FPGA下的交通路口紅綠燈控制系統探討

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：隨著我國經濟的快速發展，人們生活水平不斷提高，各種私家車數量大幅度增長，汽車已經成為人們日常生活中不可缺少的交通工具。但是汽車在給我們帶來極大便利的同時，也帶來了交通事故頻發、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的研究和開發，對于改善城市交通狀況有著重要的現實意義。本文簡要介紹了FPGA系統，分析了FPGA下的交通路口紅綠燈控制系統仿真設計。

關鍵詞：FPGA；交通路口；紅綠燈控制系統

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

1　FPGA系統概述

現場可編程門陣列FPGA，其是一種基于CPLD、GAL、PAL等可編程器件的新興發展產物。FPGA是ASIC集成電路領域中一種重要的半定制電路，不僅克服了傳統可編程器件門電路數量的限制，而且提高了電路設計的靈活性。FPGA具有無需測試、質量穩定、開發周期短、設計成本低、設計規模大、速度快、可靠性高等優點。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的硬件結構具有靈活的重構性，設計人員可采用Verilog HDL、VHDL等描述語言進行編程，對FPGA內部結構進行重組配置，組成不同硬件結構的電子系統，實現設計功能。

2　FPGA下的交通路口紅綠燈控制系統仿真設計

FPGA的交通路口紅綠燈控制系統采用VHDL編程語言，主要包括直行方向控制模塊和左轉方向控制模塊。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的順序為：先直行方向a—b—c—d，后左轉方向aa—bb—cc—dd，如此反復循環。直行方向a、b、c、d方向和左轉方向aa、bb、cc、dd信號相位分別對應一致。FPGA的交通路口紅綠燈控制系統包含48路輸出信號和8路輸入信號，以1Hz時鐘脈沖為控制系統的時鐘。

圖1　岔路口車輛通行方向示意圖

2.1控制信號設計

（1）直行方向控制系統的信號相位。當a方向路口有行駛車輛，a方向信號燈變為綠色，a方向累加器開始計數，這時監測c方向是否有行駛車輛，如果有車輛，c方向信號燈變為綠色，c方向累加器開始計數，當c累加器計數到6時，信號燈變為黃色，4s后再變為紅色，并且判斷dd方向路口是否有行駛車輛，如果有車輛，dd方向信號燈變為綠色，dd累加器開始計數，當dd累加器計數到6時，信號燈變為黃色，4s后再變為紅色，再判斷aa路口是否有行駛車輛，如果有車輛，aa信號燈變為綠色，aa器開始計數，當aa器計數到6時，信號燈變為黃色，4s后再變為紅色。如此反復循環，當a累加器計數到26時，aa、dd、c、a方向信號燈為黃色，4s后變為紅色，再開始b相位運行[2]。

（2）左轉方向控制系統的信號相位。當aa方向路口有行駛車輛，cc方向和aa方向信號燈同時變為綠色，aa累加器開始計數，如果aa方向行駛車輛結束，或者aa累加器計數到6時，cc方向和aa方向信號燈同時變為黃色，4s后再變為紅色。再檢測bb方向是否有行駛車輛，如果有車輛，dd方向和bb方向信號燈同時變為綠色，bb累加器開始計數，如果bb方向行駛車輛結束，或者bb累加器計數到6時，dd方向和bb方向信號燈同時變為黃色，4s后再變為紅色。如上所述，cc方向和dd方向信號相位也是如此變化。

2.2車輛檢測模塊設計

FPGA下的交通路口紅綠燈控制系統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，進行數據處理，判決信號閥值，一旦有車輛通過檢測區域，及時發出響應脈沖信號。車輛檢測模塊采用matlab算法進行系統仿真設計，并且將每一幀像素信息存儲在數據矩陣中，以二進制數據文件作為FPGA控制系統的輸入激勵，實時檢測像素點。假設像素點個數為37，在接收響應脈沖信號后，計數器進行控制技術，計數到37后，啟動下一個響應脈沖。累加器持續技術后，逐位累加處理每一幀信號，累加到37后，將結果輸入減法器，在時序控制計數狀態下，減法器將寄存器的灰度累加值和當前幀累加值做差，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，說明有車輛經過[3]。

2.3車流量統計模塊設計

車流量統計模塊主要是對經過車輛脈沖信號進行計數，計算一定時間段內車輛通過數量，輸出采樣脈沖。基于FPGA的交通路口紅綠燈控制系統的車流量統計模塊可采用0～65535計數器，進行時鐘計數，當到達65535計數值時，輸出高脈沖，脈沖信號周期為1ms。車流量統計模塊的計數器接收到檢測信號時，計算車輛檢測脈沖數，每個有效脈沖，計數器加1，并且將采樣脈沖和車輛量計數值輸出到控制系統，當檢測信號由有效轉變為無效時，高電平脈沖信號變為低電平，這時檢測脈沖信號的下降沿。當接收到有效的清零脈沖時，計數器立刻清零。

3　結束語

近年來，現代化城市建設快速發展，城市交通壓力日益增大。交通路口紅綠燈控制系統是城市交通系統設計的重要內容，基于FPGA系統，可有效提高交通路口紅綠燈控制系統設計的可靠性和靈活性，在未來的發展過程中，積極應用先進的科學技術，進一步完善和優化FPGA下的交通路口紅綠燈控制系統，使其發揮更加重要的作用。

參考文獻：

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

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

[3]王振華.多路口交通信號邏輯規則控制系統研究與實現[D].武漢理工大學,2010.