交通信號(hào)燈控制電路的FPGA設(shè)計(jì)

1 引言

隨著社會(huì)上特別是城市中機(jī)動(dòng)車(chē)輛保有量的不斷增加，在現(xiàn)代城市的日常運(yùn)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(shè)計(jì)手段，完成了交通信號(hào)燈控制電路的開(kāi)發(fā)，其中交通信號(hào)燈控制電路的開(kāi)發(fā)目的是設(shè)計(jì)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(tǒng)，通過(guò)合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能，使紅黃綠燈的轉(zhuǎn)換有一個(gè)準(zhǔn)確的時(shí)間間隔和轉(zhuǎn)換順序，當(dāng)然這就需要有一個(gè)自動(dòng)和安全的系統(tǒng)對(duì)紅、黃、綠燈的轉(zhuǎn)換進(jìn)行控制。所設(shè)計(jì)的交通信號(hào)燈控制電路經(jīng)過(guò)在QuartusII 5.0軟件下進(jìn)行模擬仿真，觀察其波形，并通過(guò)將程序下載到目標(biāo)FPGA器件，進(jìn)行硬件的調(diào)試驗(yàn)證，證明所設(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，并有一定的實(shí)用性。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

所要設(shè)計(jì)的交通信號(hào)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?xí)r間不完全相同。具體的設(shè)計(jì)要求如下：實(shí)現(xiàn)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(dāng)信號(hào)燈由綠燈轉(zhuǎn)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(shù)碼管，用來(lái)顯示本道各信號(hào)燈閃亮的時(shí)間。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及其邏輯設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

通過(guò)參考其他的相關(guān)文獻(xiàn)^{[1],[2],[4],[5],[6],[7]},對(duì)照研究如基于單片機(jī)、基于分立元件等其他設(shè)計(jì)手段的優(yōu)缺點(diǎn)，我們認(rèn)為使用基于FPGA的設(shè)計(jì)方法具有周期短，設(shè)計(jì)靈活，易于修改等明顯的優(yōu)點(diǎn)，而且隨著FPGA器件、設(shè)計(jì)語(yǔ)言和電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具的發(fā)展和改進(jìn)，越來(lái)越多的電子系統(tǒng)采用FPGA來(lái)設(shè)計(jì)，還有，通過(guò)FPGA設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)，一旦該系統(tǒng)可以達(dá)到一定規(guī)模的量產(chǎn)，很容易轉(zhuǎn)化為ASIC芯片設(shè)計(jì)。相信在將來(lái)，F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)方法將更大規(guī)模的應(yīng)用于各種類(lèi)型的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。因此，我們決定使用VHDL硬件描述語(yǔ)言來(lái)編程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，并采用自頂向下的設(shè)計(jì)思路，將系統(tǒng)劃分為6個(gè)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，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(hào)燈控制電路的模塊劃分

3.2 邏輯設(shè)計(jì)

根據(jù)上文中確定的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，運(yùn)用模塊化的設(shè)計(jì)思路，我們?cè)赒uartusII 5.0軟件系統(tǒng)中設(shè)計(jì)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(diào)，成功設(shè)計(jì)出交通信號(hào)燈控制電路，得到其邏輯結(jié)構(gòu)原理圖，即為整個(gè)交通信號(hào)燈控制電路的邏輯結(jié)構(gòu)。

4 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

通過(guò)在QuartusII 5.0軟件中的模擬仿真，驗(yàn)證了該電路可以實(shí)現(xiàn)預(yù)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(zhuǎn)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(dāng)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(shù)字顯示各燈閃亮的時(shí)間。如此一直循環(huán)往復(fù)，實(shí)現(xiàn)十字交叉路口的交通控制。另外我們還實(shí)現(xiàn)了一個(gè)附加功能，即當(dāng)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(yīng)用，另外還可以加入人工控制端，即當(dāng)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(hào)燈的轉(zhuǎn)換。

為了更加準(zhǔn)確的仿真和驗(yàn)證電路的功能，我們根據(jù)實(shí)際生活中的多種交通情況，將其進(jìn)行分類(lèi)，設(shè)定了十字路口出現(xiàn)的多個(gè)情境，并在QuartusII 5.0軟件環(huán)境中，分別對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)電路針對(duì)每個(gè)設(shè)定情境進(jìn)行功能仿真，圖2至圖5是其中幾種設(shè)定情境的實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果（圖中的輸入變量SM，SB分別為主支干道傳感信號(hào)，CLK為來(lái)自時(shí)鐘發(fā)生電路的時(shí)鐘信號(hào)，輸出信號(hào)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)觀察這些情境下的實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果，發(fā)現(xiàn)符合我們預(yù)想的功能，可以有序、準(zhǔn)確的控制路口交通信號(hào)燈的順序轉(zhuǎn)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(biāo)FPGA器件，使用相應(yīng)的硬件電路相配合，進(jìn)行硬件調(diào)試，也驗(yàn)證了該電路工作情況良好，與軟件仿真的結(jié)果完全相符合，說(shuō)明我們所設(shè)計(jì)的交通信號(hào)燈控制電路通過(guò)了軟件仿真和硬件的測(cè)試，可以完成之前的預(yù)定功能。

圖2 交通信號(hào)燈控制電路的仿真結(jié)果一

圖3 交通信號(hào)燈控制電路的仿真結(jié)果二

圖4 交通信號(hào)燈控制電路的仿真結(jié)果三

圖5 交通信號(hào)燈控制電路的仿真結(jié)果四

5 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果表明，我們所設(shè)計(jì)的交通信號(hào)燈控制電路能夠很好的完成相應(yīng)的控制，實(shí)現(xiàn)了預(yù)定功能，通過(guò)硬件下載和調(diào)試，電路工作正常，控制結(jié)果完全達(dá)到相應(yīng)的要求。

本文作者的創(chuàng)新觀點(diǎn)是：使用VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)用的交通信號(hào)燈控制電路，通過(guò)軟件仿真和硬件調(diào)試，電路完成了預(yù)定功能，如果對(duì)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(dá)到實(shí)用的目的。

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