基于FPGA的智能交通燈的設(shè)計(jì)與開發(fā)

1、基于FPGA勺十字路口交通信號(hào)燈摘要本文主要介紹十字路口交通燈控制器的設(shè)計(jì)。首先，介紹交通控制系統(tǒng)以及交通紅綠燈控制電路的發(fā)展現(xiàn)狀；然后采用硬件描述語言進(jìn)行的交通燈控制器設(shè)計(jì)。重點(diǎn)介紹了控制系統(tǒng)各部分的設(shè)計(jì)，以及各個(gè)模塊之間的同步處理。為了克服交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的弊端,更加適應(yīng)城鎮(zhèn)交通現(xiàn)狀，利用VHDLS言、采用層次化混合輸入方式，設(shè)計(jì)了具有3種信號(hào)燈和倒計(jì)時(shí)顯示器的交通信號(hào)燈控制系統(tǒng),在QuartusII下進(jìn)行仿真,并下載到FPGA中制作成實(shí)際的硬件電路進(jìn)行了模擬運(yùn)行.使用該方法設(shè)計(jì)的交通燈控制系統(tǒng)電路簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、易于實(shí)現(xiàn),可實(shí)現(xiàn)對(duì)交通信號(hào)的控制和顯示功能。關(guān)鍵詞HDPLD十

2、字路口交通燈；控制器；車輛行人安全BasedonFPGAintersectiontrafficlightsAbstractThispapermainlyintroducestheintersectiontrafficlightsthecontrollerdesign.First,introducetrafficcontrolsystemandthetrafficlightscontrolcircuitdevelopmentpresentsituation;Thenthehardwaredescriptionlanguageoftrafficlightcontrollerdesign.Mainl

3、yintroducescontrolsystemdesign,andthevariouspartsofthesynchronousprocessingbetweeneachmodule.Finally,simulation,testcontrolleriscorrect.KeywordsHDPLD;Crossingtrafficlights;Controller;Vehiclepedestriansafety1前言城市交通是一個(gè)集經(jīng)濟(jì)性與社會(huì)公益性于一體的領(lǐng)域，包括管理體制、城市規(guī)劃布局、投融資體制、交通方式選擇、公共交通運(yùn)營(yíng)組織、交通需求管理、交通流量控制與管理等等方面的內(nèi)容，涉及到管理、法

4、規(guī)、規(guī)劃、工程、TRANBBS術(shù)、財(cái)政、教育、環(huán)境、能源、信息以及人文等社會(huì)經(jīng)濟(jì)諸多學(xué)科領(lǐng)域。這些方面集成在一起形成一個(gè)錯(cuò)綜復(fù)雜的城市交通大系統(tǒng)。系統(tǒng)問題就必須通過系統(tǒng)方法來解決，解決系統(tǒng)問題的基本方法是建立有效的信息傳導(dǎo)、控制和反饋機(jī)制，實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)從而提高整體系統(tǒng)有效運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)。從這個(gè)意義上講，城市交通問題的核心就是如何建立一個(gè)有效的管理機(jī)制，保證各子系統(tǒng)及系統(tǒng)要素有機(jī)銜接與互動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)城市交通系統(tǒng)的良性運(yùn)轉(zhuǎn)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市人口的膨脹，中國(guó)大中城市交通均面臨著諸多問題，其中特別突出的是交通擁堵。擁堵的頻繁發(fā)生和嚴(yán)重程度已經(jīng)嚴(yán)重影響了城市的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，給城市居民帶來生活不便

5、，衍生交通事故，加劇了城市環(huán)境污染。引起擁堵的原因?yàn)榻徊婵谶\(yùn)行不暢；路網(wǎng)布局不合理；交通結(jié)構(gòu)不合理；交通秩序不佳。交通擁堵的發(fā)生使汽車被迫減速和加速，甚至停車，導(dǎo)致了汽車行駛油料消耗和廢氣排放增加，根據(jù)國(guó)外有關(guān)資料和國(guó)內(nèi)環(huán)境專家研究成果表明，機(jī)動(dòng)車在怠速狀態(tài)下所排放的一氧化碳、氮氧化物是正常行駛狀態(tài)下的35倍。因此擁堵加大了對(duì)城市環(huán)境的污染。通過采取有效措施的實(shí)行和實(shí)施交通新技術(shù)，將有利于緩解交通擁堵狀況，從而節(jié)約城市能源和降低環(huán)境污染。交通控制系統(tǒng)以及交通紅綠燈控制電路的發(fā)展現(xiàn)狀隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市交通問題越來越引起人們的關(guān)注。出行交通的協(xié)調(diào)，已成為交通管理部門需要解決的重要問題之一。城

