交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中文摘要智能化交通控制系統(tǒng)都是基于當(dāng)代電子技術(shù)交通和車輛控制服務(wù)管理系統(tǒng)。根據(jù)對(duì)PLC和MCU策略的較為，依據(jù)交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)定，確認(rèn)了FPGA模塊化功能的實(shí)現(xiàn)?？刂颇K、5秒倒計(jì)數(shù)模塊、倒計(jì)數(shù)時(shí)間安排推動(dòng)模塊、55秒倒計(jì)數(shù)模塊、倒計(jì)數(shù)挑選模塊、1Hz計(jì)數(shù)時(shí)鐘信號(hào)模塊、1Kz時(shí)鐘信號(hào)模塊、動(dòng)態(tài)性運(yùn)用QuartusII模擬仿真各模塊，確保功能恰當(dāng)。在確保功能恰當(dāng)后，把所有模塊聯(lián)接形成完整的設(shè)計(jì)，并且用QuartusII再度模擬仿真。模擬仿真結(jié)果表明功能恰當(dāng)，達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定。最終，應(yīng)用QuartusII將系統(tǒng)軟件下載到AlteraFPGA處理芯片EP2C5T144C8上。具體運(yùn)作結(jié)果表明，電源電路工作正常，達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定。關(guān)鍵詞：交通燈；FPGA；PLC算法DesignofTrafficSignalControlSystemAbstractIntelligenttrafficcontrolsystemisatrafficandvehiclecontrolservicesystembasedonmodernelectronicinformationtechnology.ThroughthecomparisonofPLCandMCUschemes,accordingtothedesignrequirementsoftrafficlightcontrolsystem,therealizationofFPGAmodularfunctionisdetermined.Itmainlyusesthemaincontrolmodule,55secondcountdownmodule,5-secondcountdownmodule,countdowntimeselectiondrivingmodule,countdowntimeselectionmodule,1kzclocksignalmodule,1Hzcountingclocksignalmodule,countdowndatamulti-channelselectionmodule,dynamicdisplaydrivingmodule,displaydatamulti-channelselectionmoduleanddisplaydatadecodingmodule.UseQuartusIItosimulateeachmoduletoensurecorrectfunction.Afterensuringthecorrectfunction,connectallmodulestoformacompletedesign,andthensimulateagainwithQuartusII.Thesimulationresultsshowthatthefunctioniscorrectandmeetsthedesignrequirements.Finally,QuartusIIisusedtodownloadtheprogramtoAlteraFPGAchipEP2C5T144C8.Theactualoperationresultsshowthatthecircuitworksnormallyandmeetsthedesignrequirements.Keywords：Trafficlights,FPGA,PLCalgorithm目錄TOC\o"1-3"\h\u66921緒論 緒論本課題研究背景及意義在世界經(jīng)濟(jì)高度發(fā)達(dá)的今天，中國(guó)的經(jīng)濟(jì)科技等也在飛速發(fā)展。而伴隨著中國(guó)城市化進(jìn)程的加快，城市人口和車輛不斷增加，我國(guó)的城市交通面臨著越來(lái)越嚴(yán)重的問(wèn)題，其表現(xiàn)較為明顯的是城市交通的擁堵和交通的安全[1]。然而城市中的交通秩序其最主要的是靠交通路口的紅綠燈來(lái)進(jìn)行控制的，紅綠燈的技術(shù)起源在19世紀(jì)的中期，它存在的意義是進(jìn)行疏導(dǎo)汽車，對(duì)于進(jìn)行提高道路的使用效率也有著非常大的提升。在可編程器件的發(fā)展及應(yīng)用中，用數(shù)字系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)帶來(lái)了非常多的便利?？删幊踢壿嬈骷軌蛲ㄟ^(guò)軟件的編程讓硬件的設(shè)計(jì)更像是軟件設(shè)計(jì)那么簡(jiǎn)單。自從21世紀(jì)以來(lái)，EDA技術(shù)也得到了非常大的發(fā)展。因此，在數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中去使用EDA技術(shù)是非常必要的[1]。隨著EDA的不斷發(fā)展，大規(guī)模可編程器件(FPGA/CPLD)開(kāi)始登上歷史舞臺(tái)，關(guān)聯(lián)方面也在不斷擴(kuò)大。但是相對(duì)于數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)，應(yīng)用大規(guī)?？删幊唐骷绕渌行∫?guī)模的集成電路有很多優(yōu)點(diǎn)。第一，能使設(shè)計(jì)電路方案簡(jiǎn)單化，節(jié)省設(shè)計(jì)成本；第二集成度高，系統(tǒng)的運(yùn)行速度快，可靠性也很好，而且結(jié)合其他并行的工作方式，使得它在較高系統(tǒng)里應(yīng)用很廣泛[2]。使用EDA技術(shù)設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)時(shí)，通常使用VerilogHDL硬件電路描述語(yǔ)言。