基于FPGA的交通系統(tǒng)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)計(jì)

基于FPGA的交通系統(tǒng)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)計(jì)

康維新,李定洋

(哈爾濱工程大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱150001)

摘要為了緩解城市交通擁堵問(wèn)題,提出一種基于FPGA平臺(tái)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制的城市交通控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用TCP/IP傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn)控制中心發(fā)送控制信息給交通系統(tǒng)?？刂浦行牟捎肣t圖形化界面實(shí)現(xiàn),清楚直觀;交通系統(tǒng)依據(jù)控制信息選擇相應(yīng)配時(shí)方案進(jìn)行顯示。經(jīng)測(cè)試,該系統(tǒng)工作穩(wěn)定、控制精確、可靠性高,且成本較低。

關(guān)鍵詞FPGA;TCP/IP;Qt;交通系統(tǒng);遠(yuǎn)程控制;車(chē)流量

收稿日期:2015-01-12

基金項(xiàng)目:黑龍江省交通運(yùn)輸廳重點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(G084812068)

作者簡(jiǎn)介:康維新(1963—),男,博士,教授,博士生導(dǎo)師。研究方向:信息智能檢測(cè)理論與技術(shù),信號(hào)檢測(cè),嵌入式系統(tǒng)等。E-mail:kangweixin@hrbeu.edu.cn。李定洋(1989—),男,碩士研究生。研究方向:嵌入式系統(tǒng),FPGA。

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.09.034

中圖分類號(hào)TP302.2

Design of Remote Network Control of Traffic System Based on FPGA

KANG Weixin,LI Dingyang

(School of Information and Communication Engineering,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China)

AbstractA design of remote control network based on FPGA platform is presented for traffic control systems.The system uses the TCP/IP transmission protocol to realize the transmission of control information from the control center to the traffic system.The Qt graphical interface for control center is clear and straightforward to use.On the basis of control information,transportation system will select the appropriate timing scheme for display.Tests show that the system is stable,accurate,reliable and low in cost.

KeywordsFPGA;TCP/IP;Qt;traffic system;remote control;traffic flow

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高,城市中車(chē)流量呈現(xiàn)出急劇增長(zhǎng)的趨勢(shì),導(dǎo)致城市交通出現(xiàn)了巨大的壓力。因此,改善十字路口的交通信號(hào)燈運(yùn)行模式,提高十字路口的通行效率,對(duì)緩解城市交通堵塞有著重要的現(xiàn)實(shí)意義[1-2]。而目前城市的交通控制,是固定的紅綠燈轉(zhuǎn)換周期,不靈活,在不同的時(shí)間段,十字路口的兩個(gè)方向會(huì)出現(xiàn)車(chē)流量大小不平衡的情況,同時(shí)白天與夜間的車(chē)流量相差也較大,如采用固定的定時(shí)機(jī)制將嚴(yán)重降低實(shí)際十字路口的通行效率。由此,有人提出使用地感線圈檢測(cè)車(chē)流量,根據(jù)車(chē)流量自動(dòng)配時(shí),但鋪設(shè)地感線圈成本過(guò)高,且容易出現(xiàn)誤差,公路網(wǎng)的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源也未得到充分利用[3]。

鑒于以上原因,本文提出了基于FPGA的遠(yuǎn)程控制交通系統(tǒng),能有效地利用公路網(wǎng)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源,動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)交通系統(tǒng)中車(chē)輛的通行時(shí)間,既提高了十字路口的車(chē)輛通行效率,又降低了成本。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與架構(gòu)

該系統(tǒng)主要由交通系統(tǒng)自動(dòng)配時(shí)模塊、顯示模塊和控制中心遠(yuǎn)程控制模塊組成,如圖1所示[4]。

圖1　系統(tǒng)總體框圖

交通系統(tǒng)自動(dòng)配時(shí)模塊采用50 MHz時(shí)鐘源按照不同的配時(shí)方案進(jìn)行定時(shí)計(jì)數(shù),采用Altera公司的Cyclone IV代系列EP4CE15F17C8芯片作為主控芯片,利用Verilog HDL硬件語(yǔ)言完成整個(gè)交通燈定時(shí)配時(shí)控制模塊的設(shè)計(jì)[5];交通系統(tǒng)顯示模塊是根據(jù)配時(shí)模塊選擇的方案對(duì)交通燈運(yùn)行狀態(tài)和數(shù)碼管數(shù)字顯示進(jìn)行控制顯示;控制中心遠(yuǎn)程控制模塊使用Qt界面編程技術(shù)和TCP/IP傳輸協(xié)議,使得遠(yuǎn)程操作方便直觀且控制信息傳輸可靠。

