基于EDA技術的智能交通信號燈控制系統(tǒng)

賈 健

（石家莊優(yōu)創(chuàng)科技股份有限公司 河北 石家莊 050000）

1 引言

隨著城市的日新月異，私人汽車數(shù)量的不斷增加，交通燈的運行模式和管制變得越來越重要，智能數(shù)字化信息為基礎建立起的數(shù)字化城市不斷的發(fā)展。隨著數(shù)字電子技術的發(fā)展，當前數(shù)字系統(tǒng)的設計正向著速度快、容量大、體積小、重量輕的軌道上發(fā)展。現(xiàn)代化城市交通作為城市發(fā)展的一個重要問題引起人們的注意，智能交通燈控制系統(tǒng)也是應用電子技術中較為經(jīng)典的設計。傳統(tǒng)的電子設計方法電路應用元器件多、接線較復雜、故障率很高、系統(tǒng)維護不方便。EDA（Electronic Design Automation）技術近年來不斷發(fā)展，大大的縮短了研發(fā)周期，節(jié)約了成本。

本文采用EDA技術，基于VHDL語言，利用可編程邏輯器件（FPGA）器件通過QuartusⅡ軟件的功能仿真和調試，完成整個的系統(tǒng)設計。表現(xiàn)出了EDA技術的優(yōu)越性。不僅使系統(tǒng)設計的產(chǎn)品集成化、小型化，而且最重要的是提高了系統(tǒng)的故障率，由于系統(tǒng)具有可編程的優(yōu)點，從而大大降低設計成本費用、縮短了開發(fā)周期、方便進行產(chǎn)品的維修以及系統(tǒng)的升級。

系統(tǒng)總體功能描述：交通燈控制系統(tǒng)是每個城市必須的基礎設施，對人、車、路三者進行調控。根據(jù)交通規(guī)則的規(guī)定，來設計完成東西方向和南北方向的顯示時間功能和交通指示燈控制。在一個有一條主干道和一條支干道的實際十字路口，每條干道的每個入口設置了一組兩位數(shù)碼管顯示裝置和一組綠、紅、黃信號指示燈，分別用來顯示直行、左右轉彎、禁止通行的通行信息，確保車輛安全通行。

2 設計要求

（1）具有進行系統(tǒng)初始化的功能，起初每個路口都顯示紅燈10秒（可根據(jù)實際情況進行調試），然后所有路口均閃亮黃燈5秒（可調），所有數(shù)碼管熄滅指示燈，從而系統(tǒng)完成初始化并進入周期性的循環(huán)控制狀態(tài)。

（2）具有規(guī)律且穩(wěn)定的周期性循環(huán)指示狀態(tài)，循環(huán)周期為140秒。東西左轉彎、南北方向禁行時為狀態(tài)w0，狀態(tài)時間為25s；東西左轉彎、南北方向禁行時為狀態(tài)w1，狀態(tài)時間為5s；東西方向直行、南北方向禁行時為狀態(tài)w2，狀態(tài)時間為35s；東西方向直行、南北方向禁行時為狀態(tài)w3，狀態(tài)時間為5s；南北左轉彎、東西方向禁行時為狀態(tài)w4，狀態(tài)時間為20s；南北左轉彎、東西方向禁行時為狀態(tài)w5，狀態(tài)時間為5s；南北方向直行、東西方向禁行時為狀態(tài)w6，狀態(tài)時間為35s；南北方向直行、東西方向禁行時為狀態(tài)w7，狀態(tài)時間為5s。

（3）交通燈控制系統(tǒng)能夠實現(xiàn)秒表倒計時功能。

（4）遇見緊急狀態(tài)時，具有實現(xiàn)特殊狀態(tài)的緊急功能顯示控制，即所有路口指示燈都顯示紅燈，直到人為的解除該狀態(tài)，使之進入正常周期性循序工作。

（5）交通燈控制系統(tǒng)要有相應的抗干擾措施，來應對不同環(huán)境的影響，提高其可靠性。

3 硬件系統(tǒng)的總體設計各模塊的功能

各模塊功能如下：

（1）CLK時鐘模塊。CLK信號發(fā)生模塊采用分頻計數(shù)器來發(fā)出準確的秒脈沖信號，為控制模塊提供準確的時鐘脈沖信號。

（2）交通燈控制模塊。交通燈控制模塊用于控制干路、支路的交通燈狀態(tài)和倒計時顯示內(nèi)容，來顯示交通燈控制狀態(tài)表中的數(shù)據(jù)，完成交通的布控。

