基于FPGA的智能交通信號燈控制系統設計

郝建峰　任國鳳　李洋　梁小瑞

【摘? ?要】? ?為解決交通堵塞問題，基于Quartus Ⅱ軟件，利用以EP4CE6E22C8N 為核心芯片的FPGA系統板，設計了一款交通信號燈控制系統，為智能交通信號燈的實現提供理論參考。

【關鍵詞】? ?智能交通;交通信號燈控制系統;VHDL語言;QuartusⅡ仿真

Design of Smart Traffic Signal Light Control System Based on FPGA

Hao Jianfeng Ren Guofeng2 Li Yang Liang Xiaorui

（1.Xinzhou Public Security Bureau， Xinzhou 034000， China; 2.Xinzhou Normal University， Xinzhou 034000， China; 3.Fire and Rescue Detachment of Xinzhou City，Xinzhou 034000， China）

【Abstract】? ? In order to solve the traffic jam problem， based on Quartus Ⅱ software， this paper uses EP4CE6E22C8N as the core chip FPGA system board and designs a traffic signal light control system， providing a theoretical reference for the realization of intelligent traffic signal light.

【Key words】? ? ?intelligent transportation system; traffic signal light control system; VHDL language; Quartus Ⅱ simulation

〔中圖分類號〕? TN99? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 〔文獻標識碼〕? A ? ? ? ? ? ? ?〔文章編號〕 1674 - 3229（2022）02- 0031 - 04

0? ? ?引言

在交通控制過程中最重要的三個因素就是行人、道路和車輛，如何讓它們之間的關系變得更加協調，是交通管理部門急需解決的問題。然而，十字路口的車流量具有一定的不確定性，當其中一條路的車流量較少或是空車道時，交通信號燈顯示的是綠燈，而另外一條路車流量很大卻顯示的是紅燈，就會產生多等少的尷尬現象[1]。因此，采用有效的方法來靈活控制交通信號燈是特別重要的。本文利用VHDL語言設計了可隨時調整東西方向或者南北方向綠燈時長的交通信號燈控制系統的算法，對智能交通信號燈控制系統的研究具有一定的意義。

國外很早便出現了智能化的城市交通控制系統，比如加拿大的交通燈控制系統、[日]本的TYOSAN系統、英國的SCOOT系統、澳大利亞的SCATS系統（世界上的很多的城市都在應用）、美國的UTCS-3GC系統[2]。

在國內，上世紀70年代末，單點交通信號控制器開始得到廣泛的應用[3]。2008年，杜仁兵指出城市道路人性化交通設計就是要以交通參與者為中心，使交通參與者在出行過程中更加便捷[4]。

1? ? ?智能交通信號燈控制系統設計的關鍵技術

1.1? ?FPGA開發板

本文用到的FPGA開發板采用 5伏直流電供電，可以輸出5伏、3.3伏電壓。開發板配置了EPCS4 配置管理芯片和JTAG下載服務端口[5]。設有4個矩形按鍵、4個LED（主要的作用是用于簡單的輸出）、8個矩形數碼管，FPGA 的引腳都由2.54mm的矩形排針引出。FPGA核心控制板集成電路設計的電路框圖如圖1所示。

本開發板的核心芯片是Altera公司的Cyclone Ⅳ 型EP4CE6E22C8N芯片。

1.2? ?QuartusⅡ軟件

QuartusⅡ是為綜合性FPGA/CPLD的開發而配套的一個專門軟件[6-7]，QuartusⅡ提供了與結構無關的設計環境，易學易用，支持文本輸入、原理圖輸入等輸入模式，且支持這些模式之間的混合性設計。同時還內嵌門級仿真器，可以根據需要對模型進行時序仿真和功能仿真，系統會自動生成EDIF和VHDL網表文件。由于QuartusⅡ軟件使用操作起來的便捷和對人類交互界面的友好，被認為業界最便捷的EDA集成開發環境。

1.3? ?ModelSim集成開發環境

ModelSim是一個獨立的編譯型仿真工具，可以實現功能仿真、數字仿真、時序仿真和模擬仿真，可以與QuartusⅡ無縫銜接，從而完成各種電路的仿真。本設計運用ModelSim來完成各功能模塊的仿真工作。

2? ? ?智能交通信號燈控制系統的軟件設計

本文研究的智能交通信號燈控制系統軟件結構如圖2所示[8-9]。

2.1? ?分頻模塊

該模塊主要實現對系統輸入時鐘，按照系統設計要求分頻時鐘和輸出系統復位信號。仿真波形如圖3所示。從圖中可以看出，時鐘頻率被分為原來的一半，高電平復位。0865259D-DB0E-4F59-A525-A8F0F9F2C9A2