2交通系統(tǒng)自動(dòng)配時(shí)模塊

此部分主要包括配時(shí)模塊設(shè)計(jì)和定時(shí)計(jì)數(shù)模塊設(shè)計(jì)兩部分,主要實(shí)現(xiàn)配時(shí)方案的預(yù)存與計(jì)時(shí)。

2.1　交通系統(tǒng)自動(dòng)配時(shí)模塊設(shè)計(jì)

十字路口的交通分為主干道和副干道兩個(gè)方向。主干道方向具有紅燈(R1)、黃燈(Y1)、直行綠燈(G1)和左轉(zhuǎn)綠燈(L1),副干道方向也具有紅燈(R2)、黃燈(Y2)、直行綠燈(G2)和左轉(zhuǎn)綠燈(L2)。在交通高峰時(shí)期,十字路口兩個(gè)方向的燈必須按照合理的順序亮滅,根據(jù)十字路口的實(shí)際交通運(yùn)行情況,此時(shí)系統(tǒng)的工作情況如下[6]:

主干道方向的交通燈工作順序?yàn)?綠燈→黃燈→左轉(zhuǎn)綠燈→黃燈→紅燈→黃燈。

副干道方向的交通燈工作順序?yàn)?紅燈→黃燈→綠燈→黃燈→左轉(zhuǎn)綠燈→黃燈。

在實(shí)際交通中,兩個(gè)方向交通信號(hào)燈的狀態(tài)有著密切的聯(lián)系,一個(gè)方向的交通信號(hào)燈狀態(tài)影響著另一個(gè)方向的交通信號(hào)燈狀態(tài),只有這樣才能協(xié)調(diào)好兩個(gè)方向的車(chē)流,若兩個(gè)方向的交通信號(hào)燈都各自獨(dú)立變化,交通系統(tǒng)則會(huì)產(chǎn)生混亂。

其一個(gè)周期的交通狀態(tài)對(duì)應(yīng)情況如表1所示,狀態(tài)從S0～S7,其中1表示燈亮,0表示燈滅。在文中編程實(shí)現(xiàn)時(shí),可將主干道和副干道的狀態(tài)分開(kāi)進(jìn)行,所以針對(duì)主干道S4～S7狀態(tài)可合并,針對(duì)副干道S0～S3狀態(tài)可合并。

表1　交通狀態(tài)對(duì)應(yīng)表

實(shí)際交通中,白天和夜間的車(chē)流量相差較大,同時(shí)白天期間的主副干道車(chē)流量也會(huì)出現(xiàn)不均衡的現(xiàn)象,這就要求準(zhǔn)備多套配時(shí)方案,以適應(yīng)不同的需求。針對(duì)白天正常情況下,主干道車(chē)流量大于副干道車(chē)流量時(shí),配時(shí)時(shí)間設(shè)置如表2所示,視為方案1;針對(duì)白天主干道車(chē)流量小于副干道車(chē)流量時(shí),配時(shí)時(shí)間如表3所示,視為方案2;針對(duì)夜間車(chē)流量較小的情況下,配時(shí)時(shí)間可如表4所示設(shè)置,視為方案3;當(dāng)發(fā)生交通事故或者有救護(hù)車(chē)、消防車(chē)等應(yīng)急車(chē)輛需要優(yōu)先通行時(shí),所有路口均將紅燈置亮,保證應(yīng)急車(chē)輛的通行。這3種配時(shí)方案的選擇是由控制中心綜合所得到的交通信息之后,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制選擇。

