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交通燈是城市交通監管系統的重要組成部分，對于保證機動(dòng)車(chē)輛的安全運行，維持城市道路的順暢起到了重要作用。目前很多城市交叉路口的交通燈實(shí)行的是定時(shí)控制，燈亮的時(shí)間是預先設定好的，在時(shí)間和空間方面的應變性能較差，一定程度上造成了交通資源的浪費，加重了道路交通壓力。本文在EDA技術(shù)的基礎上，利用FPGA的相關(guān)知識設計了交通燈控制系統，可以根據實(shí)際情況對燈亮時(shí)間進(jìn)行自由調整，整個(gè)設計系統通過(guò)Max+PlusⅡ軟件進(jìn)行了模擬仿真，并下載到FPGA器件中進(jìn)行硬件的調試，驗證了設計的交通信號燈控制電路完全可以實(shí)現預定的功能，具有一定的實(shí)用性。 1 系統設計要求 所設計的交通信號燈控制電路，主要適用于在兩條干道匯合點(diǎn)形成的十字交叉路口，路口設計兩組紅綠燈分別對兩個(gè)方向上的交通運行狀態(tài)進(jìn)行管理。交通燈的持續閃亮時(shí)間由鍵盤(pán)輸入控制。燈亮時(shí)序如圖1所示，當B方向的紅燈亮時(shí)，A方向對應綠燈亮，由綠燈轉換成紅燈的過(guò)渡階段黃燈亮，即B方向紅燈亮的時(shí)間等于A(yíng)方向綠燈和黃燈亮的時(shí)間之和。同理，當A方向的紅燈變亮時(shí)，B方向的交通燈也遵循此規則。各干道上安裝有數碼管，以倒計時(shí)的形式顯示本道各信號燈閃亮的時(shí)間。當出現特殊情況時(shí)，各方向上均亮紅燈，倒計時(shí)停止。特殊運行狀態(tài)結束后，控制器恢復原來(lái)的狀態(tài)，繼續運行。 2 系統整體設計 整個(gè)系統設計如圖2所示，該系統主要由計數模塊、控制模塊、分頻模塊、分位模塊以及顯示電路構成。其中分頻模塊主要將系統輸入的基準時(shí)鐘信號轉換為1 Hz的激勵信號，驅動(dòng)計數模塊和控制模塊工作�？刂颇K根據計數器的計數情況對交通燈的亮滅及持續時(shí)間進(jìn)行控制，并通過(guò)分位電路將燈亮時(shí)間以倒計時(shí)的形式通過(guò)數碼管顯示出來(lái)。圖中Reset是復位信號，高電平有效，可以實(shí)現對計數器的異步清零。Hold為保持信號，當Hold為“1”，計數器暫停計數，表示出現特殊情況，各方向車(chē)輛都處于禁行狀態(tài)。 3 主要功能模塊設計及仿真 3.1 計數模塊設計 計數模塊主要實(shí)現累加循環(huán)計數，計數的最大值由鍵盤(pán)輸入控制，輸出的計數值為控制模塊的燈控提供參考，計數器的主程序設計如下： 計數模塊的仿真如圖3所示，從圖中可以看出，在時(shí)鐘的驅動(dòng)下，計數值不斷自加，當計數值countnum等于鍵盤(pán)輸入值32(key=32)時(shí)，計數返回到0，開(kāi)始下一輪計數。當Hold檢測到特殊情況時(shí)置‘1’，使計數器暫停計數。 3.2 控制器模塊的仿真設計 在控制器模塊中，紅、綠、黃三盞燈工作的總時(shí)間由鍵盤(pán)輸入，各交通燈時(shí)間分配規則如下：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，本設計中鍵盤(pán)輸入值為32(key=32)，正常情況下紅燈亮16 s，綠燈亮12 s，黃燈亮4 s。 控制器仿真情況如圖4所示，當hold為低電平，計數值countnum＜12時(shí)，greenA輸出高電平，A東西方向綠燈亮起車(chē)輛通行，此時(shí)與之相對應的redB輸出高電平，B方向紅燈亮起車(chē)輛禁行。A方向顯示交通燈閃爍持續時(shí)間的數碼管numA從12開(kāi)始遞減，同時(shí)B方向顯示交通燈閃爍持續時(shí)間的數碼管numB從16開(kāi)始遞減。當12＜countnum＜16時(shí)，yellowA輸出高電平，A方向黃燈亮起，numA從數值4開(kāi)始倒計時(shí)，此時(shí)greenB仍處于低電平，numB繼續倒計時(shí)，B方向紅燈閃亮車(chē)輛仍處于禁行狀態(tài)。當countnum＞16，redA輸出高電平，A方向紅燈亮起車(chē)輛禁行，numA從數值16開(kāi)始倒計時(shí)，此時(shí)greenB輸出高電平，B方向綠燈亮起車(chē)輛通行，numB從數值12開(kāi)始遞減。當16＜countnum＜28時(shí)，redA繼續處于高電平狀態(tài)，numA繼續倒計時(shí)，A方向車(chē)輛禁行，而此時(shí)yellowB輸出高電平，B方向黃燈亮起，numB從數值4開(kāi)始遞減。當hold為‘1’時(shí)，表示進(jìn)入緊急狀態(tài)，FLASH置‘1’，各方向的紅燈均亮起，所有機動(dòng)車(chē)禁行。 3.3 分位模塊設計 分位模塊的設計主要是將燈亮時(shí)間分為十位和個(gè)位，通過(guò)兩個(gè)相應的數碼管分別顯示出來(lái)。本設計中燈亮時(shí)間最長(cháng)不超過(guò)40 s(numin＜40)，numA，numB分別表示十位、個(gè)位上的數字，分位模塊程序設計的流程圖如圖5所示。 分位模塊的仿真如圖6所示，numin的數值大小可以通過(guò)numA，numB的組合以十進(jìn)制數值顯示，從而實(shí)現了分位功能。 4 系統的硬件設計及調試 本系統的主要邏輯設計由一片EPlK30TC144-3芯片完成，編寫(xiě)的VHDL源程序在Altera公司的邏輯綜合工具M(jìn)ax+PlusⅡ下經(jīng)過(guò)編譯和功能仿真測試后，針對下載芯片進(jìn)行管腳配置，下載到EPlK30TC144-3芯片中，進(jìn)行相應的硬件調試，調試結果與軟件仿真的結果相吻合，驗證了設計完成了預定功能。 5 結 語(yǔ) 本文利用硬件描述語(yǔ)言VHDL編程，借助Altera公司的Max+PlusⅡ軟件環(huán)境下進(jìn)行了編譯及仿真測試，通過(guò)FPGA芯片實(shí)現了一個(gè)實(shí)用的交通信號燈控制系統，設計由于采用了EDA技術(shù)，不但大大縮短了開(kāi)發(fā)研制周期，提高了設計效率，而且使系統具有設計靈活，實(shí)現簡(jiǎn)單，性能穩定的特點(diǎn)。 |
