十字路口智能交通燈控制系統(tǒng)的FPGA實(shí)現(xiàn)

摘要 針對現(xiàn)實(shí)中越來越嚴(yán)重的城市交通擁堵現(xiàn)象，提出了一種城市十字路口交通信號燈控制與FPGA實(shí)現(xiàn)的新方法。解決了各車道車流量不均衡所造成的十字路口交通資源浪費(fèi)問題，設(shè)計(jì)的智能交通控制系統(tǒng)利用對相向車道采用不同步的紅綠燈信號控制方法，能夠減少交通資源浪費(fèi)，大幅提高十字路口的車輛通行效率。
關(guān)鍵詞 FPGA；交通信號燈；智能控制；無線收／發(fā)模塊

    汽車已經(jīng)逐漸成為了人們?nèi)粘Ｉ钪凶钪饕慕煌üぞ?。但是，城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)特別是城市交通道路的發(fā)展速度卻滿足不了汽車數(shù)量增長的需求，這就使城市交通擁堵現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，車輛通行速度成為了城市發(fā)展的瓶頸。在加強(qiáng)城市基礎(chǔ)建設(shè)的同時(shí)，改善十字路口的交通信號燈運(yùn)行模式，提高十字路口的通行效率，對緩解城市交通堵塞有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。而目前城市的交通燈控制，是根據(jù)一定時(shí)間段
的各車道車流量的調(diào)查而分配出的相對合理的同定紅綠燈轉(zhuǎn)化周期。但在特定的時(shí)間段，會(huì)出現(xiàn)某一方向車輛早已通行完，而另一方向車輛排隊(duì)等綠燈的情況，這嚴(yán)重降低了實(shí)際的十字路口交通效率。
    文中采用硬件描述語言VHDL設(shè)計(jì)了一種新型十字路口交通燈控制系統(tǒng)，其主控系統(tǒng)是Altera公司Cyclone系列FPGA芯片EP1C6Q240C8。該系統(tǒng)利用環(huán)形線圈感應(yīng)車輛，通過無線發(fā)射／接收模塊把信號傳輸?shù)胶诵目刂菩酒M(jìn)行處理，實(shí)時(shí)輸出相應(yīng)的紅綠燈控制信號，從而動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)各方向的通行時(shí)間，實(shí)現(xiàn)十字路口的車輛通行效率的最大化。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡介
    系統(tǒng)基本框圖如圖1所示，它分為車流量檢測部分、交通信號控制部分和信號顯示部分。在車流量檢測部分，通過環(huán)形線圈傳感器采集車輛信號，通過A／D轉(zhuǎn)換器、信號放大電路和無線發(fā)射／接收模塊，將采集到的信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳輸?shù)浇煌刂撇糠?，?jīng)過FPCA控制芯片的分析和處理，輸出實(shí)時(shí)的紅綠燈控制信號，并將控制信號顯示在相應(yīng)的紅綠燈上，從而優(yōu)化十字路口各車道的車輛通行效率。

    如圖2所示，在十字路口的直行道和左轉(zhuǎn)道口安裝環(huán)形線圈感應(yīng)該車道是否有車輛停留，人行道通行與否由相鄰直行道紅綠燈狀況確定，若綠燈，則人行道為通行狀態(tài)，反之亦然；右轉(zhuǎn)方向信號燈狀態(tài)南相關(guān)人行道信號燈狀態(tài)決定，若人行道為通行狀態(tài)，則右轉(zhuǎn)方向?yàn)榧t燈，反之，則為綠燈。

2 傳統(tǒng)交通控制系統(tǒng)狀態(tài)分析
    當(dāng)前大部分十字路口的交通控制系統(tǒng)模式，都是根據(jù)道路交通狀況，事先設(shè)定好的紅、綠、黃色信號燈時(shí)間，來控制整個(gè)交通岔路口的車輛通行。目前最普遍的交通控制系統(tǒng)信號燈變化的基本模式如圖3所示。
    根據(jù)此模式下信號燈相位的基本要求，設(shè)定直行方向綠色信號燈時(shí)間為24 s，左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)方向綠色信號燈時(shí)間為6 s，黃色信號燈時(shí)間統(tǒng)一為3 s。其自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)如表1所示。