系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)后，在集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中VerilogHDL作為一門成熟的語(yǔ)言，各種平臺(tái)都支持編寫(xiě)，也可由不一樣的設(shè)備實(shí)現(xiàn)[2]。設(shè)計(jì)交通燈控制系統(tǒng)使用VerilogHDL語(yǔ)言自頂向下的設(shè)計(jì)方法，可讀性和易于實(shí)現(xiàn)性能充分發(fā)揮。功能強(qiáng)大，并且十分穩(wěn)定，對(duì)于初學(xué)者也可以快速融會(huì)貫通[3]。所以我選用VerilogHDL語(yǔ)言來(lái)完成本次系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。我國(guó)目前在交通系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的研究成果都采用轉(zhuǎn)換時(shí)間間隔的方法來(lái)控制路口的交通情況，但是由于不同的時(shí)刻和車流量，這個(gè)方法的采用易造成城市道路資源的浪費(fèi)，使城市道路不僅沒(méi)有得到合理的使用，且可能會(huì)造成很多交通問(wèn)題[3]。所以使此類問(wèn)題得到改善，我們將設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的交通燈智能交通控制系統(tǒng)[4]。本課題國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀交通燈控制器的發(fā)展歷程由于19世紀(jì)的中期以后十字路口這樣的道路逐漸增多，從而引起了大家開(kāi)始關(guān)注道路擁堵。在這樣的背景下交通燈隨之誕生。然而，好景不長(zhǎng)，因?yàn)橐淮我馔鈱?dǎo)致交通燈消失了50多年[5]。直到20世紀(jì)初期美國(guó)的克利夫蘭、紐約重新開(kāi)始出現(xiàn)了交通燈。和之前不一樣的是所有的交通燈都是用電來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的。其實(shí)這種改進(jìn)已經(jīng)讓當(dāng)時(shí)的紅綠燈和現(xiàn)代的紅綠燈很像了。20世紀(jì)中期，由歐洲人首次獨(dú)立設(shè)計(jì)了通過(guò)信號(hào)控制的道路交通信號(hào)燈，從此人們進(jìn)入了通過(guò)動(dòng)能去獨(dú)立控制一個(gè)信號(hào)。前期人們對(duì)路口進(jìn)行控制是簡(jiǎn)單的去操作某一個(gè)路段的信號(hào)燈，但是對(duì)整體道路秩序來(lái)進(jìn)行控制卻是一個(gè)困難且艱巨整體的控制問(wèn)題，不管在執(zhí)行方面還是想象方面。人們開(kāi)始認(rèn)識(shí)到對(duì)交通燈邏輯系統(tǒng)進(jìn)行完善的重要性[6]。在19世紀(jì)60年代的初期科學(xué)家已經(jīng)開(kāi)始了研究整個(gè)城市交通的控制。1970年，科學(xué)家們創(chuàng)造了實(shí)時(shí)交通方案，進(jìn)行控制交通系統(tǒng)，并有選擇地進(jìn)行調(diào)節(jié)。在很多發(fā)達(dá)的國(guó)家的道路網(wǎng)中已經(jīng)得到非常廣泛的肯定和認(rèn)可。交通燈控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)交通燈制御系統(tǒng)的發(fā)展，隨著城市化的擴(kuò)展，變得越來(lái)越重要和普遍。在近百年的發(fā)展中，十字路口的道路信號(hào)制御系統(tǒng)從自主制御不能制動(dòng)進(jìn)化為誘導(dǎo)制御、人工制御到純自動(dòng)制御、現(xiàn)在的電子制御、點(diǎn)制御到主次線制御（線制御）、地域制御和網(wǎng)絡(luò)制御（云制御）[7]。伴隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的普及和越來(lái)越提高的車速，人流擁擠和道路擁堵情況愈發(fā)嚴(yán)重，人們也對(duì)交通系統(tǒng)規(guī)模的復(fù)雜性開(kāi)始重視起來(lái)。并逐漸意識(shí)到道路車輛的分流很難從根本上解決，傳統(tǒng)交通擁堵處理方式的弊端開(kāi)始顯現(xiàn)出來(lái)。智能交通系統(tǒng)（ITS）隨著人們的需求而誕生，并取得了飛速的發(fā)展，隨著科技的不斷進(jìn)步，我國(guó)在交通控制系統(tǒng)方面必將達(dá)到世界一流的控制水平。何悠[8]主要研究了一款基單片機(jī)的通過(guò)道路車輛變化調(diào)節(jié)時(shí)間的智能紅綠燈的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)系統(tǒng)自動(dòng)記錄車流量，并通過(guò)模糊算法來(lái)分配合理的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)車輛變化的自我調(diào)節(jié)。此系統(tǒng)是由上拉電阻、紅黃綠燈、AT89S52單片機(jī)以及兩個(gè)開(kāi)關(guān)等來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在開(kāi)發(fā)硬件的過(guò)程中，采用led燈管對(duì)兩個(gè)重疊的紅色信號(hào)進(jìn)行模擬。最后用單片機(jī)的P1端口來(lái)實(shí)現(xiàn)。另外，在主程序執(zhí)行P1端口時(shí)，可以很好的制備各個(gè)節(jié)點(diǎn)，并利用延時(shí)功能來(lái)更好的控制系統(tǒng)。但在系統(tǒng)工作當(dāng)中，有時(shí)會(huì)發(fā)生中斷。