表2　日間主干道車(chē)流量多于副干道各信號(hào)燈配時(shí)時(shí)間

表3　日間主干道車(chē)流量少于副干道各信號(hào)燈配時(shí)時(shí)間

表4　夜間各信號(hào)燈配時(shí)時(shí)間

2.2　定時(shí)計(jì)數(shù)模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)使用50 MHz時(shí)鐘晶振,所以1 s對(duì)應(yīng)50 000 000個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍,每過(guò)50 000 000個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍清零再重新計(jì)數(shù),之后根據(jù)各盞燈的持續(xù)時(shí)間作為預(yù)置數(shù)按照1 s為一個(gè)單位遞減計(jì)數(shù),減到1以后再根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)和配時(shí)時(shí)間重新預(yù)置數(shù),依次循環(huán)[7]。此模塊無(wú)需設(shè)計(jì)單獨(dú)的分頻模塊,整個(gè)系統(tǒng)可采用同一時(shí)鐘信號(hào),設(shè)計(jì)上更統(tǒng)一且不會(huì)出現(xiàn)時(shí)鐘不匹配的問(wèn)題。

3交通系統(tǒng)顯示模塊

顯示模塊部分主要涉及交通紅綠燈的顯示和數(shù)碼管的顯示兩部分,其中交通紅綠燈的顯示比較簡(jiǎn)單,FPGA以4位Alamp變量控制主干道上的4盞燈,其中Alamp[0]控制左轉(zhuǎn)綠燈,Alamp[1]控制黃燈,Alamp[2]控制紅燈,Alamp[3]控制綠燈,其值為1則表示相應(yīng)的燈亮,如Alamp為4’b0001表示左轉(zhuǎn)綠燈亮;同時(shí)以4位Blamp變量控制副干道上的4盞燈,其設(shè)置與Alamp類似。每個(gè)燈的亮滅持續(xù)時(shí)間都是按照配時(shí)模塊設(shè)置的。

數(shù)碼管的顯示相比于交通紅綠燈的顯示更復(fù)雜,因?yàn)樾枰由霞哟a、動(dòng)態(tài)掃描等部分。整個(gè)交通信號(hào)燈系統(tǒng)實(shí)際需要4對(duì)共8個(gè)數(shù)碼管,由于相對(duì)的路口倒計(jì)時(shí)完全相同,所以為了節(jié)省邏輯資源,簡(jiǎn)化設(shè)計(jì),可讓相對(duì)路口共用一對(duì)數(shù)碼管,所以只需對(duì)2對(duì)共4個(gè)數(shù)碼管。數(shù)碼管是共陽(yáng)的,4個(gè)數(shù)碼管的段選信號(hào)均共用同樣的引腳,且均為低電平有效。文中主干道的倒計(jì)時(shí)時(shí)間設(shè)置為Number_Data1,副干道的倒計(jì)時(shí)時(shí)間設(shè)置為Number_Data2,數(shù)碼管的顯示設(shè)計(jì)思路如圖2所示。

圖2　數(shù)碼管顯示設(shè)計(jì)模塊圖

由圖中可看出,通過(guò)“十位取位模塊”分別對(duì)Number_Data1和Number_Data2進(jìn)行取位的操作,將其十位和個(gè)位劃分;之后通過(guò)“SMG加碼模塊”,即數(shù)碼管顯示加碼模塊,轉(zhuǎn)換成數(shù)碼管顯示碼;最后由“同步動(dòng)態(tài)掃描模塊”驅(qū)動(dòng)點(diǎn)亮數(shù)碼管?，F(xiàn)針對(duì)每一個(gè)模塊進(jìn)行分析。

(1)十位取位模塊。就是利用數(shù)學(xué)運(yùn)算符“%”和“/”分別取得主副干道計(jì)時(shí)時(shí)間的十位和個(gè)位,將十位和個(gè)位分開(kāi)進(jìn)行處理。

(2)SMG加碼模塊。就是分別將兩個(gè)路口倒計(jì)時(shí)時(shí)間的十位與個(gè)位的數(shù)字轉(zhuǎn)換成數(shù)碼管可顯示的碼型,每一個(gè)數(shù)字均是7段數(shù)碼管a,b,c,d,e,f,g每段置亮置滅組合而成的,數(shù)碼管顯示示意圖如圖3所示。

