智能交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 - 圖文-

第29卷第5期重慶交通大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版Vo.l29No.52010年10月JOURNALOFCHONGQINGJIAOTONGUNIVERSITY(NATURALSCIENCEOc.t2010智能交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真收稿時間:2010-02-12;修訂時間:2010-05-21作者簡介:何翼(1989-,男,江蘇江陰人,本科生,研究方向為通信信號處理。E-mai:l421788464@。何翼(武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院,湖北武漢430073摘要:使用AHDL語言,目標(biāo)器件選用FPGA器件,采用自上向下的設(shè)計方法,設(shè)計智能交通燈控制系統(tǒng)。以單片機(jī)C8051為控制核心,實現(xiàn)東西、南北的通行時間可調(diào),倒計時顯示通行時間,急車強(qiáng)行通過等功能。該系統(tǒng)具有設(shè)計周期短、可靠性很高、維護(hù)較方便、使用簡單等諸多優(yōu)點。關(guān)鍵詞:交通燈;FPGA;單片機(jī)中圖分類號:TP368文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號:1674-0696(201005-0763-04DesignandEmulationofIntelligentTrafficLightControlSystemHEYi(SchoolofInformationEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430073,Hube,iChinaAbstract:AHDLisusedandFPGAdeviceischosenastargetdeviceindesigningtheintelligenttrafficlightcontrolsystem,inwhichuptodowndesigningmethodisapplied.ThecontrolkernelofthesystemisC8051;itcanrealizelotsoffunctions,suchasadjustingthepassingtimeineastwestandsouthnorthdirection,passingtimecountdownandemergencyvehiclecompellingpassing.Thesystemisadvantageoustohaveshortdesignperiod,highreliability,easyoperationandmaintenance,etc.Keywords:trafficlight;FPGA;microcomputer近年來,隨著機(jī)動車數(shù)量的急劇增加,城市交通面臨著巨大壓力,城市道路建設(shè)相對滯后,特別是街道的十字路口,更是成為交通網(wǎng)中通行能力的瓶頸和交通事故的多發(fā)地。為了有效防止交通阻塞,確保交通安全,交通信號燈在所有城市都得到了廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的交通信號燈控制系統(tǒng)一般采用電子線路和繼電器進(jìn)行控制,結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜,可靠性也較低。隨著計算機(jī)和自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展,基于先進(jìn)控制技術(shù)設(shè)計新型的交通燈控制系統(tǒng),對緩解交通阻塞,降低交通燈控制系統(tǒng)的故障率將具有十分重要和現(xiàn)實的意義。1方案選擇1.1項目功能描述1具有十字路口交通固定通行時間自動控制功能;2可以人工干預(yù),通過預(yù)置通行時間,實現(xiàn)預(yù)置控制功能;3車流量較小或暫無車輛通行以及有急車通行的情況下,實現(xiàn)強(qiáng)行通行的功能。1.2方案論證與比較在交通燈控制系統(tǒng)中,控制器作為本設(shè)計核心,主控制器依據(jù)倒數(shù)計時器的狀態(tài)來控制路口紅、黃、綠3盞燈有規(guī)律的變化,考慮該部分的設(shè)計總體方案有以下2種:方案1,采用C8051F020單片機(jī)作為整個控制核心。發(fā)揮單片機(jī)軟件編程靈活的特點,利用其內(nèi)部定時器通過軟件編程實現(xiàn)倒數(shù)計時功能,外部接硬件驅(qū)動電路來驅(qū)動數(shù)碼管和LED燈。設(shè)計原理如圖1(a。方案2,采用單片機(jī)和FPGA結(jié)合的方式[1]。用單片機(jī)完成人機(jī)交互、系統(tǒng)控制,用FPGA實現(xiàn)控制和倒數(shù)計時器的設(shè)計,FPGA輸出電平為TTL電平可直接驅(qū)動數(shù)碼管和LED燈,省去了外部硬件驅(qū)動電路的設(shè)計,如圖1(b。分析上述2種方案,方案1的優(yōu)點在于整個系統(tǒng)的控制僅由單片機(jī)實現(xiàn),大大減小了產(chǎn)品體積,降低了產(chǎn)品成本,其缺點是單片機(jī)內(nèi)部定時由軟件實現(xiàn),工作不夠穩(wěn)定,另外,其輸出信號不能直接驅(qū)動數(shù)碼管和LED燈,需增加外部硬件驅(qū)動電路;方案2充分利用了單片機(jī)軟件設(shè)計的通用性和FPGA在邏輯設(shè)計上的優(yōu)勢[2],提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,同時也省略了外部硬件驅(qū)動電路的設(shè)計,克服了方案1存在的不足[3]。另外方案2增強(qiáng)了人機(jī)交互的能力,其44鍵盤可實現(xiàn)功能控制和參數(shù)改變,并將結(jié)果顯示于LCD上,使設(shè)計更加簡便,但該方案設(shè)計成本較高?