1、 毕业设计文献综述 电气工程及其自动化 基于 FPGA 的交通灯控制系统设计 前言 交通灯是城市交通监管系统的重要组成部分，对于保证机动车辆的安全行驶，维持城市道路的顺畅起到了重要作用 。 随着社会经济的发展， 我国城市交通道路拥挤的问题日益突出，车辆数量极具增加。而目前，十字路口的交通灯控制系统大都采用定时控制方式 .这样的交通控制系统效率低，容易造成交通拥挤。 因此，我们有必要寻求一种具有智能的交通控制系统。这种智能交通控制系统能够依据车流量、道路、时间与季节变化情况改变控制方式或自动调节红绿灯的时间长度，减少十字路 口的车辆滞留现象，缓解交通拥挤、实现十字路口交通最优控制，从而提高交通控
2、制系统的效率。随着城市化的推进与私家车数量的猛增，道路交通拥挤的问题将日益突出 . 可以预见，智能交通控制系统将具有广大的应用前景 . 1交通灯控制方案（控制方法） 1.1 单片机控制 文献 1中作者指出，传统定时式的控制不符合实际要求，由于南北东西的车流量存有差距，就会出现车多的方向导通时间不足，而车少的方向导通时间剩余，造成一方向车挤另一方向车松的不合理的局面。因此，作者提出交通灯的智能控制。在车流量传感器的设计上，作者分别在南北 和东西方向取样，对取样所得的模拟量由计算机进行处理，分析和判断，然后决定优先导通方向和导通延迟时间长短，再从接口输出一组开关量，直接控制信号灯的驱动电路，实现计
3、算机对信号灯的智能控制。 文献 2中作者提出了基于单片机的交通灯智能控制系统。 建立车流量与红、 绿、 黄灯时长的模型并制表存入单片机中。 由线阵 CCD 图像传感器实时拍摄交叉路口的路况，采用微分二值化处理电路处理 CCD 输出信号变成二值化信号，再由单片机自动的读入数据，判断路口车辆排队长度。查表可得红、 绿、 黄灯时长，实现交通灯的智能控制。 文献 3中，作者指出：目前绝大多数交通灯的时间都是固定值，还存在以下缺点： 1 两车道的车辆轮流放行时间相同且固定，在十字路口，经常一个车道为主干道，车辆较多，放行时间应该长些，另一车道为副干道，车辆较少，放行时间应该短些； 2 没有考虑紧急车通过
4、时，两车道应采取的措施，两车道的车都应停止，让紧急车通过。根据这些问题，作者提出使用智能交通灯的要求与传统交通灯比较， 智能交通灯作以下两点的改进措施 1 根据各道路路口车流量的大小自动调节通行时间 2 考虑特殊车辆通行情况 设计紧急切换开关。 1.2 PLC 控制 文献 4中，作者指出 PLC 模糊控制原则是本控制系统的核心，该系统的控制目标为：车辆滞留量最少；绿灯时间与车流规模相适应；系统动态调节反应快。 PLC 模糊控制原则及绿灯时间长度的输出全部采用 PLC 内中间继电器 M 进行逻辑运算来实现。中间继电器均采用带锂电池后备的中间继电器是考虑到断电与急车中断程序的需要 .在一个红绿灯周
5、期内，每当东西向或南北方向绿灯亮之前， PLC 都将按当时车流数据并根据上述的模糊控制原则自动调整绿灯时长 .当然，由于采用了 PLC，以上的车流规模与绿灯时间长度都可以方便而快速地依据 道路、 时间与季节变化的情况与交通指挥经验而现场修改。 文献 5中作者介绍了模糊控制方式， 它采用双层控制方法：第一层通过观测数据来估计目前在绿灯和红灯方向上的交通强度；第二层通过交通强度来确定是否延长或终止现行的信号相位。具体思路：（ 1）由东西直行道现有的绿灯时间内离开的车辆数和南北左行道红灯时间内的交通强度来确定东西直行的绿灯是否延时；（ 2）而现有的南北左行道的绿灯时间内离开的车辆数和南北直行道红灯时
6、间内的交通强度来确定南北左行的绿灯是否延时；（ 3）现有南北直行道的绿灯时间内离开的车辆数和东西左行道红 灯时间内的交通强度来确定南北直行的绿灯延时；（ 4）现有东西左行道绿灯时间内离开的车辆数和东西直行道红灯时间内的交通强度来确定东西左行的绿灯延时。 文献 6中 ,作者介绍了基于 PLC 的智能交通灯控制系统由传感线圈传感器、控制器 PLC、红黄绿交通信号灯、输入接口电路和电源等组成。作者提出 在十字路口相应的位置预埋传感线圈， 对此路段上的车流量进行统计， 并根据车流量的变化，改变绿灯的控制时间，可以实时地对绿灯资源进行合理调配， 提高十字路口的通行能力。 1.3 FPGA 控制 文献 7
