基于FPGA技術的交通燈控制系統設計

交通燈是城市交通監管系統的重要組成部分，對于保證機動車輛的安全運行，維持城市道路的順暢起到了重要作用。目前很多城市交叉路口的交通燈實行的是定時控制，燈亮的時間是預先設定好的，在時間和空間方面的應變性能較差，一定程度上造成了交通資源的浪費，加重了道路交通壓力。本文在EDA技術的基礎上，利用FPGA的相關知識設計了交通燈控制系統，可以根據實際情況對燈亮時間進行自由調整，整個設計系統通過Max+PlusⅡ軟件進行了模擬仿真，并下載到FPGA器件中進行硬件的調試，驗證了設計的交通信號燈控制電路完全可以實現預定的功能，具有一定的實用性。

1 系統設計要求

所設計的交通信號燈控制電路，主要適用于在兩條干道匯合點形成的十字交叉路口，路口設計兩組紅綠燈分別對兩個方向上的交通運行狀態進行管理。交通燈的持續閃亮時間由鍵盤輸入控制。燈亮時序如圖1所示，當B方向的紅燈亮時，A方向對應綠燈亮，由綠燈轉換成紅燈的過渡階段黃燈亮，即B方向紅燈亮的時間等于A方向綠燈和黃燈亮的時間之和。同理，當A方向的紅燈變亮時，B方向的交通燈也遵循此規則。各干道上安裝有數碼管，以倒計時的形式顯示本道各信號燈閃亮的時間。當出現特殊情況時，各方向上均亮紅燈，倒計時停止。特殊運行狀態結束后，控制器恢復原來的狀態，繼續運行。

計數模塊的仿真如圖3所示，從圖中可以看出，在時鐘的驅動下，計數值不斷自加，當計數值countnum等于鍵盤輸入值32(key=32)時，計數返回到0，開始下一輪計數。當Hold檢測到特殊情況時置‘1’，使計數器暫停計數。

3.2 控制器模塊的仿真設計

在控制器模塊中，紅、綠、黃三盞燈工作的總時間由鍵盤輸入，各交通燈時間分配規則如下：紅燈時間占總時間的1／2，綠燈時間占3／8，黃燈時間占1／8，本設計中鍵盤輸入值為32(key=32)，正常情況下紅燈亮16 s，綠燈亮12 s，黃燈亮4 s。

控制器仿真情況如圖4所示，當hold為低電平，計數值countnum<12時，greenA輸出高電平，A東西方向綠燈亮起車輛通行，此時與之相對應的redB輸出高電平，B方向紅燈亮起車輛禁行。A方向顯示交通燈閃爍持續時間的數碼管numA從12開始遞減，同時B方向顯示交通燈閃爍持續時間的數碼管numB從16開始遞減。當1216，redA輸出高電平，A方向紅燈亮起車輛禁行，numA從數值16開始倒計時，此時greenB輸出高電平，B方向綠燈亮起車輛通行，numB從數值12開始遞減。當16

3.3 分位模塊設計

分位模塊的設計主要是將燈亮時間分為十位和個位，通過兩個相應的數碼管分別顯示出來。本設計中燈亮時間最長不超過40 s(numin<40)，numA，numB分別表示十位、個位上的數字，分位模塊程序設計的流程圖如圖5所示。

分位模塊的仿真如圖6所示，numin的數值大小可以通過numA，numB的組合以十進制數值顯示，從而實現了分位功能。

4 系統的硬件設計及調試

本系統的主要邏輯設計由一片EPlK30TC144-3芯片完成，編寫的VHDL源程序在Altera公司的邏輯綜合工具Max+PlusⅡ下經過編譯和功能仿真測試后，針對下載芯片進行管腳配置，下載到EPlK30TC144-3芯片中，進行相應的硬件調試，調試結果與軟件仿真的結果相吻合，驗證了設計完成了預定功能。

5 結 語

本文利用硬件描述語言VHDL編程，借助Altera公司的Max+PlusⅡ軟件環境下進行了編譯及仿真測試，通過FPGA芯片實現了一個實用的交通信號燈控制系統，設計由于采用了EDA技術，不但大大縮短了開發研制周期，提高了設計效率，而且使系統具有設計靈活，實現簡單，性能穩定的特點。