基于FPGA的智能交通灯的设计与开发

基于FPGA的十字路口交通信号灯摘要本文主要介绍十字路口交通灯控制器的设计。首先，介绍交通控制系统以及交通红绿灯控制电路的开展现状；然后采用硬件描述语言进行的交通灯控制器设计。重点介绍了控制系统各局部的设计，以及各个模块之间的同步处理。为了克服交通信号灯控制系统传统设计方法的弊端,更加适应城镇交通现状,利用VHDL语言、采用层次化混合输入方式,设计了具有3种信号灯和倒计时显示器的交通信号灯控制系统,在QuartusⅡ下进行仿真,并下载到FPGA中制作成实际的硬件电路进行了模拟运行.使用该方法设计的交通灯控制系统电路简单、运行可靠、易于实现,可实现对交通信号的控制和显示功能。关键词

HDPLD；十字路口交通灯；控制器；车辆行人平安BasedonFPGAintersectiontrafficlightsAbstractThispapermainlyintroducestheintersectiontrafficlightsthecontrollerdesign.First,introducetrafficcontrolsystemandthetrafficlightscontrolcircuitdevelopmentpresentsituation;Thenthehardwaredescriptionlanguageoftrafficlightcontrollerdesign.Mainlyintroducescontrolsystemdesign,andthevariouspartsofthesynchronousprocessingbetweeneachmodule.Finally,simulation,testcontrolleriscorrect.KeywordsHDPLD;Crossingtrafficlights;Controller;Vehiclepedestriansafety

1前言城市交通是一个集经济性与社会公益性于一体的领域，包括管理体制、城市规划布局、投融资体制、交通方式选择、公共交通运营组织、交通需求管理、交通流量控制与管理等等方面的内容，涉及到管理、法规、规划、工程、TRANBBS技术、财政、教育、环境、能源、信息以及人文等社会经济诸多学科领域。这些方面集成在一起形成一个错综复杂的城市交通大系统。系统问题就必须通过系统方法来解决，解决系统问题的根本方法是建立有效的信息传导、控制和反应机制，实现各子系统联动从而提高整体系统有效运行并实现其目标。从这个意义上讲，城市交通问题的核心就是如何建立一个有效的管理机制，保证各子系统及系统要素有机衔接与互动，从而实现城市交通系统的良性运转。

随着社会经济开展和城市人口的膨胀，中国大中城市交通均面临着诸多问题，其中特别突出的是交通拥堵。拥堵的频繁发生和严重程度已经严重影响了城市的正常运转，给城市居民带来生活不便，衍生交通事故，加剧了城市环境污染。引起拥堵的原因为交叉口运行不畅；路网布局不合理；交通结构不合理；交通秩序不佳。交通拥堵的发生使汽车被迫减速和加速，甚至停车，导致了汽车行驶油料消耗和废气排放增加，根据国外有关资料和国内环境专家研究成果说明，机动车在怠速状态下所排放的一氧化碳、氮氧化物是正常行驶状态下的3~5倍。因此拥堵加大了对城市环境的污染。通过采取有效措施的实行和实施交通新技术，将有利于缓解交通拥堵状况，从而节约城市能源和降低环境污染。交通控制系统以及交通红绿灯控制电路的开展现状随着社会经济的开展，城市交通问题越来越引起人们的关注。出行交通的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成局部。随着城市机动车量的不断增加，许多城市出现了交通超负荷运行的情况，因此，自80年代后期，这些城市纷纷修建城市高速道路，在高速道路建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。然而，随着交通量的快速增长和缺乏对高速道路的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用。而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路耦合处交通状况的制约。所以，如何采用适宜的控制方法，最大限度利用好消耗巨资修建的城市高速道路，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。车辆的数量持续增加，不断新建道路已不能很好地解决交通拥堵的现状，这还需要好的交通疏导，但交通的问题日益突出，单单依靠人力来指挥交通已经不可行了,所以，设计交通灯来完成这个需求就显保十字路口的行人和车辆顺利、畅通地通过,往往采用电子控制的交通信号来进行指挥。智能交通红绿灯控制电路是用于城市交通疏导的管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成局部。智能的交通信号灯指挥着人和各种车辆的平安运行,实现红、黄、绿灯的自动指挥是城乡交通管理现代化的重要课题.在城乡街道的十字交叉路口,为了保证交通秩序和行人平安,一般在每条道路上各有一组红、黄、绿交通信号灯.交通灯控制电路自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换,指挥各种车辆和行人平安通行,实现十字路口城乡交通管理自动化.1.2智能交通红绿灯控制电路技术的现状通信号控制系统大体上分为三种类型：定周期的信号机、多时段且具有无电缆协调功能的微电脑型信号机以及联网式自适应多相位智能型信号机。具体采用哪种类型，应根据其应用场合及特点加以确定。其中，第一种类型以其本钱低，设计简单，安装及维护方便等特点得到了广泛应用。本文讨论的城乡交通灯控制系统就属于该种类型。而随着各种控制器件的推出，交通灯控制电路得以更易实现并趋向智能化。交通灯控制系统主要由时间发生器电路、光电检测电路、控制电路等几个局部组成。目前设计交通灯的方案有很多，有应用CPLD设计实现交通信号灯控制器方法;有应用PLC实现对交通灯控制系统的设计;有应用单片机实现对交通信号灯设计的方法。目前，国内的交通灯一般设在十字路门，在醒目位置用红、绿、黄三种颜色的指示灯。加上一个倒计时的显示计时器来控制行车。对于一般情况下的平安行车，车辆分流尚能发挥作用，但根据实际行车过程中出现的情况，还存在以下缺点：1．两车道的车辆轮流放行时间相同且固定，在十字路口，经常一个车道为主干道，车辆较多，放行时间应该长些；另一车道为副干道，车辆较少，放行时间应该短些。2．没有考虑紧急车通过时，两车道应采取的措施，臂如，消防车执行紧急任务通过时，两车道的车都应停止，让紧急车通过。这些控制方法的功能修改及调试都需要硬件电路的支持，在一定程度上增加了功能修改及系统调试的困难。1.3本论文的主要工作

