基于FPGA技術(shù)的交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

交通燈是城市交通監(jiān)管系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)于保證機(jī)動(dòng)車輛的安全運(yùn)行，維持城市道路的順暢起到了重要作用。目前很多城市交叉路口的交通燈實(shí)行的是定時(shí)控制，燈亮的時(shí)間是預(yù)先設(shè)定好的，在時(shí)間和空間方面的應(yīng)變性能較差，一定程度上造成了交通資源的浪費(fèi)，加重了道路交通壓力。本文在EDA技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用FPGA的相關(guān)知識(shí)設(shè)計(jì)了交通燈控制系統(tǒng)，可以根據(jù)實(shí)際情況對(duì)燈亮?xí)r間進(jìn)行自由調(diào)整，整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)通過(guò)Max+PlusⅡ軟件進(jìn)行了模擬仿真，并下載到FPGA器件中進(jìn)行硬件的調(diào)試，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的交通信號(hào)燈控制電路完全可以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能，具有一定的實(shí)用性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

所設(shè)計(jì)的交通信號(hào)燈控制電路，主要適用于在兩條干道匯合點(diǎn)形成的十字交叉路口，路口設(shè)計(jì)兩組紅綠燈分別對(duì)兩個(gè)方向上的交通運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行管理。交通燈的持續(xù)閃亮?xí)r間由鍵盤(pán)輸入控制。燈亮?xí)r序如圖1所示，當(dāng)B方向的紅燈亮?xí)r，A方向?qū)?yīng)綠燈亮，由綠燈轉(zhuǎn)換成紅燈的過(guò)渡階段黃燈亮，即B方向紅燈亮的時(shí)間等于A方向綠燈和黃燈亮的時(shí)間之和。同理，當(dāng)A方向的紅燈變亮?xí)r，B方向的交通燈也遵循此規(guī)則。各干道上安裝有數(shù)碼管，以倒計(jì)時(shí)的形式顯示本道各信號(hào)燈閃亮的時(shí)間。當(dāng)出現(xiàn)特殊情況時(shí)，各方向上均亮紅燈，倒計(jì)時(shí)停止。特殊運(yùn)行狀態(tài)結(jié)束后，控制器恢復(fù)原來(lái)的狀態(tài)，繼續(xù)運(yùn)行。

計(jì)數(shù)模塊的仿真如圖3所示，從圖中可以看出，在時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下，計(jì)數(shù)值不斷自加，當(dāng)計(jì)數(shù)值countnum等于鍵盤(pán)輸入值32(key=32)時(shí)，計(jì)數(shù)返回到0，開(kāi)始下一輪計(jì)數(shù)。當(dāng)Hold檢測(cè)到特殊情況時(shí)置‘1’，使計(jì)數(shù)器暫停計(jì)數(shù)。

3.2 控制器模塊的仿真設(shè)計(jì)

在控制器模塊中，紅、綠、黃三盞燈工作的總時(shí)間由鍵盤(pán)輸入，各交通燈時(shí)間分配規(guī)則如下：紅燈時(shí)間占總時(shí)間的1／2，綠燈時(shí)間占3／8，黃燈時(shí)間占1／8，本設(shè)計(jì)中鍵盤(pán)輸入值為32(key=32)，正常情況下紅燈亮16 s，綠燈亮12 s，黃燈亮4 s。

控制器仿真情況如圖4所示，當(dāng)hold為低電平，計(jì)數(shù)值countnum<12時(shí)，greenA輸出高電平，A東西方向綠燈亮起車輛通行，此時(shí)與之相對(duì)應(yīng)的redB輸出高電平，B方向紅燈亮起車輛禁行。A方向顯示交通燈閃爍持續(xù)時(shí)間的數(shù)碼管numA從12開(kāi)始遞減，同時(shí)B方向顯示交通燈閃爍持續(xù)時(shí)間的數(shù)碼管numB從16開(kāi)始遞減。當(dāng)1216，redA輸出高電平，A方向紅燈亮起車輛禁行，numA從數(shù)值16開(kāi)始倒計(jì)時(shí)，此時(shí)greenB輸出高電平，B方向綠燈亮起車輛通行，numB從數(shù)值12開(kāi)始遞減。當(dāng)16

3.3 分位模塊設(shè)計(jì)

分位模塊的設(shè)計(jì)主要是將燈亮?xí)r間分為十位和個(gè)位，通過(guò)兩個(gè)相應(yīng)的數(shù)碼管分別顯示出來(lái)。本設(shè)計(jì)中燈亮?xí)r間最長(zhǎng)不超過(guò)40 s(numin<40)，numA，numB分別表示十位、個(gè)位上的數(shù)字，分位模塊程序設(shè)計(jì)的流程圖如圖5所示。

分位模塊的仿真如圖6所示，numin的數(shù)值大小可以通過(guò)numA，numB的組合以十進(jìn)制數(shù)值顯示，從而實(shí)現(xiàn)了分位功能。

4 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及調(diào)試

本系統(tǒng)的主要邏輯設(shè)計(jì)由一片EPlK30TC144-3芯片完成，編寫(xiě)的VHDL源程序在Altera公司的邏輯綜合工具M(jìn)ax+PlusⅡ下經(jīng)過(guò)編譯和功能仿真測(cè)試后，針對(duì)下載芯片進(jìn)行管腳配置，下載到EPlK30TC144-3芯片中，進(jìn)行相應(yīng)的硬件調(diào)試，調(diào)試結(jié)果與軟件仿真的結(jié)果相吻合，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)完成了預(yù)定功能。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文利用硬件描述語(yǔ)言VHDL編程，借助Altera公司的Max+PlusⅡ軟件環(huán)境下進(jìn)行了編譯及仿真測(cè)試，通過(guò)FPGA芯片實(shí)現(xiàn)了一個(gè)實(shí)用的交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)由于采用了EDA技術(shù)，不但大大縮短了開(kāi)發(fā)研制周期，提高了設(shè)計(jì)效率，而且使系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)靈活，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。