基于FPGA技術(shù)的流量分析交通燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)

重慶大學(xué)光電工程學(xué)院 文 慧 程俊奎

一、引言

城市交通顯而易見是一個(gè)集經(jīng)濟(jì)性與社會(huì)公益性于一體的領(lǐng)域，近些年來隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的巨大發(fā)展，城市街道車輛大幅度增長(zhǎng)，城市交通面臨著巨大壓力。目前，城市所使用的交通燈控制器往往是采用定時(shí)控制方案，這種配時(shí)方案帶有與生俱來具有巨大的缺陷：在實(shí)際生活中，路口的車流量通常是不固定的，而且口兩個(gè)走向車輛比例是不斷變化著的，導(dǎo)致一個(gè)方向的車早已過完，而另一個(gè)方向的車卻排著長(zhǎng)隊(duì)在等紅燈，至使十分寶貴的十字路口空間被較長(zhǎng)時(shí)間閑置。不合理的交通燈控制系統(tǒng)，已經(jīng)成為阻礙城市道路交通發(fā)展的一個(gè)瓶頸。

二、自適應(yīng)紅交通燈檢測(cè)方案

方案要求能夠據(jù)車輛的實(shí)際數(shù)量，及時(shí)調(diào)整交通燈的紅綠燈周期；根據(jù)兩個(gè)走向車輛實(shí)際車流量的變化情況，實(shí)時(shí)地調(diào)整兩個(gè)走向的綠燈時(shí)間。能夠有效的提高十字路口紅綠燈的效率。具體實(shí)施方案可以這樣：在十字路口的四個(gè)街口各設(shè)置兩個(gè)車輛檢測(cè)裝置A，B，如圖1所示。A和B在每輛汽車通過檢測(cè)裝置時(shí)都要產(chǎn)生一個(gè)中斷，如果用運(yùn)算器對(duì)A中斷脈沖作加法計(jì)數(shù)，B中斷脈沖作減法計(jì)數(shù)，便可得到停在AB范圍內(nèi)車輛的數(shù)量。根據(jù)十字路口交通信號(hào)燈一般按“綠—黃—紅—綠”順序循環(huán)顯示的規(guī)律，紅綠燈的配時(shí)規(guī)則如是：當(dāng)某一個(gè)走向的紅燈結(jié)束瞬間時(shí)，采樣該走向兩個(gè)路口車輛的數(shù)值作為確定該走向即將開始的綠燈持續(xù)時(shí)間的依據(jù)，并作為另一方向紅燈持續(xù)時(shí)間的依據(jù)。AB兩探頭相距150米（可根據(jù)該地區(qū)實(shí)際交通情況調(diào)整），在此范圍內(nèi)大約能停30輛車，可根據(jù)實(shí)際的車流量，設(shè)計(jì)不同的綠燈方案。由于兩個(gè)走向的綠燈的持續(xù)時(shí)間都可以根據(jù)當(dāng)時(shí)即將通行走向的車輛數(shù)實(shí)時(shí)地進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算，如此也就實(shí)現(xiàn)了紅綠燈的持續(xù)時(shí)間隨被檢測(cè)車輛數(shù)的增減而進(jìn)行相應(yīng)的變化；兩個(gè)走向的綠燈時(shí)間隨車輛比的變化而變化，能夠在較大程度上滿足實(shí)時(shí)監(jiān)控智能配分的要求。

圖1 檢測(cè)器分布圖

圖2

測(cè)裝置的設(shè)計(jì)：

在實(shí)際城市設(shè)計(jì)中，大多十字路口車道是雙向設(shè)計(jì)，在計(jì)算某一車道車輛數(shù)目時(shí)需要排除另一車道逆向行駛的車輛以實(shí)現(xiàn)單向計(jì)數(shù)。在車輛檢測(cè)裝置的中，可以用三個(gè)光_電開關(guān)實(shí)現(xiàn)這一功能，如圖2，汽車由南向北行駛，首先經(jīng)過光電開關(guān)1，則產(chǎn)生一次中斷，打開計(jì)數(shù)開關(guān)，此后同時(shí)經(jīng)過光一電開關(guān)2和3時(shí)，產(chǎn)生兩個(gè)中斷，使計(jì)數(shù)器加1。光電開關(guān)2，3相距1.5米為宜，以避免非機(jī)動(dòng)車輛和違反交通規(guī)則的行人造成的誤計(jì)數(shù)。經(jīng)過光電開關(guān)4時(shí)，產(chǎn)生的中斷則跳出計(jì)數(shù)程序。這樣便可以避免逆向行駛的汽車造成的誤計(jì)數(shù)，如圖2所示。

