FPGA下的交通路口紅綠燈控制系統(tǒng)探討

高竟全

（廣東古田智能科技有限公司,廣東 佛山 528200）

FPGA下的交通路口紅綠燈控制系統(tǒng)探討

高竟全

（廣東古田智能科技有限公司,廣東 佛山 528200）

摘要：隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們生活水平不斷提高，各種私家車數(shù)量大幅度增長，汽車已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚慕煌üぞ摺５瞧囋诮o我們帶來極大便利的同時，也帶來了交通事故頻發(fā)、城市污染、能源緊缺、交通堵塞等問題，因此FPGA下的交通路口紅綠燈控制系統(tǒng)的研究和開發(fā)，對于改善城市交通狀況有著重要的現(xiàn)實意義。本文簡要介紹了FPGA系統(tǒng)，分析了FPGA下的交通路口紅綠燈控制系統(tǒng)仿真設(shè)計。

關(guān)鍵詞：FPGA；交通路口；紅綠燈控制系統(tǒng)

FPGA是一種重要的現(xiàn)場可編程門陣列，用戶在對FPGA系統(tǒng)升級或者改造時，只需要通過計算機直接更換和修改程序，有效縮短了系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)周期，提高了硬件設(shè)計的可靠性和靈活性。FPGA下的交通路口紅綠燈控制系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)可編程器件控制系統(tǒng)的缺點，系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定可靠。

1　FPGA系統(tǒng)概述

現(xiàn)場可編程門陣列FPGA，其是一種基于CPLD、GAL、PAL等可編程器件的新興發(fā)展產(chǎn)物。FPGA是ASIC集成電路領(lǐng)域中一種重要的半定制電路，不僅克服了傳統(tǒng)可編程器件門電路數(shù)量的限制，而且提高了電路設(shè)計的靈活性。FPGA具有無需測試、質(zhì)量穩(wěn)定、開發(fā)周期短、設(shè)計成本低、設(shè)計規(guī)模大、速度快、可靠性高等優(yōu)點。FPGA主要由嵌入功能單元、嵌入式隨機存儲器RAM、可編程輸入輸出單元、內(nèi)嵌式專用硬核、可編程邏輯單元和布局布線資源等組成[1]。FPGA的硬件結(jié)構(gòu)具有靈活的重構(gòu)性，設(shè)計人員可采用Verilog HDL、VHDL等描述語言進行編程，對FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行重組配置，組成不同硬件結(jié)構(gòu)的電子系統(tǒng)，實現(xiàn)設(shè)計功能。

2　FPGA下的交通路口紅綠燈控制系統(tǒng)仿真設(shè)計

FPGA的交通路口紅綠燈控制系統(tǒng)采用VHDL編程語言，主要包括直行方向控制模塊和左轉(zhuǎn)方向控制模塊。岔路口車輛通行方

向示意圖如圖所示。基于FPGA的交通路口紅綠燈控制系統(tǒng)的順序為：先直行方向a—b—c—d，后左轉(zhuǎn)方向aa—bb—cc—dd，如此反復(fù)循環(huán)。直行方向a、b、c、d方向和左轉(zhuǎn)方向aa、bb、cc、dd信號相位分別對應(yīng)一致。FPGA的交通路口紅綠燈控制系統(tǒng)包含48路輸出信號和8路輸入信號，以1Hz時鐘脈沖為控制系統(tǒng)的時鐘。

圖1　岔路口車輛通行方向示意圖

2.1控制信號設(shè)計

（1）直行方向控制系統(tǒng)的信號相位。當(dāng)a方向路口有行駛車輛，a方向信號燈變?yōu)榫G色，a方向累加器開始計數(shù)，這時監(jiān)測c方向是否有行駛車輛，如果有車輛，c方向信號燈變?yōu)榫G色，c方向累加器開始計數(shù)，當(dāng)c累加器計數(shù)到6時，信號燈變?yōu)辄S色，4s后再變?yōu)榧t色，并且判斷dd方向路口是否有行駛車輛，如果有車輛，dd方向信號燈變?yōu)榫G色，dd累加器開始計數(shù)，當(dāng)dd累加器計數(shù)到6時，信號燈變?yōu)辄S色，4s后再變?yōu)榧t色，再判斷aa路口是否有行駛車輛，如果有車輛，aa信號燈變?yōu)榫G色，aa器開始計數(shù)，當(dāng)aa器計數(shù)到6時，信號燈變?yōu)辄S色，4s后再變?yōu)榧t色。如此反復(fù)循環(huán)，當(dāng)a累加器計數(shù)到26時，aa、dd、c、a方向信號燈為黃色，4s后變?yōu)榧t色，再開始b相位運行[2]。