7、中，作者运用 VHDL 语言设 计交通灯控制系统 , 并在 MAX+PLUS II 系统对 FPGA/ CPLD 芯片进行下载 , 由于生成的是集成化的数字电路 , 没有传统设计中的接线问题 , 所以故障率低、 可靠性高 , 而且体积小。体现了 EDA 技术在数字电路设计中的优越性。 文献 8 交通灯控制系统在城市交通监管中起着极其重要的作用。应用 VHDL 语言 ,在 Altera 公司的 Max+ Plus 软件环境下 ,通过模块化编程完成了灯亮时间可调的交通灯控制系统设计 , 并进行了逻辑综合、 仿真和硬件下载 , 系统的软件仿真和实验测试结果满足 了设计要求 ,达到了预期的效果。由于设
8、计采用了 EDA 技术 ,不但大大缩短了开发研制周期 , 提高了设计效率 ,而且使系统具有设计灵活 ,实现简单 , 性能稳定的特点。 文献 9中，作者运用 交通管制模拟和优化算法的思想，研究了模拟在一个城市的交通灯控制器的优化和自适应优化算法提出了一种强化学习的基础。我们已经实施了交通灯模拟器，在绿灯时， 允许具有不同我们进行实验基础设施和比较不同的交通灯控制器。 实验结果表明，我们的适应性交通灯控制器的研究基础设施优于所有其他固定控制器。 文献 10 中，作者指出，通过测定车辆在行 驶过程中实时通过的频率，来判定某一条支线道路上车流量的多少。通过车辆的采集卡把由地感线圈采集到的脉冲数据输到
9、PC 机，运用模糊控制原理，提出了一种以当前相位和下一相位的车流量来决定信号交变的多相位模糊控制方法，设计了一套基于车辆通过频率的交通自适应控制策略，并在 FPGA 软件中模拟实现。 2设计平台、语言及软件 文献 11 Verilog HDL 就是在用途最广泛的 C 语言的基础上发展起来的一种件描述语言， 它 最大 的 特点就是易学易用，如果有 C 语言的编程经验，可以在一个较短的时间内很快的学习和掌握，因而可以把 Verilog HDL 内容安排在与 ASIC 设计等相关课程内部进行讲授，由于 HDL 语言本身是专门面向硬件与系统设计的，这样的安排可以使学习者同时获得设计实际电路的经验。 文
10、献 12 ModelSim 是业界最优秀的 HDL 语言 仿真软件 ，它能提供友好的仿真环境，是业界唯一的单内核支持 VHDL 和 Verilog 混合仿真的仿真器。它采用直接优化的编译技术、Tc l/Tk 技术、和单一内核仿真技术 ，编译仿真速度快，编译的代码与平台无关，便于保护IP 核，个性化的图形界面和用户接口，为用户加快调错提供强有力的手段，是 FPGA/ASIC设计 的首选仿真软件。 文献 13 Verilog HDL 是当今世界上应用最广泛的硬件语言之一，使用 Verilog HDL设计的数字电路系统主要有 ASIC 和 FPGA 实现。设计输入指的是用 Verilog HDL 编
11、写功能模块程序。功能仿真又称前 仿真，其目的是检测所设计的数字电路系统是否能完成预期的逻辑功能。综合完成后还要进行仿真 ,目的是检测抽象的 Verilog HDL 程序是否被正确地转换为门级电路的连接。如果综合后依然能够完成预期的逻辑功能，那就可以进行布局布线了，布局布线之后就要进行后仿真。后仿真是模拟真实情况的仿真，其中加入了导线电阻和寄生电容等因素的影响，然后进行时序分析。如果是使用 FPGA 器件，后仿真会容易一些，只要使用 FPGA 厂商提供的 EDA 工具就可以很方便地进行。如果是使用 ASIC,后仿真前需要先提取参数，将电阻和电容等电气参数提取 出来，然后再进行后仿真。由是可见，
12、FPGA 控制具备了 Verilog HDL 的优点，而且它的使用相对于 ASIC 又方便容易很多。 3.总结 基于以上的论文显示，不论各位学者采用的是单片机控制。 PLC 控制还是 FPGA 控制，虽然他们的控制核心不同，但是其控制的思想还是一致的，所以本人从硬件的角度对各方案作了简单的对比。 基于 单片机 控制的交通灯 单片机是一种集成 的 电路 芯片， 它 采用 超大规模集成电路 技术把具有数据处理能力的中央处理器 CPU 随机存储器 RAM、 只读存储器 ROM、多种 I/O 口和中断系统 、定时器 /计时器 等功能（可能还包括显示驱动电路、 脉宽调制 电路、模拟多路转换器、 A/D
