交通燈是城市交通監(jiān)管系統(tǒng)的重要組成部分，對于保證機動車輛的安全運行，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行的是定時控制，燈亮的時間是預(yù)先設(shè)定好的，在時間和空間方面的應(yīng)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(chǔ)上，利用FPGA的相關(guān)知識設(shè)計了交通燈控制系統(tǒng)，可以根據(jù)實際情況對燈亮?xí)r間進(jìn)行自由調(diào)整，整個設(shè)計系統(tǒng)通過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(diào)試，驗證了設(shè)計的交通信號燈控制電路完全可以實現(xiàn)預(yù)定的功能，具有一定的實用性。
1 系統(tǒng)設(shè)計要求
設(shè)計的交通信號燈控制電路，主要適用于在兩條干道匯合點形成的十字交叉路口，路口設(shè)計兩組紅綠燈分別對兩個方向上的交通運行狀態(tài)進(jìn)行管理。交通燈的持續(xù)閃亮?xí)r間由鍵盤輸入控制。燈亮?xí)r序如圖1所示，當(dāng)B方向的紅燈亮?xí)r，A方向?qū)?yīng)綠燈亮，由綠燈轉(zhuǎn)換成紅燈的過渡階段黃燈亮，即B方向紅燈亮的時間等于A方向綠燈和黃燈亮的時間之和。同理，當(dāng)A方向的紅燈變亮?xí)r，B方向的交通燈也遵循此規(guī)則。各干道上安裝有數(shù)碼管，以倒計時的形式顯示本道各信號燈閃亮的時間。當(dāng)出現(xiàn)特殊情況時，各方向上均亮紅燈，倒計時停止。特殊運行狀態(tài)結(jié)束后，控制器恢復(fù)原來的狀態(tài)，繼續(xù)運行。
2 系統(tǒng)整體設(shè)計 整個系統(tǒng)設(shè)計如圖2所示，該系統(tǒng)主要由計數(shù)模塊、控制模塊、分頻模塊、分位模塊以及顯示電路構(gòu)成。其中分頻模塊主要將系統(tǒng)輸入的基準(zhǔn)時鐘信號轉(zhuǎn)換為1 Hz的激勵信號，驅(qū)動計數(shù)模塊和控制模塊工作。控制模塊根據(jù)計數(shù)器的計數(shù)情況對交通燈的亮滅及持續(xù)時間進(jìn)行控制，并通過分位電路將燈亮?xí)r間以倒計時的形式通過數(shù)碼管顯示出來。圖中Reset是復(fù)位信號，高電平有效，可以實現(xiàn)對計數(shù)器的異步清零。Hold為保持信號，當(dāng)Hold為“1”，計數(shù)器暫停計數(shù)，表示出現(xiàn)特殊情況，各方向車輛都處于禁行狀態(tài)。 3 主要功能模塊設(shè)計及仿真 3.1 計數(shù)模塊設(shè)計 計數(shù)模塊主要實現(xiàn)累加循環(huán)計數(shù)，計數(shù)的最大值由鍵盤輸入控制，輸出的計數(shù)值為控制模塊的燈控提供參考，計數(shù)器的主程序設(shè)計如下： 計數(shù)模塊的仿真如圖3所示，從圖中可以看出，在時鐘的驅(qū)動下，計數(shù)值不斷自加，當(dāng)計數(shù)值countnum等于鍵盤輸入值32(key=32)時，計數(shù)返回到0，開始下一輪計數(shù)。當(dāng)Hold檢測到特殊情況時置‘1’，使計數(shù)器暫停計數(shù)。 3.2 控制器模塊的仿真設(shè)計 在控制器模塊中，紅、綠、黃三盞燈工作的總時間由鍵盤輸入，各交通燈時間分配規(guī)則如下：紅燈時間占總時間的1／2，綠燈時間占3／8，黃燈時間占1／8，本設(shè)計中鍵盤輸入值為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(dāng)hold為低電平，計數(shù)值countnum<12時，greenA輸出高電平，A東西方向綠燈亮起車輛通行，此時與之相對應(yīng)的redB輸出高電平，B方向紅燈亮起車輛禁行。A方向顯示交通燈閃爍持續(xù)時間的數(shù)碼管numA從12開始遞減，同時B方向顯示交通燈閃爍持續(xù)時間的數(shù)碼管numB從16開始遞減。當(dāng)12<countnum<16時，yellowA輸出高電平，A方向黃燈亮起，numA從數(shù)值4開始倒計時，此時greenB仍處于低電平，numB繼續(xù)倒計時，B方向紅燈閃亮車輛仍處于禁行狀態(tài)。當(dāng)countnum>16，redA輸出高電平，A方向紅燈亮起車輛禁行，numA從數(shù)值16開始倒計時，此時greenB輸出高電平，B方向綠燈亮起車輛通行，numB從數(shù)值12開始遞減。當(dāng)16<countnum<28時，redA繼續(xù)處于高電平狀態(tài)，numA繼續(xù)倒計時，A方向車輛禁行，而此時yellowB輸出高電平，B方向黃燈亮起，numB從數(shù)值4開始遞減。當(dāng)hold為‘1’時，表示進(jìn)入緊急狀態(tài)，F(xiàn)LASH置‘1’，各方向的紅燈均亮起，所有機動車禁行。 3.3 分位模塊設(shè)計 分位模塊的設(shè)計主要是將燈亮?xí)r間分為十位和個位，通過兩個相應(yīng)的數(shù)碼管分別顯示出來。本設(shè)計中燈亮?xí)r間最長不超過40 s(numin<40)，numA，numB分別表示十位、個位上的數(shù)字，分位模塊程序設(shè)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(shù)值大小可以通過numA，numB的組合以十進(jìn)制數(shù)值顯示，從而實現(xiàn)了分位功能。 4 系統(tǒng)的硬件設(shè)計及調(diào)試 本系統(tǒng)的主要邏輯設(shè)計由一片EPlK30TC144-3芯片完成，編寫的VHDL源程序在Altera公司的邏輯綜合工具M(jìn)ax+PlusⅡ下經(jīng)過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(yīng)的硬件調(diào)試，調(diào)試結(jié)果與軟件仿真的結(jié)果相吻合，驗證了設(shè)計完成了預(yù)定功能。 5 結(jié) 語 本文利用硬件描述語言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FPGA芯片實現(xiàn)了一個實用的交通信號燈控制系統(tǒng)，設(shè)計由于采用了EDA技術(shù)，不但大大縮短了開發(fā)研制周期，提高了設(shè)計效率，而且使系統(tǒng)具有設(shè)計靈活，實現(xiàn)簡單，性能穩(wěn)定的特點。