交通信号灯控制电路的FPGA设计

作者：时间：2012-01-07来源：网络收藏

1 引言

随着社会上特别是城市中机动车辆保有量的不断增加，在现代城市的日常运行控制中，车辆的交通控制越来越重要，在十字交叉路口，越来越多的使用红绿灯进行交通指挥和管理。本文以VHDL硬件描述语言为设计手段，完成了交通信号灯控制电路的开发，其中交通信号灯控制电路的开发目的是设计一个适用于主、支干道十字交叉路口的红黄绿交通灯的控制系统，通过合理设计系统功能，使红黄绿灯的转换有一个准确的时间间隔和转换顺序，当然这就需要有一个自动和安全的系统对红、黄、绿灯的转换进行控制。所设计的交通信号灯控制电路经过在QuartusII 5.0软件下进行模拟仿真，观察其波形，并通过将程序下载到目标FPGA器件，进行硬件的调试验证，证明所设计的交通信号灯控制电路完全可以实现预定的功能，并有一定的实用性。

2 系统设计要求

所要设计的交通信号灯控制电路，要能够适用于由一条主干道和一条支干道的汇合点形成的十字交叉路口，主、支干道的红绿灯闪亮时间不完全相同。具体的设计要求如下：实现控制一条主干道和一条次干道汇合组成的十字交叉路口，使主、支干道上的车辆行人交替通行，其中主干道车辆行人通行60秒，此时支干道上车辆行人禁止通行；支干道车辆通行30秒，同样此时主干道上车辆禁止通行。每当信号灯由绿灯转换成红灯之前，黄灯要先亮5秒，此时另一个干道红灯不变，禁止通行。在黄灯亮之前，绿灯按1HZ频率闪烁5秒，以提示车辆行人。在主干道上安装有数码管，用来显示本道各信号灯闪亮的时间。

3 系统设计方案及其逻辑设计

3.1 系统设计方案

通过参考其他的相关文献^{[1],[2],[4],[5],[6],[7]},对照研究如基于单片机、基于分立元件等其他设计手段的优缺点，我们认为使用基于FPGA的设计方法具有周期短，设计灵活，易于修改等明显的优点，而且随着FPGA器件、设计语言和电子设计自动化工具的发展和改进，越来越多的电子系统采用FPGA来设计，还有，通过FPGA设计电子系统，一旦该系统可以达到一定规模的量产，很容易转化为ASIC芯片设计。相信在将来，FPGA设计方法将更大规模的应用于各种类型的电子系统设计中。因此，我们决定使用VHDL硬件描述语言来编程实现系统设计要求，并采用自顶向下的设计思路，将系统划分为6个模块来实现，分别是交通灯控制模块、显示控制模块、显示译码模块、60秒定时器模块、30秒定时器模块和5秒定时器模块。如图1所示。

图1 交通信号灯控制电路的模块划分

3.2 逻辑设计

根据上文中确定的系统设计方案，运用模块化的设计思路，我们在QuartusII 5.0软件系统中设计了交通灯控制模块、显示控制模块、显示译码模块、60秒定时器模块、30秒定时器模块和5秒定时器模块的VHDL程序，并通过各个模块程序之间的端口合理连接和协调，成功设计出交通信号灯控制电路，得到其逻辑结构原理图，即为整个交通信号灯控制电路的逻辑结构。

4 设计验证

通过在QuartusII 5.0软件中的模拟仿真，验证了该电路可以实现预定功能，即主、支干道交替通行，主干道通行60秒，支干道通行30秒。绿灯转换成红灯前，黄灯先亮5秒，此时另一个干道红灯不变。当黄灯亮完5秒之后，另一条干道的绿灯亮而红黄灯都不亮，此时该干道允许通行，主干道有数字显示各灯闪亮的时间。如此一直循环往复，实现十字交叉路口的交通控制。另外我们还实现了一个附加功能，即当支干道一直没有车通过的时候，主干道一直处于畅通状态，这样可以在实际中遇到特殊情况时，来灵活控制应用，另外还可以加入人工控制端，即当遇有需进行交通管制等情形时，可以由交通警察来手工控制路口信号灯的转换。

为了更加准确的仿真和验证电路的功能，我们根据实际生活中的多种交通情况，将其进行分类，设定了十字路口出现的多个情境，并在QuartusII 5.0软件环境中，分别对所设计的系统电路针对每个设定情境进行功能仿真，图2至图5是其中几种设定情境的实验仿真结果（图中的输入变量SM，SB分别为主支干道传感信号，CLK为来自时钟发生电路的时钟信号，输出信号MR，MY，MG分别为主干道上的红灯、黄灯和绿灯，BR，BY，BG分别为支干道上的红灯、黄灯和绿灯，而OUT1，OUT2为主干道输出，OUT3，OUT4为支干道输出）。通过观察这些情境下的实验仿真结果，发现符合我们预想的功能，可以有序、准确的控制路口交通信号灯的顺序转换，并没有发生误操作。

除了进行软件的仿真之外，我们还将整体程序下载到目标FPGA器件，使用相应的硬件电路相配合，进行硬件调试，也验证了该电路工作情况良好，与软件仿真的结果完全相符合，说明我们所设计的交通信号灯控制电路通过了软件仿真和硬件的测试，可以完成之前的预定功能。