6、市交通控制系統(tǒng)是用于城市交通數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、交通信號(hào)燈控制與交通疏導(dǎo)的計(jì)算機(jī)綜合管理系統(tǒng)，它是現(xiàn)代城市交通監(jiān)控指揮系統(tǒng)中最重要的組成部分。隨著城市機(jī)動(dòng)車量的不斷增加，許多城市出現(xiàn)了交通超負(fù)荷運(yùn)行的情況，因此，自80年代后期，這些城市紛紛修建城市高速道路，在高速道路建設(shè)完成的初期，它們也曾有效地改善了交通狀況。然而，隨著交通量的快速增長(zhǎng)和缺乏對(duì)高速道路的系統(tǒng)研究和控制，高速道路沒有充分發(fā)揮出預(yù)期的作用。而城市高速道路在構(gòu)造上的特點(diǎn)，也決定了城市高速道路的交通狀況必然受高速道路與普通道路耦合處交通狀況的制約。所以，如何采用合適的控制方法，最大限度利用好耗費(fèi)巨資修建的城市高速道路，緩解主干道與匝道、城區(qū)同

7、周邊地區(qū)的交通擁堵狀況，越來越成為交通運(yùn)輸管理和城市規(guī)劃部門亟待解決的主要問題。車輛的數(shù)量持續(xù)增加，不斷新建道路已不能很好地解決交通擁堵的現(xiàn)狀，這還需要好的交通疏導(dǎo)，但交通的問題日益突出，單單依靠人力來指揮交通已經(jīng)不可行了,所以，設(shè)計(jì)交通燈來完成這個(gè)需求就顯保十字路口的行人和車輛順利、暢通地通過,往往采用電子控制的交通信號(hào)來進(jìn)行指揮。智能交通紅綠燈控制電路是用于城市交通疏導(dǎo)的管理系統(tǒng)，它是現(xiàn)代城市交通監(jiān)控指揮系統(tǒng)中最重要的組成部分。智能的交通信號(hào)燈指揮著人和各種車輛的安全運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)紅、黃、綠燈的自動(dòng)指揮是城鄉(xiāng)交通管理現(xiàn)代化的重要課題.在城鄉(xiāng)街道的十字交叉路口,為了保證交通秩序和行人安全,一般在

8、每條道路上各有一組紅、黃、綠交通信號(hào)燈.交通燈控制電路自動(dòng)控制十字路口兩組紅、黃、綠交通燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)換,指揮各種車輛和行人安全通行,實(shí)現(xiàn)十字路口城鄉(xiāng)交通管理自動(dòng)化.智能交通紅綠燈控制電路技術(shù)的現(xiàn)狀通信號(hào)控制系統(tǒng)大體上分為三種類型：定周期的信號(hào)機(jī)、多時(shí)段且具有無電纜協(xié)調(diào)功能的微電腦型信號(hào)機(jī)以及聯(lián)網(wǎng)式自適應(yīng)多相位智能型信號(hào)機(jī)。具體采用哪種類型，應(yīng)根據(jù)其應(yīng)用場(chǎng)合及特點(diǎn)加以確定。其中，第一種類型以其成本低，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，安裝及維護(hù)方便等特點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用。本文討論的城鄉(xiāng)交通燈控制系統(tǒng)就屬于該種類型。而隨著各種控制器件的推出，交通燈控制電路得以更易實(shí)現(xiàn)并趨向智能化。交通燈控制系統(tǒng)主要由時(shí)間發(fā)生器電路、光電檢測(cè)