此時(shí)，轉(zhuǎn)移到對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)程序，相反的方向切換為“綠色信號(hào)”，另一個(gè)方向切換為“紅色信號(hào)”，主要避免故障的發(fā)生[9]。楊煉[10]等采用西門子S7-200PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)城市十字路口交通燈控制系統(tǒng)中，交通燈由PLC控制。實(shí)踐表明，基于PLC設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以穩(wěn)定可靠的工作。但也有很多不足之處。比如由于架構(gòu)的封閉性，導(dǎo)致廠家硬件系統(tǒng)不匹配，并由于系統(tǒng)和編程語(yǔ)言的不匹配導(dǎo)致了客戶使用PLC產(chǎn)品時(shí)，遇到許多困難。基于FPGA設(shè)計(jì)的系統(tǒng)通常以FPGA芯片為核心，通過(guò)VerilogHDL語(yǔ)言編寫(xiě)程序。金春花[11]根據(jù)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能，采用了自上而下的設(shè)計(jì)方法。系統(tǒng)大致由控制器模塊、分頻器、定時(shí)器和解碼器組成。對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行分頻是由分頻模塊實(shí)現(xiàn)的。交通燈的點(diǎn)亮?xí)r間進(jìn)行計(jì)時(shí)可以在定時(shí)器模塊中完成。這是由于紅綠燈通常是用采用倒計(jì)時(shí)，這個(gè)定時(shí)器實(shí)際上是一個(gè)模塊為60s的減量定時(shí)器，要求綠燈倒計(jì)時(shí)到30s時(shí)主路會(huì)發(fā)出左轉(zhuǎn)信號(hào)由紅燈變?yōu)榫G燈?？刂破魇窍到y(tǒng)的核心模塊，實(shí)現(xiàn)交通指示功能，可以實(shí)現(xiàn)5種不同工作狀態(tài)的切換控制。曾慶化[12]等人針對(duì)存在于基于GPS/GSM的智能交通系統(tǒng)中的CPS信號(hào)被屏蔽、定位有效果差、系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用高等問(wèn)題，結(jié)合新興的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，研究了基于GPS和WSN的新型智能交通系統(tǒng)。車載無(wú)線傳感器移動(dòng)節(jié)點(diǎn)安裝在總線頂部，包括車載Zigbee芯片、GPS芯片、車載天線和傳感器，其中車載Zigbee芯片與車載天線連接；無(wú)線傳感器固定節(jié)點(diǎn)包括固定Zigbee芯片、固定天線和電子顯示器，設(shè)置在交叉點(diǎn)和總線站的高處，其中交叉點(diǎn)固定節(jié)點(diǎn)連接到道路狀況電子顯示器，家庭固定節(jié)點(diǎn)連接到總線信息電子顯示器。完成總線定位算法后，制作軟硬件，完成驗(yàn)證系統(tǒng)測(cè)試。通過(guò)測(cè)試結(jié)果可以表明，基于無(wú)線傳感器和CPS技術(shù)的智慧交通系統(tǒng)有著非常好的性能及非常高的性價(jià)比，極具有實(shí)用價(jià)值及參考意義?，F(xiàn)在的紅綠燈通過(guò)按照時(shí)間進(jìn)行控制系統(tǒng)也存在問(wèn)題，喬佳利[13]等人提出了基于霧計(jì)算的安全智能交通信號(hào)燈控制算法。車載網(wǎng)絡(luò)、路側(cè)接入網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以檢測(cè)每個(gè)方向的交通情況，運(yùn)用控制平臺(tái)來(lái)協(xié)調(diào)車輛與紅綠燈間的信息，綜合考慮，利用了基于哈希函數(shù)的霧計(jì)算方式，讓紅綠燈在速度、方向和位置的方面快速的獲得相關(guān)信息，可以使車輛最大限度的減少其等待的時(shí)間，以提升其通行的效率。通過(guò)Matlab的仿真來(lái)驗(yàn)證其結(jié)果的準(zhǔn)確性。其中車載單元(OBU)、路側(cè)接入網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、車輛、交通信號(hào)、控制平臺(tái)和霧計(jì)算是基于霧計(jì)算的智能交通信號(hào)控制系統(tǒng)的組成部分。車輛和路側(cè)節(jié)點(diǎn)單元信息互通，對(duì)車輛信息采集，發(fā)送到控制平臺(tái)，然后控制紅綠燈。劉浩[14]等人運(yùn)用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要原理是通過(guò)無(wú)線功能，對(duì)紅綠燈進(jìn)行實(shí)時(shí)管控，對(duì)道路交通的改善有重大的作用?；诂F(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)主要由3G智能手機(jī)、ARM制御板和驅(qū)動(dòng)制御電路三部分構(gòu)成，Android操作系統(tǒng)。在正常的交通狀況下，交通燈在ARM嵌入系統(tǒng)的控制下以自動(dòng)定時(shí)模式運(yùn)行。在交通堵塞的情況下，交通管理者通過(guò)手機(jī)Android操作系統(tǒng)的交通控制系統(tǒng)軟件設(shè)定交通時(shí)間（即綠燈顯示時(shí)間）和交通禁止時(shí)間（即紅燈顯示時(shí)間），通過(guò)手機(jī)發(fā)送，無(wú)線路由接收傳輸，嵌入WiFi模塊接收向ARM嵌入系統(tǒng)發(fā)送指令以制備藍(lán)色信號(hào)顯示。具有無(wú)線監(jiān)控功能的智能光伏交通燈的設(shè)計(jì)和研究無(wú)線智能交通燈，蔣斌[15]主要對(duì)此進(jìn)行了思考。這一發(fā)現(xiàn)為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了人類應(yīng)用平臺(tái)，使人們更好的了解紅綠燈的運(yùn)行狀態(tài)和十字路口的情況。