本论文主要介绍十字路口交通灯控制器的设计。1〕主要介绍交通灯控制系统相关技术原理及总体方案设计；2〕介绍系统硬件电路设计，包括可编程逻辑器件的开展状况，以及设计方法的介绍，最后重点介绍交通灯控制器的设计；3〕交通灯控制器的VHDL设计及仿真，包括接口部的设计，时序脉冲信号的产生等等。

1.3.1交通信号

交通信号可以分为：指挥灯信号，车道灯信号，人行道灯信号，交通指挥棒信号和手势信号等，这里主要介绍指挥灯信号。在?中华人民共和国道路交通管理条例?中规定：

(1)在车辆和行人遇到交通灯信号，交通标志或交通标线与交通警察的指挥不一致时，服从交通警察的指挥。

(2)车道绿色灯亮时，准许本车道的车辆遵行。

(3)车道红灯亮时，不许本车道的车辆通行。

(4)当人行横道灯为绿灯时，准许行人通过横道。

(5)当人行横道灯为绿灯闪烁信号时，不许行人进入人行横道。但已经进入人行横道的，可以继续通行。

(6)当人行横道灯为红色时，不许行人进入人行横道。

(7)车辆经过人行横道时，遇到交通信号放行行人时，必须停车或减速行使；通过设有信号控制的人行横道时，必须注意避让来往的行人。1.3.2控制系统

上面的交通规那么已经提到了信号交通控制的一些标准。交通控制系统中，交通信号的控制对象是交通流，交通流运行的是有一定的规律的，要认识这种规律，需要借助数学工具，对交通流运行进行科学的分析。一个交通控制系统主要包括以下五局部：

(1)交通流系统。它是指车辆，行人，道路和环境，之所以称为系统是为了突出交通控制研究的对象不是某一因素，而是多个因素相互交织在一起的构成复杂的系统。

(2)交通检测设备。主要指为控制提供有关信息的设备，如可以检测车流量，车辆行使速度等参数的车辆检测器，这些设备将交通信息反映为与之相关的电子信息量。

(3)数据处理。这局部是将交通检测设备送来的数据信息按照一定规律进行剔除如噪声等无用，无效信息，对有效信息进行整理和管理，提供尽可能详细的交通流系统的状态信息。

(4)控制器。它是根据有数据处理后送来的交通信息，按照一定的控制算法做出相应的控制决策，这种决策可以是信号灯的配时，也可以是某交通信息的传递。控制器具有很强的输入，输出和通信能力。

