电气工程与自动化毕业论文：基于FPGA的交通灯控制系统设计.doc

1、本 科 毕 业 设 计基于 FPGA 的交通灯控制系统设计所在学院 专业班级 电气工程与自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I摘要随着社会经济的不断发展和人们生活水平的不断提高，全社会对交通运输的需求也越来越大，城市的交通问题越来越引起人们的关注，而交通信号灯控制是道路交通的重要组成部分。而目前国内城市中十字路口的交通灯控制系统大都采用定时控制方式，这样的控制方法经常会出现单方向的交通堵塞严重的问题，造成一方向车量拥挤另一方向无车的不合理的局面。而通过探测器探测出汽车的流量后自动调节红绿灯时间长度，就可以大幅度提高交通道路的运行效率，成为解决交通拥挤问题最为有效、最为经济

2、的办法之一。本文的主要工作如下：首先，本文简单介绍了检测技术，FPGA 的机构、工作原理和发展趋势，接着介绍了交通灯控制系统的设计方案，有单片机、PLC 等，并对比了其优缺点，本文基于 FPGA 芯片设计了智能交通灯控制系统。针对当前交叉路口交通灯的定时式问题，提出了一种智能控制方法，用于实时的控制相位的绿信比，以满足交通流量高峰期和平时流量不同的通行需求。通过采用环形线圈式车辆检测器，在道路下安装一个金属线圈构成一个 LC 震荡回路来采集车流量信号。通过车辆采集卡把采集到的脉冲数据传输到 PC 机，当支路上有车时，主路上的绿灯时间为 30 秒，假若支路无车，则主路上的绿灯时间顺势延长 20

3、秒；同理主路有车时，支路的绿灯时间为15 秒，假若主路无车，则支路的绿灯时间也顺势延长 10 秒。本文设计了一套基于车辆通过频率的交通自适应控制策略，运用 VerilogHDL 硬件描述语言编写了交通灯控制系统的原程序和测试程序，在 Modelsim SE 软件上，进行了功能仿真。关键词：智能交通；FPGA 技术；环形检测器；Modelsim SE 软件IIAbstractWith the continuous economic development of society and the continuous improvement of living standards, societys

4、 demand for transport is also growing, the citys traffic problems are becoming increasingly and cause for concern, and traffic signal control is an important component of road traffic section. The current domestic crossroads city traffic light control system timing control method most used, this con

5、trol method would often one-way traffic a serious problem, resulting in one direction to another direction of the crowded car car-free amount of the unreasonable situation. Through the flow detector to detect the vehicle after the traffic lights automatically adjust the length of time, can greatly i

6、mprove the efficiency of road transport, traffic congestion problems as the most effective solution, one of the most economical way.The main work is as follows: First, the paper introduces the detection technology, FPGA institutions, working principle and trend, then introduced the traffic light con

7、trol system design, a microcontroller, PLC, etc., and compare their advantages and disadvantages, the paper design of a smart chip based on FPGA Traffic light control system.The current timing of traffic lights intersection-ended questions, an intelligent control method for real-time control of the

8、phase of the split, in order to meet peak and normal traffic flow of different traffic demand. By using circular coil detector on the road to install of a metal coil, form a LC oscillation circuit to collect traffic signals. Through the acquisition card to collect the vehicle to the pulse data to a

9、PC, when a car on the roads, the main road of the green time of 30 seconds, if the car-free roads, the road is the main advantage of the opportunity to extend green time of 20 seconds; Similarly Main the road car, side roads of the green time of 15 seconds, if the main road without cars, the roads h

10、ave taken advantage of to extend the green time of 10 seconds.This paper designs a set of frequency based on vehicle traffic through the adaptive control strategy, the use of hardware description language VerilogHDL the traffic light control system of the original program and testing procedures, in

11、Modelsim SE software, for the functional simulation.Keywords：Intelligent Traffic; FPGA technology; Annular detector; Modelsim SE software III目 录第 1 章 绪论 .11.1 国内城市交通现状及面临的问题 .11.1.1 城市交通控制的目的和意义 .11.1.2 智能交通等的研究背景 .11.2 国内外研究现状 .11.2.1 国外智能交通发展主要状况 .11.2.2 国内智能交通主要发展状况 .21.3 论文的主要工作 .3第 2 章 检测系统设计 .

