郝建峰　任國(guó)鳳　李洋　梁小瑞

【摘? ?要】? ?為解決交通堵塞問(wèn)題，基于Quartus Ⅱ軟件，利用以EP4CE6E22C8N 為核心芯片的FPGA系統(tǒng)板，設(shè)計(jì)了一款交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)，為智能交通信號(hào)燈的實(shí)現(xiàn)提供理論參考。

【關(guān)鍵詞】? ?智能交通;交通信號(hào)燈控制系統(tǒng);VHDL語(yǔ)言;QuartusⅡ仿真

Design of Smart Traffic Signal Light Control System Based on FPGA

Hao Jianfeng Ren Guofeng2 Li Yang Liang Xiaorui

（1.Xinzhou Public Security Bureau， Xinzhou 034000， China; 2.Xinzhou Normal University， Xinzhou 034000， China; 3.Fire and Rescue Detachment of Xinzhou City，Xinzhou 034000， China）

【Abstract】? ? In order to solve the traffic jam problem， based on Quartus Ⅱ software， this paper uses EP4CE6E22C8N as the core chip FPGA system board and designs a traffic signal light control system， providing a theoretical reference for the realization of intelligent traffic signal light.

【Key words】? ? ?intelligent transportation system; traffic signal light control system; VHDL language; Quartus Ⅱ simulation

〔中圖分類號(hào)〕? TN99? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕? A ? ? ? ? ? ? ?〔文章編號(hào)〕 1674 - 3229（2022）02- 0031 - 04

0? ? ?引言

在交通控制過(guò)程中最重要的三個(gè)因素就是行人、道路和車輛，如何讓它們之間的關(guān)系變得更加協(xié)調(diào)，是交通管理部門急需解決的問(wèn)題。然而，十字路口的車流量具有一定的不確定性，當(dāng)其中一條路的車流量較少或是空車道時(shí)，交通信號(hào)燈顯示的是綠燈，而另外一條路車流量很大卻顯示的是紅燈，就會(huì)產(chǎn)生多等少的尷尬現(xiàn)象[1]。因此，采用有效的方法來(lái)靈活控制交通信號(hào)燈是特別重要的。本文利用VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)了可隨時(shí)調(diào)整東西方向或者南北方向綠燈時(shí)長(zhǎng)的交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)的算法，對(duì)智能交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)的研究具有一定的意義。

國(guó)外很早便出現(xiàn)了智能化的城市交通控制系統(tǒng)，比如加拿大的交通燈控制系統(tǒng)、[日]本的TYOSAN系統(tǒng)、英國(guó)的SCOOT系統(tǒng)、澳大利亞的SCATS系統(tǒng)（世界上的很多的城市都在應(yīng)用）、美國(guó)的UTCS-3GC系統(tǒng)[2]。

在國(guó)內(nèi)，上世紀(jì)70年代末，單點(diǎn)交通信號(hào)控制器開(kāi)始得到廣泛的應(yīng)用[3]。2008年，杜仁兵指出城市道路人性化交通設(shè)計(jì)就是要以交通參與者為中心，使交通參與者在出行過(guò)程中更加便捷[4]。

1? ? ?智能交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

1.1? ?FPGA開(kāi)發(fā)板

本文用到的FPGA開(kāi)發(fā)板采用 5伏直流電供電，可以輸出5伏、3.3伏電壓。開(kāi)發(fā)板配置了EPCS4 配置管理芯片和JTAG下載服務(wù)端口[5]。設(shè)有4個(gè)矩形按鍵、4個(gè)LED（主要的作用是用于簡(jiǎn)單的輸出）、8個(gè)矩形數(shù)碼管，F(xiàn)PGA 的引腳都由2.54mm的矩形排針引出。FPGA核心控制板集成電路設(shè)計(jì)的電路框圖如圖1所示。

本開(kāi)發(fā)板的核心芯片是Altera公司的Cyclone Ⅳ 型EP4CE6E22C8N芯片。

1.2? ?QuartusⅡ軟件

QuartusⅡ是為綜合性FPGA/CPLD的開(kāi)發(fā)而配套的一個(gè)專門軟件[6-7]，QuartusⅡ提供了與結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)的設(shè)計(jì)環(huán)境，易學(xué)易用，支持文本輸入、原理圖輸入等輸入模式，且支持這些模式之間的混合性設(shè)計(jì)。同時(shí)還內(nèi)嵌門級(jí)仿真器，可以根據(jù)需要對(duì)模型進(jìn)行時(shí)序仿真和功能仿真，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成EDIF和VHDL網(wǎng)表文件。由于QuartusⅡ軟件使用操作起來(lái)的便捷和對(duì)人類交互界面的友好，被認(rèn)為業(yè)界最便捷的EDA集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。

1.3? ?ModelSim集成開(kāi)發(fā)環(huán)境

ModelSim是一個(gè)獨(dú)立的編譯型仿真工具，可以實(shí)現(xiàn)功能仿真、數(shù)字仿真、時(shí)序仿真和模擬仿真，可以與QuartusⅡ無(wú)縫銜接，從而完成各種電路的仿真。本設(shè)計(jì)運(yùn)用ModelSim來(lái)完成各功能模塊的仿真工作。

2? ? ?智能交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本文研究的智能交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示[8-9]。