；谝陨纤?同時考慮該系統(tǒng)在實際中的應(yīng)用要求具有較高的穩(wěn)定性,筆者采用方案2。(a方案1(b方案2圖1原理框圖Fig.1Thetheorystructure2設(shè)計原理2.1頂層設(shè)計依據(jù)方案2的設(shè)計原理,采用單片機(jī)和FPGA結(jié)合的方式[4],其頂層設(shè)計原理框圖如圖2。單片機(jī)作為整個系統(tǒng)的控制核心,完成功能選擇以及參數(shù)設(shè)置;FPGA產(chǎn)生所需時序控制交通燈按規(guī)律變化[5],包括正常功能時序控制模塊、強(qiáng)制功能時序控制模塊、優(yōu)先選擇模塊、定時計數(shù)器和譯碼器。圖2總體設(shè)計原理框圖Fig.2Theorystructureofoveralldesign正常時序控制程序包括自動模式控制程序和預(yù)置模式控制程序2部分。其中自動模式控制程序完強(qiáng)制或緊急通行程序控制,是強(qiáng)制使某方向的綠燈亮,同時另一方向的紅燈亮,使某方向強(qiáng)制通行10s曲直,然后控制系統(tǒng)恢復(fù)到正常工作模式,并調(diào)用顯示子程序?qū)⒐ぷ髂Ｊ郊巴ㄍr間顯示于LCD上。其流程圖見圖3。(a正常時序控制流程(b強(qiáng)制或緊急通行時序控制流程圖3時序控制流程圖Fig.3Schedulingcontrolflow2.3頂層設(shè)計原理頂層是本設(shè)計的核心,主要包括控制器和定時器模塊的設(shè)計,其總體設(shè)計原理框圖如圖4,包括正常功能時序控制模塊、強(qiáng)制功能時序控制模塊、優(yōu)先764重慶交通大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版第29卷選擇模塊、定時計數(shù)器和譯碼器。其中正常時序控制模塊實現(xiàn)自動和預(yù)置工作模式交通控制功能,強(qiáng)制時序控制模塊實現(xiàn)強(qiáng)制或急車通行交通控制功能[6]。圖4頂層設(shè)計原理框圖Fig.4Theorystructureoftopdesign功能選擇以及參數(shù)設(shè)置由單片機(jī)控制[7],2個定時計數(shù)器分別置于各自的時序控制模塊中,計數(shù)器以秒為單位倒計時。在正常時序控制模塊中,定時器啟動后以單片機(jī)送來的預(yù)置數(shù)開始倒計時,當(dāng)計數(shù)值減為0時,時序控制模塊改變輸出狀態(tài),電路進(jìn)入下一個狀態(tài)的倒計時,同時定時器的輸出經(jīng)過譯碼驅(qū)動數(shù)碼管來進(jìn)行顯示[8]。在強(qiáng)制時序控制模塊中,定時器啟動后從0開始計時,時序控制模塊改變輸出狀態(tài),當(dāng)計數(shù)值計到10時,時序控制模塊失去對輸出狀態(tài)的控制,同時定時器清0。控制器模塊設(shè)計依設(shè)計要求,可畫出交通燈點亮規(guī)律的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表。3編譯與模擬仿真該部分模塊由AHDL語言編程實現(xiàn),總系統(tǒng)采用原理圖5實現(xiàn),各分模塊相連組成控制系統(tǒng)。圖5交通燈控制部分設(shè)計原理圖Fig.5Designtheoryofthetrafficlightcommandsystem在Max+PlusII中對各功能進(jìn)行仿真,用R1,Y1,G1表示東西方向上的紅,黃,綠燈;用R2,Y2,G2表示南北方向上的紅,黃,綠燈。1正常時序控制功能,仿真結(jié)果見圖6。仿真結(jié)果分析:系統(tǒng)進(jìn)入該工作模式時,東西方向紅燈亮,南北方向綠燈亮,當(dāng)?shù)箶?shù)計時器計到5時,東西方向狀態(tài)不變,南北方向黃燈亮,計到0時,兩方向狀態(tài)轉(zhuǎn)換,重復(fù)以上過程。可見系統(tǒng)實現(xiàn)了正常時序控制功能,滿足了設(shè)計要求。2強(qiáng)制時序控制功能,仿真結(jié)果見圖7。仿真結(jié)果分析:該功能仿真時以東西方向為例,在系統(tǒng)工作于正常時序控制模式的情況下,當(dāng)響應(yīng)強(qiáng)制控制功能時,東西方向由紅燈亮變?yōu)榫G燈亮,南北方向由綠燈亮變?yōu)榧t燈亮,同時倒數(shù)定時器暫停10s,然后強(qiáng)制功能失去控制,各燈恢復(fù)到原來狀態(tài)。可見系統(tǒng)實現(xiàn)了強(qiáng)制時序控制功能,滿足了設(shè)計要求。4結(jié)語本次設(shè)計從最初的理論證明、方案設(shè)計到最后的方案定型、實踐制作前后大約經(jīng)歷了一個多月的時間。從最后的測試結(jié)果看,各項功能指標(biāo)完成較為理想。系統(tǒng)采用了單片機(jī)和FPGA相結(jié)合的方式設(shè)計,增強(qiáng)了人機(jī)交互能力,操作方便、簡捷,工作穩(wěn)定性高。765第5期何翼:智能交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真圖6正常時序控制功能仿真結(jié)果Fig.6Thecontrolemulatorofthecommonlyschedulingcommand圖7強(qiáng)制時序控制功能仿真結(jié)果Fig.7Thecontrolemulatorofthecompellinglyschedulingcommand參考文獻(xiàn):[1]高曉平,趙真.可編程技術(shù)應(yīng)用與實踐[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2005:124-132.[2]潘松,黃繼業(yè).EDA技術(shù)實用教程[M].北京:科學(xué)出版社,2002:87-95.[3]李永仁,雷治宇.實用集成電路手冊[M].武漢:武漢出版社,2000:342-344.[4]徐志軍,徐光輝.CPLD/FPGA的開發(fā)與應(yīng)用[M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