基于QuartusⅡ的十字路口交通燈控制電路設(shè)計(jì)與仿真實(shí)現(xiàn)

西安交通大學(xué) 黃覽小

十字路口車輛通行能否保持較高的效率，將決定城市交通管理水平。本文結(jié)合十字路口交通燈控制要求，采用QuartusⅡ?qū)崿F(xiàn)了交通燈控制電路設(shè)計(jì)，并對(duì)設(shè)計(jì)效果進(jìn)行了仿真分析。從仿真結(jié)果來看，交通燈控制電路可以在車流量過大時(shí)將道路通行時(shí)間由60s增加至90s，并在車流量過小時(shí)將通行時(shí)間由60s減少至30s，因此能夠?qū)崿F(xiàn)十字路口車輛通行量的動(dòng)態(tài)控制。:

引言：伴隨著私家車數(shù)量的不斷增加，城市交通壓力日漸增大。而加強(qiáng)十字路口交通燈控制，則能起到緩解城市交通堵塞的重要作用。目前在交通燈控制設(shè)計(jì)方面，采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)形式已經(jīng)無法滿足交通燈的動(dòng)態(tài)控制需求。為此，還要引入先進(jìn)的設(shè)計(jì)軟件，采用QuartusⅡ?qū)崿F(xiàn)十字路口交通燈控制電路設(shè)計(jì)與仿真分析，提高十字路口的車輛通行效率。

1.QuartusⅡ概述

在現(xiàn)代電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面，主要采用Electronic Design Automation技術(shù)，即EDA技術(shù)。采用該技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)可編程邏輯器件的大規(guī)模運(yùn)用，并通過硬件描述實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)邏輯表達(dá)，然后進(jìn)行軟件開發(fā)和實(shí)驗(yàn)，最終利用軟件完成硬件設(shè)計(jì)。伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新的軟件工具得到了進(jìn)一步開發(fā)。現(xiàn)階段，可以采用能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)編程的QuartusⅡ工具。 QuartusⅡ由Altera公司開發(fā)，屬于綜合性CPLD/FPGA開發(fā)軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)原理圖、VerilogHDL等各種設(shè)計(jì)形式的輸入，同時(shí)能夠利用內(nèi)部綜合器以及仿真器完成設(shè)計(jì)輸入和硬件配置。

2.基于QuartusⅡ的十字路口交通燈控制電路設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)十字路口交通燈控制電路，目的在于實(shí)現(xiàn)交通燈信號(hào)的控制。而十字路口由東南方向主干道和西北方向支干道交叉形成，采用的交通燈有黃、綠、紅三種，綠燈表示通行，紅燈則禁止通行，黃燈為變道提示。在交通燈控制方面，要求使主干道保持長時(shí)間綠燈，同時(shí)支干道保持長時(shí)間紅燈。為此，還要使主干道亮綠燈時(shí)長為60s，支干道亮綠燈時(shí)長15s。在由綠轉(zhuǎn)紅的過程中，交通燈中間要變?yōu)辄S燈，閃爍4s后再變燈，黃燈亮3s，同時(shí)對(duì)方也變燈。在緊急特殊的情況下，還要根據(jù)車流量信號(hào)Q大小進(jìn)行交通燈控制，即通過數(shù)控分頻完成各方向通行時(shí)間的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。在城市地區(qū)，上下班為高峰期，容易出現(xiàn)交通不暢狀況。想要緩解交通壓力，還要對(duì)道路的通行時(shí)間進(jìn)行調(diào)整。比如在道路通暢的情況下，可以通過延長通行時(shí)間減輕周圍道路壓力。而在道路堵塞的情況下，則要通過縮短通行時(shí)間緩解交通壓力。