13、转换器等电路）集成到一块硅 片上构成的一个小而完善的 计算机系统 。 总的来说，单片机没有成品，没有现成的软件，所有的硬件及软件都需要自己设计并且配套的使用，所以单片机的开发成本比较高。其次就单片机本身而言，单片机的稳定性和可靠性还是比较欠缺的，单片机的自身保护性也比较差，它的应用功能到是可以随意开发，应用的面也比较的广泛。单片机的硬件成本还是比较低的，因此适用于小型自动控制领域及无线控制领域，和量大的配 套项目。 基于 PLC 控制的交通灯 PLC 即 可编程逻辑控制器， 是 一种数字运算操作的电子系统， 主要运用于工业控制领域。 它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，
14、顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入 /输出控制各种类型的机械或生产过程。是工业控制的核心部分。 PLC 实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同 。 PLC 是工业控制领域的主力军，能够完成强电的逻辑控制和运动控制及 PID 运算。 PLC 自身保护强。 PLC 控制抗干扰能力比单片机强， 在大 型控制系统里 PLC 的各项性能比单片机要稳定。另 外 在编程方面 PLC 比单片机要容易得多 。还有就是 PLC 的软件容易学习，它的工程开发周期短。但是整套的 PLC 设备价格比较的昂贵，对于交通灯的使用来说，它的成本比较的高。 基于
15、FPGA 控制的交通灯 FPGA 即现场可编程门阵列，它是作为 专用集成电路 领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限 的缺点 。FPGA 的使用非常灵活，同一片 FPGA 通过不同的编程数据可以产生不同的电路功能。 FPGA 在通信、数据处理、网络、仪器、工业控制、军事和航空航天等众多领域得到了广泛应用。 首先是因为 FPGA 运行速度快 ，由于 FPGA 内部 拥有 集成锁项环 ，它可以把外部时钟倍频，它的核心频率可以达到几百兆；其次是 FPGA 管脚多 ， 容易实现大规模系统 ，相较于单片机， FPGA 的IO 口 拥有数百个，可以方便连
16、接外设。当面对一个复杂的系统时， 单片机要进行仔细的资源分配 ，总线隔离 ， 而 FPGA 由于丰富的 IO 资源 ， 可以很容易用不同 IO 连接各外 设 备；再次是 FPGA 内部程序并行运行 ， 有处理更复杂功能的能力 ， 单片机程序是串行执行的 ， 在处理突发事件时只能调用有限的中断资源 ； 而 FPGA 不同逻辑可以并行执行 ， 可以同时处理不同任务 ， 这就 提高了 FPGA的 工作效率 。 鉴于以上的对比，本文采用以 FPGA 为芯片模板，设计的智能控制交通灯。 参考文献 : 1 韦绍波 智能交通信号灯设计思路 J. 广西民族学院学报， 1995 1(1)： 78-82. 2 陈
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18、. 基于 FPGA/ CPLD 和 VHDL 语言的交通灯控制系统设计 J. (长江大学 计算机科学院 文理学院 , 湖北 荆州 ) 8 李国栋 , 任志平 . 基于 FPGA 技术的交通灯控制系统设计 J.现代电子技术 2008 17:190-192. 9 Marco Wiering, Jelle van Veenen, Jilles Vreeken, and Arne Koopman Intelligent Traffic Light Control D. 10 周春蕾 . 基于 FPGA 技术交通灯智能控制系统的研究 D.河北科技大学 2010年学位论文 . 11 http:/ 12 http:/ 13 王冠等编著 . Verilog HDL 与数字电路设计 M机械工业出版社 ,2005.9
