基于VHDL的交通綠波帶控制系統設計

薛開伍 湖南師范大學 410081

解決城市主干道擁堵問題，行之有效的方法是搭建交通綠波帶，讓車輛盡快通過，從而提高單位時間內車輛通行效率。對此，需要先設計出各個路口合適的交通燈模式，測算和獲取設計所需的交通參數和信號燈參數，測算出最人性化的行人綠燈時間，選擇合適的交通燈變換周期。本文選擇某城市WY大道上的三個路口，利用VHDL硬件描述語言進行綠波帶交通燈系統設計，具有很強的移植性，稍作改編，可用于更大更復雜的交通綠波帶設計。

1 參數的獲取與處理

在設計一條在主干線上的交通綠波帶時，主要原則利用優化算法對各種參數進行處理，從而確定出一條延誤時間最短的干線綠波帶。有很多參數需要實地考察或者建模計算來確定。

1、 路段長度及車速：

路段選擇以WY大道牌樓口為起點A，其與WY大道桃子湖路口B相距476米，而B與WY大道新民路口C相距924米。從起點A到終點C總長達1.4公里。

經實地考察，南北走向車輛速度一般為60Km/h，而東西走向直行都是行人和非機動車，東西左轉的車流量較小。

2、 周期時長

為了干線上的各交叉口的信號燈能協調統一，各個信號燈的周期必須相同。一般情況下，信號燈周期不能小于一分鐘，否則會出現車輛和行人無法及時通過路口以致交叉路口堵塞。周期也不能太長，因為A路口到B路口的距離只有四百多米，在車流速度平均為50-60Km/h的情況下，只需半分鐘車輛就可以穿過，若周期時長大于三分鐘，就會造成較長放入延誤時間，甚至會導致延誤放入車輛由第一個路口延伸到下一路口。本文將A、B、C三個路口的信號燈周期都定為180秒。

3、 綠信比

綠信比定義為：在一個周期下，一個路口的綠燈時長與總周期時長的比率。綠信比是調節其所在路口的通行能力的重要參數。在交叉路口中，一個方向的綠信比增加必須是以減少另一方向的綠信比為代價，所以在確定綠信比時一定要如實反映路口的車流量，以達到各個方向的通行能力一致。

4、 相位及相位差

一個路口的交通燈相位設置要兼顧各個方向車輛通行的需求，不合理的相位設置會導致交通混亂及交通堵塞。

本文所實現的交通綠波帶主要靠調節相位差，使相位差的時間剛好是車流通過這些交叉口的時間差。這樣，當車輛從路口出發到達下一路口時，剛好是綠燈。由于三個路口的信號燈周期一致，只要實現第一次信號燈相位差優化成綠波帶，接下來每個周期的相位差就固定下來了，從而實現一條持續的綠波帶。

在測得各路口的車流速度和路段距離的情況下，可依據公式pn=sn/v求得相位差。

其中pn為相位差，單位是秒，sn為路段的長度，單位是米，v是平均車流速度，單位是m/s。實際中不同方向的平均車速是一個不定值，它會隨著上下班高峰期、節假日出城高峰或返程高峰、上下學時間變動。為了工程上的簡便，讓相位差是整數，取v=57Km/h，s1=476m，s2=924m代入上式，得p1=30s，p2=60s。

2 綠波系統的設計及仿真

2.1 系統框架和程序設計

本文采用雙向綠波帶模式進行設計，可以全時段地實現干線的上行和下行無滯留調制。對于兩個端口，要求當其開放主干線的通行權時，既要作為入口去放行一波將駛入綠波帶的車流，同時要作為出口去精準無滯留地放行一波已駛過綠波帶的車流。對于路段中間的交叉口，由于上下游的路口距離不同，很難做到每次放行都是剛好囊括兩個方向的綠波帶，所以其主干線的通行時間較長，同時綠信比增大、效率下降。這是無法避免卻可以通過系統設計來優化的問題。

2.1.1 綠波系統框架的設計

在一個周期中A、C路口相位1的通行權時間為80s，其他相位的總通行時間為100s，而B路口的相位1通行時間為140s，其他相位的總通行時間為40s。對于A、C路口，其綠信比是能夠忠實反映個方向的車流量的，在對其進行信號燈設計時，按照正常的相位依次轉換模式設計即可。而對于B路口，顯然其主干線的綠信比過大，留給其他的相位的通行權時間總共只有40s，再采用上述模式是行不通的，需要適當權衡和改變。

假設0s時刻C點交叉口調制出80s主干道的通行權，那么大概在60s的時刻，放行的這一波車流開始通過B點交叉口，大概在90s時刻開始通過A點交叉口。在A點交叉口開放80s通行權時，也有自A至C的車流駛入，這時候反向推算上述綠波即可。A、B、C交叉口的信號周期皆為180s，其中C路口的綠波帶從0s開始，B路口的綠波帶從60s開始，A路口的綠波帶從90s開始。值得注意的是：由于雙向綠波帶的特性，B路口的相位1的綠信比要大于A、C兩路口的，故對其要單獨設計。