2.2 設(shè)計(jì)思路

實(shí)際進(jìn)行控制電路設(shè)計(jì)，應(yīng)完成數(shù)字電路設(shè)計(jì)。而數(shù)字系統(tǒng)由數(shù)據(jù)子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)構(gòu)成，需要利用數(shù)字技術(shù)完成信號(hào)處理、傳輸和控制。其中，控制子系統(tǒng)負(fù)責(zé)進(jìn)行命令的發(fā)送，數(shù)據(jù)子系統(tǒng)則要進(jìn)行命令接收，然后按照命令進(jìn)行操作。針對(duì)數(shù)據(jù)子系統(tǒng)，控制子系統(tǒng)需要完成狀態(tài)信息采集，并實(shí)現(xiàn)外部輸入，從而得到相應(yīng)控制命令，所以系統(tǒng)控制電路將決定系統(tǒng)操作順序。在十字路口交通燈控制方面，采用QuartusⅡ軟件完成交通燈控制電路設(shè)計(jì)，可以根據(jù)車流量大小實(shí)現(xiàn)道路通行時(shí)間的調(diào)整，在車輛較少時(shí)縮短道路通行時(shí)間，在車輛較多時(shí)延長道路通行時(shí)間，達(dá)到緩解城市交通擁堵的目的。利用QuartusⅡ，也能對(duì)設(shè)計(jì)出的電路進(jìn)行仿真，確保電路各項(xiàng)控制功能可以順利實(shí)現(xiàn)。而設(shè)計(jì)的控制電路應(yīng)包含脈沖發(fā)生器、譯碼器、計(jì)數(shù)器、狀態(tài)控制器等，大致可以劃分為時(shí)鐘電路、狀態(tài)控制電路、閃爍控制電路和計(jì)數(shù)電路四部分，能夠利用脈沖發(fā)生器獲得標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)源，并利用譯碼器進(jìn)行控制命令的發(fā)送，然后利用驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)交通燈的輸出控制。主控芯片采用Altera公司生產(chǎn)的FPGA芯片，具有響應(yīng)迅速的特點(diǎn)，可以進(jìn)行交通燈控制信號(hào)的實(shí)時(shí)輸出，完成各方向通行時(shí)間動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，所以能夠使十字路口車輛通行效率得到有效提高。利用傳感器，可以實(shí)現(xiàn)車流量信號(hào)采集，然后經(jīng)過濾波、放大等處理得到數(shù)字信號(hào)，傳遞至控制芯片。根據(jù)接收得到的信號(hào)，芯片能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)進(jìn)制的實(shí)時(shí)調(diào)整，因此可以使紅綠燈時(shí)長以改變。

2.3 電路設(shè)計(jì)

2.3.1 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路，可以為交通燈狀態(tài)控制提供時(shí)鐘信號(hào)，需要產(chǎn)生穩(wěn)定的脈沖信號(hào)，作為整個(gè)控制電路輸入。在實(shí)際進(jìn)行時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用自激多諧振蕩器，其由LM555CM時(shí)基電路構(gòu)成，為集成定時(shí)器。在脈沖輸出方面，電路振蕩周期滿足T≈0.7（R1+2R2）C。在周期為1s的情況下，采用10μF的電容和39kΩ固定電阻，則采用的電位器R2大小約為51kΩ。利用相串聯(lián)的固定電阻47kΩ和5kΩ電位器，可以通過調(diào)節(jié)電位器改變電壓輸出波形。

2.3.2 狀態(tài)控制電路設(shè)計(jì)

在交通燈狀態(tài)控制方面，按照流程，黃燈是給司機(jī)的安全提示，表明車輛通行時(shí)間結(jié)束，綠燈則代表車輛可以通行，紅燈則是不能通行。設(shè)計(jì)狀態(tài)控制電路，可以根據(jù)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值實(shí)現(xiàn)交通燈亮、滅控制。在控制電路處于初始狀態(tài)時(shí)，主干道亮綠燈，支干道亮紅燈。想要完成轉(zhuǎn)換，還要利用計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值進(jìn)行各方向上對(duì)應(yīng)燈的亮、滅控制，在達(dá)到計(jì)時(shí)時(shí)間后使?fàn)顟B(tài)控制器實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的自動(dòng)跳轉(zhuǎn)。即M為“0”時(shí)，交通燈正常工作，主干道交通燈綠燈亮，經(jīng)過60s，S由100010變?yōu)?000001，亮黃燈，持續(xù)3s后變?yōu)?10100，亮紅燈，持續(xù)15s后變?yōu)?00010，亮綠燈。在M為“1”時(shí)，說明道路交通出現(xiàn)了不暢的狀況，需要根據(jù)Q信號(hào)值進(jìn)行道路通行時(shí)間調(diào)整。在Q為“0”情況下，說明車流量較小，可以采用30進(jìn)制計(jì)數(shù)器，將60s縮短為30s，確保車輛能夠快速通行，使道路負(fù)擔(dān)得到減輕。在Q為“1”的情況下，車流量趨于飽和，需要將60s延長至90s，使車輛擁堵得到減少。因此，還要采用60進(jìn)制計(jì)數(shù)器滿足交通燈正?？刂菩枨?，并采用分頻器實(shí)現(xiàn)分頻控制，從而對(duì)不同狀態(tài)下的交通燈進(jìn)行控制。

2.3.3 計(jì)數(shù)電路設(shè)計(jì)

在計(jì)數(shù)器電路設(shè)計(jì)上，還要利用兩個(gè)74910計(jì)數(shù)器連接成八位計(jì)數(shù)器，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)字倒計(jì)時(shí)顯示，然后利用74163實(shí)現(xiàn)交通燈亮滅轉(zhuǎn)換。74190為十進(jìn)制同步可逆計(jì)數(shù)器，能夠異步并行置數(shù)。將兩個(gè)74910計(jì)數(shù)器分別用于個(gè)位和十位計(jì)時(shí)，可以在低電平時(shí)進(jìn)行加計(jì)數(shù)，并在高電平時(shí)實(shí)現(xiàn)減計(jì)數(shù)。在主干道亮綠燈時(shí)，計(jì)數(shù)器可以置顯示器一定數(shù)值，然后每1s減1進(jìn)行計(jì)數(shù)，直至一次工作循環(huán)結(jié)束。將個(gè)位計(jì)數(shù)器輸出段利用與門和十位計(jì)數(shù)器CLK端連接，則能在個(gè)位數(shù)減到0時(shí)變?yōu)?，十位計(jì)數(shù)器芯片則會(huì)實(shí)現(xiàn)脈沖輸入，然后減1。根據(jù)狀態(tài)控制器輸出信號(hào)和時(shí)鐘電路計(jì)時(shí)時(shí)間，計(jì)數(shù)器可以完成不同輸出狀態(tài)選擇，使數(shù)碼管與交通燈顯示對(duì)應(yīng)，從而達(dá)到提示交通燈狀態(tài)的目的。

