基于FPGA的交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙萬里 陳初俠 張濤 鐘聲 張永康 王世龍

摘要：該文基于FPGA芯片EP4CE6E22C8設(shè)計(jì)了一款交通燈控制系統(tǒng)。首先從設(shè)計(jì)要求出發(fā)，將交通燈控制系統(tǒng)分成多個(gè)底層電路模塊并用Verilog HDL語言對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真，然后調(diào)用已設(shè)計(jì)好的各底層電路采用原理圖方式進(jìn)行頂層電路設(shè)計(jì)，最后將設(shè)計(jì)好的頂層電路進(jìn)行管腳鎖定并下載到FPGA芯片中進(jìn)行硬件驗(yàn)證。仿真和硬件驗(yàn)證結(jié)果表明，該交通燈控制系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)常規(guī)交通指揮功能的同時(shí)，還能夠在一定程度上根據(jù)高峰時(shí)段和非高峰時(shí)段車流量的變化調(diào)節(jié)車輛通行時(shí)間，并且還具有在特殊情況時(shí)為應(yīng)急車開道的功能，有效提高了十字路口的通行效率。

關(guān)鍵詞：交通燈控制系統(tǒng);FPGA;Verilog HDL;設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP29? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）01-0124-04

1? 引言

交通信號(hào)燈在人們的日常生活中，起著至關(guān)重要的作用，但是隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市化建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，人們對(duì)交通信號(hào)燈在協(xié)調(diào)交通、管理交通等方面的能力提出了更高的要求[1]。尤其是在當(dāng)前社會(huì)城市化速度不斷加快，城市交通基礎(chǔ)建設(shè)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)趕不上實(shí)際需求的情況下，城市交通狀況日益惡化，而隨之帶來的各方面問題也漸漸突出[2]，如交通擁堵日益嚴(yán)重問題、交通事故頻發(fā)問題、交通導(dǎo)致的空氣污染和噪聲污染問題等。因此，設(shè)計(jì)一款能有效提高十字路口通行效率的交通燈控制系統(tǒng)，對(duì)緩解日益嚴(yán)重的交通擁堵現(xiàn)象具有重大現(xiàn)實(shí)意義。

本文使用Verilog HDL語言以QuartusII軟件為平臺(tái)設(shè)計(jì)一款實(shí)用的交通燈控制系統(tǒng)[3]，主控芯片采用Altera公司CycloneⅣ E系列FPGA芯片EP4CE6E22C8。該系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)常規(guī)交通指揮的同時(shí)，還能夠在一定程度上根據(jù)高峰時(shí)段和非高峰時(shí)段車流量的變化調(diào)節(jié)車輛通行時(shí)間，另外還具有當(dāng)發(fā)生特殊緊急情況時(shí)，東西、南北路口均設(shè)置為禁止通行，為應(yīng)急車開道的功能[4]。

2 交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

本文設(shè)計(jì)的交通燈控制系統(tǒng)具有以下三方面的要求。

1）具有常規(guī)交通指揮的功能，具體表現(xiàn)如下。

① 在交通燈十字路口的南北方向（主干道方向）和東西方向（次干道方向）都設(shè)置有紅、黃、綠指示燈，如圖1所示。

② 紅、黃、綠燈的點(diǎn)亮按照綠燈→黃燈→紅燈→綠燈依次循環(huán)，其中黃燈亮燈時(shí)間為5秒。這里要注意，主、次干道紅黃綠燈的點(diǎn)亮應(yīng)遵循表1規(guī)則。

③ 主、次干道都有數(shù)碼管，顯示紅黃綠燈點(diǎn)亮的倒數(shù)計(jì)時(shí)時(shí)間。

2）具有應(yīng)急車通行的功能。當(dāng)發(fā)生緊急事件時(shí)，主、次干道都設(shè)為禁止通行，專為應(yīng)急車開道。

3）具有調(diào)節(jié)車輛通行時(shí)間的功能。這里指的是在高峰時(shí)段和非高峰時(shí)段，車輛通行時(shí)間不同。由于主干道車流量大，故通行時(shí)間相較于次干道要長(zhǎng)。我們規(guī)定，在高峰時(shí)段主干道通行（綠燈亮）時(shí)間為50秒，次干道通行時(shí)間為25秒，如圖2所示;在非高峰時(shí)段主干道通行時(shí)間為30秒，次干道通行時(shí)間為25秒，如圖3所示。

4）具有狀態(tài)保持功能。這里指的是當(dāng)交通燈控制系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)可以通過某個(gè)按鍵來控制交通燈是正常運(yùn)行還是暫停運(yùn)行，當(dāng)暫停運(yùn)行時(shí)，交通燈信號(hào)和倒數(shù)計(jì)時(shí)保持原狀態(tài)不變。