對于C路口，主干線綠波帶從0s開始，持續80s，所以在0-80s，主干線直行綠燈亮，其他方向紅燈亮，爾后跳轉到其他相位通行；如果選擇相位2通行，會造成支干線的紅燈大于100s，由于交通燈的計時顯示設計大多兩位數，產生計時溢出；如果選擇相位3通行，就可以完美避免這種問題。所以在80-110s，相位3獲得通行權，支干線直行綠燈亮，其他方向紅燈亮。在110-150s，相位2獲得通行權，主干線左轉綠燈亮，其他方向紅燈亮。在150-180s，相位4獲得通行權，支干線左轉綠燈亮，其他方向紅燈亮。至此，一個周期完畢，進入下一個周期循環。

對于A路口，其相位1的綠信比與C路口一樣，但是其綠波帶開始時間要滯后于C路口90s。為了工程簡便，A、C路口交通燈設計一樣。

B路口的情況要復雜一些，140s的相位1需轉換成70s的相位1通行權加上70s的相位1和相位2的通行權。在前70s，自C至A方向的綠波帶所帶來的車流差不多都通行完畢，而后70s的車流量主要是自A至C方向的車輛，再結合WY大道特殊的T字型路口，這時候主干線的直行和左轉（也就是相位1和相位2）一起進行，不會給B路口帶來大的交通混亂。所以B路口可以實行以下信號燈模式：從C路口周期時間的60s起，前70s相位1獲得通行權，主干線直行綠燈亮，其他方向紅燈亮。接下來70s里，相位1和相位2獲得通行權，主干線直行和主干線左轉綠燈亮，其他方向紅燈亮。然后是20s的相位3獲得通行權，支干線直行綠燈亮，其他方向紅燈亮。最后是20s的相位4獲得通行權，支干線左轉綠燈亮，其他方向紅燈亮。至此一個180s為周期的信號燈設計完畢。

2.1.2 單個交通燈的程序設計

本文只采用紅綠兩種燈色和兩位LED倒計時顯示器來設計。根據系統框架所設計的四種相位，狀態機也應有四種狀態：zz、zl、cz、cl，分別代表相位1、相位2、相位3、相位4。采用TYPE類型（用戶自定義的數據類型）來定義這些狀態。

type states is (zz,zl,cz,cl);

variable change0,change1,change2:states;

然后再具體的狀態下進行減數計時和狀態判斷轉換。

其中要注意存儲倒計時的變量是8位二進制，要轉換成8為BCD碼，以便于顯示模塊的表達。轉換方法是遇到第四位全為0且減數計時上升沿發生時，整個向量減去7，其他情況均是減去1。

設計時鐘計時模塊時，假設外部時鐘源的頻率是10MHZ，要利用其生成一個頻率為1HZ的一位字，以供減數計時參考。這個模塊需要用進程子程序來實現，優勢是只要外部時鐘源有變動，進程就會順序執行一次內部命令。

2.1.3 程序設計

VHDL語言IF語句是并行執行的，而三個路口聯動需要順序判斷。首先在系統剛開始就讓C路口進入工作狀態，任一工作狀態皆可。如果計時所用存儲變量超過正常的數值，就強制其進入周期的開始階段。

接著是判斷C路口的狀態從而讓B路口適時進入新的周期循環，綠波系統設計指明在C路口開始計數60s后B路口開始新的周期，這就需要if判斷語句：

b的作用有兩個，一個是起始標記向量，當周期開始條件滿足時，b為1，表示B路口交通燈程序已經在運行，b為0時，表示B路口交通燈程序還未開始。另一個是狀態機轉換標記向量，在程序運行中，要不停的判斷是否進行狀態轉換，b=0時，表示正在轉換，b=1時，表示無需轉換。

最后是A路口的交通燈聯動，A路口的程序設計與B路口類似，只是觸發周期條件不同，A路口是在C路口交通燈周期開始后的90s開始循環。

三個交通燈的周期時長都是180s，可以很完美的嵌合循環。

頭文件中需引用std_logic_unsigned程序包文件，便于不同的數據類型相互賦值和計算。分別用Process進程語句構建時鐘計時模塊和交通狀態機模塊。

2.2 運用QuartusⅡ匯編與仿真

為了方便仿真，將f分配為一組每2ns改變一次電平的方波，選擇QuartusⅡ Simulator下的功能仿真。

仿真結果表明，在外部時鐘源跳變的開始，C路口就進入了工作狀態的相位1并且開始倒數計時，對應的存儲倒計時變量zhu0和zhi0一起從10000000開始減數變化，代表著從80s開始倒計時。

在C路口開始工作后的60s之內，B路口的交通燈一直處于待機狀態，各種變量持續為0。從60s時起，B路口開啟工作狀態，進入以180s為周期的交通燈循環。

在C路口的80s倒計時結束時，C路口的交通燈模式便發生了轉換。zhu0和zhi0計時寄存器重載數值為30s倒計時，而且led0的數值變為001010，標志著相位2獲得通行權。

從90s時起，zhu0和zhi0寄存器數值為00100000，A路口開始進入工作狀態，工作模式和運作流程與C路口一樣，只是在周期上延遲了90s。結果表明這些波紋圖形和數據表明仿真結果與預期一致。

結論

本文通過VHDL語言設計交通綠波帶，并通過QuartusⅡ的編譯仿真功能來解決WY大道存在的擁堵問題，通過交通燈所需的各種參數分析，比如岔路口形狀、相位差、綠信比、平均車速等，根據測算出的數據構建出綠波帶系統的框架，然后根據硬件描述語言的特性去編寫程序，選擇芯片，編譯分析與仿真。仿真結果表明本設計能很好地達到預期效果。