文/胡桂戎 陜西警官職業(yè)學院 陜西 西安 710021

基于FPGA的交通信號燈控制系統(tǒng)設計

文/胡桂戎 陜西警官職業(yè)學院 陜西 西安 710021

本文采用FPGA設計，結合了道路傳感器，設計了交通信號燈全感應自適應的控制方案。通過仿真與驗證結果表明實現(xiàn)對交通道路的暢通達到優(yōu)化的效果。

FPGA；信號燈；系統(tǒng)

現(xiàn)代城市交通車流量大，交通信號燈的時間控制和狀態(tài)轉化往往是造成交通效率高低的主要原因。因此，就需要對信號燈的亮燈時間和轉化上，根據(jù)道路實際情況，做出最優(yōu)化的方案。本文對此，基于FPGA進行設計出了較為智能化的交通信號燈的控制系統(tǒng)。

1、設計背景要求

1）需要在道路十字路口四個道口各設一組交通信號燈，包括左轉彎的指示燈。2）為體現(xiàn)所設計系統(tǒng)的功能，假設南北道路為主干道。車流量向北東西道較大，南北道可通行時間要長于東西道路。3）為符合實際中的交通規(guī)則，所設計的程序需要在綠燈、紅燈以及左轉燈轉換之間，要有黃燈作為緩沖指示。4）根據(jù)現(xiàn)實應用需求，指示燈顯示時間可設定和調整。交通燈顯示時間需要有倒計時方式在旁邊亮起顯示。特殊情況需要應急車通行時，指示燈需顯示出應急功能保障應急車輛優(yōu)先通過。

2、結構設計

系統(tǒng)具體結構如圖1所示。分頻器對晶振脈沖進行分頻，產生時鐘脈沖。主控制器收到時鐘信號后，做出轉換狀態(tài)，并輸出狀態(tài)時間。與此同時，信號燈控制器依據(jù)得到的狀態(tài)指示，對道路信號燈做出控制。運行中，主控制器發(fā)出的信號是實數(shù)類型，分位器須將收到的信號轉換為BCD編碼送到顯示裝置內。

（圖1系統(tǒng)結構圖）

3、控制系統(tǒng)的設計

3.1 分頻模塊設計

系統(tǒng)設計采用模塊化方案。其中，分頻模塊的工作是把50MHz的基準信號分成1Hz的激勵信號，然后提供給控制模塊。實際在軟件QuartusII里面進行操作。在 軟 件 的NewProjectWizard窗 口 下，輸入位置d：/trafficlight，然后輸入文件名。這個一般設計過程是相同的。依次選擇File→New→VerilogHDLFile，這時需要注意的是，在Verilog.v文件板塊中錄入系統(tǒng)分頻程序。最后把此文件進行編譯，做出功能仿真。

3.2 控制模塊設計

控制模塊中，控制信號的產生主要采用按鍵形式。但運行中按鍵會有抖動的現(xiàn)象。消除抖動的方式還是使用軟件?？刂颇K的實用性較強，有時間預置、模式選擇、復位調整等功能。設計中，4個按鍵分別為krest、kset、kup和kdown。Krest是復位按鈕。Kset作為轉換狀態(tài)的調整使用。kup和kdown分別為設置量的加減。過程中，kset控制state[3..0］進行狀態(tài)控制。交通信號燈顯示時間信號分別為G1_ time[6..0］，Y1_time[6..0］，R1_time[6..0］，L1_time[6..0］。顯而易見，改變此閾值即為改變信號燈的倒計時時間。具體模式如下表所示。這為具體使用提供了便捷。

3.3 主干道計時模塊設計

對主干道模塊的設計，主要是為了實現(xiàn)各個道路信號燈的指示時間和轉換狀態(tài)。當然還包括倒計時的顯示形式。在模塊中錄入clk_1s信號，為倒計時提供相應的脈沖指控。主干道各信號燈的顯示時間值為G1_time[6..0］，Y1_time[6..0］，R1_time[6..0］和 L1_ time[6..0］，這些參考值能夠為模塊準確計數(shù)和不同信號等的轉換做出判斷依據(jù)。設計中，復位信號為stt，對各種模式的控制信號是st。同樣道理，輸出信號為G1_ctime[6..0］，Y1_ctime[6..0］，R1_ctime[6..0］和 L1_ ctime[6..0］。在模塊設計這些信號時，一定要注重精確。這些信號能夠有效的為道路指示燈提供精確的倒計時顯示數(shù)值?，F(xiàn)實中，將這些數(shù)值直接送達顯示模塊。顯示模塊所需要的顯示狀態(tài)為seg[1..0］的條件。G1、Y1、R1 和L1分別為每個信號燈的輸入控制信號，并且為高電平點亮。設計中，首先建立main_ module.v文件。直接錄入每個信號燈相對應的模塊記時數(shù)據(jù)。對此功能，可以進行功能仿真驗證，以確保正確性。最終，還是要對此生成元件符號。

3.4 副干道計時模塊設計

設計過程中，如果沒有特殊要求，副干道的計時模塊的設計與上文提到的主干道計時模塊設計是比較類同的。設計過程中，只需注意實際運用中的需求，對交通信號燈顯示順序的不同以及倒計時時間長短不同，而進行不同的設置。在程序及符號錄入時，同樣要十分注意準確性，以確保實際應用的正確。

4、系統(tǒng)仿真驗證

在整個系統(tǒng)設計完成后，需要對系統(tǒng)進行仿真驗證，確保能夠投入到實際應用中。由途中可知這次驗證的結果：假設各交通路口一直都有車且機動車輛已經排隊，車隊長約30m。在S1狀態(tài)綠燈15s時，達到綠燈熄滅條件。然后再設定每個路口都有車，同樣設定機動車輛排隊長度30m。通過這個轉換，能夠知道系統(tǒng)從一個基本狀態(tài)到另一個基本狀態(tài)的轉換，依次進行，沒有混亂。根據(jù)仿真驗證，綠燈15s后，南北道路上左轉方向并無車輛需行駛的情況下，綠燈熄滅。準確實現(xiàn)了S0到S3之間4個主要狀態(tài)的依次循環(huán)轉換。這次循環(huán)轉換仍沒有混亂現(xiàn)象。

再次進行設定為上班高峰時段的仿真驗證。設定每個道路口都有車，而且機動車排隊有30m的長度。在圖中140s處，系統(tǒng)控制成功實現(xiàn)了從S0到S34個基本狀態(tài)的顯示轉換。此時狀態(tài)變?yōu)樵O定好的上班高峰時段，狀態(tài)S4，系統(tǒng)又控制狀態(tài)有效的在S0到S4之間依次轉換。

根據(jù)實驗順序，再次對深夜車輛較少的情況下進行仿真驗證。設計只有4個時間段有車輛行駛，且為輕微堵車的狀態(tài)。路口有約40m長的機動車在排隊。仿真驗證顯示，綠燈亮的時間為40s。此時，系統(tǒng)初始態(tài)S0仍舊為30s綠燈?？梢?，現(xiàn)實狀態(tài)下，已經在在S0 和S22個之間做出轉換。成功實現(xiàn)了根據(jù)排隊車輛長度進行智能操控的應用。

結束語：

綜上所述，本文設計的交通信號燈控制系統(tǒng)，采用有限狀態(tài)機設計三種信號燈狀態(tài)轉化方案和兩種信號燈時間分配調節(jié)機制，實現(xiàn)了針對交通復雜路口的高效智能控制。實際運用中，交通信號燈的智能化控制，為道路的暢通運行提供了有效保障。