基于FPGA和深度學(xué)習(xí)的智能交通燈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

何梓欣

摘要：文章在Quartus II環(huán)境下，利用VHDL語言并結(jié)合硬件電路設(shè)計(jì)了一種基于FPGA芯片和深度學(xué)習(xí)的智能交通燈控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由控制模塊、時(shí)鐘分頻模塊、分位模塊、顯示模塊和圖像識(shí)別模塊組成。圖像識(shí)別模塊是利用深度學(xué)習(xí)的方法來實(shí)現(xiàn)其功能，其它模塊的功能是利用VHDL 語言來實(shí)現(xiàn)，在Quartus II平臺(tái)上進(jìn)行分模塊編譯、仿真，并生成相應(yīng)的模塊元件，然后通過頂層電路圖進(jìn)行連接，最后進(jìn)行編譯和仿真。圖像識(shí)別模塊的加入使得系統(tǒng)可對緊急情況下的交通路口進(jìn)行快速有效管理，從而實(shí)現(xiàn)交通燈控制系統(tǒng)的智能化。

關(guān)鍵詞：Quartus II；FPGA；深度學(xué)習(xí)；VHDL；仿真；智能交通燈控制系統(tǒng)

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們出行頻率越來越高，汽車數(shù)量急劇增加，城市道路也日漸擁擠，在這樣的背景下交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理化和智能化顯得尤為重要。如今市場上常見的交通燈控制系統(tǒng)雖然可以實(shí)現(xiàn)正常的路口交通控制和管理功能，但是其無法實(shí)現(xiàn)對于緊急情況下突發(fā)事件進(jìn)行快速有效處理，例如當(dāng)警車、救火車、消防車在交通路口出現(xiàn)時(shí)市場上的交通燈控制系統(tǒng)無法對路口交通進(jìn)行快速控制和管理以便緊急車輛可以快速通過。然而對于這些緊急情況下突發(fā)事件的處理非常重要，因?yàn)檫@關(guān)乎到人的生命、國家的財(cái)產(chǎn)損失等。所以設(shè)計(jì)一款能夠?qū)崿F(xiàn)處理緊急情況下突發(fā)事件的智能交通燈系統(tǒng)非常重要。

在這個(gè)背景下，本文設(shè)計(jì)了一款基于FPGA芯片和深度學(xué)習(xí)的智能交通燈控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)是利用FPGA芯片和深度學(xué)習(xí)模型來實(shí)現(xiàn)的。文章通過電路仿真來驗(yàn)證交通燈系統(tǒng)的功能是否實(shí)現(xiàn)，利用FPGA設(shè)計(jì)電路從而有效降低設(shè)計(jì)成本， 縮短設(shè)計(jì)周期，保證電路設(shè)計(jì)的正確性。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)對于緊急情況下的突發(fā)事件處理，在整個(gè)電路系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了一個(gè)基于深度學(xué)習(xí)的圖像識(shí)別模塊，利用該模塊可對緊急車輛進(jìn)行識(shí)別判斷。由于對于緊急情況下的突發(fā)事件處理的重要性使得該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有比較廣泛的應(yīng)用和很強(qiáng)的研究意義，同時(shí)，本文設(shè)計(jì)的智能交通燈控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好。

一、智能交通燈控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)原理

本文設(shè)計(jì)的智能交通燈控制系統(tǒng)可以對十字路口的兩個(gè)方向進(jìn)行交通指揮，每個(gè)方向有綠、黃和紅三種指示燈，它們的持續(xù)時(shí)間分別為20s、5s和25s。同時(shí)，該智能交通燈控制系統(tǒng)可以在任何一條路口出現(xiàn)緊急情況時(shí)，如當(dāng)消防車、救護(hù)車、警車或其它需要優(yōu)先放行的車輛通過時(shí)，各方向上均是紅燈亮，倒計(jì)時(shí)停止。當(dāng)緊急情況結(jié)束后，控制系統(tǒng)恢復(fù)原來狀態(tài)，繼續(xù)正常運(yùn)行。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)十字路口對于緊急情況的及時(shí)有效處理，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)圖像識(shí)別模塊，用于在幾百米外提早檢測到緊急情況，并向系統(tǒng)傳入緊急情況信號(hào)，從而交通燈控制系統(tǒng)可以及早對十字路口進(jìn)行交通管控以便緊急車輛可以快速通過，以避免生命的傷亡、國家財(cái)產(chǎn)的損失。本文設(shè)計(jì)的智能交通燈控制系統(tǒng)由五個(gè)模塊組成，分別為控制模塊、時(shí)鐘分頻模塊、分位模塊、顯示模塊和圖像識(shí)別模塊。