12、42.1 车辆检测器概述及其分类 .42.1.1 车辆检测器的概述 .42.1.2 车辆检测器的分类 .42.1.3 车辆检测器的选择 .52.2 硬件组成 .62.2.1 振荡电路原理图 .62.3 系统的总体设计方案 .72.4 本章小结 .8第 3 章 方案的对比与选择 .93.1 各个方案的对比 .93.2 FPGA 的基础知识 .103.2.1 FPGA 简介 .103.2.2 FPGA 的基本特点 .103.2.3 使用 FPGA 的优势 .113.3 控制器的设计任务 .11第 4 章 程序的编写与调试 .134.1 编程软件简介 .134.2 Modelsim 的安装 .134

13、.3 Modelsim 功能仿真 .134.3.1 建立工程 .134.3.2 编译文件 .144.4 程序的解读及仿真结果 .144.4.1 关于源程序的解读 .154.4.2 亮灯秩序 .164.4.3 关于倒计时的程序设计 .174.4.4 程序的仿真结果说明 .17本章小结 .20小结 .21致谢 .22参考文献： .23附录 1 .241第 1 章 绪论1.1 国内城市交通现状及面临的问题我国城市交通现状是：城市交通基础设施建设速度跟不上迅速增长的交通需求；常规公共交通萎缩；出租车和私家车迅速增加；交通管理技术水平低。以上问题导致环境污染、交通拥挤、交通事故频繁发生，给人们的生命和财

14、产带来了很大的损失。 14现代交通所面临的问题是：车型种类繁杂、混合交通严重；自行车等非机动车数量惊人；城市布局和交通不相适应；出行方式单一、没有选择余地；步行困难、事故多发。1.1.1 城市交通控制的目的和意义 随着社会经济的发展、城市化进程的加快和机动车辆的迅猛增加，城市交通问题日益严重。城市交通拥挤不仅造成交通事故频发、车辆延误增大，而且进一步带来能源浪费和环境污染的加剧，由此引起的不良社会后果更是难以估计。城市交通问题困扰城市发展、制约城市经济建设的重要因素，人们对交通有效控制的意识越来越强烈。交通控制的目的是要在确定的行政规范约束下，应用先进的技术手段，采用合适的运作方式来确保公共和

15、私人运输方式具有最佳的交通条件。具体表现在：(1)减少交通事故，增加交通安全。通过实施交通控制，可以把发生冲突的交通流从时间和空间上进行分离，从而减少交通事故，增加交通安全。(2)缓和交通拥挤，提高交通效益。合理的交通控制，可以对交通流进行有效的引导与调度，使城市交通流保持在一种平稳的运行状态，从而避免或减缓交通拥挤，缩短在路车辆的交通延误，提高交通运输的整体效益。(3)减少环境污染，降低能源消耗。实施良好的交通控制，可以减少在路车辆的停车次数，保持车辆在较佳的状态下运行，大大减少尾气排放和能源消耗。1.1.2 智能交通等的研究背景智能交通灯是智能交通领域的一个重要分支。智能交通系统，简称 I

16、TS，在上世纪 90年代初作为一个概念性名词被提出来，但智能控制的思想早在 20 世纪 30 年代就被一些科学家提出来了，当时美国通用汽车公司和福特汽车公司倡导和推广过“现代化公路网”的构想，而 20 世纪 60 年代出现的静态路径诱导、计算机交通控制技术等都可谓是 ITS 的雏形，不过由于当时交通的实际情况的局限性，其重要性并不明显，没有受到人们足够的重视。近年来，因为车辆的猛增，交通问题日益严峻，因此，近几年来世界各国都竞相投资ITS 的研发和应用。智能交通灯的应用是解决智能交通系统的关键因素之一。1.2 国内外研究现状1.2.1 国外智能交通发展主要状况2传统的交通灯采用的是“固定配时”

17、的方式来实行它的控制，由于当时社会不是很发达，道路上的交通车流量也不大，因此运用固定配时是能够起到指挥车辆的作用。但是随着社会经济和汽车工业的不断发展，道路交通车流量急剧增强，这时候，原来那种固定配时的方式已不能满足当前的需要。因此，各国的研发部门都在寻求一种新的基于多时段方案的信号控制器。除了在技术和功能上得到增强和完善，许多新一代城市交通控制系统也相继推出并投入应用。故此系统一经研发成功很快取代了先前的模式。这些方案的主要目的是避免多个路口之间因缺乏协调而对来往车流造成的频繁停车。因为科研的成就不同，当前世界各国所使用的道路交通信号控制系统也不尽相同。但是英国运输与道路实验室（TRRL）基