王一鳴[16]等通過(guò)軟件，模擬了城市的交通系統(tǒng)。通過(guò)交通流量實(shí)時(shí)情況，對(duì)信號(hào)延遲可靠性高的產(chǎn)品被創(chuàng)造，大大提高了交通效率。硬件架構(gòu)由數(shù)據(jù)收集和傳輸部分、基于內(nèi)置微處理器的智能網(wǎng)關(guān)、信號(hào)顯示部分、道路狀況顯示部分構(gòu)成。智能交通信號(hào)采集模塊的主芯片采用STM32F103C8T6微控制器。對(duì)應(yīng)的編碼信號(hào)在十字路口的紅外線發(fā)送管發(fā)出后，通過(guò)十字路口時(shí)的實(shí)時(shí)改變，光電開(kāi)關(guān)管檢測(cè)各車道的車流量，向STM32芯片發(fā)送信號(hào)。STM?32將程序執(zhí)行后獲得的信息通過(guò)485總線上傳到智能網(wǎng)關(guān)，MX535完成了計(jì)數(shù)和車輛變化的實(shí)時(shí)監(jiān)控。在生產(chǎn)LED顯示器的再生的同時(shí)，也能分析交通流量的算法，計(jì)算信號(hào)的時(shí)間分配，制作信號(hào)轉(zhuǎn)換調(diào)度。郭榮祥[17]等干線協(xié)調(diào)控制戰(zhàn)略是，在協(xié)調(diào)控制區(qū)間的兩端交叉點(diǎn)實(shí)行定時(shí)管控，相當(dāng)于準(zhǔn)時(shí)在被制御干線內(nèi)放車輛，定時(shí)控制配送時(shí)根據(jù)交通流量和數(shù)學(xué)通過(guò)模型得到，在協(xié)調(diào)制御內(nèi)的各端口間通過(guò)廣播局實(shí)現(xiàn)通信達(dá)成合作制的有效果。GRM模塊傳將交通十字路口的數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程控制中心，然后可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)十字路口。整個(gè)制御系統(tǒng)的下級(jí)機(jī)是PIC，負(fù)責(zé)各個(gè)十字路口的時(shí)間制御和制御。低階設(shè)備的操作過(guò)程是在不同的時(shí)間段開(kāi)始，接收來(lái)自高階設(shè)備的定時(shí)時(shí)間，并且在不同的低階設(shè)備之間通過(guò)數(shù)字站進(jìn)行通信。通過(guò)這樣的廣場(chǎng)協(xié)調(diào)，可以靈活調(diào)整各十字路口的分配時(shí)間，實(shí)現(xiàn)干線的協(xié)調(diào)控制，最大限度地減少堵車的發(fā)生。系統(tǒng)中的上級(jí)機(jī)的作用是，將每一個(gè)時(shí)間段由遙控器設(shè)定的時(shí)間發(fā)送到各端口，各十字路口的車流量檢測(cè)裝置測(cè)量的車流量信息通過(guò)PLC下級(jí)機(jī)和無(wú)線遙控裝置傳輸?shù)缴霞?jí)機(jī)，存儲(chǔ)在上級(jí)機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)中。系統(tǒng)的上位機(jī)可以修正和監(jiān)視遠(yuǎn)程交通燈的參數(shù)。劉信新，陳鯤利[18]采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)了交通燈控制系統(tǒng)，密集分布超聲波傳感器可以獲得相應(yīng)的車輛動(dòng)態(tài)，自適應(yīng)信號(hào)燈調(diào)度算法可以根據(jù)道路情況自動(dòng)調(diào)節(jié)綠燈時(shí)間，大大減少了擁堵現(xiàn)象的產(chǎn)生。集中控制器作為核心部分，主要由由三個(gè)部分組成：信號(hào)燈、集中控制器、無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)。無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)是檢測(cè)道路實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的關(guān)鍵部位。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能通過(guò)攜帶多個(gè)超聲波收發(fā)器以檢測(cè)車輛。這些節(jié)點(diǎn)可以從電纜和電池中提供電力。楊書(shū)鴻，張佳瑋[19]設(shè)計(jì)的基于ZigBee的智能交通信號(hào)系統(tǒng)可以根據(jù)車流量實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)路口、路口之間的信號(hào)燈。此技術(shù)不僅具有雙向無(wú)線通信功能，而且在距離、電量、速度、成本等方面具有強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)。一段過(guò)去車輛的數(shù)據(jù)在感光傳感器被收集，傳送ZigBee終端節(jié)點(diǎn)。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)經(jīng)由ZigBee網(wǎng)絡(luò)向ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送接收數(shù)據(jù)。ZigBee協(xié)調(diào)器將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到PC，PC根據(jù)狀況進(jìn)行判斷，向信號(hào)發(fā)送制御命令。孟祥凱[20]等提出了基于單片機(jī)的無(wú)線遠(yuǎn)程控制交通燈控制系統(tǒng)，已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)了百米正常通信的目標(biāo)。該系統(tǒng)包括發(fā)送模塊、接收模塊和核心控制部分。