十字路口智能交通燈控制系統(tǒng)的FPGA實(shí)現(xiàn)

王維松，王金生，章 偉，梁 齊

(1.合肥工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，安徽合肥 230009;2.南京工業(yè)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，江蘇南京 210009)

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［1－2］。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(hào)燈運(yùn)行模式，提高十字路口的通行效率，對(duì)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(duì)合理的固定紅綠燈轉(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［3］，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［4］。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(hào)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(hào)，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［5］。

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(hào)控制部分和信號(hào)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(hào)，通過A/D轉(zhuǎn)換器、信號(hào)放大電路和無線發(fā)射/接收模塊，將采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)浇煌刂撇糠?，?jīng)過FPGA控制芯片的分析和處理，輸出實(shí)時(shí)的紅綠燈控制信號(hào)，并將控制信號(hào)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［6］。

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［7］，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(hào)燈狀態(tài)由相關(guān)人行道信號(hào)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(hào)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(hào)燈變化的基本模式如圖3所示［8］。

圖1 系統(tǒng)基本框架

根據(jù)此模式下信號(hào)燈相位的基本要求，設(shè)定直行方向綠色信號(hào)燈時(shí)間為24 s，左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)方向綠色信號(hào)燈時(shí)間為6 s，黃色信號(hào)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。

表1 交通燈狀態(tài)轉(zhuǎn)換表

從狀態(tài)轉(zhuǎn)換表可以看出，以a道路直行方向信號(hào)燈狀態(tài)S1為出發(fā)點(diǎn)，3種顏色信號(hào)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(duì)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(duì)方向不同步的信號(hào)控制，它會(huì)根據(jù)車流量的變化及時(shí)調(diào)整交通信號(hào)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。控制程序運(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(hào)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(hào)和48路輸出信號(hào)［9］，具體信號(hào)分布如表2所示。

表2 控制電路輸入、輸出信號(hào)列表

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［9］，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。

圖6 十字路口車流量不均衡示意圖

圖7 車流量不均衡狀態(tài)下智能交通控制系統(tǒng)仿真結(jié)果示意圖

統(tǒng)計(jì)圖7中100 s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(duì)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(hào)和4路左轉(zhuǎn)方向綠燈信號(hào)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。

圖8 外圍電路的原理圖

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 FPGA芯片制作成控制系統(tǒng)進(jìn)行測試，實(shí)現(xiàn)了對(duì)交通信號(hào)燈相對(duì)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。

［1］ TU Xiaoku.The research of intelligent timing control system for urban traffic signal light［C］.Ningbo Univ.of Technol.，Ningbo，China:2011 International Conference on Consumer Electronics，Communications and Networks，CECNet，2011:5425－5428.

［2］ THOMAS WINTERS.LITS:Lightweight intelligent traffic simulator［C］.Univ.of Central Arkansas，Conway，AR，USA:International Conference on Network－Based Information Systems，NBIS'09，2009:386 －390.

［3］ 陳姚節(jié)，黃小童，張玉浩.基于CPLD的交通信號(hào)燈設(shè)計(jì)［J］.教育教學(xué)論壇，2011(23):62 －63.

［4］ EL－MEDANY W M，HUSSAIN M R.FPGA －based advanced real traffic light controller system design［C］.Univ.of Bahrain，Sakhir:Intelligent Data Acquisition and Advanced Computing Systems:4th IEEE Workshop on Technology and Applications，2007:100 －105.

［5］ 王國海.基于MSP430F149的路口交通燈智能控制系統(tǒng)的研制［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2011，28(2):65－66，108.

［6］ 曹元軍，周志成，徐偉，等.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的交通信號(hào)燈控制［J］.計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)，2007(4):105－106，110.

［7］ 王正勇.基于FPGA的交通信號(hào)控制器的設(shè)計(jì)［J］.電子測量技術(shù)，2008，28(10):188 －190.

［8］ 周春蕾.基于FPGA技術(shù)交通燈智能控制系統(tǒng)的研究［D］.河北:河北科技大學(xué)，2010.

［9］ 王永強(qiáng).基于FPGA的交通燈控制器的設(shè)計(jì)［J］.中國對(duì)外貿(mào)易:英文版，2011(12):426.