18、于 TRANSYT（Traffic Network Study Tool）方法开发的 SCOOT（Split, Cycle, Offset Optimization Technique）和澳大利亚设计的基于配时方案实时选择方法来实现路网协调控制的 SCATS（Sydney Coordinated Adaptive Traffic System）成为世界上两个最优秀的城市交通信号控制系统。这些系统集实用性与高效性为一体，在越来越多的国家推广开来，成为现在城市道路交通中信号控制系统的主流。(1) 英国 SCOOT 系统 SCOOT (Split Cycle Offset Optimization

19、Technique)系统是在上世纪 80 年代基于 TRANSYT（Traffic Network Study Tool）方法开发的动态交通控制系统。该系统由英国智能交通研究所（TRRL）经过多年的努力而研制成功的，它采用自适应的控制方法，充分考虑到交通系统中车流量的变化，在实际的应用中取得了明显的效果。该系统的主要技术特征是：（1）在控制模式上，它不是不变的，而是根据不同情况随时改变的，在这个过程中各个控制机之间还能够实现联机操作；（2）在系统目标上，SCOOT 系统研发的费用要远比 SCATS 系统高，因此怎样把费用降低为最小就成为系统研发过程中不得不考虑的问题；（3）在参数特征上，相较于

20、 SCATS 系统，SCOOT 系统的周期、相位差、绿信比等各项参数不是系统预先确定的，而是通过建立优化数学模型计算出来的。(2) 澳大利亚的 SCATS 系统 SCATS (Sydney Coordinated Adaptive Traffic System)系统是澳大利亚在上世纪于 70 年代末开始研制的。它耗费了澳大利亚的大量的人力物力，集成了很多先进的技术，它呈现给世界的是一个具有控制分级形式并且采用了先进计算机网络技术的 SCATS 系统。该系统的主要的技术特点是：（1）在控制模式上分中央控制和地区控制，属于上下级的关系，中央可以随时对地区进行控制和调配，而地区及就负责把道路情况反馈

21、给中央控制；（2）在系统目标上 SCATS 系统的最终目标是使道路上行驶的车辆的饱和度达到最大，并且使通过的车流量最多；（3）在参数特征上智能交通系统中要充分考虑到周期、相位差、绿信比等各项参数，SCATS 系统在预先已经确定了各个参数合适的选择范围。 101.2.2 国内智能交通主要发展状况在我国，自 2001 年以来，国家启动“十五科学技术攻关” ，智能交通系统关键技术的开发和示范工程的重大项目顺利发展，国内的许多研究者和研究机构积极研究智能交通控制，推动了我国的智能交通系统研究。其中有代表性的系统是 HT-UTCS 系统和 JT-GAJ 交通控制系统。3HT-UTCS 系统 HT-UTC

22、S 系统是我国自行研制开发的第一个实时自适应城市交通控制系统，是“七五”和“八五”国家重点攻关项目成果，获得国家科技进步三等奖。系统通常采用两级控制结构：区域控制级和路口控制级。如需进行区域扩充，为对区域级进行协调控制可增设中央控制级，从而构成三级分布递阶控制结构。系统设计 容量：一个区为一个基本单元，控制 64 个信号交叉口；系统控制区域数 16 个。系统设置了实时自适应、固定配时和单点三种工作方式，还具有警卫、消防、救护 等优先绿波带和人工指定功能，工作方式灵活，功能完备。JT-GAJ 交通控制系统 JT-GAJ 交通控制系统是我国公安部交通管理研究所研制的，它的具有 3 点技术特征：（1

23、）三级控制结构并用：路口控制级负责单一路口的控制，中央控制级负责五个相邻路口的调配，区域控制级负责整个区域的规划。 （2）具有交通信号控制参数优化的功能：系统自带的优化算法软件把实时自适应控制信号和配时方案计算出来，传递到路口控制机，使其对信号能够实时控制。 （3）具有系统监视功能：系统本身可以对硬件的工作状态和软件的运行情况起到一个自检的作用，使其能够发现故障尽快处理。1.3 论文的主要工作相对于世界其他各国，我国的智能交通控制研究起步比较晚，据不完全统计，目前我国城市中道路交通控制系统多采用定时式来控制，随着车流量的增加，必然会产生这样的弊端：当某条路段的车流量很大时却要等待红灯，而此时另