圖3　數(shù)碼管顯示示意圖

(3)同步動(dòng)態(tài)掃描模塊。同步動(dòng)態(tài)掃描模塊利用時(shí)分原理和人類的視覺(jué)暫留效應(yīng),由于每個(gè)數(shù)碼管點(diǎn)亮?xí)r間為1 ms,輪流驅(qū)動(dòng)點(diǎn)亮4個(gè)數(shù)碼管,人眼無(wú)法識(shí)別,所以目測(cè)為4個(gè)數(shù)碼管同時(shí)點(diǎn)亮。此模塊由兩部分組成,分別為行掃描模塊和列掃描模塊,由于FPGA是可并行操作的,所以這兩個(gè)模塊可并行執(zhí)行,達(dá)到真正的同步。列掃描模塊相當(dāng)于對(duì)數(shù)碼管進(jìn)行片選,每隔1 ms就使能不同的數(shù)碼管;而行掃描模塊是輸出不同的SMG碼,根據(jù)列掃描對(duì)數(shù)碼管的片選使能,輸出當(dāng)前數(shù)碼管的SMG碼。

4控制中心遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊

此模塊采用以太網(wǎng)技術(shù)將接收到的交通信息分析處理后,通過(guò)TCP/IP傳輸協(xié)議將控制信息發(fā)送給FPGA,FPGA根據(jù)控制信息選擇配時(shí)模塊當(dāng)中的一套配時(shí)方案,將顯示模塊中的交通紅綠燈和數(shù)碼管按照配時(shí)方案顯示出來(lái)。其中,FPGA控制整個(gè)交通系統(tǒng)作為服務(wù)端,控制中心作為客戶端,其界面采用Qt編程技術(shù)。

4.1　服務(wù)端設(shè)計(jì)

服務(wù)端采用SOPC技術(shù)構(gòu)建軟核,移植TCP/IP協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信[8]。TCP/IP協(xié)議較為復(fù)雜,內(nèi)容較多,主要是適合PC機(jī)的通信,針對(duì)FPGA服務(wù)端設(shè)計(jì),文中采用精簡(jiǎn)的TCP/IP協(xié)議,既能達(dá)到設(shè)計(jì)要求,也能簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度[9],其傳輸流程圖如圖4所示。

此協(xié)議棧中,需使用以下幾個(gè)主要函數(shù),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收:

(1)void init_ip_arp_udp_tcp(unsigned char *mymac,unsigned char *myip,unsigned char wwwp)。

此函數(shù)為初始化傳輸,主要用于填寫(xiě)MAC、IP、端口參數(shù)。函數(shù)返回值為空。

(2)unsigned char eth_type_is_arp_and_my_ip(unsigned char *buf,unsigned int len)。

此函數(shù)為數(shù)據(jù)包解析,是否接收到指向本地IP的ARP請(qǐng)求,若是返回值為1,若不是則返回值為0。

(3)chareth_type_is_ip_and_my_ip(unsigned char *buf,unsigned int len)。

此函數(shù)為數(shù)據(jù)包解析,是否接收到發(fā)送給本地IP的IP數(shù)據(jù)包,若是返回值為1,若不是則返回值為0。

(4)unsigned int get_tcp_data_pointer(void)。

此函數(shù)為獲取有效數(shù)據(jù)位置,若有數(shù)據(jù)返回值為有效數(shù)據(jù)位置,若無(wú)數(shù)據(jù)則返回值為0。

圖4　FPGA交通系統(tǒng)端網(wǎng)絡(luò)傳輸流程圖

4.2　客戶端設(shè)計(jì)

Qt是一款跨平臺(tái)的C++用戶界面應(yīng)用程序框架(C++ GUI),能為應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)者提供藝術(shù)級(jí)圖形用戶界面所需的所有功能,可以在不同的系統(tǒng)平臺(tái)下使用,通用性好,具有良好的信號(hào)/槽封裝機(jī)制,還有豐富的API函數(shù),能夠降低用戶開(kāi)發(fā)難度,其豐富的可擴(kuò)展性使得圖形化界面更加直觀[10]。在客戶端設(shè)計(jì)中,為了能直觀地顯示IP地址、端口號(hào)以及接收到的交通信息等參數(shù),同時(shí)能更加方便地發(fā)送控制信息,控制中心客戶端采用Qt Creator工具實(shí)現(xiàn)了Qt界面設(shè)計(jì)。

