基于FPGA器件和仿真軟件實(shí)現(xiàn)智能交通燈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本文是基于 FPGA 智能交通控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)采用硬件實(shí)現(xiàn)的主要方案包括：環(huán)形線圈車流量檢測(cè)器進(jìn)行車流量檢測(cè)，根據(jù)實(shí)時(shí)車流量來實(shí)時(shí)的配時(shí)紅綠燈的亮滅時(shí)間。利用 FPGA 技術(shù)，采用 ALTERA 公司的 FPGA 作為設(shè)計(jì)平臺(tái)，通過 Quartus II 軟件實(shí)現(xiàn)交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

本設(shè)計(jì)的主要設(shè)計(jì)理念是采用模塊化的方式，整體結(jié)構(gòu)是 FPGA 控制模塊和車流量檢測(cè)模塊。其中 FPGA 控制模塊包括：時(shí)鐘分頻模塊，LED 燈控制模塊，點(diǎn)陣顯示模塊，無線模塊，采集信號(hào)處理模塊和控制模塊。

1、設(shè)計(jì)要求

如圖所示為本設(shè)計(jì)的城市交叉路口智能交通控制系統(tǒng)示意圖，交叉路口的交通分為東西方向和南北方向，其中南北方向?yàn)榻煌ㄖ鞲傻溃瑬|西方向?yàn)榻煌ǜ备傻?。不管南北方向還是東西方向都設(shè)有 4 種信號(hào)燈：紅燈（R）、綠燈（G）、黃燈（Y）、左轉(zhuǎn)燈（L）。為了簡(jiǎn)化討論，人行道的信號(hào)燈與直行信號(hào)燈同步。

在南北方向的交通信號(hào)燈為紅燈的時(shí)候，東西方向的交通信號(hào)燈狀態(tài)為綠燈、黃燈、左轉(zhuǎn)燈以及最后的黃燈。同樣的東西方向的交通信號(hào)燈為紅燈的時(shí)候，南北方向的交通信號(hào)燈的狀態(tài)也依次為綠燈、黃燈、左轉(zhuǎn)燈以及最后的黃燈。

在發(fā)生緊急情況的時(shí)候，交通南北主干道和交通東西副干道需要有一種處理緊急事故的能力。也就是在發(fā)生意外情況下，南北方向和東西方向的交通信號(hào)燈都變?yōu)榧t燈，直到緊急事故消失。采用這種設(shè)計(jì)方式是完全為了保證在緊急事故中，處理事故的車輛能夠優(yōu)先通過，獲得寶貴的處理事故的時(shí)間，是非常人性化的考慮，保障了人民的人身和財(cái)產(chǎn)安全。

在交叉路口中，需要設(shè)置點(diǎn)陣模塊來顯示倒計(jì)時(shí)的狀態(tài)，方便讓車輛司機(jī)知道當(dāng)前交通信號(hào)燈的即時(shí)狀態(tài)，這個(gè)設(shè)計(jì)也體現(xiàn)了人性化的特點(diǎn)。

2、設(shè)計(jì)框架

在本論文中，采用的編程設(shè)計(jì)思想是目前比較常用的模塊化理念，將交通燈控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)分為了硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，由幾個(gè)具體的模塊組成每個(gè)部分，如圖所示為城市致命交通控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框架。

3、硬件設(shè)計(jì)

3.1 環(huán)形線圈車輛檢測(cè)器：本文選用了國(guó)際通用的車輛檢測(cè)卡裝置。如圖所示為環(huán)形線圈的車流量檢測(cè)模塊的電路圖，該模塊需要在道路的地下將地感線圈埋放，通電。環(huán)形線圈與其耦合的電路連接，該耦合電路具有自身的振蕩頻率。當(dāng)有車輛通過的時(shí)候環(huán)形線圈中的電感量就會(huì)發(fā)生變化，同時(shí)與之耦合的電路中的振蕩頻率也會(huì)較自身的固有頻率增高，這個(gè)時(shí)候，電路將會(huì)向外發(fā)送一個(gè)正脈沖信號(hào)。

3.2 單片機(jī)控制系統(tǒng)：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制系統(tǒng)的主要目的是將多個(gè)埋設(shè)在交叉路口路段上的地感線圈的信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理并控制無線通信模塊將信號(hào)發(fā)送到交通燈控制中心。