3 交通燈控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)將交通燈控制系統(tǒng)分為五個(gè)部分，分別為外部輸入、分頻模塊電路、控制模塊電路、選擇模塊電路和顯示輸出電路。外部輸入包含系統(tǒng)時(shí)鐘、復(fù)位信號(hào)、緊急信號(hào)、使能信號(hào)、選擇信號(hào)和動(dòng)態(tài)掃描復(fù)位信號(hào)，其中系統(tǒng)時(shí)鐘為50MHz的時(shí)鐘源，緊急信號(hào)為特殊緊急情況時(shí)的控制信號(hào)，高電平有效。

分頻模塊電路包含分頻模塊1和分頻模塊2，分頻模塊1輸出的為10KHz的掃描時(shí)鐘信號(hào)，驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示模塊電路工作;分頻模塊2輸出的為1Hz的激勵(lì)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)控制模塊電路工作。控制模塊電路包含高峰時(shí)段控制模塊電路和非高峰時(shí)段控制模塊電路，其輸出為主、次干道的紅黃綠燈點(diǎn)亮及倒數(shù)計(jì)時(shí)情況。選擇模塊電路通過選擇控制信號(hào)s來選擇高峰或非高峰時(shí)段控制模塊電路的輸出數(shù)據(jù)。顯示輸出電路包含數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示模塊電路和紅黃綠燈亮滅的顯示輸出，其中數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示模塊電路顯示的為紅黃綠燈點(diǎn)亮?xí)r的倒數(shù)計(jì)時(shí)情況。

4 交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)采用先底層電路設(shè)計(jì)后頂層電路設(shè)計(jì)的層次化設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)過程中，通過Quartus Ⅱ軟件采用Verilog HDL語言和原理圖相結(jié)合的設(shè)計(jì)方式來進(jìn)行，其中底層電路用Verilog HDL語言來實(shí)現(xiàn)，頂層電路通過調(diào)用底層電路用原理圖設(shè)計(jì)方式來實(shí)現(xiàn)[5]。

4.1 底層電路設(shè)計(jì)

底層電路有六個(gè)子電路模塊，分別是5000分頻模塊、50000000分頻模塊、高峰時(shí)段控制模塊、非高峰時(shí)段控制模塊、選擇模塊和數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示模塊。

4.1.1? 5000分頻模塊

該模塊的功能是對(duì)50MHz系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行5000分頻，產(chǎn)生一個(gè)10KHz的時(shí)鐘信號(hào)，驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示模塊電路工作，其元件符號(hào)如圖5所示。

圖6為5000分頻模塊仿真波形圖，可以看出，50MHz系統(tǒng)時(shí)鐘每輸入一個(gè)脈沖就對(duì)其進(jìn)行一次計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)到2499時(shí)，輸出信號(hào)clk10KHz進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，剛好計(jì)數(shù)5000次時(shí)輸出為一個(gè)完整的周期信號(hào)，即實(shí)現(xiàn)了5000分頻。

4.1.2? 50000000分頻模塊

該模塊的功能是對(duì)50MHz系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行50000000分頻，產(chǎn)生一個(gè)1Hz的時(shí)鐘信號(hào)，驅(qū)動(dòng)控制模塊電路工作，其元件符號(hào)如圖7所示。

圖8為50000000分頻模塊仿真波形圖，可以看出，50MHz系統(tǒng)時(shí)鐘每輸入一個(gè)脈沖就對(duì)其進(jìn)行一次計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)到24999999時(shí)，輸出信號(hào)clk1Hz進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，剛好計(jì)數(shù)50000000次時(shí)輸出為一個(gè)完整的周期信號(hào)，即實(shí)現(xiàn)了50000000分頻。

4.1.3? 高峰時(shí)段控制模塊

高峰時(shí)段控制模塊通過輸入信號(hào)來控制在高峰時(shí)期主、次干道的紅黃綠燈亮滅情況，以及點(diǎn)亮?xí)r間的倒數(shù)計(jì)時(shí)情況，其元件符號(hào)如圖9所示。輸入信號(hào)有1Hz的周期信號(hào)clk1Hz、復(fù)位信號(hào)rst、緊急情況控制信號(hào)hold、狀態(tài)轉(zhuǎn)換使能信號(hào)en;輸出信號(hào)有主干道倒數(shù)計(jì)時(shí)cntzhu、次干道倒數(shù)計(jì)時(shí)cizhu、主干道紅黃綠燈亮滅顯示lightzhu、次干道紅黃綠燈亮滅顯示lightci。