三、FPGA系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.計(jì)數(shù)器部分

在計(jì)數(shù)準(zhǔn)備狀態(tài)下，當(dāng)光電開關(guān)中斷發(fā)生時(shí)輸入端口Key-n為高電平，計(jì)數(shù)端口打開，加減計(jì)數(shù)器countn功能相同，分別對(duì)通過路口車輛進(jìn)行計(jì)數(shù)，count n是一個(gè)帶有加減使能輸入的兩位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)最大可設(shè)計(jì)為99，當(dāng)輸入key-A為高時(shí)，在時(shí)鐘CLK上升沿作加法計(jì)數(shù)，當(dāng)輸入key-B為高時(shí)，在時(shí)鐘上升沿作減法計(jì)數(shù)，A脈沖加在key-A端，B脈沖加在key-B端，只要讓A、B脈沖寬度等于時(shí)鐘脈沖周期，即使兩者相位差隨機(jī)在變也能保證對(duì)每個(gè)脈沖準(zhǔn)確完成一次計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)完成后，強(qiáng)制跳出計(jì)數(shù)系統(tǒng)，累加之前計(jì)數(shù)值，保存最終計(jì)數(shù)值，進(jìn)入下一次計(jì)數(shù)，待綠燈結(jié)束時(shí)，結(jié)束計(jì)數(shù)準(zhǔn)備狀態(tài)。

2.運(yùn)算器部分

計(jì)數(shù)準(zhǔn)備狀態(tài)結(jié)束后，每個(gè)走向的兩個(gè)路口計(jì)數(shù)器信號(hào)輸出到一個(gè)數(shù)值到運(yùn)算器作比較運(yùn)算，取數(shù)值較大者，得到的值輸出到存儲(chǔ)器，并根據(jù)值的范圍選擇相應(yīng)的綠燈周期方案。該道路綠燈結(jié)束時(shí)，向控制器發(fā)出一個(gè)高電平，以示時(shí)間，重新進(jìn)入計(jì)數(shù)準(zhǔn)備狀態(tài)。

3.定時(shí)器部分

當(dāng)綠燈周期結(jié)束后，由控制器向定時(shí)器發(fā)出一個(gè)高電平觸發(fā)信號(hào)，在每秒發(fā)出的時(shí)鐘脈沖CLK的作用下進(jìn)行加1計(jì)數(shù)，5秒的定時(shí)時(shí)間后，定時(shí)器向控制器發(fā)出一個(gè)高電平狀態(tài)信號(hào)，以表示定時(shí)到。由控制器像計(jì)數(shù)器發(fā)出一個(gè)高電平清零信號(hào)，使計(jì)數(shù)器置0，并使計(jì)數(shù)器重新進(jìn)入計(jì)數(shù)準(zhǔn)備狀態(tài)。定時(shí)器是一個(gè)可以設(shè)定時(shí)初值的定時(shí)器，每當(dāng)紅燈切換成綠燈和黃燈切換成紅燈的時(shí)候，由控制器在時(shí)鐘脈沖CLK1的作用下開始作減1計(jì)數(shù)，設(shè)定的初始值減為0時(shí)，向控制器輸出一個(gè)高電平，以示定時(shí)值到。

4.控制部分

與前面部分相比較，控制器模塊邏輯功能主要是協(xié)調(diào)各個(gè)部分的相互運(yùn)作，使之較好的銜接起來。

四、調(diào)試

利用在EDA中廣泛使用的開發(fā)工具M(jìn)Ax+plush對(duì)本方案的編程部分進(jìn)行編譯、邏輯綜合、波形時(shí)序仿真。各部分功能均能滿足預(yù)定要求。這部分通用性很強(qiáng)，不做詳細(xì)介紹。

五、結(jié)束語

本文針對(duì)城市十字路口交通管理存在的問題，結(jié)合車流量統(tǒng)計(jì)分析的方法，提出一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的基于FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編輯邏輯陣列）技術(shù)的交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)硬件成本較低，實(shí)現(xiàn)單方向計(jì)數(shù)，排除人和非機(jī)動(dòng)車輛造成的影響，誤計(jì)率小。能夠較大提高交通道路的利用率。因?yàn)椴捎媚壳傲餍械腇PGA設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)靈活方便，周期短，利用QuartusII強(qiáng)大的仿真功能，可實(shí)現(xiàn)對(duì)各種不同情況進(jìn)行調(diào)整修改，而不必改動(dòng)硬件電路，方便易行。

[1]楊顯富.基于EDA的智能交通燈系統(tǒng)[J].成都大學(xué)學(xué)報(bào),2003,9.

[2]嚴(yán)明忠.硬件描述語言設(shè)計(jì)的交通燈控制系統(tǒng)[J].福州電腦,2007,9.