交通信號燈控制電路的FPGA設計

1 引言

隨著(zhù)社會(huì )上特別是城市中機動(dòng)車(chē)輛保有量的不斷增加，在現代城市的日常運行控制中，車(chē)輛的交通控制越來(lái)越重要，在十字交叉路口，越來(lái)越多的使用紅綠燈進(jìn)行交通指揮和管理。本文以VHDL硬件描述語(yǔ)言為設計手段，完成了交通信號燈控制電路的開(kāi)發(fā)，其中交通信號燈控制電路的開(kāi)發(fā)目的是設計一個(gè)適用于主、支干道十字交叉路口的紅黃綠交通燈的控制系統，通過(guò)合理設計系統功能，使紅黃綠燈的轉換有一個(gè)準確的時(shí)間間隔和轉換順序，當然這就需要有一個(gè)自動(dòng)和安全的系統對紅、黃、綠燈的轉換進(jìn)行控制。所設計的交通信號燈控制電路經(jīng)過(guò)在QuartusII 5.0軟件下進(jìn)行模擬仿真，觀(guān)察其波形，并通過(guò)將程序下載到目標FPGA器件，進(jìn)行硬件的調試驗證，證明所設計的交通信號燈控制電路完全可以實(shí)現預定的功能，并有一定的實(shí)用性。

2 系統設計要求

所要設計的交通信號燈控制電路，要能夠適用于由一條主干道和一條支干道的匯合點(diǎn)形成的十字交叉路口，主、支干道的紅綠燈閃亮時(shí)間不完全相同。具體的設計要求如下：實(shí)現控制一條主干道和一條次干道匯合組成的十字交叉路口，使主、支干道上的車(chē)輛行人交替通行，其中主干道車(chē)輛行人通行60秒，此時(shí)支干道上車(chē)輛行人禁止通行；支干道車(chē)輛通行30秒，同樣此時(shí)主干道上車(chē)輛禁止通行。每當信號燈由綠燈轉換成紅燈之前，黃燈要先亮5秒，此時(shí)另一個(gè)干道紅燈不變，禁止通行。在黃燈亮之前，綠燈按1HZ頻率閃爍5秒，以提示車(chē)輛行人。在主干道上安裝有數碼管，用來(lái)顯示本道各信號燈閃亮的時(shí)間。

3 系統設計方案及其邏輯設計

3.1 系統設計方案

通過(guò)參考其他的相關(guān)文獻^{[1],[2],[4],[5],[6],[7]},對照研究如基于單片機、基于分立元件等其他設計手段的優(yōu)缺點(diǎn)，我們認為使用基于FPGA的設計方法具有周期短，設計靈活，易于修改等明顯的優(yōu)點(diǎn)，而且隨著(zhù)FPGA器件、設計語(yǔ)言和電子設計自動(dòng)化工具的發(fā)展和改進(jìn)，越來(lái)越多的電子系統采用FPGA來(lái)設計，還有，通過(guò)FPGA設計電子系統，一旦該系統可以達到一定規模的量產(chǎn)，很容易轉化為ASIC芯片設計。相信在將來(lái)，FPGA設計方法將更大規模的應用于各種類(lèi)型的電子系統設計中。因此，我們決定使用VHDL硬件描述語(yǔ)言來(lái)編程實(shí)現系統設計要求，并采用自頂向下的設計思路，將系統劃分為6個(gè)模塊來(lái)實(shí)現，分別是交通燈控制模塊、顯示控制模塊、顯示譯碼模塊、60秒定時(shí)器模塊、30秒定時(shí)器模塊和5秒定時(shí)器模塊。如圖1所示。

圖1 交通信號燈控制電路的模塊劃分

3.2 邏輯設計

根據上文中確定的系統設計方案，運用模塊化的設計思路，我們在QuartusII 5.0軟件系統中設計了交通燈控制模塊、顯示控制模塊、顯示譯碼模塊、60秒定時(shí)器模塊、30秒定時(shí)器模塊和5秒定時(shí)器模塊的VHDL程序，并通過(guò)各個(gè)模塊程序之間的端口合理連接和協(xié)調，成功設計出交通信號燈控制電路，得到其邏輯結構原理圖，即為整個(gè)交通信號燈控制電路的邏輯結構。

4 設計驗證

通過(guò)在QuartusII 5.0軟件中的模擬仿真，驗證了該電路可以實(shí)現預定功能，即主、支干道交替通行，主干道通行60秒，支干道通行30秒。綠燈轉換成紅燈前，黃燈先亮5秒，此時(shí)另一個(gè)干道紅燈不變。當黃燈亮完5秒之后，另一條干道的綠燈亮而紅黃燈都不亮，此時(shí)該干道允許通行，主干道有數字顯示各燈閃亮的時(shí)間。如此一直循環(huán)往復，實(shí)現十字交叉路口的交通控制。另外我們還實(shí)現了一個(gè)附加功能，即當支干道一直沒(méi)有車(chē)通過(guò)的時(shí)候，主干道一直處于暢通狀態(tài)，這樣可以在實(shí)際中遇到特殊情況時(shí)，來(lái)靈活控制應用，另外還可以加入人工控制端，即當遇有需進(jìn)行交通管制等情形時(shí)，可以由交通警察來(lái)手工控制路口信號燈的轉換。

為了更加準確的仿真和驗證電路的功能，我們根據實(shí)際生活中的多種交通情況，將其進(jìn)行分類(lèi)，設定了十字路口出現的多個(gè)情境，并在QuartusII 5.0軟件環(huán)境中，分別對所設計的系統電路針對每個(gè)設定情境進(jìn)行功能仿真，圖2至圖5是其中幾種設定情境的實(shí)驗仿真結果（圖中的輸入變量SM，SB分別為主支干道傳感信號，CLK為來(lái)自時(shí)鐘發(fā)生電路的時(shí)鐘信號，輸出信號MR，MY，MG分別為主干道上的紅燈、黃燈和綠燈，BR，BY，BG分別為支干道上的紅燈、黃燈和綠燈，而OUT1，OUT2為主干道輸出，OUT3，OUT4為支干道輸出）。通過(guò)觀(guān)察這些情境下的實(shí)驗仿真結果，發(fā)現符合我們預想的功能，可以有序、準確的控制路口交通信號燈的順序轉換，并沒(méi)有發(fā)生誤操作。

除了進(jìn)行軟件的仿真之外，我們還將整體程序下載到目標FPGA器件，使用相應的硬件電路相配合，進(jìn)行硬件調試，也驗證了該電路工作情況良好，與軟件仿真的結果完全相符合，說(shuō)明我們所設計的交通信號燈控制電路通過(guò)了軟件仿真和硬件的測試，可以完成之前的預定功能。

圖2 交通信號燈控制電路的仿真結果一

圖3 交通信號燈控制電路的仿真結果二

圖4 交通信號燈控制電路的仿真結果三

圖5 交通信號燈控制電路的仿真結果四

5 結論

通過(guò)實(shí)驗仿真結果表明，我們所設計的交通信號燈控制電路能夠很好的完成相應的控制，實(shí)現了預定功能，通過(guò)硬件下載和調試，電路工作正常，控制結果完全達到相應的要求。

本文作者的創(chuàng )新觀(guān)點(diǎn)是：使用VHDL語(yǔ)言設計了一個(gè)實(shí)用的交通信號燈控制電路，通過(guò)軟件仿真和硬件調試，電路完成了預定功能，如果對其電路功能加以進(jìn)一步的改進(jìn)和完善，將其產(chǎn)品化后完全可以達到實(shí)用的目的。

參考文獻

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