采用74163計(jì)數(shù)器進(jìn)行燈的轉(zhuǎn)換控制，可以完成四位二進(jìn)計(jì)數(shù)器的預(yù)制，實(shí)現(xiàn)禁止、計(jì)數(shù)、清零、置數(shù)等功能，可以通過輸入脈沖實(shí)現(xiàn)交通燈控制。正常情況下，計(jì)數(shù)器滿60，下個(gè)時(shí)鐘沿將恢復(fù)0，然后進(jìn)行下一輪計(jì)數(shù)。但是，在檢測(cè)到M為“1”時(shí)，計(jì)數(shù)器會(huì)暫停工作，并實(shí)現(xiàn)復(fù)位清零，然后根據(jù)Q的值利用分頻器完成計(jì)數(shù)進(jìn)制修改，達(dá)到分頻控制的目的。直至M重新回復(fù)到“0”，計(jì)數(shù)器才會(huì)恢復(fù)60進(jìn)制，交通燈亮、滅也會(huì)恢復(fù)原本的狀態(tài)。

2.3.4 閃爍電路設(shè)計(jì)

在綠燈閃爍控制上，只有在道路通行時(shí)間不超出3s時(shí)，交通燈才會(huì)持續(xù)閃爍，通過提示保證車輛能夠安全通行。74163在實(shí)現(xiàn)數(shù)值輸出時(shí)，在輸出值小于3時(shí)，QC、QD輸出為0，需要利用或非門電路實(shí)現(xiàn)高電壓輸出，使之與脈沖信號(hào)相減，得到3s連續(xù)脈沖。脈沖通過與綠燈電路結(jié)合，則能實(shí)現(xiàn)3s閃爍。

3.基于QuartusⅡ的十字路口交通燈控制仿真實(shí)現(xiàn)

為確定十字路口交通燈控制電路設(shè)計(jì)效果，還要利用QuartusⅡ?qū)崿F(xiàn)控制電路的仿真分析，實(shí)現(xiàn)電路輸出控制的進(jìn)一步調(diào)整。電路采用的控制芯片為EP1C6Q240C8，還要利用QuartusⅡ7.2軟件實(shí)現(xiàn)輸出測(cè)試，確定電路板上信號(hào)燈變化情況。在實(shí)際進(jìn)行仿真分析時(shí)，還要利用QuartusⅡ完成工程文件編譯、引腳鎖定和仿真，然后進(jìn)行外圍電路和輸入CLK的連接，利用JTAG端口完成程序下載和測(cè)試。從仿真結(jié)果來看，在主干道綠燈亮?xí)r，一旦檢測(cè)發(fā)現(xiàn)車流量超出了設(shè)定值1的情況下，道路通行時(shí)間就由原本60s提高至90s。而在檢測(cè)發(fā)現(xiàn)車流量小于設(shè)定值0的情況下，道路通行時(shí)間由60s縮短至30s。在車流量正常的情況下，主干道則保持60s的通行時(shí)間。此外，綠燈在通行時(shí)間≤3s時(shí)開始閃爍，黃燈亮?xí)r間可以達(dá)到4s。由此可見，設(shè)計(jì)的控制電路能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)十字路口交通燈的準(zhǔn)確控制，并且可以根據(jù)各方向的交通情況實(shí)現(xiàn)通行時(shí)間的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，因此能夠使十字路口車輛通行效率得到提高。

4.結(jié)論

通過研究可以發(fā)現(xiàn)，采用QuartusⅡ軟件進(jìn)行交通燈控制電路設(shè)計(jì)，可以根據(jù)十字路口車流量情況實(shí)現(xiàn)道路通行時(shí)間動(dòng)態(tài)控制，并通過仿真分析確定控制效果，所以能夠滿足交通燈控制設(shè)計(jì)要求。在城市道路交通管理方面，采用該種方法實(shí)現(xiàn)交通燈的控制管理，則能有效預(yù)防交通不暢，使城市道路資源得到最大化利用。但是在日常交通管制工作中，十字路口的位置時(shí)常會(huì)發(fā)生緊急或特殊情況，如何實(shí)現(xiàn)交通燈的特殊處理依然是值得思考的難題，因此還應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)該問題的深入研究，以便更好的滿足城市交通的管理需求。