發(fā)送方主要由單芯片機(jī)和定向無(wú)線發(fā)送模塊構(gòu)成；接收側(cè)由單芯片制御模塊、數(shù)據(jù)接收模塊、LED三基本色制御模塊和數(shù)字管模塊構(gòu)成。當(dāng)解碼碼片接收到數(shù)據(jù)時(shí)，MCU的對(duì)應(yīng)銷由電壓比較器下拉。發(fā)送側(cè)的按鈕松開(kāi)后，MCU對(duì)應(yīng)的銷變?yōu)楦唠娖?，模擬獨(dú)立按鈕的操作。智能交通系統(tǒng)（ITS）是根據(jù)人們的需求而產(chǎn)生，并迅速發(fā)展起來(lái)的。一定要和國(guó)際先進(jìn)的交通控制系統(tǒng)相結(jié)合，更加人性化，開(kāi)發(fā)更加合理的交通燈控制系統(tǒng)。本課題主要研究?jī)?nèi)容傳統(tǒng)的交通燈控制器大多是單片機(jī)或PLC實(shí)現(xiàn)的。隨著近幾年技術(shù)的快速發(fā)展，比如EDA技術(shù)，在電子技術(shù)方面的發(fā)生了翻天覆地的變化。其中最便利的就是現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA），它的出現(xiàn)是一項(xiàng)偉大的而進(jìn)步。利用此進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，有成本低，周期短，可靠性高這樣的優(yōu)點(diǎn)。本課題以FPGA芯片為核心，用VerilogHDL語(yǔ)言制作代碼，能夠?qū)崿F(xiàn)交通燈控制器的設(shè)計(jì)完成。設(shè)計(jì)一種雙交燈控制的系統(tǒng)。它有兩個(gè)信號(hào)燈，分別是主燈和從燈；可以按照主燈設(shè)置規(guī)則從燈的顯示中進(jìn)行調(diào)整；每個(gè)信號(hào)都可以人為控制，其中人為控制權(quán)是最高的。該系統(tǒng)以FPGA為核心，同時(shí)運(yùn)用LED燈管。并設(shè)計(jì)電路；其中主燈占據(jù)主導(dǎo)地位，可以控制從燈的變化。主燈和從燈也均可以人為控制?？傮w設(shè)計(jì)方案總體方案設(shè)計(jì)基于PLC的交通控制系統(tǒng)的例子，要求實(shí)現(xiàn)“經(jīng)常系列制御”和“緊急交通制御”兩種制御模式。程序的總流程圖如圖2-1所示。南北方向控制南北方向控制東西方向控制返回圖2.1程序總流程圖與以往的電子線路和繼電器相比，此系統(tǒng)在可靠性、維護(hù)方面、使用及通用性方面都有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)性。而且還能連網(wǎng)。通過(guò)測(cè)試的十字路口的情況，比如間隔、車輛流量和車速方面，準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)了十字路口信號(hào)機(jī)的時(shí)間差，將無(wú)數(shù)個(gè)PLC連接到一臺(tái)制御計(jì)算機(jī)，具有方便操作、管理和監(jiān)控的優(yōu)點(diǎn)，可以極大程度上提升城市道路交通管理的能力。FPGA主程序?qū)崿F(xiàn)方案設(shè)計(jì)結(jié)合已有的PLC實(shí)現(xiàn)和單片機(jī)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的經(jīng)驗(yàn)，并吸收兩種設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)之處，再根據(jù)交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和FPGA模塊化功能實(shí)現(xiàn)，確定了以下方案，因每個(gè)方向相對(duì)的信號(hào)燈狀態(tài)及倒計(jì)時(shí)顯示器的顯示完全一致，根據(jù)設(shè)計(jì)要求和系統(tǒng)所具有的功能，交通燈控制器系統(tǒng)框圖如圖2.2所示。FPGAFPGA主控模塊系統(tǒng)復(fù)位手動(dòng)/自動(dòng)紅綠燈切換顯示器報(bào)警器圖2.2交通燈控制器系統(tǒng)框圖在這個(gè)結(jié)論中，復(fù)位的功能是系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，它能將系統(tǒng)恢復(fù)計(jì)時(shí)。在現(xiàn)實(shí)的交通燈的交通信號(hào)系統(tǒng)中，大部分的都是由自動(dòng)化，但是為了配合高峰時(shí)間防止交通堵塞，有時(shí)需要人工控制。主機(jī)包含系統(tǒng)復(fù)位、手動(dòng)/自動(dòng)、信號(hào)切換、主模塊、顯示和警報(bào)。主制御部分由FPGA實(shí)現(xiàn)。圖2.3交通燈通行示意圖結(jié)合實(shí)施方案，主要有東西方向、南北方向、南北方向左轉(zhuǎn)、東西方向左轉(zhuǎn)、手動(dòng)御，由M2~M0設(shè)置，參照表2.4。表2.4交通燈工作方式表方式M2（0：自動(dòng)，1：手動(dòng)）M1（0：A向，1：B向）M0（0：直行，1：左拐）100020013010401151**特殊情況下，可選擇模式1至4中的任一種停止正常運(yùn)行，進(jìn)入特殊運(yùn)行狀態(tài)。此時(shí)信號(hào)以工作模式顯示，當(dāng)計(jì)時(shí)電路停止計(jì)時(shí)的時(shí)候，計(jì)時(shí)時(shí)間就開(kāi)始閃爍。而當(dāng)系統(tǒng)總復(fù)位的時(shí)候，控制電路和定時(shí)電路復(fù)位，這時(shí)所有信號(hào)燈熄滅。各功能模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)總體設(shè)計(jì)思路系統(tǒng)組成框圖這個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)的要求和決定的實(shí)施方式，根據(jù)自上而下的層級(jí)設(shè)計(jì)方法，總的來(lái)說(shuō)是分為4個(gè)部分：第一系統(tǒng)定時(shí)發(fā)生電路、第二交通燈計(jì)數(shù)時(shí)間選擇模塊、第三定時(shí)控制電路、第四交通燈信號(hào)解碼電路。