基于FPGA的交通信号灯控制系统设计

1. FPGA工作原理

FPGA即现场可编程门陈列, 其主要由三部分组成, 分别是CLB (可配置逻辑模块) 、IOB (输入输出模块) 和内部连线, 在FPGA系统中, LGA是其所运用的逻辑单元陈列概念。并且。FPGA的内部结构系统也是与传统器件 (PAL, GAL及CPLD) 的内部结构所不同的, FPGA系统的组合逻辑是通过小型查找表来实现的。查找的具体步骤如下:首先, 在D触发器的输入端口连接上每一个查找表;其次, 触发器的输入端连接好之后, 将由其来对I/O进行驱动, 实现有效驱动之后便可以实现对组合逻辑功能和时序逻辑功能两个模块的有效组合;再次, 组合好的单元模块便可以将他们进行金属连接或者将其连接到I/O模块。而且, FPGA金属连线互相连接将会对逻辑单元的逻辑功能和各个模块与I/O间的联接方式起着决定性的作用。另外, FPGA系统还具有一大优势, 那就是其具有无限次编程的机会。基于FPGA的这一系列功能优势设计出了非常智能化的交通信号灯控制系统。该系统的使用可以在正常车流量状况下倒计时稳定不变, 而在车辆高峰期和深夜道路车辆少期, 可以对系统的显示倒计时进行适当的调整, 从而在避免车辆堵塞现象发生的同时, 还有效确保了车辆的通行效率。

2. 交通信号控制系统概述

2.1 交通信号功能

控制每个方向车辆和行人的通行时间是交通信号系统的主要功能。交通信号系统的设置都是同一个时间段内, 只允许一个方向的车辆和行人有秩序地过马路, 此举不仅可以很好地缓解十字路口的交通堵塞现象, 而且还有效保障了车辆以及行人的安全。目前, 我国各大城市的路口一般都是由东南西北四个路口的红、黄、绿以及左转信号灯来对城市十字路口的车辆以及路口的过马路行人实施控制的。在控制过程中, 主要通过信号灯的倒计时时间来判断车辆和行人什么时间可以通过。目前, 我国的规定为红灯停, 绿灯行, 黄灯亮了等一等。以此确保了交通的有序和人民的人身安全。

2.2 交通信号系统实现

现如今, 我国的多数大中型城市都是通过对十字路口车流量的大小来对路口的信号灯亮灭时间进行设置, 进而实现对交通系统的有效控制。该控制时间的长度一旦被设定, 就会是固定不变的。而即使是同一个路口, 同一个时间段, 不同的日期也会存在不同的车流量, 所以固定的时间设定便存在很大的缺陷。而环形线圈的使用便可以很好地改善这种缺陷, 其工作原理是:第一步先接受路口的车流量实时信息;第二部是通过FPGA芯片对所接受的信息进行分析与处理;第三步是通过倒计时模块对路口的信号灯进行有效的控制。整个系统车流量的检测模块由四部分组成, 分别是路口车流量的统计模块、时钟模块、交通信号灯的控制模块以及倒计时的显示模块组成。该系统可以根据实时的车流量状况对各个路口的信号灯的亮灭时间进行及时的调整, 从而达到了对交通信号灯的智能化控制, 进而有效减少了城市十字路口的拥堵现象, 有效提高了车辆的通行效率。

3. FPGA交通信号灯控制系统设计

3.1 主体结构设计

系统具体结构包括时钟脉冲、主控器, 其中信号灯控制器包括主干道信号灯及支干道信号灯;分为显示器包括主干道时间显示及支干道时间显示。分频器对晶振脉冲进行分频, 产生时钟脉冲。主控制器收到时钟信号后, 做出转换状态, 并输出状态时间。