圖10為高峰時(shí)段控制模塊仿真波形圖，主、次干道點(diǎn)亮紅燈用“100”表示，點(diǎn)亮黃燈用“010”表示，點(diǎn)亮綠燈用“001”表示。從圖10可看出，當(dāng)rst、hold、en分別為1、X、X時(shí)（X代表未知，可以是0也可以是1，下同），主干道綠燈點(diǎn)亮且倒數(shù)計(jì)時(shí)為50秒，次干道紅燈點(diǎn)亮且倒數(shù)計(jì)時(shí)為55秒，屬于復(fù)位狀態(tài);當(dāng)rst、hold、en分別為0、1、X時(shí)，主干道紅燈點(diǎn)亮且倒數(shù)計(jì)時(shí)為50秒，次干道紅燈點(diǎn)亮且倒數(shù)計(jì)時(shí)為55秒，屬于緊急情況狀態(tài);當(dāng)rst、hold、en分別為0、0、0時(shí)，主、次干道紅黃綠燈亮滅情況保持原來狀態(tài)不變，倒數(shù)計(jì)時(shí)數(shù)值保持不變，屬于保持狀態(tài);當(dāng)rst、hold、en分別為0、0、1時(shí)，交通燈屬于正常工作狀態(tài)，此時(shí)主、次干道紅黃綠燈亮滅情況及倒數(shù)計(jì)時(shí)情況符合圖2中所示，即主干道通行（綠燈亮）時(shí)間為50秒，次干道通行時(shí)間為25秒。

4.1.4? 非高峰時(shí)段控制模塊

非高峰時(shí)段控制模塊通過輸入信號(hào)來控制在非高峰時(shí)期主、次干道的紅黃綠燈亮滅情況，以及點(diǎn)亮?xí)r間的倒數(shù)計(jì)時(shí)情況，其輸入輸出信號(hào)與高峰時(shí)段控制模塊完全一致，元件符號(hào)如圖11所示。

圖12為非高峰時(shí)段控制模塊仿真波形圖，可以看出，當(dāng)rst、hold、en分別為1、X、X時(shí)，主干道綠燈點(diǎn)亮且倒數(shù)計(jì)時(shí)為30秒，次干道紅燈點(diǎn)亮且倒數(shù)計(jì)時(shí)為35秒，屬于復(fù)位狀態(tài);當(dāng)rst、hold、en分別為0、1、X時(shí)，主干道紅燈點(diǎn)亮且倒數(shù)計(jì)時(shí)為30秒，次干道紅燈點(diǎn)亮且倒數(shù)計(jì)時(shí)為35秒，屬于緊急情況狀態(tài);當(dāng)rst、hold、en分別為0、0、0時(shí)，主、次干道紅黃綠燈亮滅情況保持原來狀態(tài)不變，倒數(shù)計(jì)時(shí)數(shù)值保持不變，屬于保持狀態(tài);當(dāng)rst、hold、en分別為0、0、1時(shí)，交通燈屬于正常工作狀態(tài)，此時(shí)主、次干道紅黃綠燈亮滅情況及倒數(shù)計(jì)時(shí)情況符合圖3中所示，即主干道通行（綠燈亮）時(shí)間為30秒，次干道通行時(shí)間為25秒。

4.1.5? 選擇模塊

選擇模塊是一個(gè)二選一數(shù)據(jù)選擇器，選擇控制信號(hào)為s，輸入數(shù)據(jù)有高峰時(shí)段控制模塊的輸出數(shù)據(jù)和非高峰時(shí)段控制模塊的輸出數(shù)據(jù)。當(dāng)處于高峰時(shí)段時(shí)選擇高峰時(shí)段的數(shù)據(jù)，否則選擇非高峰時(shí)段的數(shù)據(jù)，元件符號(hào)如圖13所示。

圖14為選擇模塊仿真波形圖，此時(shí)高峰時(shí)段的數(shù)據(jù)為主干道通行并從50秒開始倒計(jì)時(shí)，次干道禁止通行并從55秒開始倒計(jì)時(shí);非高峰時(shí)段的數(shù)據(jù)為主干道禁止通行并從30秒開始倒計(jì)時(shí)，次干道通行并從25秒開始倒計(jì)時(shí)。從波形可以看出，當(dāng)s為1時(shí)選擇的是高峰時(shí)段的數(shù)據(jù)，當(dāng)s為0時(shí)選擇的是非高峰時(shí)段的數(shù)據(jù)。

4.1.6數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示模塊

數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示模塊采用動(dòng)態(tài)掃描的方式用八段數(shù)碼管來顯示紅黃綠燈倒數(shù)計(jì)時(shí)的數(shù)值，其元件符號(hào)如圖15所示。輸入信號(hào)有動(dòng)態(tài)掃描復(fù)位信號(hào)reset、掃描時(shí)鐘clk10KHz、主次干道倒計(jì)時(shí)的數(shù)值;輸出數(shù)據(jù)有位選信號(hào)sel和段選信號(hào)seg。位選信號(hào)sel為“10000000”“01000000”時(shí)，選擇的是主干道數(shù)據(jù)cntzhu的十位和各位;sel為“00000010”“00000001”時(shí)，選擇的是次干道數(shù)據(jù)cntci的十位和各位。段選信號(hào)seg為共陽(yáng)極的八段數(shù)碼管譯碼輸出，當(dāng)seg為“11111001”時(shí)數(shù)碼管顯示為“1”，當(dāng)seg為“10100100”時(shí)數(shù)碼管顯示為“2”。