2.1? ?分頻模塊

該模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)輸入時(shí)鐘，按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求分頻時(shí)鐘和輸出系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)。仿真波形如圖3所示。從圖中可以看出，時(shí)鐘頻率被分為原來(lái)的一半，高電平復(fù)位。0865259D-DB0E-4F59-A525-A8F0F9F2C9A2

2.2? ?按鍵去抖模塊

該模塊輸入時(shí)鐘信號(hào)、4個(gè)按鍵信號(hào)（其中本設(shè)計(jì)中用到了4個(gè)按鍵，需要對(duì)4個(gè)按鍵分別去抖）和復(fù)位信號(hào)，輸出為去抖后的4個(gè)按鍵信號(hào)。具體工作過(guò)程為：對(duì)按鍵進(jìn)行去抖，當(dāng)按鍵按下去以后是低電平，也就是“0000”，當(dāng)計(jì)數(shù)器記到一定的時(shí)間以后，送給高脈沖，從而形成去抖的過(guò)程。由于本文需要用到4個(gè)按鍵，因此要例化4個(gè)按鍵去抖模塊。仿真結(jié)果如圖4所示。

2.3? ?時(shí)間控制模塊

本模塊輸入為時(shí)鐘、復(fù)位和按鍵信號(hào)，輸出為綠燈亮的時(shí)長(zhǎng)。

當(dāng)按下第1個(gè)按鍵時(shí)，對(duì)應(yīng)的時(shí)間就會(huì)增加1s;按下第2個(gè)按鍵時(shí)，對(duì)應(yīng)的時(shí)間就會(huì)減少1s。開(kāi)始時(shí)將時(shí)間控制在30s，相加的按鍵最大可以控制在40s，相減的按鍵最少可以控制在20s。而前兩個(gè)按鍵控制的是東西方向的綠燈亮的時(shí)長(zhǎng)，同理后兩個(gè)按鍵控制的是南北方向的綠燈亮的時(shí)長(zhǎng)。由圖5所示的時(shí)間控制模塊仿真波形圖中可以看出，按鍵按了兩次以后，時(shí)間從30秒加到31秒再加到32秒。

2.4? ?交通燈中心控制模塊的設(shè)計(jì)及仿真

本模塊的輸入信號(hào)為時(shí)鐘信號(hào)、復(fù)位信號(hào)和綠燈時(shí)長(zhǎng)信號(hào)，輸出為東西及南北方向的綠、黃、紅燈和4個(gè)數(shù)碼管信號(hào)。圖6是交通信號(hào)燈控制模塊的仿真波形圖，由此得到紅綠燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表如表1所示。

2.5? ?數(shù)碼管顯示模塊的設(shè)計(jì)及仿真

本模塊的輸入信號(hào)為時(shí)鐘信號(hào)、復(fù)位信號(hào)和數(shù)碼管信號(hào)，輸出信號(hào)為對(duì)應(yīng)的數(shù)碼管。具體工作過(guò)程為：當(dāng)掃描對(duì)象地址為“0”時(shí)，對(duì)應(yīng)的數(shù)碼管就會(huì)亮起來(lái)。圖7為數(shù)碼管顯示模塊的仿真波形圖，從圖中可以看出，當(dāng)輸出為“7”時(shí)對(duì)應(yīng)數(shù)碼管是“01111000”，即數(shù)碼管顯示的數(shù)字為“7”。

3? ? ?交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)的下載及實(shí)現(xiàn)

3.1? ?FPGA的配置下載

交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)需要在QuartusⅡ仿真軟件平臺(tái)上完成邏輯描述和仿真測(cè)試，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求以后，利用USB Blaster下載器下載開(kāi)發(fā)板，最后通過(guò)驗(yàn)證。表2是引腳綁定表[10-13]。

下載成功以后，選擇相應(yīng)的模式，將FPGA系統(tǒng)板與電腦相連，打開(kāi)FPGA開(kāi)發(fā)板的開(kāi)關(guān)，[系]統(tǒng)就可以工作。FPGA上的芯片[為]EP4CE6E22C8N。進(jìn)入交通信號(hào)燈的工作流程以后，首先東西方向的綠燈亮起來(lái)，即第一個(gè)數(shù)碼管亮;南北方向的紅燈亮起來(lái)，即第四個(gè)數(shù)碼管亮;之后東西方向的黃燈亮起來(lái)，即第一個(gè)和第二個(gè)數(shù)碼管亮，此時(shí)南北方向的紅燈依然是亮的，即第四個(gè)數(shù)碼管亮;實(shí)現(xiàn)的功能為：按下第一個(gè)按鍵時(shí)，控制的是東西方向綠燈亮的時(shí)長(zhǎng)，每按一次按鍵綠燈亮的時(shí)長(zhǎng)增加一秒，而第二個(gè)按鍵每按一次綠燈亮的時(shí)長(zhǎng)減少一秒。檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，檢驗(yàn)的結(jié)果與設(shè)計(jì)要求是一致的。

3.2? ?下載結(jié)果

表3為FPGA開(kāi)發(fā)板上電后的六種工作狀態(tài)。

4? ? ?結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)主要利用VHDL、QuartusⅡ仿真軟件，簡(jiǎn)明、有效地實(shí)現(xiàn)智能交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)的功能。采用該方法，在實(shí)現(xiàn)對(duì)交通燈靈活控制的基礎(chǔ)上還可以對(duì)控制系統(tǒng)高度集成，在一定程度上降低了生產(chǎn)成本。

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