構(gòu)成圖如圖3.1所示。假如在這個(gè)地方，某一個(gè)十字路口是由干線道路和下一條干線道路的回合形成的。在每個(gè)方向設(shè)置紅綠黃3種信號(hào)燈，紅燈亮禁止通行，綠燈亮允許通行：黃燈亮允許行駛中車輛有時(shí)間?？嫉浇咕€以外。時(shí)序發(fā)生模塊時(shí)序發(fā)生模塊（1kHz輸入時(shí)鐘）紅綠燈計(jì)數(shù)時(shí)間選擇模塊紅綠燈信號(hào)譯碼模塊定時(shí)控制電路系統(tǒng)復(fù)位手動(dòng)/自動(dòng)紅綠燈切換紅東黃西綠向倒計(jì)時(shí)顯示紅南黃北綠向 圖3.1交通燈控制器系統(tǒng)組成框圖按時(shí)控制電路關(guān)鍵可設(shè)置的次數(shù)控制數(shù)據(jù)信號(hào)顏色的改變，并通過(guò)挑選控制模塊確定最后的顯示結(jié)果。通過(guò)對(duì)比顯示燈，利用時(shí)鐘頻率控制電路控制時(shí)長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)編解碼模塊導(dǎo)出作用。在全自動(dòng)控制控制模塊的情形下，綠燈點(diǎn)亮為55秒，燈閃點(diǎn)亮為5秒，綠燈點(diǎn)亮為60秒。其外界硬件電路包含2組信號(hào)指示燈(相互配合交叉路口雙重指引控制)、二級(jí)七級(jí)顯示屏(相互配合綠燈倒數(shù)計(jì)時(shí)表明)、一組手動(dòng)式與全自動(dòng)控制開(kāi)關(guān)(對(duì)交警指揮應(yīng)用交通出行控制)。交通燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖從分析了交通燈的框圖的結(jié)論來(lái)看，最后程可以基本可以分為4個(gè)階段，對(duì)應(yīng)的輸出有4個(gè)狀態(tài)，分別是S0、S1、S2、S3。表3.2表示4階段的照明狀態(tài)。表3.2四個(gè)階段的燈亮狀態(tài)表狀態(tài)燈亮情況格雷碼S0狀態(tài)主干道綠燈亮，支干道紅燈亮00S1狀態(tài)主干道黃燈亮，支干道紅燈亮01S2狀態(tài)主干道紅燈亮，支干道綠燈亮11S3狀態(tài)主干道紅燈亮，支干道黃燈亮10主干道是綠燈的通行的時(shí)候，支干道一定是不能通行所以是綠燈，所以我們?nèi)鐖D3.2規(guī)定S0的狀態(tài)。當(dāng)主干道是黃燈的時(shí)候，是在提醒主干道的車即將不能通行也就是說(shuō)現(xiàn)在還能通行，所以支干道上的車還是不能通行的顯示的應(yīng)該是紅燈，所以我們?nèi)鐖D3.2那樣規(guī)定S1的狀態(tài)。當(dāng)主干道上的黃燈閃爍時(shí)主干道方向的車輛禁止通過(guò)，支路方向的車輛這時(shí)候可以正常通過(guò)，所以此時(shí)顯示為綠色，表示S2的狀態(tài)。等待一段時(shí)間以后，支路由綠色轉(zhuǎn)變?yōu)辄S色，提醒支路車輛即將無(wú)法通行(表示仍可通行)，所以主干道車輛無(wú)法通行，即顯示紅燈，我們?cè)诖酥付⊿3狀態(tài)。當(dāng)主干道方向的55秒計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)，如果支路方向沒(méi)有車，那么控制器要繼續(xù)在S0狀態(tài)下再運(yùn)行55秒，等到下一個(gè)計(jì)時(shí)轉(zhuǎn)向東才做出判斷；主路55秒計(jì)時(shí)完畢，如果支路方向有車，根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖跳轉(zhuǎn)。類似地，對(duì)分支道路執(zhí)行相同的處理。圖3.3主干道狀態(tài)轉(zhuǎn)換當(dāng)主干道開(kāi)始亮綠燈時(shí)，假如主干道的方向中要求車子務(wù)必保持正常狀態(tài)，則主干道側(cè)綠燈無(wú)法再繼續(xù)維持。不然，假如計(jì)數(shù)未完成，但主干道上沒(méi)有車，則執(zhí)行從S2狀態(tài)到S3狀態(tài)的自動(dòng)跳轉(zhuǎn)。假如主干道上有車并保持到55秒計(jì)數(shù)完畢，則也執(zhí)行狀態(tài)遷移。圖3.4支干道狀態(tài)轉(zhuǎn)換由上面的兩個(gè)干道的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖可知，兩個(gè)方向的先設(shè)計(jì)成并列的，即都是按照倒計(jì)時(shí)信號(hào)進(jìn)行狀態(tài)跳轉(zhuǎn)，然后再加入兩者之間的限制關(guān)系和SIGNAL信號(hào)。功能模塊設(shè)置及實(shí)現(xiàn)依據(jù)前面的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架圖和心態(tài)設(shè)定，主控芯片一部分分成主控芯片模塊、55s倒計(jì)時(shí)模塊、5s倒計(jì)時(shí)模塊、倒計(jì)時(shí)時(shí)間選擇驅(qū)動(dòng)模塊、倒計(jì)時(shí)時(shí)間選擇模塊、1KHz時(shí)鐘信號(hào)模塊、1Hz記數(shù)時(shí)鐘信號(hào)模塊、倒計(jì)時(shí)時(shí)間數(shù)據(jù)信息多通道選擇模塊、動(dòng)態(tài)展示驅(qū)動(dòng)模塊、顯示數(shù)據(jù)多通道選擇模塊和顯示數(shù)據(jù)編解碼模塊。主控模塊該模塊主要根據(jù)外界輸入信號(hào)RSt和SW1去進(jìn)行導(dǎo)出層面控制，用以操縱信號(hào)指示燈色調(diào)。其中包括了內(nèi)部結(jié)構(gòu)模塊中間的重要數(shù)據(jù)信號(hào)EN_in(來(lái)源于倒計(jì)時(shí)時(shí)間選擇驅(qū)動(dòng)模塊)。編碼見(jiàn)后邊附則，對(duì)程序執(zhí)行編譯程序和模擬仿真后。結(jié)論如下圖所示。