（3）數(shù)據(jù)顯示可控模塊。數(shù)據(jù)顯示可控模塊用于選擇和控制時間的動態(tài)顯示。

（4）譯碼管驅動模塊。譯碼管驅動模塊用于驅動數(shù)碼管進行倒計時輸出顯示。

（5）狀態(tài)顯示模塊。對交通燈的狀態(tài)顯示。

（6）倒計時顯示模塊。顯示保持交通燈目前的狀態(tài)剩余時間。

4 系統(tǒng)設計

根據(jù)十字路口位置情況，該路口的東、西方向的交通燈的亮滅和數(shù)碼管顯示的運行規(guī)律相同，南、北方向的交通燈亮滅和數(shù)碼管顯示的運的運行規(guī)律相同，因此，可以省去一半的輸出控制線。

本文采用目前成熟先進的EDA技術，基于VHDL硬件描述語言，采用FPGA芯片作為硬件電路，完全勝任本設計系統(tǒng)的需要。芯片中內(nèi)部主要由初始化電路、分頻、求模取余、譯碼函數(shù)、計數(shù)狀態(tài)譯碼、位選掃描等7個模塊組成，其中，Reset為復位控制端，CLK時鐘信號為12MHz，輸出端口NS[8..0]為南北方向的兩組紅、黃、綠六個指示燈，WE[8..0]為東西方向的兩組組紅、綠、黃六個指示燈，NS-Led[6..0]為南北方向路口的數(shù)碼管段碼端，WE-Led[6..0]為控制東西路口的數(shù)碼管段碼端口，Sel[1..0]為譯碼管的公共位選端。

5 程序設計

應用的FPGA芯片中的信號處理功能，只需借助分頻模塊主要功能是將12MHz的CLK時鐘信號分頻成為500Hz和1Hz不同的兩種信號。其中一個0.5KHz的時鐘信號用作系統(tǒng)的位選時鐘，并生成系統(tǒng)掃描位選信號；另一個1Hz 的CLK時鐘信號用于控制系統(tǒng)的計數(shù)處理。系統(tǒng)的初始化電路功能主要是實現(xiàn)交通燈控制系統(tǒng)進入循環(huán)運行的工作狀態(tài)，該電路主要實現(xiàn)15秒的初始化計數(shù)過程。

本設計利用QuartusII集成的開發(fā)系統(tǒng)對系統(tǒng)的初始化電路及整個控制系統(tǒng)進行了功能仿真。復位端Reset能控制初始化電路模塊，其時間長度為15秒。初始化任務完成以后，高電平有效的使能信號EN便輸出各循環(huán)系統(tǒng)。當系統(tǒng)完成系統(tǒng)的初始化之后，主控循環(huán)計數(shù)電路模塊便對1HZ時鐘信號進行模為140 的循環(huán)計數(shù)，輸出共140個十進制數(shù)為0，1，2 到139。各個計數(shù)狀態(tài)經(jīng)主控模塊進行譯碼之后，一部分轉換為東西方向、南北方向的紅、綠、黃共12個指示信號，另一部分轉換為東西、南北方向的倒計時兩位十進制數(shù)碼顯示。

6 實物測試

通過擴展導線將EDA實驗箱與外部電路板進行連接，將程序下載到芯片EP1K10TC100 -3進行實物模擬調試。經(jīng)過仿真后，本系統(tǒng)達到了預期的設計要求，實現(xiàn)了對十字路口交通指示信號的智能運行控制。

7 結語

本文用LED交通燈指示模擬電路板以及數(shù)碼管顯示模擬電路板和EDA技術、基于VHDL語言及FPGA芯片。系統(tǒng)功能完備，成本低，運行可靠。并在編程過程中充分考慮并利用了時鐘電路的計數(shù)狀態(tài)所對應的信息，實現(xiàn)了十字路口的交通燈的運行控制。系統(tǒng)仿真分析證明，本系統(tǒng)設計是成功的和符合實際的。不過在本次設計中也意識到存在著一些不足，比如在人機交互方面增加一些控制模塊，則可以實現(xiàn)管理者的手工調整交通燈的運行狀態(tài)及系統(tǒng)的升級。

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