復(fù)雜路口交通流量控制的FPGA實現(xiàn)方法

摘 要： 傳統(tǒng)交通控制器多數(shù)由單片機或PLC實現(xiàn)。FPGA不僅可解決電子系統(tǒng)小型化、低功耗、高可靠性等問題，而且其開發(fā)周期短、開發(fā)軟件投入少、芯片價格不斷下降，促使FPGA越來越多地取代了ASIC的市場，尤其是對小批量、多品種的產(chǎn)品需求，使之成為首選。本文介紹了一種復(fù)雜路口交通燈控制器的設(shè)計用FPGA實現(xiàn)的方法。

關(guān)鍵詞： FPGA VHDL 交通控制器

1.引言

1.1課題的提出

近年來，隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，城市的交通擁擠問題日趨嚴重，交通事故頻發(fā)，提高城市路網(wǎng)的通行能力、實現(xiàn)道路交通的科學(xué)化管理來減少路口交通事故迫在眉睫。因此研究開發(fā)出適合中國國情、性能價格比高的路口控制器成為一項特別緊迫的任務(wù)。

該語言因具備強大的行為描述能力和豐富的仿真語句而成為系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域最佳的硬件描述語言。

1.2 FPGA簡介

FPGA不僅可以解決電子系統(tǒng)小型化、低功耗、高可靠性等問題，而且其開發(fā)周期短、開發(fā)軟件投入少、芯片價格不斷降低，促使FPGA越來越多地取代了ASIC的市場，特別是對小批量、多品種的產(chǎn)品需求，使FPGA成為首選。

1.3 FPGA特點

（1）FPGA芯片的規(guī)模也是越來越大，其單片邏輯門數(shù)已達到上百萬門，所能實現(xiàn)的功能越來越強，同時還可以實現(xiàn)系統(tǒng)集成。

（2）FPGA芯片在出廠之前100%都做過測試，不需要設(shè)計人員承擔(dān)投資風(fēng)險和費用。而且資金投入少，節(jié)省許多潛在的開銷。

（3）用戶可以反復(fù)地編程，擦除，使用，或在外圍電路不變的情況下，用不同軟件就可實現(xiàn)不同功能。FPGA軟件易學(xué)易用，可以讓設(shè)計人員集中精力進行電路設(shè)計，快速將產(chǎn)品推向市場。

2.交通控制器系統(tǒng)的VHDL設(shè)計

2.1 VHDL語言概述

VHDL主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，行為，功能和接口。VHDL的語言形式和描述風(fēng)格與句法與一般的計算機高級語言十分類似。VHDL的程序結(jié)構(gòu)特點是將一項工程設(shè)計，或稱設(shè)計實體分成可視部分和不可視部分，即涉及實體的內(nèi)部功能和算法完成部分。

2.2 VHDL開發(fā)FPGA流程

用VHDL語言開發(fā)FPGA的完整流程為：文本編輯→功能仿真→邏輯綜合→布局布線→時序仿真→編程下載。

通常以上過程可以都在FPGA廠家提供的開發(fā)工具中完成，利用VHDL語言進行FPGA設(shè)計開發(fā)的基本流程如下：VHDL輸入→功能仿真→邏輯綜合→適配分割→布局布線→時序仿真→編程測試。

2.3交通控制器VHDL初步設(shè)計說明

初步設(shè)計主要是體現(xiàn)本次采用VHDL語言設(shè)計的設(shè)計思想，設(shè)計理念，設(shè)計方法。

在初步設(shè)計中暫不需要考慮以下幾點：

（1）開辟存儲單元，即系統(tǒng)開啟后運行的是固定的參數(shù)，不重新設(shè)置，運行參數(shù)不變；

（2）東西南北交通燈為簡單的紅綠黃三色燈，不帶指示箭頭，因而燈總數(shù)為12，需要的輸出控制線為6；

（3）南北向與東西向運行時間相同，即采用對偶式設(shè)計，因而時間置入只要簡單考慮南北向或東西向一種情況。

2.4初步設(shè)計要求

利用VHDL語言按照以下要求進行編程，具體要求如下：設(shè)計一個交通信號燈，要求能夠?qū)崿F(xiàn)手動和自動兩種控制方式，在手動方式下，通過觸發(fā)相應(yīng)的按鈕，進行東西向與南北向之間的交通信號的切換。在自動方式下，首先要能夠?qū)|西向與南北向的紅綠燈時間與黃燈時間進行設(shè)置，在確認設(shè)置數(shù)值后，啟動系統(tǒng)，要求系統(tǒng)按照所預(yù)置的數(shù)值運行。

2.5初步設(shè)計思想

該程序總體分為兩大部分，一為手動部分，二為自動部分，因此在程序設(shè)計時也應(yīng)該按照這兩個部分進行設(shè)計。

（1）自動部分。自動部分總體分為三大塊：一為設(shè)置部分，二為LED顯示部分，三為系統(tǒng)運行部分。整個系統(tǒng)設(shè)計的整體思想是，首先在設(shè)置部分對東西向與南北向的紅綠燈、黃燈時間進行設(shè)置，同時通過LED顯示部分，將所設(shè)置的數(shù)值在數(shù)碼管上顯示出來。接著，在系統(tǒng)運行部分，將設(shè)置部分所預(yù)設(shè)的數(shù)值作為整個系統(tǒng)運行的參數(shù)。

（2）手動部分。手動部分功能較為單一，只需通過觸發(fā)相應(yīng)的按鈕，實現(xiàn)東西向與南北向之間的交通信號的切換，即兩個方向上的紅綠燈切換。

3.結(jié)論與拓展

3.1結(jié)論

從上述的討論中，可以看到本次采用FPGA實現(xiàn)復(fù)雜路口流量控制器有其獨特的優(yōu)點，但也有不足之處。

3.2拓展

在總結(jié)和分析本次采用FPGA實現(xiàn)復(fù)雜路口交通流量控制器優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，我們可以看出本次設(shè)計的交通控制器可以做以下拓展：

（1）開辟動態(tài)的存儲單元，滿足運行參數(shù)組可增可減；

（2）信號燈控制輸出口可進一步時分復(fù)用，減少輸出口數(shù)量；

（3）信號燈左右拐時間可設(shè)計不同，以進一步滿足實際交通情況；

（4）24小時制數(shù)字時控脈沖發(fā)生器改進為可置數(shù)，以滿足交通流量變化時可重新預(yù)置時間段。

總之，采用FPGA實現(xiàn)復(fù)雜路口交通流量控制器可以根據(jù)用戶的具體要求實現(xiàn)不同的拓展。

參考文獻：

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