9、電路、控制電路等幾個(gè)部分組成。目前設(shè)計(jì)交通燈的方案有很多，有應(yīng)用CPL皺計(jì)實(shí)現(xiàn)交通信號(hào)燈控制器方法；有應(yīng)用PLC現(xiàn)對(duì)交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì);有應(yīng)用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)交通信號(hào)燈設(shè)計(jì)的方法。目前，國(guó)內(nèi)的交通燈一般設(shè)在十字路門，在醒目位置用紅、綠、黃三種顏色的指示燈。加上一個(gè)倒計(jì)時(shí)的顯示計(jì)時(shí)器來控制行車。對(duì)于一般情況下的安全行車，車輛分流尚能發(fā)揮作用，但根據(jù)實(shí)際行車過程中出現(xiàn)的情況，還存在以下缺點(diǎn)：1兩車道的車輛輪流放行時(shí)間相同且固定，在十字路口，經(jīng)常一個(gè)車道為主干道，車輛較多，放行時(shí)間應(yīng)該長(zhǎng)些；另一車道為副干道，車輛較少，放行時(shí)間應(yīng)該短些。2沒有考慮緊急車通過時(shí)，兩車道應(yīng)采取的措施，臂如，消防車執(zhí)行緊急任

10、務(wù)通過時(shí)，兩車道的車都應(yīng)停止，讓緊急車通過。這些控制方法的功能修改及調(diào)試都需要硬件電路的支持，在一定程度上增加了功能修改及系統(tǒng)調(diào)試的困難。本論文的主要工作本論文主要介紹十字路口交通燈控制器的設(shè)計(jì)。1）主要介紹交通燈控制系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)原理及總體方案設(shè)計(jì)；2）介紹系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)，包括可編程邏輯器件的發(fā)展?fàn)顩r，以及設(shè)計(jì)方法的介紹，最后重點(diǎn)介紹交通燈控制器的設(shè)計(jì)；3)交通燈控制器的VHD改計(jì)及仿真,包括接口部的設(shè)計(jì)，時(shí)序脈沖信號(hào)的產(chǎn)生等等。交通信號(hào)交通信號(hào)可以分為：指揮燈信號(hào)，車道燈信號(hào)，人行道燈信號(hào)，交通指揮棒信號(hào)和手勢(shì)信號(hào)等，這里主要介紹指揮燈信號(hào)。在中華人民共和國(guó)道路交通管理?xiàng)l例中規(guī)定：在車輛和

11、行人遇到交通燈信號(hào)，交通標(biāo)志或交通標(biāo)線與交通警察的指揮不一致時(shí)，服從交通警察的指揮。車道綠色燈亮?xí)r，準(zhǔn)許本車道的車輛遵行。車道紅燈亮?xí)r，不許本車道的車輛通行。當(dāng)人行橫道燈為綠燈時(shí)，準(zhǔn)許行人通過橫道。當(dāng)人行橫道燈為綠燈閃爍信號(hào)時(shí)，不許行人進(jìn)入人行橫道。但已經(jīng)進(jìn)入人行橫道的，可以繼續(xù)通行。當(dāng)人行橫道燈為紅色時(shí)，不許行人進(jìn)入人行橫道。車輛經(jīng)過人行橫道時(shí)，遇到交通信號(hào)放行行人時(shí)，必須停車或減速行使；通過設(shè)有信號(hào)控制的人行橫道時(shí)，必須注意避讓來往的行人?？刂葡到y(tǒng)上面的交通規(guī)則已經(jīng)提到了信號(hào)交通控制的一些規(guī)范。交通控制系統(tǒng)中，交通信號(hào)的控制對(duì)象是交通流，交通流運(yùn)行的是有一定的規(guī)律的，要認(rèn)識(shí)這種規(guī)律，需要借

12、助數(shù)學(xué)工具，對(duì)交通流運(yùn)行進(jìn)行科學(xué)的分析。一個(gè)交通控制系統(tǒng)主要包括以下五部分：(1)交通流系統(tǒng)。它是指車輛，行人，道路和環(huán)境，之所以稱為系統(tǒng)是為了突出交通控制研究的對(duì)象不是某一因素，而是多個(gè)因素相互交織在一起的構(gòu)成復(fù)雜的系統(tǒng)。(2)交通檢測(cè)設(shè)備。主要指為控制提供有關(guān)信息的設(shè)備，如可以檢測(cè)車流量，車輛行使速度等參數(shù)的車輛檢測(cè)器，這些設(shè)備將交通信息反映為與之相關(guān)的電子信息量。(3)數(shù)據(jù)處理。這部分是將交通檢測(cè)設(shè)備送來的數(shù)據(jù)信息按照一定規(guī)律進(jìn)行剔除如噪聲等無用，無效信息，對(duì)有效信息進(jìn)行整理和管理，提供盡可能詳細(xì)的交通流系統(tǒng)的狀態(tài)信息。(4)控制器。它是根據(jù)有數(shù)據(jù)處理后送來的交通信息，按照一定的控制算法