24、一条道路无车或车流量相对少得多的道路却长时间的亮绿灯。因此我们的研究策略就是结合我们自身的特点，总结和学习国外的先进技术知识，建立一个适合我们国家的智能交通控制系统以减少车辆在道路的等待时间，提高道路的流通，进而缓和交通拥挤，提高交通效益。在此论文中，我们在道路的入口的各个方向的地下按要求埋设感应线圈，当汽车经过时就会产生涡流损耗，环状绝缘电线的电感开始减少，即可检测出汽车的通过，并将这一信号转换为标准脉冲信号作为 FPGA 控制输入，然后通过模糊控制比较，按一定控制规律自动调节红绿灯的时一长。4第 2 章 检测系统设计2.1 车辆检测器概述及其分类2.1.1 车辆检测器的概述随着智能交通灯备

25、受关注的同时，车辆检测器在传输信号的准确性和可靠性也显得越来越重要。车辆检测器的作用是把检测到的实时的车流量多少准确、迅速地通过传输网络传到上位机进行后处理，然后将数据传送到控制的核心部分进行优化分析处理。目前国内外在交通检测系统或交通信息采集系统中，大量应用了电磁传感技术、超声传感技术、雷达探测技术、视频检测技术、计算机技术、通信技术等高新科学技术。相应地，交通信息检测器主要有：电感环检测器（环型感应线圈） 、超声波检测器、红外检测器、雷达检测器、视频检测器等。2.1.2 车辆检测器的分类依据检测器安装方式的不同可以把它们分为两大类：第一种车辆检测器包括压电式、环形线圈式、地磁式以及磁力式等

26、，这种检测器铺设于路面或埋置于路面下方来收集车流密度、车速、交通流量、行程时间和车道占有率等交通资料，因此被称为路面铺设式。第二种车辆检测器包括声纳式、超声波式、微波式、图像式以及红外线式等，这种检测器架设于道路上方或路边来搜集各种交通资料，因此被称为非接触式。下面将着重介绍几种最常用的检测器类型：（1）波频检测器波频车辆检测器（多为悬挂式检测系统）是以微波、超声波和红外线等对车辆发射电磁波产生感应的检测器，这里主要介绍微波车辆检测器（RTMS） ，它是一种价格低、性能优越的交通检测器，可广泛应用于城市道路和高速公路的交通信息检测。 波频车辆检测器的工作方式是：采用侧挂式，在扇形区域内发射连续

27、的低功率调制微波，并在路面上留下一条长长的投影。它的车速检测原理是：根据特定区域的所有车型假定一个固定的车长，通过感应投影区域内的车辆的进入与离开经历的时间来计算车速。一台 RTMS 侧挂可同时检测 8 个车道的车流量、道路占有率和车速。 优点：微波雷达式车辆检测器最主要的优点是可以实现多车道检测，由于所发射的电磁波波及的范围比较宽，因此可以完成多车道交通流的同时监测；它的另外一个优点是工作时受环境的干扰不明显，不论是什么样的天气电磁波都能正常发射也能正常接收，这是其他检测器所无法比拟的。还有它安装时不破坏路面，使用方便，也是开发工作者所考虑使用的优点之一。缺点：微波雷达式车辆检测器最主要的缺

28、点是它的漏检率偏高，这一点是非常要命的，5因为检测系统的不可靠将对整个控制系统的运行产生不可估量的后果。但是这也是微波雷达式车辆检测器固有的特性所决定的，电磁波发射出去，有些情况下是无法收到回波的，也就因此产生了漏检。（2）视频检测器视频车辆检测器是通过视频摄像机作传感器，在视频范围内设置虚拟线圈，即检测区，车辆进入检测区时使背 景灰度值发生变化，从而得知车辆的存在，并以此检测车辆的流量和速度。检测器可安装在车道的上方和侧面，与传统的交通信息采集技术相比，交通视频检测技术可提供现场的视频图像，可根据需要移动检测线圈。 优点：图像式检测器检测到的图像比较直观，功能很强大；另外，因为它采用 7 非