2.2? ?按鍵去抖模塊

該模塊輸入時鐘信號、4個按鍵信號（其中本設計中用到了4個按鍵，需要對4個按鍵分別去抖）和復位信號，輸出為去抖后的4個按鍵信號。具體工作過程為：對按鍵進行去抖，當按鍵按下去以后是低電平，也就是“0000”，當計數器記到一定的時間以后，送給高脈沖，從而形成去抖的過程。由于本文需要用到4個按鍵，因此要例化4個按鍵去抖模塊。仿真結果如圖4所示。

2.3? ?時間控制模塊

本模塊輸入為時鐘、復位和按鍵信號，輸出為綠燈亮的時長。

當按下第1個按鍵時，對應的時間就會增加1s;按下第2個按鍵時，對應的時間就會減少1s。開始時將時間控制在30s，相加的按鍵最大可以控制在40s，相減的按鍵最少可以控制在20s。而前兩個按鍵控制的是東西方向的綠燈亮的時長，同理后兩個按鍵控制的是南北方向的綠燈亮的時長。由圖5所示的時間控制模塊仿真波形圖中可以看出，按鍵按了兩次以后，時間從30秒加到31秒再加到32秒。

2.4? ?交通燈中心控制模塊的設計及仿真

本模塊的輸入信號為時鐘信號、復位信號和綠燈時長信號，輸出為東西及南北方向的綠、黃、紅燈和4個數碼管信號。圖6是交通信號燈控制模塊的仿真波形圖，由此得到紅綠燈的狀態轉換表如表1所示。

2.5? ?數碼管顯示模塊的設計及仿真

本模塊的輸入信號為時鐘信號、復位信號和數碼管信號，輸出信號為對應的數碼管。具體工作過程為：當掃描對象地址為“0”時，對應的數碼管就會亮起來。圖7為數碼管顯示模塊的仿真波形圖，從圖中可以看出，當輸出為“7”時對應數碼管是“01111000”，即數碼管顯示的數字為“7”。

3? ? ?交通信號燈控制系統的下載及實現

3.1? ?FPGA的配置下載

交通信號燈控制系統需要在QuartusⅡ仿真軟件平臺上完成邏輯描述和仿真測試，達到了設計要求以后，利用USB Blaster下載器下載開發板，最后通過驗證。表2是引腳綁定表[10-13]。

下載成功以后，選擇相應的模式，將FPGA系統板與電腦相連，打開FPGA開發板的開關，[系]統就可以工作。FPGA上的芯片[為]EP4CE6E22C8N。進入交通信號燈的工作流程以后，首先東西方向的綠燈亮起來，即第一個數碼管亮;南北方向的紅燈亮起來，即第四個數碼管亮;之后東西方向的黃燈亮起來，即第一個和第二個數碼管亮，此時南北方向的紅燈依然是亮的，即第四個數碼管亮;實現的功能為：按下第一個按鍵時，控制的是東西方向綠燈亮的時長，每按一次按鍵綠燈亮的時長增加一秒，而第二個按鍵每按一次綠燈亮的時長減少一秒。檢驗發現，檢驗的結果與設計要求是一致的。

3.2? ?下載結果

表3為FPGA開發板上電后的六種工作狀態。

4? ? ?結語

本設計主要利用VHDL、QuartusⅡ仿真軟件，簡明、有效地實現智能交通信號燈控制系統的功能。采用該方法，在實現對交通燈靈活控制的基礎上還可以對控制系統高度集成，在一定程度上降低了生產成本。

[參考文獻]

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[2]? 毛錨滋.基于FPGA的實時交通信號控制系統的設計[D].長沙：湖南大學，2014.

[3] 尹禮博，宮強. 基于數字電路的自助式紅綠燈設計[J]. 廊坊師范學院學報（自然科學版）， 2015，15（4）：5.

[4]? 杜仁兵.城市道路人性化交通設計方法研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學，2008.

[5]? 楊國慶.基于FPGA和NiosⅡ的嵌入式SOPC系統設計與應用研究[D].天津：天津大學，2013.

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[7]? 余波， 熊力維. 基于FPGA的m序列發生器的設計[J]. 廊坊師范學院學報（自然科學版）， 2015， 15（3）：3.

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[11] 余麗紅，龍諾春，林春景，等.基于VHDL的交通燈控制器的程序設計[J].無線互聯科技，2020，17（17）：98-100.

[12] 林建華.基于VHDL語言的交通燈控制系統設計[J].儀器儀表用戶，2011， 18（3）：31-33.

[13] 黃覽小.基于QuartusⅡ的十字路口交通燈控制電路設計與仿真實現[J].電子世界， 2018（20）：181+183.0865259D-DB0E-4F59-A525-A8F0F9F2C9A2