基于FPGA的智能交通信號燈控制系統(tǒng)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(tǒng)板，設計了一款交通信號燈控制系統(tǒng)，為智能交通信號燈的實現(xiàn)提供理論參考。

【關鍵詞】? ?智能交通;交通信號燈控制系統(tǒng);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(xié)調(diào)，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(chǎn)生多等少的尷尬現(xiàn)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(diào)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(tǒng)的算法，對智能交通信號燈控制系統(tǒng)的研究具有一定的意義。

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

在國內(nèi)，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(tǒng)設計的關鍵技術

1.1? ?FPGA開發(fā)板

本文用到的FPGA開發(fā)板采用 5伏直流電供電，可以輸出5伏、3.3伏電壓。開發(fā)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(shù)碼管，F(xiàn)PGA 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(fā)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(fā)而配套的一個專門軟件[6-7]，QuartusⅡ提供了與結(jié)構無關的設計環(huán)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(nèi)嵌門級仿真器，可以根據(jù)需要對模型進行時序仿真和功能仿真，系統(tǒng)會自動生成EDIF和VHDL網(wǎng)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(yè)界最便捷的EDA集成開發(fā)環(huán)境。

1.3? ?ModelSim集成開發(fā)環(huán)境

ModelSim是一個獨立的編譯型仿真工具，可以實現(xiàn)功能仿真、數(shù)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(tǒng)的軟件設計

本文研究的智能交通信號燈控制系統(tǒng)軟件結(jié)構如圖2所示[8-9]。

2.1? ?分頻模塊

該模塊主要實現(xiàn)對系統(tǒng)輸入時鐘，按照系統(tǒng)設計要求分頻時鐘和輸出系統(tǒng)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(shù)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(jié)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(shù)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(tài)轉(zhuǎn)換表如表1所示。

2.5? ?數(shù)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(shù)碼管信號，輸出信號為對應的數(shù)碼管。具體工作過程為：當掃描對象地址為“0”時，對應的數(shù)碼管就會亮起來。圖7為數(shù)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(shù)碼管是“01111000”，即數(shù)碼管顯示的數(shù)字為“7”。

3? ? ?交通信號燈控制系統(tǒng)的下載及實現(xiàn)

3.1? ?FPGA的配置下載

交通信號燈控制系統(tǒng)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(fā)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(tǒng)板與電腦相連，打開FPGA開發(fā)板的開關，[系]統(tǒng)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(shù)碼管亮;南北方向的紅燈亮起來，即第四個數(shù)碼管亮;之后東西方向的黃燈亮起來，即第一個和第二個數(shù)碼管亮，此時南北方向的紅燈依然是亮的，即第四個數(shù)碼管亮;實現(xiàn)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(fā)現(xiàn)，檢驗的結(jié)果與設計要求是一致的。

3.2? ?下載結(jié)果

表3為FPGA開發(fā)板上電后的六種工作狀態(tài)。

4? ? ?結(jié)語

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

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