(5)控制设备。主要包括交通信号灯和可变限速标志等，这些可以为车辆驾驶人员或行人提供交通控制信息，来到达对交通流进行引导和控制的目的。2FPGA设计原理2.1PLD器件的设计特点EDA技术出现以前,数字逻辑电路设计通常采用传统方法,即自下而上设计法。其主要思路是:根据系统对硬件的要求编制技术规格书,画出系统流程图;然后对系统功能进行分析,划分出多个功能模块,画出系统功能框图;进行各功能模块的细化和电路设计;各模块设计调试完毕以后,再连接起来,进行调试,最后完成整个系统的硬件设计。这种自下而上设计法的仿真和调试工作要在系统的硬件开发完成以后才能进行,因此存在的问题只有在后期才能发现,一旦考虑不周,就要重新设计,使得设计费用和设计周期大大增加。此外,由于设计输入文件是电原理图,当系统比拟复杂时,大量的原理图文件会给存档、阅读和修改带来不便。为了提高开发效率和增加已有开发成果的可继承性,缩短开发周期,各种新兴的EDA开发工具开始涌现,特别是硬件描述语言(HDL)的出现,使得传统的硬件电路设计方法发生了巨大的变革。基于PLD器件,采用HDL进行系统设计的思路是从系统总体的要求出发,自上而下地逐步将设计内容细化,最后完成系统的详细设计。这种设计方法的主要特点为:(1)电路设计更趋合理硬件设计人员在设计硬件电路时使用PLD器件,就可以自行设计所需的专用功能模块,而无需受通用元器件的限制,从而使电路设计更趋合理,其体积和功耗也大为减小。(2)采用系统早期仿真在自上而下的设计过程中,每级都进行仿真,从而可以在系统设计的早期发现设计中存在的问题,从而大大缩短系统设计周期,降低费用。(3)降低了硬件电路设计难度PLD使用HDL编程,防止编写逻辑表达式或真值表,使设计难度大幅度下降,从而也缩短了设计周期。(4)主要设计文件使用HDL编写采用HDL编写的源程序作为归档文件有多种好处。HDL程序资料量小,便于保存;其可继承性好,而且阅读方便。可编程逻辑器件的设计流程一般为设计准备、设计输入、功能仿真、设计处理、时序仿真、器件编程和测试等七个步骤。2.2FPGA的根本结构FPGA是目前最为常用的复杂PLD器件。FPGA的开展非常迅速,形成了各种不同的结构。按逻辑功能块的大小,FPGA可分为细粒度FPGA和粗粒度FPGA。细粒度FPGA的逻辑功能块较小,资源可以充分利用,但连线和开关多,速度慢;粗粒度FPGA的逻辑功能块规模大,功能强,但资源不能充分利用。从逻辑功能块的结构上分类,可分为查找表结构、多路开关结构和多级与非门结构。根据FPGA内部连线的结构不同,可分为分段互联型和连续互联型。根据编程方式,FPGA可分为一次编程和可重复编程两种。FPGA一般可由三种可编程电路和一个用于存放编程数据的SRAM组成,这三种可编程电路是:可编程逻辑块CLB、输入/输出模块IOB和互联资源IR。CLB是FPGA的主要组成局部,是实现逻辑功能的根本单元。它主要是由逻辑函数发生器、触发器、数据选择器等电路组成。IOB提供了器件引脚和内部逻辑阵列之间的连接,通常排列在芯片的四周。其主要是由输入触发器、输入缓冲器、输出触发/锁存器和输出缓冲器组成。每一个IOB控制一个引脚,可被配置为输入、输出激活双向I/O功能。可编程互联资源IR包括各种长度的金属连线和一些可编程连接开关,它们将各个CLB之间和IOB之间互相连接起来,构成各种复杂功能的系统。FPGA的根本结构如图1所示。相对于传统数字电路设计方法,采用FPGA进行电路设计具有如下优点:(1)简化设计由于FPGA的可编程性和灵活性,电路设计结束后,可随意进行修改或删除,无需重新布线和生产印刷电路板,大大缩短了系统的设计周期。(2)高性能现在市场上提供的FPGA器件的性能超过了最快的标准分立逻辑器件的性能,而且一片FPGA芯片的功耗比分立器件组合而成的电路功耗要小得多。(3)可靠性高采用FPGA器件将使所用器件的数目减少,也使印刷电路板面积减少,密度下降,这些都大大提高了电路的可靠性,同时也将减少干扰和噪声,使系统的运行更可靠。(4)本钱下降采用FPGA设计数字系统,由于所用器件少,用于器件测试及装配的工作量也少,所以系统的本钱将下降。(5)硬件加密使用FPGA器件构成的数字系统,其内部结构是由设计者通过编程实现的。有些器件还提供一个能被编程的保密单元,可用来防止检验和读出芯片中的程序,这对于保持芯片设计的专利、防止他人抄袭具有很大好处。3具体方案论证与设计试用一片HDPLD和假设干外围电路实现十字路口交通管理器。该管理器控制甲、乙两道的红、黄、绿三色灯，指挥车辆和行人平安通行。交通管理器示意图如下图。途中r1、y1、g1是甲道红、黄、绿灯；R2、Y2、G2是已道红、黄、绿灯。R1Y1G1G2Y2R2交通管理器交通管理器〔控制器〕C3W3C1W1C2W2公共停车t2定时器甲道通行t3定时器乙道通行t1定时器公共停车t2定时器甲道通行t3定时器乙道通行t1定时器十字路口交通管理器示意图该交通管理器由控制器和受其控制的三个定时器及六个交通灯组成。图中三个定时器分别确定甲道和乙道通行时间t3、t1以及共同的停车〔黄灯燃亮〕时间t2.这三个定时器采用以秒信号为时钟的计数器来实现，C1、C2和C3分别是这些定时计数器的工作使能信号，即当C1、C2和C3为1时，相应的定时器计数的指示