13、做出相應(yīng)的控制決策，這種決策可以是信號(hào)燈的配時(shí)，也可以是某交通信息的傳遞。控制器具有很強(qiáng)的輸入，輸出和通信能力。(5)控制設(shè)備。主要包括交通信號(hào)燈和可變限速標(biāo)志等，這些可以為車輛駕駛?cè)藛T或行人提供交通控制信息，來達(dá)到對(duì)交通流進(jìn)行引導(dǎo)和控制的目的。2FPGA設(shè)計(jì)原理PLD器件的設(shè)計(jì)特點(diǎn)ED破術(shù)出現(xiàn)以前，數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)通常采用傳統(tǒng)方法，即自下而上設(shè)計(jì)法。其主要思路是：根據(jù)系統(tǒng)對(duì)硬件的要求編制技術(shù)規(guī)格書，畫出系統(tǒng)流程圖；然后對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行分析，劃分出多個(gè)功能模塊，畫出系統(tǒng)功能框圖；進(jìn)行各功能模塊的細(xì)化和電路設(shè)計(jì)；各模塊設(shè)計(jì)調(diào)試完畢以后，再連接起來，進(jìn)行調(diào)試，最后完成整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。這種自下而上

14、設(shè)計(jì)法的仿真和調(diào)試工作要在系統(tǒng)的硬件開發(fā)完成以后才能進(jìn)行，因此存在的問題只有在后期才能發(fā)現(xiàn)，一旦考慮不周，就要重新設(shè)計(jì)，使得設(shè)計(jì)費(fèi)用和設(shè)計(jì)周期大大增加。此外，由于設(shè)計(jì)輸入文件是電原理圖，當(dāng)系統(tǒng)比較復(fù)雜時(shí),大量的原理圖文件會(huì)給存檔、閱讀和修改帶來不便。為了提高開發(fā)效率和增加已有開發(fā)成果的可繼承性，縮短開發(fā)周期，各種新興的EDA開發(fā)工具開始涌現(xiàn)，特別是硬件描述語言(HDL)的出現(xiàn)，使得傳統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)方法發(fā)生了巨大的變革?；赑LD器件,采用HDL進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思路是從系統(tǒng)總體的要求出發(fā)，自上而下地逐步將設(shè)計(jì)內(nèi)容細(xì)化，最后完成系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)方法的主要特點(diǎn)為(1)電路設(shè)計(jì)更趨合理硬件設(shè)計(jì)

15、人員在設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)使用PLD器件,就可以自行設(shè)計(jì)所需的專用功能模塊，而無需受通用元器件的限制，從而使電路設(shè)計(jì)更趨合理，其體積和功耗也大為減小。(2)采用系統(tǒng)早期仿真在自上而下的設(shè)計(jì)過程中，每級(jí)都進(jìn)行仿真，從而可以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的早期發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問題，從而大大縮短系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期，降低費(fèi)用。降低了硬件電路設(shè)計(jì)難度PLD用HDL程，避免編寫邏輯表達(dá)式或真值表，使設(shè)計(jì)難度大幅度下降，從而也縮短了設(shè)計(jì)周期。(4)主要設(shè)計(jì)文件使用HDLS寫采用HDE寫的源程序作為歸檔文件有多種好處。HDL程序資料量小，便于保存；其可繼承性好，而且閱讀方便?？删幊踢壿嬈骷脑O(shè)計(jì)流程一般為設(shè)計(jì)準(zhǔn)備、設(shè)計(jì)輸入、功能仿真、設(shè)計(jì)處