    從狀態(tài)轉(zhuǎn)換表可以看出，以a道路直行方向信號燈狀態(tài)S1為出發(fā)點(diǎn)，3種顏色信號燈不斷循環(huán)，顯示時(shí)間為S1+S2+S3=72 s，即為交通控制系統(tǒng)的一個(gè)周期時(shí)間。通過計(jì)算，可得a道路直行方向綠燈時(shí)間概率為24／72=33．33％，左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)方向綠燈時(shí)間概率為6／72=8．33％，b道路狀態(tài)與a道路相同。無論十字路口車流量狀況如何，傳統(tǒng)模式下的各個(gè)路口和方向的車輛通行概率保持不變。

3 智能交通控制系統(tǒng)仿真
    智能交通控制系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的交通控制系統(tǒng)，最大的創(chuàng)新點(diǎn)在于，實(shí)現(xiàn)了車輛通行相對方向不同步的信號控制，它會(huì)根據(jù)車流量的變化及時(shí)調(diào)整交通信號控制策略，最大限度提高了十字路口車流量的通行效率。整個(gè)控制電路包括了兩個(gè)控制模塊：直行方向控制模塊與左轉(zhuǎn)方向控制模塊，右轉(zhuǎn)方向和行人通行時(shí)間由直行方向控制模塊概括?？刂瞥绦蜻\(yùn)行時(shí)，兩個(gè)模塊交替運(yùn)行，進(jìn)行循環(huán)控制。直行4個(gè)方向與左
轉(zhuǎn)4個(gè)方向的信號相位分別一致。例如，a方向具體相位如圖4所示。aa方向具體相位如圖5所示。

    控制電路以1 Hz時(shí)鐘脈沖作為系統(tǒng)時(shí)鐘，它包含了8路輸入信號和48路輸出信號，具體信號分布如表2所示。

    系統(tǒng)主要適應(yīng)十字路口車流量不均衡的狀態(tài)，設(shè)定十字路口車流量狀況為a車道、b車道車流量大，c車道、d車道車流量小，如圖6所示。利用EDA軟件Quartus II 7．2，通過硬件描述語言VHDL進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)和仿真，可得此狀態(tài)下智能交通控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果，如圖7所示。

    統(tǒng)計(jì)圖7中100s內(nèi)a車道、b車道3種車輛通行方向的車輛通行時(shí)間，可得a車道、b車道直行方向車輛通行平均概率為(50+40)／200=45％，a車道、b車道左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)方向車輛通行平均概率為(46+18+50+57)／400=42．75％。
    比較傳統(tǒng)模式下的交通控制系統(tǒng)和智能交通控制系統(tǒng)在十字路口車流量不均衡狀態(tài)下的車輛通行概率，可以發(fā)現(xiàn)，道路直行方向的車輛通行概率從33．33％提升到了45％，道路左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)方向的車輛通行概率從8．33％提升到了42．75％。因此，在車流量不均衡的情況下，本智能交通控制系統(tǒng)相對傳統(tǒng)模式下的交通控制系統(tǒng)，提高了十字路口的車輛通行效率，也滿足了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。

4 硬件設(shè)計(jì)與測試
    完成了智能交通控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、編譯、仿真后，將設(shè)計(jì)程序中輸入、輸出端口進(jìn)行引腳綁定并下載到開發(fā)板上EP1C6Q240C8核心芯片中。制作外圍電路如圖8所示，并4路直行方向綠燈信號和4路左轉(zhuǎn)方向綠燈信號接入到開發(fā)板上的8個(gè)數(shù)碼管上，調(diào)整外圍電路的輸入電壓，觀察數(shù)碼管狀態(tài)。通過實(shí)際測試，8個(gè)數(shù)碼管的顯示結(jié)果正常，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語
    利用EDA軟件Quartus II 7．2，采用硬件描述語言VHDL進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)了智能交通控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、仿真，并利用EP1C6Q240C8 FPCA芯片制作成控制系統(tǒng)進(jìn)行測試，實(shí)現(xiàn)了對交通信號燈相對方向不同步的控制功能，可在實(shí)際應(yīng)用中提高城市十字路口的車輛通行效率，緩解城市的交通壓力。本設(shè)計(jì)具有設(shè)計(jì)效率高、成本低、可靠性強(qiáng)、維護(hù)容易及可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，展現(xiàn)了EDA技術(shù)和FPGA器件在智能交通控制方面應(yīng)用的優(yōu)越性。