智能交通灯控制系统设计与仿真 - 图文-

第29卷第5期重庆交通大学学报(自然科学版Vo.l29No.52010年10月JOURNALOFCHONGQINGJIAOTONGUNIVERSITY(NATURALSCIENCEOc.t2010智能交通灯控制系统设计与仿真收稿时间:2010-02-12;修订时间:2010-05-21作者简介:何翼(1989-,男,江苏江阴人,本科生,研究方向为通信信号处理。E-mai:l421788464@。何翼(武汉理工大学信息工程学院,湖北武汉430073摘要:使用AHDL语言,目标器件选用FPGA器件,采用自上向下的设计方法,设计智能交通灯控制系统。以单片机C8051为控制核心,实现东西、南北的通行时间可调,倒计时显示通行时间,急车强行通过等功能。该系统具有设计周期短、可靠性很高、维护较方便、使用简单等诸多优点。关键词:交通灯;FPGA;单片机中图分类号:TP368文献标志码:A文章编号:1674-0696(201005-0763-04DesignandEmulationofIntelligentTrafficLightControlSystemHEYi(SchoolofInformationEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430073,Hube,iChinaAbstract:AHDLisusedandFPGAdeviceischosenastargetdeviceindesigningtheintelligenttrafficlightcontrolsystem,inwhichuptodowndesigningmethodisapplied.ThecontrolkernelofthesystemisC8051;itcanrealizelotsoffunctions,suchasadjustingthepassingtimeineastwestandsouthnorthdirection,passingtimecountdownandemergencyvehiclecompellingpassing.Thesystemisadvantageoustohaveshortdesignperiod,highreliability,easyoperationandmaintenance,etc.Keywords:trafficlight;FPGA;microcomputer近年来,随着机动车数量的急剧增加,城市交通面临着巨大压力,城市道路建设相对滞后,特别是街道的十字路口,更是成为交通网中通行能力的瓶颈和交通事故的多发地。为了有效防止交通阻塞,确保交通安全,交通信号灯在所有城市都得到了广泛应用。传统的交通信号灯控制系统一般采用电子线路和继电器进行控制,结构相对复杂,可靠性也较低。随着计算机和自动控制技术的迅速发展,基于先进控制技术设计新型的交通灯控制系统,对缓解交通阻塞,降低交通灯控制系统的故障率将具有十分重要和现实的意义。1方案选择1.1项目功能描述1具有十字路口交通固定通行时间自动控制功能;2可以人工干预,通过预置通行时间,实现预置控制功能;3车流量较小或暂无车辆通行以及有急车通行的情况下,实现强行通行的功能。1.2方案论证与比较在交通灯控制系统中,控制器作为本设计核心,主控制器依据倒数计时器的状态来控制路口红、黄、绿3盏灯有规律的变化,考虑该部分的设计总体方案有以下2种:方案1,采用C8051F020单片机作为整个控制核心。发挥单片机软件编程灵活的特点,利用其内部定时器通过软件编程实现倒数计时功能,外部接硬件驱动电路来驱动数码管和LED灯。设计原理如图1(a。方案2,采用单片机和FPGA结合的方式[1]。用单片机完成人机交互、系统控制,用FPGA实现控制和倒数计时器的设计,FPGA输出电平为TTL电平可直接驱动数码管和LED灯,省去了外部硬件驱动电路的设计,如图1(b。分析上述2种方案,方案1的优点在于整个系统的控制仅由单片机实现,大大减小了产品体积,降低了产品成本,其缺点是单片机内部定时由软件实现,工作不够稳定,另外,其输出信号不能直接驱动数码管和LED灯,需增加外部硬件驱动电路;方案2充分利用了单片机软件设计的通用性和FPGA在逻辑设计上的优势[2],提高了系统的稳定性,同时也省略了外部硬件驱动电路的设计,克服了方案1存在的不足[3]。另外方案2增强了人机交互的能力,其44键盘可实现功能控制和参数改变,并将结果显示于LCD上,使设计更加简便,但该方案设计成本较高。