本文設(shè)計(jì)的智能交通燈控制系統(tǒng)有三個(gè)輸入信號(hào)，分別為系統(tǒng)輸入信號(hào)clk20m、置位信號(hào)reset和緊急情況信號(hào)hold。clk20m通過分頻模塊可分別得到1Hz和10Hz頻率信號(hào)，分別用來向controller模塊和display模塊提供時(shí)鐘脈沖。controller模塊根據(jù)時(shí)鐘脈沖上升沿開始計(jì)數(shù)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絥uma和numb兩個(gè)端口，并對reda、greena、yellowa和redb、greenb、yellowb兩組紅、綠、黃燈開始控制。分位模塊時(shí)鐘由系統(tǒng)輸入時(shí)鐘clk20m控制，將controller模塊輸出端口numa和numb傳輸過來的數(shù)據(jù)分為十位數(shù)和個(gè)位數(shù)分別存到numina、numinb和numinc、numind兩組兩位數(shù)組里，然后分別送到display模塊，利用display模塊顯示輸出端口numina、numinb和numinc、numind的數(shù)據(jù)。

二、智能交通燈控制系統(tǒng)分模塊的設(shè)計(jì)原理及實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)在Quartus II軟件中采用混合編譯的方法來實(shí)現(xiàn)智能交通燈控制系統(tǒng)的功能，故在設(shè)計(jì)智能交通燈控制系統(tǒng)前，需要先進(jìn)行智能交通燈控制系統(tǒng)電路核心模塊的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)智能交通燈控制系統(tǒng)核心模塊時(shí)，首先分析了各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)原理，然后通過VHDL語言的程序編譯或輸入原理圖的方法來實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的功能，最后在Quartus II軟件中編譯生成元器件單元，為之后搭建智能交通燈控制系統(tǒng)做好準(zhǔn)備。

（一）控制模塊的功能及實(shí)現(xiàn)

控制模塊是通過對該模塊的VHDL程序進(jìn)行編譯來生成模塊的功能元器件，生成的功能元器件要實(shí)現(xiàn)的功能是根據(jù)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值和緊急情況控制發(fā)光二極管的顏色、亮滅，以及輸出倒計(jì)時(shí)數(shù)值給分位電路模塊以便在顯示電路模塊上進(jìn)行顯示。在Quartus II軟件中對設(shè)計(jì)的控制模塊進(jìn)行仿真，仿真的結(jié)果為當(dāng)有緊急情況發(fā)生時(shí)，輸入信號(hào)hold=‘1時(shí)計(jì)數(shù)器暫停計(jì)數(shù)，輸出信號(hào)reda=redb=‘1，兩個(gè)路口的紅綠燈點(diǎn)亮為紅色。當(dāng)輸入信號(hào)hold=‘0時(shí)計(jì)時(shí)器開始計(jì)數(shù)，開始B路口的紅綠燈亮為紅色，A路口的紅綠燈先亮為綠色，亮燈時(shí)間為20s（19倒計(jì)時(shí)到0）；接著A路口的紅綠燈亮為黃色，亮燈時(shí)間為5s（4倒計(jì)時(shí)到0）。緊接著A路口的紅綠燈點(diǎn)亮為紅色，B路口的紅綠燈先亮為綠色，亮燈時(shí)間為20s（19倒計(jì)時(shí)到0）；最后B路口的紅綠燈亮為黃色，亮燈時(shí)間為5s（4倒計(jì)時(shí)到0）。由上面的仿真結(jié)果知道該設(shè)計(jì)滿足了交通控制燈的設(shè)計(jì)要求，該設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)控制模塊的功能。

