1、 1 毕业论文 文献综述 电气工程及自动化 基于 FPGA的交通灯控制系统 摘要： 用 VHDL 语言设计交通灯控制系统，并在 MAX+PLUS II 系统对 FPGA 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。 关键词： VHDL 硬件描述语言；可编程逻辑器件； FPGA；交通灯控制系统 随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。当今社会，人们平均生活水平提高，私家车也越来越多。人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理 部门需要解决的重要问题之一。城市交通控制系统是用于城
2、市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。 实现路口交通灯系统的控制方法很多，继电器、可编程序控制器 PLC、单片机等方案来实现，继电器价格便宜，但安装复杂，事故较多 。 PLC 接线方便，容易检修， 但 价格昂贵 。 单片机的编程麻烦，可读性差，实时控制不太占优势，但成本低，控制方式比较灵活 。但是这些控制方法的功能修改及调试都需要硬件电路的支持，在一定程度上增加了功能修改及系统调试的困难 FPGA 是在 PAL、 EPLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物，又叫现场可编程门阵列。它解决了原有可编程器件门电路数有限和定制
3、电路不足的缺点，是作为专用集成电路领域中的一种半定制电路而出现的。 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、仪器、军事和航空航天等众多领域得到了广泛应用。 FPGA 有着功耗和成本低的特点，它将会进入更多的应用领域。基于 FPGA 的设计具有串、并行工作方式和高可靠性、规模大、标准产品无需测试等优点。因此，在 EDA 技术的基础上 ,利用 FPGA 的相关知识设计了交通灯控制系统 ,可以根据实际情况对灯亮时间进行自由调整 ,利用 Quartus II 软件平台对设计系统进行仿真，并将整体程序下载到目标 FPGA 器件下
4、进行模拟实现，结果表明系统能够自动控制交通灯转变 3。 传统的十字路口交通控制灯，通常是事先经过交通流量的调查。运用统计的方法将两个方向红绿灯的延时预先设置好。然而实际上交通流量的变化往往是不确定的，有的路口再不同的时段甚至可能产生很多的差异。即使是经过长期运行、适用的方案，仍然会产生这样的现象：绿灯方向几乎没有什么车辆，而红灯方向却排着长 队等候通过。这种流量变化的偶然性事无法建立准确模型的，统计的方法已经不能适应迅猛发展的交通现状，需要有一种能够根据流量变化情况自适应控制的交通灯，这个应用 FPG对交通控制灯实现模糊控制来解决这种现象。 2 本次所设计的交通信号灯控制电路 , 主要是结合设
5、计任务要求和确定的实现方案，假设某个十字路口是由一条主干道和一条次干道组成，在每个方向设置红绿黄 3 种信号灯，红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行，黄灯亮允许行驶中车辆有时间停考到禁止线以外 4。 一般十字路口的交通灯都是最基本的交通信号灯，只是起到定时转换通行方向 的作用，它的工作过程如下： （ 1）系统工作后，首先南北红灯亮并维持 25s；与此同时，东西绿灯亮，并维持 20s 时间，到20s 时，东西绿灯闪亮，闪亮 3s 后熄灭。 （ 2）在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮并维持 2s，然后东西黄灯熄灭，东西红灯亮，同时南北红灯熄灭，南北绿灯亮。 （ 3）东西红灯亮并维持 30s；与此同时，南北绿灯