29、接触式的安装方式，因此在整个安装或维修的过程中都不会影响交通。缺点：图像式检测器的最大缺点就是价格较高，容易受恶劣天气、灯光、阴影等环境因素的影响， 汽车的动态阴影也会带来干扰。 （3）环形线圈检测器环形线圈式车辆检测器（又称为地感，多为埋设式检测系统）是传统的交通检测器，是目前世界上用量最大的一种检测设备。车辆通过埋设在路面下的环形线圈，引起线圈磁场的变化，检测器据此计算出车辆的流量、速度、时间占有率和长度等交通参数，并上传给中央控制系统，以满足交通控制系统的需要。优点：环形线圈车辆检测器最主要的优点是检测精度高，可靠性强，对环境、天气等外界因素抗干扰能力强。缺点：a. 线圈在安装或维护时必

30、须直接埋入车道，这样交通会暂时受到阻碍。b. 埋置线圈的切缝软化了路面，容易使路面受损，尤其是在有信号控制的十字路口，车辆启动或者制动时损坏可能会更加严重。c. 感应线圈易受冰冻、路基下沉、盐碱等自然环境的影响。2.1.3 车辆检测器的选择鉴于对以上各种检测器的优缺点对比，并综合考虑实际各种应用情况，决定采用环形线圈式车辆检测器。环形线圈检测器是把它的金属线圈埋在路面下，构成一个 LC 震荡回路。当有车辆经过金属线圈的时候，使线圈的电感量发生变化，检测器内部电路振荡频率随着线圈电感量的变化而变化，然后我们将采集到的信号脉冲上传到上位机 PC 机，通过模糊控制系统匹配对比两路的车流量，进而变换相

31、邻相位上的红绿灯，从而起到节约时间的效果。环形线圈检测器是传统的交通检测器，是目前世界上用量最大的一种检测设备。它的主要功能：（1）交通信息采集、处理功能（2）对数据的储存功能（3）故障检测功能。它的传感器埋在车辆经过路面下，它的工作原理是基于电磁感应的。环形线圈的大小一般为2 m 2m，一般车长约为 4m，可算出车辆经过线圈检测器，可判断为有车的长度范围为4m。在整个检测器电路中，环形线圈是此电路的电感元件，电容则决定于检测单元中的电6容器。车辆检测器采用插板式机柜，包含一个 24V 的开关电源和四通道环线线圈车辆检测卡 ILD4，根据不同的需要可选择若干块检测卡，从而提高使用的灵活性。车辆

32、检测卡之间通讯采用 CAN 总线通讯。检测卡的主要功能为监控每条车道的交通状况，执行数据采集和数据处理，以及故障检测等。上位机控制系统为安装了线圈检测上位机处理程序的 PC 机，实现对检测卡工作参数的现场设定，同时查询与接收来自下位机的交通数据。上位机与线圈检测卡之间的通信采用 MAX483，通信速率可达 57600 波特。检测精度是检测器的关键性能指标，这里主要通过理论计算结合经验值的方法，计算和估计检测精度。通过估算，可以看出影响测量的因素及影响程度，对检测精度的性能参数设计有指导意义。环形线圈检测器能够满足正常的行驶车辆检测的要求，并且其成本低廉、检测精度高等因数在城市交通中得到了广泛的

33、应用。2.2 硬件组成环形线圈车辆检测器主要组成部分：线圈、线圈调谐回路、检测回路。对车辆起直接作用的是环形线圈回路的总电感量，其中包括线圈自感和线圈与车辆之间的互感。由于环形线圈是有源探头通过一定的工作电流，所以当车辆通过线圈或停在线圈上时会引起线圈回路电感量的变化，从而达到检测目的。检测装置主要由传感器、微控制器、输入输出等三部分组成。（1）传感器部分在地面上挖一个沟槽，用导线沿沟槽绕若干圈，构成了电感线圈。当车辆经过线圈部分时，线圈的电感量发生变化。线圈接入振荡电路中，电感的变化就引起振荡频率的变化。电感减小，振荡频率增大。（2）微控制器部分此设计的微处理器部分采用89C51单片机，来处理频率变化的输出信号。（3）输入输出部分 传感器信号输入：线圈接入振荡电路中，单片机通过测量振荡信号频率来判断是否有车辆通过。信号输出为光隔开关量输出及工作状态指示。2.2.1 振荡电路原理图