（2）左轉(zhuǎn)方向控制系統(tǒng)的信號相位。當(dāng)aa方向路口有行駛車輛，cc方向和aa方向信號燈同時變?yōu)榫G色，aa累加器開始計數(shù)，如果aa方向行駛車輛結(jié)束，或者aa累加器計數(shù)到6時，cc方向和aa方向信號燈同時變?yōu)辄S色，4s后再變?yōu)榧t色。再檢測bb方向是否有行駛車輛，如果有車輛，dd方向和bb方向信號燈同時變?yōu)榫G色，bb累加器開始計數(shù)，如果bb方向行駛車輛結(jié)束，或者bb累加器計數(shù)到6時，dd方向和bb方向信號燈同時變?yōu)辄S色，4s后再變?yōu)榧t色。如上所述，cc方向和dd方向信號相位也是如此變化。

2.2車輛檢測模塊設(shè)計

FPGA下的交通路口紅綠燈控制系統(tǒng)中的車輛檢測模塊主要用于檢測通行車輛，通過采集圖像傳感器信號，進行數(shù)據(jù)處理，判決信號閥值，一旦有車輛通過檢測區(qū)域，及時發(fā)出響應(yīng)脈沖信號。車輛檢測模塊采用matlab算法進行系統(tǒng)仿真設(shè)計，并且將每一幀像素信息存儲在數(shù)據(jù)矩陣中，以二進制數(shù)據(jù)文件作為FPGA控制系統(tǒng)的輸入激勵，實時檢測像素點。假設(shè)像素點個數(shù)為37，在接收響應(yīng)脈沖信號后，計數(shù)器進行控制技術(shù)，計數(shù)到37后，啟動下一個響應(yīng)脈沖。累加器持續(xù)技術(shù)后，逐位累加處理每一幀信號，累加到37后，將結(jié)果輸入減法器，在時序控制計數(shù)狀態(tài)下，減法器將寄存器的灰度累加值和當(dāng)前幀累加值做差，然后輸出到比較器，比較器通過比較門限值和差值，如果差值超過門限值，輸出高脈沖信號，說明有車輛經(jīng)過[3]。

2.3車流量統(tǒng)計模塊設(shè)計

車流量統(tǒng)計模塊主要是對經(jīng)過車輛脈沖信號進行計數(shù)，計算一定時間段內(nèi)車輛通過數(shù)量，輸出采樣脈沖。基于FPGA的交通路口紅綠燈控制系統(tǒng)的車流量統(tǒng)計模塊可采用0～65535計數(shù)器，進行時鐘計數(shù)，當(dāng)?shù)竭_65535計數(shù)值時，輸出高脈沖，脈沖信號周期為1ms。車流量統(tǒng)計模塊的計數(shù)器接收到檢測信號時，計算車輛檢測脈沖數(shù)，每個有效脈沖，計數(shù)器加1，并且將采樣脈沖和車輛量計數(shù)值輸出到控制系統(tǒng)，當(dāng)檢測信號由有效轉(zhuǎn)變?yōu)闊o效時，高電平脈沖信號變?yōu)榈碗娖剑@時檢測脈沖信號的下降沿。當(dāng)接收到有效的清零脈沖時，計數(shù)器立刻清零。

3　結(jié)束語

近年來，現(xiàn)代化城市建設(shè)快速發(fā)展，城市交通壓力日益增大。交通路口紅綠燈控制系統(tǒng)是城市交通系統(tǒng)設(shè)計的重要內(nèi)容，基于FPGA系統(tǒng)，可有效提高交通路口紅綠燈控制系統(tǒng)設(shè)計的可靠性和靈活性，在未來的發(fā)展過程中，積極應(yīng)用先進的科學(xué)技術(shù)，進一步完善和優(yōu)化FPGA下的交通路口紅綠燈控制系統(tǒng)，使其發(fā)揮更加重要的作用。

參考文獻：

[1]王維松.基于FPGA的交通路口紅綠燈控制系統(tǒng)[D].合肥工業(yè)大學(xué),2012.

[2]高瑜.基于FPGA的交通信號燈的智能控制系統(tǒng)[D].河北工業(yè)大學(xué),2012.

[3]王振華.多路口交通信號邏輯規(guī)則控制系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[D].武漢理工大學(xué),2010.