十字路口智能交通燈控制系統的FPGA實現

王維松，王金生，章 偉，梁 齊

(1.合肥工業大學電子科學與應用物理學院，安徽合肥 230009;2.南京工業大學化學化工學院，江蘇南京 210009)

汽車已經逐漸成為了人們日常生活中最主要的交通工具。但是，城市基礎設施建設特別是城市交通道路的發展速度卻滿足不了汽車數量增長的需求，這就使城市交通擁堵現象越來越嚴重，車輛通行速度成為了城市發展的瓶頸［1－2］。在加強城市基礎建設的同時，改善十字路口的交通信號燈運行模式，提高十字路口的通行效率，對緩解城市交通堵塞有著重要的現實意義。而目前城市的交通燈控制，是根據一定時間段的各車道車流量的調查而分配出的相對合理的固定紅綠燈轉化周期。但在特定的時間段，會出現某一方向車輛早已通行完，而另一方向車輛排隊等綠燈的情況［3］，這嚴重降低了實際的十字路口交通效率。

文中采用硬件描述語言VHDL設計了一種新型十字路口交通燈控制系統，其主控系統是Altera公司Cyclone系列 FPGA 芯片 EP1C6Q240C8［4］。該系統利用環形線圈感應車輛，通過無線發射/接收模塊把信號傳輸到核心控制芯片進行處理，實時輸出相應的紅綠燈控制信號，從而動態調節各方向的通行時間，實現十字路口的車輛通行效率的最大化［5］。

1 系統結構簡介

系統基本框圖如圖1所示，它分為車流量檢測部分、交通信號控制部分和信號顯示部分。在車流量檢測部分，通過環形線圈傳感器采集車輛信號，通過A/D轉換器、信號放大電路和無線發射/接收模塊，將采集到的信號轉化為數字信號傳輸到交通控制部分，經過FPGA控制芯片的分析和處理，輸出實時的紅綠燈控制信號，并將控制信號顯示在相應的紅綠燈上，從而優化十字路口各車道的車輛通行效率［6］。

如圖2所示，在十字路口的直行道和左轉道口安裝環形線圈感應該車道是否有車輛停留［7］，人行道通行與否由相鄰直行道紅綠燈狀況確定，若綠燈，則人行道為通行狀態，反之亦然;右轉方向信號燈狀態由相關人行道信號燈狀態決定，若人行道為通行狀態，則右轉方向為紅燈，反之，則為綠燈。

2 傳統交通控制系統狀態分析

當前大部分十字路口的交通控制系統模式，都是根據道路交通狀況，事先設定好的紅、綠、黃色信號燈時間，來控制整個交通岔路口的車輛通行。目前最普遍的交通控制系統信號燈變化的基本模式如圖3所示［8］。

圖1 系統基本框架

根據此模式下信號燈相位的基本要求，設定直行方向綠色信號燈時間為24 s，左轉、右轉方向綠色信號燈時間為6 s，黃色信號燈時間統一為3 s。其自動運行狀態如表1所示。

表1 交通燈狀態轉換表

從狀態轉換表可以看出，以a道路直行方向信號燈狀態S1為出發點，3種顏色信號燈不斷循環，顯示時間為S1+S2+S3=72 s，即為交通控制系統的一個周期時間。通過計算，可得a道路直行方向綠燈時間概率為24/72=33.33%，左轉、右轉方向綠燈時間概率為6/72=8.33%，b道路狀態與a道路相同。無論十字路口車流量狀況如何，傳統模式下的各個路口和方向的車輛通行概率保持不變。

3 智能交通控制系統仿真

智能交通控制系統相對于傳統的交通控制系統，最大的創新點在于，實現了車輛通行相對方向不同步的信號控制，它會根據車流量的變化及時調整交通信號控制策略，最大限度提高了十字路口車流量的通行效率。整個控制電路包括了兩個控制模塊:直行方向控制模塊與左轉方向控制模塊，右轉方向和行人通行時間由直行方向控制模塊概括。控制程序運行時，兩個模塊交替運行，進行循環控制。直行4個方向與左轉4個方向的信號相位分別一致。例如，a方向具體相位如圖4所示。aa方向具體相位如圖5所示。

控制電路以1 Hz時鐘脈沖作為系統時鐘，它包含了8路輸入信號和48路輸出信號［9］，具體信號分布如表2所示。

表2 控制電路輸入、輸出信號列表

系統主要適應十字路口車流量不均衡的狀態，設定十字路口車流量狀況為a車道、b車道車流量大，c車道、d車道車流量小，如圖6所示。利用EDA軟件Quartus II 7.2，通過硬件描述語言VHDL進行模擬設計和仿真［9］，可得此狀態下智能交通控制系統的仿真結果，如圖7所示。

圖6 十字路口車流量不均衡示意圖

圖7 車流量不均衡狀態下智能交通控制系統仿真結果示意圖

統計圖7中100 s內a車道、b車道3種車輛通行方向的車輛通行時間，可得a車道、b車道直行方向車輛通行平均概率為(50+40)/200=45%，a車道、b車道左轉、右轉方向車輛通行平均概率為(46+18+50+57)/400=42.75%。

比較傳統模式下的交通控制系統和智能交通控制系統在十字路口車流量不均衡狀態下的車輛通行概率，可以發現，道路直行方向的車輛通行概率從33.33%提升到了45%，道路左轉、右轉方向的車輛通行概率從8.33%提升到了42.75%。因此，在車流量不均衡的情況下，本智能交通控制系統相對傳統模式下的交通控制系統，提高了十字路口的車輛通行效率，也滿足了預期的設計要求。

4 硬件設計與測試

完成了智能交通控制系統的設計、編譯、仿真后，將設計程序中輸入、輸出端口進行引腳綁定并下載到開發板上EP1C6Q240C8核心芯片中。制作外圍電路如圖8所示，并4路直行方向綠燈信號和4路左轉方向綠燈信號接入到開發板上的8個數碼管上，調整外圍電路的輸入電壓，觀察數碼管狀態。通過實際測試，8個數碼管的顯示結果正常，運行穩定、可靠，達到了設計要求。

圖8 外圍電路的原理圖

5 結束語

利用EDA軟件Quartus II 7.2，采用硬件描述語言VHDL進行編程，實現了智能交通控制系統的設計、仿真，并利用EP1C6Q240C8 FPGA芯片制作成控制系統進行測試，實現了對交通信號燈相對方向不同步的控制功能，可在實際應用中提高城市十字路口的車輛通行效率，緩解城市的交通壓力。本設計具有設計效率高、成本低、可靠性強、維護容易及可擴展性強等優點，展現了EDA技術和FPGA器件在智能交通控制方面應用的優越性。

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