隨著我國(guó)汽車數(shù)量越來越多，現(xiàn)階段的交通燈模式采用的是定時(shí)控制，由于車流量是隨時(shí)變化的。當(dāng)此時(shí)沒有車通過，而相對(duì)的車要等到此方向的綠燈結(jié)束顯示紅燈才能通過，在時(shí)間和空間方面的應(yīng)變性能較差，這樣不僅浪費(fèi)了時(shí)間，還使得相對(duì)方向的車輛造成“堵車”現(xiàn)象。要想解決城市的“大堵車”現(xiàn)象，改善原有的交通燈控制系統(tǒng)是很有必要的。

因此本文在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)原來的狀態(tài)，繼續(xù)運(yùn)行。

圖1 交通燈閃亮?xí)r序圖

2、系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示，該系統(tǒng)主要由計(jì)數(shù)模塊、控制模塊、分頻模塊、分位模塊以及顯示電路構(gòu)成。其中分頻模塊主要將系統(tǒng)輸入的基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)轉(zhuǎn)換為1Hz的激勵(lì)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)模塊和控制模塊工作。控制模塊根據(jù)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)情況對(duì)交通燈的亮滅及持續(xù)時(shí)間進(jìn)行控制，并通過分位電路將燈亮?xí)r間以倒計(jì)時(shí)的形式通過數(shù)碼管顯示出來。圖中Reset是復(fù)位信號(hào)，高電平有效，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)數(shù)器的異步清零。Hold為保持信號(hào)，當(dāng)Hold為“1”，計(jì)數(shù)器暫停計(jì)數(shù)，表示出現(xiàn)特殊情況，各方向車輛都處于禁行狀態(tài)。

圖2交通燈控制系統(tǒng)模塊圖

3、主要功能模塊設(shè)計(jì)及仿真

3.1、計(jì)數(shù)模塊設(shè)計(jì)

計(jì)數(shù)模塊主要實(shí)現(xiàn)累加循環(huán)計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)的最大值由鍵盤輸入控制，輸出的計(jì)數(shù)值為控制模塊的燈控提供參考，計(jì)數(shù)器的主程序設(shè)計(jì)如下：

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等于鍵盤輸入值32(key=32)時(shí)，計(jì)數(shù)返回到0，開始下一輪計(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)。

圖3計(jì)數(shù)模塊仿真圖

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)中鍵盤輸入值為32(key=32)，正常情況下紅燈亮16s，綠燈亮12s，黃燈亮4s。

圖4 控制模塊仿真圖

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開始遞減。當(dāng)12《countnum《16時(shí)，yellowA輸出高電平，A方向黃燈亮起，numA從數(shù)值4開始倒計(jì)時(shí)，此時(shí)greenB仍處于低電平，numB繼續(xù)倒計(jì)時(shí)，B方向紅燈閃亮車輛仍處于禁行狀態(tài)。當(dāng)countnum》16，redA輸出高電平，A方向紅燈亮起車輛禁行，numA從數(shù)值16開始倒計(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開始遞減。當(dāng)16《countnum《28時(shí)，redA繼續(xù)處于高電平狀態(tài)，numA繼續(xù)倒計(jì)時(shí)，A方向車輛禁行，而此時(shí)yellowB輸出高電平，B方向黃燈亮起，numB從數(shù)值4開始遞減。當(dāng)hold為`1‘時(shí)，表示進(jìn)入緊急狀態(tài)，F(xiàn)LASH置`1’，各方向的紅燈均亮起，所有機(jī)動(dòng)車禁行。

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，通過兩個(gè)相應(yīng)的數(shù)碼管分別顯示出來。本設(shè)計(jì)中燈亮?xí)r間最長(zhǎng)不超過40s(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。

圖5 分位模塊程序設(shè)計(jì)流程圖

分位模塊的仿真如圖6所示，numin的數(shù)值大小可以通過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。

圖6 分位器仿真圖

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EP1K30TC144-3芯片完成，編寫的VHDL源程序在Altera公司的邏輯綜合工具M(jìn)ax+PlusⅡ下經(jīng)過編譯和功能仿真測(cè)試后，針對(duì)下載芯片進(jìn)行管腳配置，下載到EP1K30TC144-3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

本文利用硬件描述語言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)。