基于FPGA的嵌入式交通信號控制器的設計與應用

江蘇商貿職業學院 高 敏

基于FPGA的嵌入式交通信號控制器的設計與應用

江蘇商貿職業學院 高 敏

隨著社會的快速發展,城市車輛的數量逐漸增多,城市路網已經無法滿足城市交通需求,交通擁堵問題逐漸凸現出來,在一定程度上阻礙了城市經濟發展。在已有的城市路網條件下,要想緩解城市交通擁堵問題,就需要采取科學的手段。交叉口已經成為路網管理的重點和難點。如今,各項科技迅猛發展,FPGA的嵌入式交通信號控制器被廣泛應用于城市路網中,提高了交通管理水平。FPGA的嵌入式的交通信號控制器設計是發揮FPGA的嵌入式交通信號控制器作用的基礎和前提,設計人員需要合理制定FPGA的嵌入式交通信號控制器設計方案,保證設計的合理性。

FPGA的嵌入式;交通信號控制器;設計;應用

如今,我國交管部門主要應用交通信號控制器對交叉口的交通狀況進行監督和管理,但是傳統交通信號控制器相對落后,已經無法滿足交通管理需求。在新形勢下,FPGA的嵌入式交通信號控制器被廣泛應用于交通管理中。FPGA的嵌入式交通信號控制器具有以下特點:一是低功耗,二是開發周期短,三是功能齊全,四是運算效率高,五是支持多種通信方式。以上特點也是FPGA的嵌入式交通信號控制器廣泛應用于交通管理中的原因。

一、基于FPGA的嵌入式交通信號控制器的設計方法

(一)FPGA平臺

隨著社會的快速發展,微電子技術也得到迅猛發展,大規模集成電路已經完全取代了傳統的電子管電路。但是,對于一些小型的電路集成公司而言,怎么才能提高產品更換的效率,成為企業能否在激烈的社會競爭中生存和發展的關鍵點。即便ASIC具有一定的應用優勢,但是ASIC的應用成本比較長,需要消耗大量的人力和物力。FPGA可以隨意更改設計模板,不僅可以縮短交通信號控制器的設計時間,還可以降低交通信號控制器的開發成本,提高企業的經濟效益。FPGA是1970年發明出來的,隨著微電子技術的快速發展,FPGA也在不斷完善,已經成為交通信號控制器設計的關鍵硬件。目前,FPGA的嵌入式交通信號控制器的編程類別有以下幾種:一是編程制度存儲器,二是現場可編程邏輯,三是可擦除可編程邏輯,四是復雜可編程邏輯器,五是可編程門陣列。

(二)FPGA的結構

FPGA內部包含了一定數量的可編輯模塊,這些模塊的運行非常靈活。除此之外,FPGA內部還包含了以下幾個部分:一是I/O模塊,二是可編程連線。目前,市場上廣泛應用的FPGA均為查找表結構。查找表實際上就是RAM,如果FPGA嵌入式交通信號控制器設計人員把HDL作為設計的主要編輯電路,設計軟件會根據輸入的電路編輯,計算出所需要的數據,并把結果填入RAM,這樣的形式就是查找表。可編輯模塊CLB由以下幾個部分構成:一是觸發器,二是函數發生器,三是數據選擇器,以上幾個部分也是實現FPGA設計的基礎性單元。可編輯模塊CLB內部元件的數量受到內部器件的限制和影響,CLB內部會設置開關矩陣,開關矩陣的數量不需要太多,開關矩陣主要由觸發器以及電路組成。相比而言,開關矩陣的靈活性比較高,開關矩陣的功能有:一是處理移位寄存器,二是處理RAM,三是組合邏輯。I/O模塊主要由以下幾個部分組成:一是輸入緩沖器,二是輸入觸發器,三是輸出緩沖器,四是輸出觸發器,五是輸出鎖存器。I/O模塊的主要功能為:一是實現外引腳的連接,二是匹配電路的輸入和輸出驅動。I/O模塊會設置在芯片附近,普通的外引腳都可以實現編程配置,I/O模塊的應用可以提高FPGA的靈活性,完善了FPGA。FPGA的模塊與I/O模塊的連接主要是依靠IR得以實現,而可編程資源主要是通過不同長度的連線連接在一起,一定數量的連接線組成了網狀的結構,分布在芯片結構的內部,開關矩陣可以控制連線的連接狀態。連接線分為以下幾種:一是單長度線,二是雙長度線。其中,單長度線實際上就是連接相鄰的I/O模塊,雙長度線就可以把不相鄰的I/O模塊連接在一起。