（二）時(shí)鐘分頻模塊的功能及實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)的時(shí)鐘分頻模塊要實(shí)現(xiàn)的功能是可對系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)（設(shè)為20MHz）進(jìn)行分頻，分頻可得到10Hz和1Hz的時(shí)鐘信號(hào)。編寫該模塊的VHDL語言，對其進(jìn)行編譯仿真，仿真得到的結(jié)果為當(dāng)輸入的時(shí)鐘信號(hào)為20MHz時(shí)，可通過更改VHDL語言中的參數(shù)分別得到10Hz和1Hz的時(shí)鐘信號(hào)。由仿真結(jié)果知道該設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘分頻模塊的具體要求。

（三）分位模塊的功能及實(shí)現(xiàn)

分位模塊主要的作用是將輸出的倒計(jì)時(shí)數(shù)值分成兩個(gè)單獨(dú)的數(shù)字。這是因?yàn)榭刂颇K輸出的倒計(jì)時(shí)數(shù)值可能時(shí)1位或者2位十進(jìn)制，而七段數(shù)碼管的屏幕只能顯示最大數(shù)值為9的數(shù)字，所以為了將倒計(jì)時(shí)的數(shù)值顯示出來需要先進(jìn)行分位處理，即將倒計(jì)時(shí)數(shù)值分為兩個(gè)1位的十進(jìn)制，如25分位為2和5；7分位為0和7。對該模塊的VHDL程序進(jìn)行編寫，在Quartus II軟件中對該模塊進(jìn)行編譯仿真，仿真的結(jié)果為在時(shí)鐘信號(hào)clock上升沿到來的時(shí)候電路會(huì)讀取輸入信號(hào)numin的值，然后將輸入信號(hào)numin的十位數(shù)和個(gè)位數(shù)分別存到輸出信號(hào)numa和numb里。例如當(dāng)numin=“10”時(shí)，numa=‘1，numb=‘0；當(dāng)numin=“25”時(shí)，numa=‘2，numb=‘5。由仿真結(jié)果可知該模塊可以實(shí)現(xiàn)分位功能。

（四）顯示模塊的功能及實(shí)現(xiàn)

顯示模塊的作用是用于顯示交通燈的倒計(jì)時(shí)數(shù)值，該顯示模塊采用的是七段譯碼器的編譯碼規(guī)則。將十進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的七段譯碼器數(shù)據(jù)。對該模塊的VHDL程序進(jìn)行編寫，在Quartus II軟件中對該模塊進(jìn)行編譯仿真，仿真的結(jié)果為當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)clock上升沿到來時(shí)輸入端qin=“0”時(shí)輸出端display=“0111111”，數(shù)碼管顯示的數(shù)字為0；當(dāng)qin=“1”時(shí)x=“0000110”，數(shù)碼管顯示的數(shù)字為1；當(dāng)qin=“2”時(shí)x=“1011011”，數(shù)碼管顯示的數(shù)字為2；當(dāng)qin=“3”時(shí)x=“1001111”，數(shù)碼管顯示的數(shù)字為3；當(dāng)qin=“4”時(shí)x=“1100110”，數(shù)碼管顯示的數(shù)字為4；當(dāng)qin=“5”時(shí)x=“1101101”，數(shù)碼管顯示的數(shù)字為5；當(dāng)qin=“6”時(shí)x=“1111101”，數(shù)碼管顯示的數(shù)字為6；當(dāng)qin=“7”時(shí)x=“0000111”，數(shù)碼管顯示的數(shù)字為7；當(dāng)qin=“9”時(shí)x=“1101111”，數(shù)碼管顯示的數(shù)字為9；當(dāng)qin=“10”和“11”時(shí)x=“0000000”。由此可知仿真圖符合編程的要求，輸入數(shù)據(jù)qin和數(shù)碼管的顯示數(shù)據(jù)一樣，該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了顯示電路的功能。