圖3.5主控模塊RST：用于控制系統(tǒng)的復(fù)位功能，復(fù)位后，系統(tǒng)將回到初始狀態(tài)；SW1:模式選擇，用于進(jìn)行選擇自動(dòng)模式和人為模式。當(dāng)SW=1處于自動(dòng)模式狀態(tài)下，系統(tǒng)不在需要人為控制，當(dāng)SW=0處于人為模式時(shí)，紅綠燈不再工作。圖3.6仿真結(jié)果生成第一個(gè)00時(shí)，主路變成紅色（如redl所示），支路變成綠色信號(hào)，跳躍到黃色燈（如yell10w2和green2所示）；01的情況下，主路是綠色（如greenl所示），支路是紅色（如red2所示）；10時(shí)，主路從綠色變?yōu)辄S色（如yellow1所示），支路保持紅色（用red2表示），在10和11個(gè)邊界跳至黃色燈（用yelllow2表示）。55秒倒計(jì)時(shí)模塊該模塊主要是完成倒控制的紅燈信號(hào)的點(diǎn)亮?xí)r間為55秒。事實(shí)上，1分鐘以內(nèi)綠燈變黃的話，為了注意車輛和行人，選擇55秒作為綠燈2的點(diǎn)亮?xí)r間。代碼見(jiàn)后面附錄。模擬結(jié)果和編譯結(jié)果請(qǐng)參照?qǐng)D3.7和圖3.8。圖3.755秒倒計(jì)時(shí)模塊C_CLK：技術(shù)時(shí)鐘信號(hào)、計(jì)數(shù)器的全局計(jì)數(shù)時(shí)鐘。分頻后，該時(shí)鐘信號(hào)是頻率為1Hz的方波信號(hào)，在時(shí)鐘上升邊緣處，計(jì)數(shù)器同時(shí)響應(yīng)。圖3.8仿真結(jié)果5秒倒計(jì)時(shí)模塊該模塊主要完成5秒倒計(jì)時(shí)來(lái)控制黃燈的點(diǎn)亮?xí)r間。一般情況下在60以內(nèi)會(huì)有紅燈變?yōu)榫G燈的情況，以此來(lái)提醒過(guò)往的車輛和行人。代碼見(jiàn)后面附錄。模擬結(jié)果和編譯結(jié)果如圖3.9和3.10所示。圖3.95秒倒計(jì)時(shí)模塊C_EN:計(jì)數(shù)器的使能信號(hào)。在時(shí)鐘的信號(hào)下,處于高電平時(shí)候,計(jì)數(shù)器將工作在計(jì)數(shù)狀態(tài)；否則,計(jì)數(shù)器將工作在保持狀態(tài)。t圖3.10仿真結(jié)果倒計(jì)時(shí)時(shí)間選擇驅(qū)動(dòng)模塊只要模塊完成選擇倒計(jì)時(shí)時(shí)間的功能，輸入信號(hào)就來(lái)自兩個(gè)倒計(jì)時(shí)模塊。倒計(jì)時(shí)結(jié)束后，驅(qū)動(dòng)模塊生成生成00、01、10、11序列的脈沖信號(hào)。驅(qū)動(dòng)倒計(jì)時(shí)時(shí)間選擇模塊。代碼見(jiàn)后面附錄，編譯結(jié)果如圖3.11所示圖3.11倒計(jì)時(shí)時(shí)間選擇驅(qū)動(dòng)模塊EN_inl：高位驅(qū)動(dòng)信號(hào)，來(lái)源于55秒計(jì)時(shí)的計(jì)時(shí)到信號(hào)，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)完成后，產(chǎn)生這個(gè)脈沖來(lái)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)的變化。EN_in0：地位驅(qū)動(dòng)信號(hào)，來(lái)源于5秒計(jì)寸的計(jì)時(shí)信號(hào)，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)完成以后，產(chǎn)生這個(gè)脈沖來(lái)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)的變化。倒計(jì)時(shí)時(shí)間選擇模塊該模塊主要完成55秒倒計(jì)時(shí)與5秒倒計(jì)時(shí)之間的選擇功能，在實(shí)際中因?yàn)榇嬖谥t燈到黃燈再轉(zhuǎn)換為綠燈的這樣一個(gè)變化過(guò)程，而紅黃綠燈的點(diǎn)亮?xí)r間不相同，一般是綠黃兩燈的點(diǎn)亮?xí)r間剛好等于紅燈，其中，綠燈亮55秒，黃燈亮秒，紅燈亮60秒。其源代碼見(jiàn)附錄A，其仿真結(jié)果與編譯后的結(jié)果如圖3.12，3.13所示。圖3.12倒計(jì)時(shí)時(shí)間選擇模塊D_IN：如果狀態(tài)變化的輸入信號(hào)是“00、01、10、11”四個(gè)狀態(tài)的變化，則狀態(tài)變化的輸入信號(hào)與倒數(shù)時(shí)間長(zhǎng)的選擇信號(hào)同步。圖3.13仿真結(jié)果D_OUT1：時(shí)間選擇高位輸入，用于選擇驅(qū)動(dòng)55秒倒計(jì)時(shí)計(jì)時(shí)器。分別在狀態(tài)輸入為“00，10”這兩種狀態(tài)時(shí)，即對(duì)應(yīng)綠燈點(diǎn)亮?xí)r間，輸出高電平，使能55秒倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器。D_OUT0：時(shí)間選擇低位輸出，用于選擇驅(qū)動(dòng)5秒倒計(jì)時(shí)計(jì)時(shí)器。分別在狀態(tài)輸入為“01，11”這兩種狀態(tài)時(shí)，即對(duì)應(yīng)黃燈點(diǎn)亮?xí)r間，輸出高電平，使能5秒倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器。1KHz時(shí)鐘信號(hào)模塊將板上10MHz的全局時(shí)鐘信號(hào)分頻得到1KHz的時(shí)鐘信號(hào)，即完成10000分頻的分頻器。代碼見(jiàn)后面附錄。將程序進(jìn)行編譯后，結(jié)果如下圖所示。圖3.141KHz時(shí)鐘信號(hào)模塊1Hz計(jì)數(shù)時(shí)鐘信號(hào)模塊該模塊主要是通過(guò)不斷分頻，最后得到1Hz的時(shí)鐘信號(hào)，代碼見(jiàn)后面附錄，通過(guò)對(duì)程序進(jìn)行編譯，結(jié)果如圖所示。