3.2 环形线圈车辆检测器的模块设计

3.2.1 车辆检测器

在现代的智能交通控制系统当中, 交通信息检测和交通信息采集是车辆检测器中十分重要的一个组成部分。该检测系统可以对城市十字路口交通的车流量、交通车辆的速度、交通的车辆类型以及所有等待红灯的车辆所排的长队等一系列实际情况都可以进行有效的信息采集, 并且对所采集的信息进行快速整理, 然后再通过传输模块将此信息传送到控制模块, 控制模块在接受都传输模块的信息之后立即进行分析与处理, 处理好所有的数据信息之后, 控制模块会再次将这些信息传输到显示模块, 进而交通路口的时间会根据这些信息对倒计时进行一定的调整, 进而实现对十字路口车辆通行的有效控制。

3.2.2 环形线圈检测电路设计

环形线圈的工作原理主要是通过馈线把环形线圈接入变压器的入口端, 而且其可以非常好地将环形线圈所产生的电感送到震荡电路中, 震荡电路接收到电感之后, 进一步生成正弦波, 该正弦波的频率十分稳定。这些稳定的正弦波在经过放大、整形和滤波处理之后, 将会生成几乎接近理想状态的同频率方波, 系统通过对该方波的频率变化进行严格的检测分析, 从而可以对路口通过的车辆进行真确的判断。这一系列的相互作用可以使环形线圈的电感量变化转化成振荡电路谐振频率的变化。因此, 现如今环形线圈往往会作为城市交通路口车流量检测器的传感器。

3.3 车流量统计模块设计

显而易见, 通过分析系统配时就可以看出, 在对车流量进行统计求和的时候, 应该对a、c方向和b、d方向在一个交通灯周期里面的车流量进行统计。并且还应对所统计出来的数值与阈值δ (可调) 的关系进行详细的对比以及分析研究。

在对车流量进行统计的时候, 其模块的端口描述如下:

input clk;//50MHz系统时钟信号;input rst_n;//系统复位信号, 低电平有效;

input[3:0]data;/*a、b、c和d四个方向的车流量检测信号输入端分别为data[0], data[1], data[2], data[3]*/;

input en;//统计模块使能信号, 控制车流量统计的时间, 高电平有效;

output[2:0]sel;//配时选择信号, 控制交通信号配时方案的选择。

3.4 时钟模块设计

现阶段, 交通信号控制系统的通常输入时钟的脉冲信号为50MHz, 其是由50MHz的有源晶振所提供的;而城市交通十字路口的交通灯倒计时是由1Hz的脉冲信号所提供。因此, 将50MHz的高频时钟信号进行分频将成为时钟模块电路的主要功能, 系统的时钟计时信号的周期一般为1s的方波低频时钟信号。

3.5 交通信号控制模块设计

控制模块中, 控制信号的产生主要采用按键形式。但运行中按键会有抖动的现象。消除抖动的方式还是使用软件。控制模块的实用性较强, 有时间预置、模式选择、复位调整等功能。设计中, 4个按键分别为krest、kset、kup和kdown。Krest是复位按钮。Kset作为转换状态的调整使用。kup和kdown分别为设置量的加减。过程中, kset控制state[3..0]进行状态控制。交通信号灯显示时间信号分别为G1_time[6..0], Y1_time[6..0], R1_time[6..0], L1_time[6..0]。显而易见, 改变此阈值即为改变信号灯的倒计时时间。

结束语

此篇文章主要对我国城市十字路口的交通信号灯的显示信号灯的倒计时和信号灯的配时的现状进行了分析, 对设计出一种实时的智能交通信号控制系统起到了非常积极的作用。本文中所设计出的交通信号灯控制系统所采用的设计方法为自顶向下的设计, 其可以利用环形磁感应圈对城市十字路口的车流量进行很好的检测, 进而可以为城市十字路口的车辆以及行人安全提供了有效的保障。

摘要：本文采用FPGA设计, 结合了道路传感器, 设计了交通信号灯全感应自适应的控制方案。通过仿真与验证结果表明实现对交通道路的畅通达到优化的效果。

关键词：FPGA,信号灯,控制系统,设计