(三)FPGA的嵌入式交通信號控制器的設計方法

為了提高FPGA設計的效率,保證FPGA設計質量,EDA設計理念被廣泛應用于FPGA嵌入式交通信號控制器設計中,而且EDA的設計方法也在不斷做出調整和完善。EDA設計主要是應用以下幾種技術:一是計算機技術,二是軟件技術,以上技術可以幫助設計人員在最短的時間內設計出滿意的作品。隨著社會的快速發展,硬件描述語言被發明出來,為EDA設計提供了便利。EDA設計主要是采用自頂向下的設計模式,自頂向下實際上就是設計人員在開展FPGA嵌入式交通信號控制器設計之前,設計人員會從交通信號控制器的功能設計入手,然后再開展各個模塊的設計,并運用VHDL語言對系統的模塊展開描述,采用先進的仿真技術對于交通信號控制器的功能設計進行驗證,如果交通信號控制器功能設計通過則進行網表的設計和生成,隨后可編輯器會自動在生成的網表內布線,形成功能性電路。自頂而下的設計方法主要就是針對PLD器件設計的,設計人員可以不按照傳統的設計方法,也不需要考慮器件是否具備適用性,FPGA嵌入式交通信號控制器設計人員可以結合實際情況合理的選擇適合FPGA系統的模塊,并充分發揮出各個模塊的功能,提高FPGA嵌入式交通信號控制器設計的靈活性,保證交通信號控制器設計的合理性。相比于傳統的FPGA嵌入式交通信號控制器設計方法,在EDA設計系統內,可以應用硬件語言對系統模塊進行描述,這樣就省去了很多不必要的麻煩和步驟,降低了FPGA嵌入式交通信號控制器設計難度,降低能源的消耗,降低錯誤率,縮短FPGA嵌入式交通信號控制器設計時間。硬件代碼的可移植性非常強,而且便于保存和管理。

二、基于FPGA的嵌入式交通信號控制器的應用

FPGA嵌入式交通信號控制器上必須具備以下幾個基礎性元素:一是儲存,二是顯示,三是通信,這樣才能實現交通信號的統一管理。因此,FPGA嵌入式交通信號控制器必須具有以下模塊:一是信號機控制模塊,二是信號驅動模塊,三是通信模塊,四是人機交互模塊,五是數據存儲模塊,六是計時顯示模塊,七是時鐘模塊。信號機控制模塊主要的功能就是負責信號機傳輸信號的整理和保存,實現信息數據的快速傳輸,提高信息數據的利用率。計時模塊的主要功能就是保證交通信號控制器上顯示正確的時間,并對相位進行計時,這樣可以更好的提醒車輛駕駛者當前道路的交通狀況。人機交互模塊的主要功能就是信號機上的信息數據會在第一時間傳輸到現場工作人員的手上,方便現場工作人員開展工作。數據儲存模塊的功能就是保證信號機上的數據信息可以完整保存,避免數據信息的丟失,為工作人員開展工作提供數據依據。

三、結語

FPGA可以隨意更改設計模板,不僅可以縮短交通信號控制器的設計時間,還可以降低交通信號控制器的開發成本,提高企業的經濟效益。隨著微電子技術的快速發展,FPGA也在不斷完善,已經成為交通信號控制器設計的關鍵硬件。FPGA的模塊與I/O模塊的連接主要是依靠IR得以實現,而可編程資源主要是通過不同長度的連線連接在一起,一定數量的連接線組成了網狀的結構。如今, EDA設計理念被廣泛應用于FPGA嵌入式交通信號控制器設計中,而且EDA的設計方法也在不斷做出調整和完善。設計人員會從交通信號控制器的功能設計入手,然后再開展各個模塊的設計,并語言VHDL語言對系統的模塊展開描述,采用先進的仿真技術對于交通信號控制器的功能設計進行驗證。設計人員可以結合實際情況合理的選擇適合FPGA系統的模塊,并充分發揮出各個模塊的功能,提高FPGA嵌入式交通信號控制器設計的靈活性。

[1]楊燦。基于FPGA的交通信號控制器的研究與設計[D]。中南大學,2014.

[2]劉鋼。基于FPGA的激光筆輔助教學系統[D]。上海交通大學,2011.

[3]彭杏波。基于FPGA的交通信號模糊控制器的設計[D]。蘭州理工大學,2011.

[4]曹純子。基于嵌入式系統的智能交通燈管理系統的研究[D]。山東理工大學,2011.

[5]李義國。多相位智能交通信號控制器的研究[D]。西華大學,2013.