zhu0="00100000" and led0="100001"

then zhu1<="01110000"；zhi1<="01110000"；led1<="100001"；b：='1'；

b的作用有兩個(gè)，一個(gè)是起始標(biāo)記向量，當(dāng)周期開始條件滿足時(shí)，b為1，表示B路口交通燈程序已經(jīng)在運(yùn)行，b為0時(shí)，表示B路口交通燈程序還未開始。另一個(gè)是狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)換標(biāo)記向量，在程序運(yùn)行中，要不停的判斷是否進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，b=0時(shí)，表示正在轉(zhuǎn)換，b=1時(shí)，表示無需轉(zhuǎn)換。

最后是A路口的交通燈聯(lián)動(dòng)，A路口的程序設(shè)計(jì)與B路口類似，只是觸發(fā)周期條件不同，A路口是在C路口交通燈周期開始后的90s開始循環(huán)。

if zhu0="00100000" and led0="001010"

then zhu2<="10000000"；zhi2<="10000000"；led2<="100001"；

c：='1'；change2：=zz；

三個(gè)交通燈的周期時(shí)長都是180s，可以很完美的嵌合循環(huán)。

頭文件中需引用std_logic_unsigned程序包文件，便于不同的數(shù)據(jù)類型相互賦值和計(jì)算。分別用Process進(jìn)程語句構(gòu)建時(shí)鐘計(jì)時(shí)模塊和交通狀態(tài)機(jī)模塊。

2.2 運(yùn)用QuartusⅡ匯編與仿真

為了方便仿真，將f分配為一組每2ns改變一次電平的方波，選擇QuartusⅡ Simulator下的功能仿真。

仿真結(jié)果表明，在外部時(shí)鐘源跳變的開始，C路口就進(jìn)入了工作狀態(tài)的相位1并且開始倒數(shù)計(jì)時(shí)，對應(yīng)的存儲倒計(jì)時(shí)變量zhu0和zhi0一起從10000000開始減數(shù)變化，代表著從80s開始倒計(jì)時(shí)。

在C路口開始工作后的60s之內(nèi)，B路口的交通燈一直處于待機(jī)狀態(tài)，各種變量持續(xù)為0。從60s時(shí)起，B路口開啟工作狀態(tài)，進(jìn)入以180s為周期的交通燈循環(huán)。

在C路口的80s倒計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)，C路口的交通燈模式便發(fā)生了轉(zhuǎn)換。zhu0和zhi0計(jì)時(shí)寄存器重載數(shù)值為30s倒計(jì)時(shí)，而且led0的數(shù)值變?yōu)?01010，標(biāo)志著相位2獲得通行權(quán)。

從90s時(shí)起，zhu0和zhi0寄存器數(shù)值為00100000，A路口開始進(jìn)入工作狀態(tài)，工作模式和運(yùn)作流程與C路口一樣，只是在周期上延遲了90s。結(jié)果表明這些波紋圖形和數(shù)據(jù)表明仿真結(jié)果與預(yù)期一致。

結(jié)論

本文通過VHDL語言設(shè)計(jì)交通綠波帶，并通過QuartusⅡ的編譯仿真功能來解決WY大道存在的擁堵問題，通過交通燈所需的各種參數(shù)分析，比如岔路口形狀、相位差、綠信比、平均車速等，根據(jù)測算出的數(shù)據(jù)構(gòu)建出綠波帶系統(tǒng)的框架，然后根據(jù)硬件描述語言的特性去編寫程序，選擇芯片，編譯分析與仿真。仿真結(jié)果表明本設(shè)計(jì)能很好地達(dá)到預(yù)期效果。

【參考文獻(xiàn)】：

【1】 高銳， 高芳. 可編程邏輯器件設(shè)計(jì)項(xiàng)目教程[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社， 2012.

【2】 吳厚航. FPGA設(shè)計(jì)實(shí)戰(zhàn)演練 ： Practice-based learning of FPGA logic level design， 邏輯篇[M]. 清華大學(xué)出版社， 2015.

【3】 Zwoliński M. Digital System Design with VHDL[M]// Digital system design with VHDL =. Pub. House of Electronics Industry， 2002.

【4】 李俊. EDA技術(shù)與VHDL編程[M]. 電子工業(yè)出版社， 2012.

【5】 PeterJ.Ashenden. VHDL設(shè)計(jì)指南[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社， 2005.

作者簡介：薛開伍 1964.8 男 漢族 湖南常德 本科 高級實(shí)驗(yàn)師 研究方向：電子設(shè)計(jì)