圖3.151KHz計(jì)數(shù)時(shí)鐘信號(hào)模塊倒計(jì)時(shí)時(shí)間數(shù)據(jù)多路選擇模塊該模塊主要完成兩組不同倒計(jì)時(shí)時(shí)間數(shù)據(jù)的選擇和輸出到后續(xù)顯示模塊。源代碼如附錄A所示，對(duì)程序進(jìn)行編譯和仿真后，如圖3.16和3.17所示。圖3.16倒計(jì)時(shí)時(shí)間數(shù)據(jù)多路選擇模塊SEL：狀態(tài)選擇輸入信號(hào)，用于在不同狀態(tài)下選擇不同計(jì)時(shí)器的輸出數(shù)值作為本模塊的輸出。圖3.17仿真結(jié)果D_OUT1l:輸出高階BCD碼，SEL使能時(shí)選擇D_IN1或D_IN3，SEL="00"或"10"時(shí)選擇D-IN1；當(dāng)SEL="01"或"11"時(shí)，選擇D-IN3。D_OUT0輸出低階BCD碼，SEL使能時(shí)選擇D_INO或D_IN2，SEL="00"或"10"時(shí)選擇D-INO；當(dāng)SEL="01"或"11"時(shí)，可以選擇D_IN2。動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)模塊該模塊主要完成是實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管倒計(jì)時(shí)的動(dòng)態(tài)顯示。動(dòng)態(tài)顯示的選擇，即分時(shí)顯示間隔，既要保證同時(shí)顯示到人眼，即不會(huì)出現(xiàn)兩位數(shù)的間歇顯示，又要保證顯示的位數(shù)不會(huì)被覆蓋。代碼見(jiàn)后面附錄，其仿真結(jié)果與編譯后的結(jié)果如圖3.18，3.19所示。圖3.18動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)模塊圖3.19仿真模塊顯示數(shù)據(jù)多路選擇模塊該模塊主要完成數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)的分時(shí)選擇，實(shí)現(xiàn)分時(shí)動(dòng)態(tài)顯示。代碼見(jiàn)后面附錄，對(duì)程序進(jìn)行仿真和編譯后結(jié)果如圖3.20和3.21所示。圖3.20顯示數(shù)據(jù)多路選擇模塊圖3.21仿真結(jié)果顯示數(shù)據(jù)譯碼模塊該模塊主要完成4位BCD碼到8位數(shù)字顯示數(shù)據(jù)的解碼。代碼見(jiàn)后面附錄。對(duì)程序進(jìn)行編譯和仿真后結(jié)果如圖3.22和3.23所示。圖3.22顯示數(shù)據(jù)譯碼模塊圖3.23仿真結(jié)果系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及仿真系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)正常時(shí)序控制：南北控制和東西控制都按照正常時(shí)序動(dòng)作，控制對(duì)應(yīng)的信號(hào)燈循環(huán)啟動(dòng)。流程圖如圖所示。緊急交通規(guī)則有南北緊急交通規(guī)則制和東西緊急交通規(guī)則制兩種方式。緊急列車通行控制的要求如下：緊急列車通行信號(hào)由緊急列車通行開(kāi)關(guān)控制。沒(méi)有緊急情況的情況下，信號(hào)燈正常工作。突然來(lái)車的話，就會(huì)去強(qiáng)行打開(kāi)其緊急車輛的相關(guān)開(kāi)關(guān)。那么不管現(xiàn)在目前信號(hào)燈的狀態(tài)是什么，在緊急車輛所來(lái)的方向會(huì)強(qiáng)制的開(kāi)著綠燈，直到通行。在車緊急時(shí)如果去關(guān)閉其緊急的開(kāi)關(guān)，信號(hào)燈的狀態(tài)就會(huì)立馬變成緊急通過(guò)的方向綠燈，之后就會(huì)按正常時(shí)間順序來(lái)進(jìn)行控制。南北紅燈亮28南北紅燈亮28s南北紅燈亮24s調(diào)閃亮子程序南北紅燈亮3s圖4.1南北向控制子程序流程圖南北綠燈亮南北綠燈亮東西綠燈亮調(diào)閃亮子程序開(kāi)始圖4.2急通車控制子程序流程圖如主程序的流程圖4.3所示的不停循環(huán)4個(gè)狀態(tài)。流程圖如圖4.4所示，在定時(shí)調(diào)整和緊急狀態(tài)的兩個(gè)狀態(tài)其主要的程序中會(huì)放置一個(gè)鍵來(lái)去判斷命令，當(dāng)按了按鍵的時(shí)候，程序就會(huì)自動(dòng)的進(jìn)行跳轉(zhuǎn)到按鍵子程序來(lái)進(jìn)行處理。那么當(dāng)其檢測(cè)到K2的鍵在按下的時(shí)候，就會(huì)自動(dòng)的返回其主程序。當(dāng)發(fā)生了緊急的情況時(shí)候，就會(huì)按下K3或K4來(lái)進(jìn)行切換到緊急的狀態(tài)，當(dāng)緊急的事情處理完之后，再按下K2就可以恢復(fù)到正常狀態(tài)。開(kāi)始開(kāi)始程序初始化是否時(shí)狀態(tài)s1?是否時(shí)狀態(tài)s2?是否時(shí)狀態(tài)s3?是否時(shí)狀態(tài)s4?按鍵是否按下?返回NNNNNYYYYY啟動(dòng)狀態(tài)S1按鍵處理啟動(dòng)狀態(tài)S4啟動(dòng)狀態(tài)S3啟動(dòng)狀態(tài)S2圖4.3主程序流程圖KK2按下？返回NNNYYY進(jìn)入時(shí)間調(diào)整循環(huán)執(zhí)行s1S3+s4K3按下？K4按下？循環(huán)執(zhí)行s3圖4.4按鍵子程序流程圖頂層電路設(shè)計(jì)好各個(gè)模塊后，就要把各個(gè)模塊有機(jī)地結(jié)合成一個(gè)整體，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能。用VerilogHDL語(yǔ)言編寫(xiě)頂層電路,RTL原理圖見(jiàn)圖4.5，具體源代碼見(jiàn)附錄A，仿真圖見(jiàn)圖4.6。圖4.5RTL原理圖圖4.6仿真結(jié)果當(dāng)Green1處于高電的時(shí)候，在主要街道方向的綠燈亮起，當(dāng)R