如下圖所示為基于單片機(jī)的車流量計(jì)數(shù)電路，其接受來自不同的 3 個(gè)地感線圈的信號(hào)，并將信號(hào)與 STC89C51 單片機(jī)的中斷引腳連接，中斷引腳分別為 INT0 和 INT1。

其工作原理可以表述為：假設(shè)有車輛在南北方向的道路上行駛，其首先通過了埋設(shè)在地下的環(huán)形線圈 1，由環(huán)形線圈 1 發(fā)出了脈沖信號(hào) input1 經(jīng)反向傳入了中斷引腳 INT0，INT0 中斷信號(hào)有效的時(shí)候會(huì)將單片機(jī)內(nèi)部的計(jì)時(shí)功能開啟，同時(shí)打開允許中斷引腳 INT1 工作；當(dāng)車輛經(jīng)過了環(huán)形線圈 2 的時(shí)候，由環(huán)形線圈 2 發(fā)出了脈沖信號(hào) input2 經(jīng)反向傳入了中斷引腳 INT1，檢測(cè)單片機(jī)引腳 P1.0 是否為高電平，如果是的話單片機(jī)內(nèi)部計(jì)數(shù)器加 1；當(dāng)車輛經(jīng)過了環(huán)形線圈 3 的時(shí)候，由環(huán)形線圈 3 發(fā)出了脈沖信號(hào) input3 經(jīng)反向傳入了中斷引腳 INT1，此時(shí)中斷 INT1 同樣有效，這時(shí)檢測(cè)單片機(jī)引腳 P1.0 是否為高電平，如果是的話就關(guān)斷單片機(jī)內(nèi)部的 INT1 中斷和計(jì)數(shù)器，這樣可以判斷車輛的行駛方向，對(duì)于一個(gè)道路可以雙向行駛的地方是十分有用的。

3.3 無線通信模塊：無線通信模塊分別安裝在路上設(shè)施中和交通燈控制系統(tǒng)中細(xì)膩中，由于距離比較遠(yuǎn)，所以采用了無線通信的方式。

3.4 FPGA 控制模塊：本設(shè)計(jì)的主要模塊，其根據(jù)環(huán)形線圈獲得的車流量信息實(shí)時(shí)的對(duì)交通信號(hào)燈的配時(shí)方案作出合理安排。

3.5 交通信號(hào)燈：即為交叉路口實(shí)際的信號(hào)燈以及倒計(jì)時(shí)點(diǎn)陣顯示。

4、軟件設(shè)計(jì)

以上述的硬件設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，本文根據(jù)交通信號(hào)燈的實(shí)際運(yùn)作情況，將 FPGA 控制模塊中的控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為 5 個(gè)模塊，城市交通燈控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框架如圖所示。

4.1 時(shí)鐘分頻模塊：時(shí)鐘分頻模塊是將硬件電路上的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行分頻獲得秒信號(hào)，用來當(dāng)做控制模塊的時(shí)鐘輸入。本文中使用的硬件電路中有源晶振提供的時(shí)鐘頻率為 50MHz，對(duì)于交通信號(hào)燈而言，需要的是以秒為單位的時(shí)間信號(hào)。因此，50MHz 的頻率太高，需要對(duì)其進(jìn)行分頻處理。根據(jù)上述要求，在交通燈控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了時(shí)鐘分頻模塊，其分頻系數(shù)設(shè)置為 50M，輸入的時(shí)鐘為 50 MHz，輸出時(shí)鐘為 1 Hz。

4.2 點(diǎn)陣顯示模塊：點(diǎn)陣顯示模塊是用來顯示 LED 燈由亮到暗的時(shí)間倒計(jì)時(shí)的，其與 LED 燈是同步的，同樣都是受到控制模塊的控制。

4.3 無線模塊：用來讀寫無線模塊中的數(shù)據(jù)，其采用的接口協(xié)議是通用異步收發(fā)傳輸器，通常稱作 UART。

4.4 采集信號(hào)處理模塊：實(shí)時(shí)處理車輛檢測(cè)裝置上傳的有效信號(hào)，并將處理結(jié)果傳向控制系統(tǒng)。

4.5 控制模塊：控制模塊是整個(gè)交通燈控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框架的重點(diǎn)，也是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心。

按照上述的軟件設(shè)計(jì)框架，采用 Verilog 語言在 Quartus II 上進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)，并仿真測(cè)試，最終進(jìn)行硬件級(jí)調(diào)試。

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