基于以上所述,同时考虑该系统在实际中的应用要求具有较高的稳定性,笔者采用方案2。(a方案1(b方案2图1原理框图Fig.1Thetheorystructure2设计原理2.1顶层设计依据方案2的设计原理,采用单片机和FPGA结合的方式[4],其顶层设计原理框图如图2。单片机作为整个系统的控制核心,完成功能选择以及参数设置;FPGA产生所需时序控制交通灯按规律变化[5],包括正常功能时序控制模块、强制功能时序控制模块、优先选择模块、定时计数器和译码器。图2总体设计原理框图Fig.2Theorystructureofoveralldesign正常时序控制程序包括自动模式控制程序和预置模式控制程序2部分。其中自动模式控制程序完强制或紧急通行程序控制,是强制使某方向的绿灯亮,同时另一方向的红灯亮,使某方向强制通行10s曲直,然后控制系统恢复到正常工作模式,并调用显示子程序将工作模式及通停时间显示于LCD上。其流程图见图3。(a正常时序控制流程(b强制或紧急通行时序控制流程图3时序控制流程图Fig.3Schedulingcontrolflow2.3顶层设计原理顶层是本设计的核心,主要包括控制器和定时器模块的设计,其总体设计原理框图如图4,包括正常功能时序控制模块、强制功能时序控制模块、优先764重庆交通大学学报(自然科学版第29卷选择模块、定时计数器和译码器。其中正常时序控制模块实现自动和预置工作模式交通控制功能,强制时序控制模块实现强制或急车通行交通控制功能[6]。图4顶层设计原理框图Fig.4Theorystructureoftopdesign功能选择以及参数设置由单片机控制[7],2个定时计数器分别置于各自的时序控制模块中,计数器以秒为单位倒计时。在正常时序控制模块中,定时器启动后以单片机送来的预置数开始倒计时,当计数值减为0时,时序控制模块改变输出状态,电路进入下一个状态的倒计时,同时定时器的输出经过译码驱动数码管来进行显示[8]。在强制时序控制模块中,定时器启动后从0开始计时,时序控制模块改变输出状态,当计数值计到10时,时序控制模块失去对输出状态的控制,同时定时器清0。控制器模块设计依设计要求,可画出交通灯点亮规律的状态转换表。3编译与模拟仿真该部分模块由AHDL语言编程实现,总系统采用原理图5实现,各分模块相连组成控制系统。图5交通灯控制部分设计原理图Fig.5Designtheoryofthetrafficlightcommandsystem在Max+PlusII中对各功能进行仿真,用R1,Y1,G1表示东西方向上的红,黄,绿灯;用R2,Y2,G2表示南北方向上的红,黄,绿灯。1正常时序控制功能,仿真结果见图6。仿真结果分析:系统进入该工作模式时,东西方向红灯亮,南北方向绿灯亮,当倒数计时器计到5时,东西方向状态不变,南北方向黄灯亮,计到0时,两方向状态转换,重复以上过程。可见系统实现了正常时序控制功能,满足了设计要求。2强制时序控制功能,仿真结果见图7。仿真结果分析:该功能仿真时以东西方向为例,在系统工作于正常时序控制模式的情况下,当响应强制控制功能时,东西方向由红灯亮变为绿灯亮,南北方向由绿灯亮变为红灯亮,同时倒数定时器暂停10s,然后强制功能失去控制,各灯恢复到原来状态。可见系统实现了强制时序控制功能,满足了设计要求。4结语本次设计从最初的理论证明、方案设计到最后的方案定型、实践制作前后大约经历了一个多月的时间。从最后的测试结果看,各项功能指标完成较为理想。系统采用了单片机和FPGA相结合的方式设计,增强了人机交互能力,操作方便、简捷,工作稳定性高。765第5期何翼:智能交通灯控制系统设计与仿真图6正常时序控制功能仿真结果Fig.6Thecontrolemulatorofthecommonlyschedulingcommand图7强制时序控制功能仿真结果Fig.7Thecontrolemulatorofthecompellinglyschedulingcommand参考文献:[1]高晓平,赵真.可编程技术应用与实践[M].武汉:华中科技大学出版社,2005:124-132.[2]潘松,黄继业.EDA技术实用教程[M].北京:科学出版社,2002:87-95.[3]李永仁,雷治宇.实用集成电路手册[M].武汉:武汉出版社,2000:342-344.[4]徐志军,徐光辉.CPLD/FPGA的开发与应用[M].北京:电子工业出版社,2002:214-216.[5]李国洪,沈明山,胡辉.可编程器件EDA技