這里使用QTextBrowser控件作為交通信息顯示框,QLineEdit控件輸入IP地址和端口號(hào),QPushButton控件觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)連接和相關(guān)控制信息的發(fā)送。由于設(shè)計(jì)中需要使用QTcpSocket網(wǎng)絡(luò)套接字編程實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信傳輸,所以需要在工程的pro文件中添加“QT+=network”,并添加QTcpSocket頭文件,之后需要設(shè)置連接的IP地址和端口號(hào),創(chuàng)建QTcpSocket對(duì)象tcpclient,連接服務(wù)器語(yǔ)句為:tcpclient.connectToHost(*ip,port)。連接成功后,需點(diǎn)擊控制信息按鈕,發(fā)射信號(hào),從而觸發(fā)數(shù)據(jù)發(fā)送槽函數(shù)的執(zhí)行,其發(fā)送函數(shù)語(yǔ)句為:tcpclient.write(msg.toLocal8Bit())?？刂浦行牡木W(wǎng)絡(luò)傳輸流程如圖5所示。

圖5　控制中心端網(wǎng)絡(luò)傳輸流程圖

為了實(shí)現(xiàn)更友好的界面顯示,這里在Qt程序中添加了中文顯示,具體設(shè)置語(yǔ)句如下:

QTextCodec::setCodecForLocale(QTextCodec::codecForName("UTF-8"));

QTextCodec::setCodecForTr(QTextCodec::codecForName("UTF-8"));

QTextCodec::setCodecForCStrings(QTextCodec::codecForName("UTF-8")。

5系統(tǒng)調(diào)試

將所有模塊搭建連接好之后,在控制中心界面處,輸入FPGA的IP地址及其間的端口號(hào),點(diǎn)擊“連接”,就建立起了FPGA與控制中心的通信,控制中心的圖形化界面如圖6所示。圖中左邊的文本框顯示的是交通信息,根據(jù)圖中交通信息可知先前主干道車(chē)流量大于副干道車(chē)流量,所以這里需要點(diǎn)擊“日間模式1”按鈕,FPGA控制交通系統(tǒng)選用方案1,其運(yùn)行結(jié)果如圖7所示。之后,圖中出現(xiàn)一個(gè)車(chē)輛的呼救信息,所以需點(diǎn)擊“緊急停止”按鈕,終止交通系統(tǒng)的運(yùn)行,處理事故,其運(yùn)行結(jié)果如圖8所示。

圖6　控制中心Qt圖形化界面

圖7　交通系統(tǒng)“日間模式1”運(yùn)行效果圖

圖8　交通系統(tǒng)“緊急停止”運(yùn)行效果圖

“日間模式2”按鈕對(duì)應(yīng)配時(shí)方案2的運(yùn)行效果,“夜間模式”按鈕對(duì)應(yīng)配時(shí)方案3的運(yùn)行效果,其實(shí)際測(cè)試結(jié)果正常,運(yùn)行穩(wěn)定,達(dá)到了控制中心遠(yuǎn)程精確控制交通系統(tǒng)的目的。

6結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)以FPGA作為開(kāi)發(fā)平臺(tái),使用Verilog HDL語(yǔ)言完成了交通系統(tǒng)自動(dòng)配時(shí)模塊和顯示模塊的設(shè)計(jì),同時(shí)采用SOPC技術(shù)在FPGA上構(gòu)建軟核實(shí)現(xiàn)控制中心通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制交通系統(tǒng),控制中心的界面采用Qt設(shè)計(jì),美觀、操作方便且通用性好。整個(gè)設(shè)計(jì)較好地利用了現(xiàn)有公路的網(wǎng)絡(luò)資源,配合智能車(chē)載系統(tǒng)車(chē)輛信息遠(yuǎn)程發(fā)送技術(shù),能精確有效地控制整個(gè)交通系統(tǒng),相比于其他依靠傳感器,控制交通系統(tǒng)運(yùn)行情況的設(shè)計(jì),其可靠性更高,然而成本卻相對(duì)較低。

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