圖16為數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示模塊仿真波形圖，從圖中可以看出，當(dāng)sel為“10000000”時(shí)應(yīng)選擇主干道的十位數(shù)據(jù)即“2”，而此時(shí)seg數(shù)值為“10100100”，在數(shù)碼管上顯示剛好就是“2”，說明仿真波形正確。

4.2? 頂層電路設(shè)計(jì)

交通燈控制系統(tǒng)頂層電路設(shè)計(jì)采用原理圖輸入方式進(jìn)行，通過調(diào)用已生成的各底層模塊元件符號(hào)，并將它們做適當(dāng)連接就可實(shí)現(xiàn)頂層電路的設(shè)計(jì)，電路如圖17所示。

5交通燈控制系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)選用小梅哥AC101-EDA開發(fā)板作為硬件驗(yàn)證平臺(tái)，首先對(duì)交通燈控制系統(tǒng)頂層電路的輸入輸出引腳進(jìn)行鎖定，然后重新編譯并下載到開發(fā)板FPGA芯片EP4CE6E22C8中，最后對(duì)交通燈控制系統(tǒng)進(jìn)行硬件測(cè)試驗(yàn)證。

硬件驗(yàn)證結(jié)果如圖18所示，（a）為非高峰時(shí)段交通燈控制系統(tǒng)處于緊急狀態(tài)的情況，此時(shí)主干道和次干道都禁止通行，專為應(yīng)急車開道;（b）為高峰時(shí)段交通燈控制系統(tǒng)處于正常運(yùn)行的情況，此時(shí)主干道通行，次干道禁止通行，且主干道倒計(jì)時(shí)顯示為47秒，次干道倒計(jì)時(shí)顯示為52秒;（c）為交通燈控制系統(tǒng)處于正常運(yùn)行的情況，此時(shí)主干道由綠燈變成了黃燈，次干道禁止通行，且主干道和次干道倒計(jì)時(shí)顯示均為3秒;（d）為交通燈控制系統(tǒng)處于正常運(yùn)行的情況，此時(shí)主干道禁止通行，次干道通行，且主干道倒計(jì)時(shí)顯示為26秒，次干道倒計(jì)時(shí)顯示為21秒。以上四種情況基本上包含了本交通燈控制系統(tǒng)的運(yùn)行情況，從硬件驗(yàn)證結(jié)果可以看出，所設(shè)計(jì)的電路完全實(shí)現(xiàn)了本交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

6? 結(jié)束語

本文基于FPGA芯片采用層次化的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了一款交通燈控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)過程中，首先將交通燈控制系統(tǒng)分成多個(gè)底層電路模塊;然后通過Quartus Ⅱ軟件采用Verilog HDL語言設(shè)計(jì)各底層電路模塊并對(duì)其進(jìn)行仿真分析;接著把設(shè)計(jì)好的各底層電路模塊生成元件符號(hào)并調(diào)用它們用原理圖設(shè)計(jì)方式進(jìn)行交通燈控制系統(tǒng)頂層電路設(shè)計(jì);最后把設(shè)計(jì)好的頂層電路進(jìn)行管腳鎖定并下載到FPGA芯片EP4CE6E22C8中對(duì)其進(jìn)行硬件測(cè)試驗(yàn)證。仿真和硬件驗(yàn)證結(jié)果表明，本交通燈控制系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)常規(guī)交通指揮功能的同時(shí)，還能夠在一定程度上根據(jù)高峰時(shí)段和非高峰時(shí)段車流量的變化調(diào)節(jié)車輛通行時(shí)間，并且還具有在特殊情況時(shí)為應(yīng)急車開道的功能，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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【通聯(lián)編輯：朱寶貴】

收稿日期：2021-06-25

基金項(xiàng)目：巢湖學(xué)院2021年度國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：202110380002）;巢湖學(xué)院2019年度校級(jí)質(zhì)量工程項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：ch19yykc01）;巢湖學(xué)院2020年度校級(jí)一流課程建設(shè)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：chylkc015）;巢湖學(xué)院2020年度校級(jí)質(zhì)量工程項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：ch20jxyj14）

作者簡(jiǎn)介：趙萬里（2000—），男，安徽亳州人，本科在讀，主要研究方向?yàn)殡娮与娐吩O(shè)計(jì);陳初俠（1984—），男，江西樂安人，通信作者，實(shí)驗(yàn)師，碩士，主要研究方向?yàn)镋DA技術(shù)、數(shù)字圖像處理等。

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