16、理、時(shí)序仿真、器件編程和測(cè)試等七個(gè)步驟。FPGA的基本結(jié)構(gòu)FPG是目前最為常用的復(fù)雜PL湍件。FPGA勺發(fā)展非常迅速，形成了各種不同的結(jié)構(gòu)。按邏輯功能塊的大小，F(xiàn)PGA可分為細(xì)粒度FPGA和粗粒度FPGA細(xì)粒度FPGA勺邏輯功能塊較小，資源可以充分利用，但連線和開關(guān)多，速度慢；粗粒度FPGA勺邏輯功能塊規(guī)模大，功能強(qiáng)，但資源不能充分利用。從邏輯功能塊的結(jié)構(gòu)上分類，可分為查找表結(jié)構(gòu)、多路開關(guān)結(jié)構(gòu)和多級(jí)與非門結(jié)構(gòu)。根據(jù)FPGM部連線的結(jié)構(gòu)不同，可分為分段互聯(lián)型和連續(xù)互聯(lián)型。根據(jù)編程方式，F(xiàn)PGA可分為一次編程和可重復(fù)編程兩種。FPGZ般可由三種可編程電路和一個(gè)用于存放編程數(shù)據(jù)的SRAMS成，這三種

17、可編程電路是：可編程邏輯塊CLB輸入/輸出模塊IOB和互聯(lián)資源IR。CLB是FPGA勺主要組成部分，是實(shí)現(xiàn)邏輯功能的基本單元。它主要是由邏輯函數(shù)發(fā)生器、觸發(fā)器、數(shù)據(jù)選擇器等電路組成。IOB提供了器件引腳和內(nèi)部邏輯陣列之間的連接，通常排列在芯片的四周。其主要是由輸入觸發(fā)器、輸入緩沖器、輸出觸發(fā)/鎖存器和輸出緩沖器組成。每一個(gè)IOB控制一個(gè)引腳，可被配置為輸入、輸出激活雙向I/O功能?？删幊袒ヂ?lián)資源IR包括各種長(zhǎng)度的金屬連線和一些可編程連接開關(guān)，它們將各個(gè)CLB之間和IOB之間互相連接起來，構(gòu)成各種復(fù)雜功能的系統(tǒng)。FPGA勺基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。相對(duì)于傳統(tǒng)數(shù)字電路設(shè)計(jì)方法，采用FPGAJ行電路設(shè)計(jì)具

18、有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)由于FPGA勺可編程性和靈活性，電路設(shè)計(jì)結(jié)束后，可隨意進(jìn)行修改或刪除，無需重新布線和生產(chǎn)印刷電路板，大大縮短了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)周期。(2)高性能現(xiàn)在市場(chǎng)上提供的FPGA1件的性能超過了最快的標(biāo)準(zhǔn)分立邏輯器件的性能，而且一片F(xiàn)PGAK片的功耗比分立器件組合而成的電路功耗要小得多。(3)可靠性高采用FPG燔件將使所用器件的數(shù)目減少，也使印刷電路板面積減少，密度下降，這些都大大提高了電路的可靠性，同時(shí)也將減少干擾和噪聲，使系統(tǒng)的運(yùn)行更可靠。(4)成本下降采用FPG股計(jì)數(shù)字系統(tǒng)，由于所用器件少，用于器件測(cè)試及裝配的工作量也少，所以系統(tǒng)的成本將下降。(5)硬件加密使用FPGA器件構(gòu)成的數(shù)字系統(tǒng)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由設(shè)計(jì)者通過編程實(shí)現(xiàn)的。有些器件還提供一個(gè)能被編程的保密單元，可用來防止檢驗(yàn)和讀出芯片中的程序，這對(duì)于保持芯片設(shè)計(jì)的專利、防止他人抄襲具有很大好處。3具體方案論證與設(shè)計(jì)試用一片HDPL前若干外圍電路實(shí)現(xiàn)十字路口交通管理器。該管理器控制甲、乙兩道的紅、黃、綠三色燈，指揮車輛和行人安全通行。交通管理器示意圖如圖所示。途中ri、y1、g1是甲道紅、黃、綠燈；R2、Y2、G2是已道紅、黃、綠燈。十字路口交通管理器示意圖該交通管理器由控制器和受其控制的三個(gè)定時(shí)器及六