基于FPGA技术的交通灯控制系统设计

      交通灯是城市交通监管系统的重要组成部分，对于保证机动车辆的安全运行，维持城市道路的顺畅起到了重要作用。目前很多城市交叉路口的交通灯实行的是定时控制，灯亮的时间是预先设定好的，在时间和空间方面的应变性能较差，一定程度上造成了交通资源的浪费，加重了道路交通压力。本文在EDA技术的基础上，利用FPGA的相关知识设计了交通灯控制系统，可以根据实际情况对灯亮时间进行自由调整，整个设计系统通过Max+PlusⅡ软件进行了模拟仿真，并下载到FPGA器件中进行硬件的调试，验证了设计的交通信号灯控制电路完全可以实现预定的功能，具有一定的实用性。

1 系统设计要求

      设计的交通信号灯控制电路，主要适用于在两条干道汇合点形成的十字交叉路口，路口设计两组红绿灯分别对两个方向上的交通运行状态进行管理。交通灯的持续闪亮时间由键盘输入控制。灯亮时序如图1所示，当B方向的红灯亮时，A方向对应绿灯亮，由绿灯转换成红灯的过渡阶段黄灯亮，即B方向红灯亮的时间等于A方向绿灯和黄灯亮的时间之和。同理，当A方向的红灯变亮时，B方向的交通灯也遵循此规则。各干道上安装有数码管，以倒计时的形式显示本道各信号灯闪亮的时间。当出现特殊情况时，各方向上均亮红灯，倒计时停止。特殊运行状态结束后，控制器恢复原来的状态，继续运行。

       计数模块的仿真如图3所示，从图中可以看出，在时钟的驱动下，计数值不断自加，当计数值countnum等于键盘输入值32(key=32)时，计数返回到0，开始下一轮计数。当Hold检测到特殊情况时置‘1’，使计数器暂停计数。

3.2 控制器模块的仿真设计

        在控制器模块中，红、绿、黄三盏灯工作的总时间由键盘输入，各交通灯时间分配规则如下：红灯时间占总时间的1／2，绿灯时间占3／8，黄灯时间占1／8，本设计中键盘输入值为32(key=32)，正常情况下红灯亮16 s，绿灯亮12 s，黄灯亮4 s。

       控制器仿真情况如图4所示，当hold为低电平，计数值countnum<12时，greenA输出高电平，A东西方向绿灯亮起车辆通行，此时与之相对应的redB输出高电平，B方向红灯亮起车辆禁行。A方向显示交通灯闪烁持续时间的数码管numA从12开始递减，同时B方向显示交通灯闪烁持续时间的数码管numB从16开始递减。当12<countnum<16时，yellowA输出高电平，A方向黄灯亮起，numA从数值4开始倒计时，此时greenB仍处于低电平，numB继续倒计时，B方向红灯闪亮车辆仍处于禁行状态。当countnum>16，redA输出高电平，A方向红灯亮起车辆禁行，numA从数值16开始倒计时，此时greenB输出高电平，B方向绿灯亮起车辆通行，numB从数值12开始递减。当16<countnum<28时，redA继续处于高电平状态，numA继续倒计时，A方向车辆禁行，而此时yellowB输出高电平，B方向黄灯亮起，numB从数值4开始递减。当hold为‘1’时，表示进入紧急状态，FLASH置‘1’，各方向的红灯均亮起，所有机动车禁行。

3.3 分位模块设计

       分位模块的设计主要是将灯亮时间分为十位和个位，通过两个相应的数码管分别显示出来。本设计中灯亮时间最长不超过40 s(numin<40)，numA，numB分别表示十位、个位上的数字，分位模块程序设计的流程图如图5所示。

      分位模块的仿真如图6所示，numin的数值大小可以通过numA，numB的组合以十进制数值显示，从而实现了分位功能。

4 系统的硬件设计及调试

      本系统的主要逻辑设计由一片EPlK30TC144-3芯片完成，编写的VHDL源程序在Altera公司的逻辑综合工具Max+PlusⅡ下经过编译和功能仿真测试后，针对下载芯片进行管脚配置，下载到EPlK30TC144-3芯片中，进行相应的硬件调试，调试结果与软件仿真的结果相吻合，验证了设计完成了预定功能。

5 结 语

       本文利用硬件描述语言VHDL编程，借助Altera公司的Max+PlusⅡ软件环境下进行了编译及仿真测试，通过FPGA芯片实现了一个实用的交通信号灯控制系统，设计由于采用了EDA技术，不但大大缩短了开发研制周期，提高了设计效率，而且使系统具有设计灵活，实现简单，性能稳定的特点。