6、亮并维持 25s；然后，南北绿灯闪亮 3s 后熄灭。 （ 4）南北绿灯熄灭时，南北黄灯亮维持 2s 后熄灭；同时南北红灯亮，东西绿灯亮。至此，结束一个工作循环。 整个系统以 Controll_jt 为 核心控制器，可分为分频模块、倒计定时模块、主控制模块、报警提示模块和译码显示模块五个组成结构。其中分频模块使系统工作于同步状态下，将外部提供的 40M 的晶振频率进行分频，得到我们所需要的时钟信号；倒计定时模块作为外部 LED 显示模块倒计时初始值的预设与传递；主控制模块负责控制整个系统控制信号的采集与使能信号的适时输出；报警提示模块用于主次干道闯红灯记录警示；译码显示模块是个外部 LED 的显
7、示模块，显示红绿灯倒计时间 8。 主控制模块是整个程序的控制中心 ,用于接收定时模块的定时信息和传感器输入信号 ,并对信息整合判断后 ,输出两路红绿黄灯的显示信息和定时模块的使能信息 .其中红绿灯信息高电平灯亮 ,低电平不亮 ,清零时灯同步量。 在这最基本的交通灯上，可以增加一些特殊的控制，如： （ 1）在每个路口安装传感器，传感器收到的信息传递至 FPGA。当车辆进入路口经过第一个传感器时，使统计数加 1；经过第二个传感器 2 出路口时，使统计数减 1，其差值就是该路口某个方向上车辆的滞留量（动态值），可以与其它方向的值进行比较，据此作为调整红绿灯时长的依据。这是智能的控制，也可以在编程的时
8、候给这个时间定值，通过开关按钮来进行人工控制。当某个方 向汽车滞留量大时，可人工控制绿灯延长亮的时间，尽可能使滞留的车都能通过该路口，避免造成交通阻塞。 (2)在较大的十字路口，车行方向的交通信号灯一般都对应着人行道上的信号灯。一般人行道上的交通灯只有红绿两种 ,当东西车行道红灯亮时，南北人行道绿灯，行人可以通过。同理，南北方向3 车行道红灯亮时，东西人行道绿灯亮。在人行道交通灯控制系统中，可以增加盲人强过的智能控制。就是说有盲人要过马路时，按下特殊开关，强制使该方向变绿灯，相对应的车行道交通灯时序也要相应改变。一旦盲人通过马路，交通灯又恢复之前的正常的工作状态。 （ 3）还可以增加急车强通的
9、功能。所谓急车，就是指警车、救护车、消防车等特殊的车辆。当这些车执行任务，需强制通过路口时，就应该相应接通特殊开关，使急车方向一律绿灯，让急车通过。一旦急车通过，开关马上断开，信号灯有变为急车来时的正常时序控制。一旦两个方向同时来急车时，应先响应先来的一方。 本系统借助 CPLD/FPGA器件及其支撑软件 ， 快速 、 明确地完成了对交通灯的控制功能 !而且可以看到 VHLD对设计的描述具有相对独立性 ， 毋需通过门级原理图描述电路 ， 而是针对目标进行功能描述 ， 这种设计方法使设计人员摆脱了电路细节的束缚 ， 效率高 、 可靠性好 、 成本低 。 这些都体现了EDA技术的优越性和广阔的应用
10、前景 。 参考文献： 1 周润景 等 .基于 Quartus的 FPGA/CPLD 数字系统设计实例 M.北京：电子工业出版社， 2007 年8 月 2 杨晓慧 等 .基于 FPGA 的 EDA/SOPC 技术与 VHDLM.北京：国防工业出版社， 2007 年 10月 3 王诚 等 .Altera FPGACPLD 设计 (基础篇 )M.北京：人民邮电出版社， 2005 年 7 月 4 Stephen Brown,Zvonko Vranesic.Fundamentals of Digital Logic with Verilog Design(2nd Edition)M.New York:M
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12、 杨少军 .基于 DSP 的移频机车信号分析研究与实现 D.武汉 :武汉大学 ,2006. 10 文畅 .基于 FPGA/CPLD 和 VHDL 语言的交通灯控制系统设计 J.电脑知识与技术 (学术交流 ),2007,06-08. 11 廖长初著 PLC 基础及应用，第 2 版 M.北京 :机械工业出版社， 2007 年 5 月 . 12 邹彦 ,庄严 .EDA,技术与数字系统设计 M.北京 :电子工业出版社 ,2007 年 4 月 . 13 潘新民 .微型计算机控制技术实用教程 M.北京 :电子工业出版社 ,2009 年 7 月 . 4 14 李朝青 .单片机原理与接口技术 M.北京 :北京航空航天大学出版社 ,2008 年 7 月 . 15 廖超平 .EDA 技术与 VHDL 实用教程 M.北京 :高等教育出版社 ,2008 年 5 月 .