（五）圖像識(shí)別模塊的功能及實(shí)現(xiàn)

圖像識(shí)別模塊的作用是在距離十字路口幾百米外對緊急車輛進(jìn)行識(shí)別判斷，當(dāng)判斷是緊急車輛時(shí)，在車輛未到達(dá)時(shí)對交通路口進(jìn)行快速有效管理以便緊急車輛快速通過。該模塊是基于深度學(xué)習(xí)來實(shí)現(xiàn)的，該模塊是在caffe平臺(tái)上利用計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域中目標(biāo)檢測框架Faster R-CNN來實(shí)現(xiàn)對緊急車輛的識(shí)別，該目標(biāo)檢測框架利用了CNN卷積網(wǎng)絡(luò)來對圖像的特征進(jìn)行提取，利用RPN網(wǎng)絡(luò)來生成區(qū)域建議窗口。在訓(xùn)練目標(biāo)檢測模型時(shí)，使用的訓(xùn)練集的大小為11368張圖片，有三種圖片類別，分別為警車、消防車和救護(hù)車。測試集的大小為260張圖片。模型檢測的準(zhǔn)確度為90.6%。該模型基本上可以滿足正常的檢測需求，可以在實(shí)際應(yīng)用中準(zhǔn)確檢測到緊急車輛，并將信號(hào)傳輸給控制模塊。

三、智能交通燈控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與仿真分析

（一）智能交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

如圖1所示。

（二）智能交通燈控制系統(tǒng)電路的仿真波形圖

分析：圖2是在 B路口亮紅燈時(shí)A路口先后亮綠燈和黃燈的情況。其中displaya、displayb、displayc和displayd分別為A路口倒數(shù)時(shí)間的十位數(shù)、A路口倒數(shù)時(shí)間的個(gè)位數(shù)、B路口倒數(shù)時(shí)間的十位數(shù)、B路口倒數(shù)時(shí)間的個(gè)位數(shù)。由圖2可以發(fā)現(xiàn)在時(shí)鐘脈沖clk20m的作用下當(dāng)輸入信號(hào)hold=‘0且reset=‘0時(shí)計(jì)時(shí)器開始計(jì)數(shù)，B路口的紅綠燈亮為紅色，亮燈時(shí)間為25s（displayc和displayd從24s倒計(jì)時(shí)）；A路口的紅綠燈先亮為綠色，亮燈時(shí)間為20s（displaya和displayb從19倒計(jì)時(shí)）；接著A路口的紅綠燈亮為黃色，亮燈時(shí)間為5s（displaya和displayb從4倒計(jì)時(shí)到0）。由圖1可以發(fā)現(xiàn)該設(shè)計(jì)的顯示功能正常實(shí)現(xiàn)。接下來B路口會(huì)重復(fù)A路口的上一次動(dòng)作，如此循環(huán)下去。

四、結(jié)語

本文針對在交通路口緊急車輛需要快速通過的市場需求設(shè)計(jì)了一款基于FPGA芯片和深度學(xué)習(xí)的智能交通燈控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用Quartus Ⅱ軟件采用VHDL語言編程實(shí)現(xiàn)交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、仿真， 并通過仿真的結(jié)果來驗(yàn)證交通控制燈的功能。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)對于緊急情況的快速處理，系統(tǒng)引入了圖像識(shí)別模塊，該模塊是利用深度學(xué)習(xí)的模型來實(shí)現(xiàn)對于緊急車輛的檢測，利用該模塊在交通路口幾百米外的地方可成功實(shí)現(xiàn)對緊急車輛的檢測識(shí)別，這使得在緊急車輛到達(dá)前可對交通路口的車輛進(jìn)行有效管理，從而使得緊急車輛在交通路口可快速通過?？蓪o急情況下的突發(fā)事件進(jìn)行有效處理使得該系統(tǒng)具有比較好的應(yīng)用前景。

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（作者單位：鄭州外國語學(xué)校）