基于FPGA的智能交通灯的设计

1草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼基于FPGA的十字路口交通信号灯草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼摘草鱼要草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼本文主要介绍十字路口交通灯控制器的设计。草鱼首先，鲤鱼介绍交通控制系统以及交通红绿灯控制电路的发展现状；PORK然后采用硬件描述语言进行的交通灯控制器设计。草鱼重点介绍了控制系统各部分的设计，鲤鱼以及各个模块之间的同步处理。草鱼为了克服交通信号灯控制系统传统设计方法的弊端,更加适应城镇交通现状,利用VHDL语言、PORK采用层次化混合输入方式,设计了具有3种信号灯和倒计时显示器的交通信号灯控制系统,在QUARTUS下进行仿真,并下载到FPGA中制作成实际的硬件电路进行了模拟运行使用该方法设计的交通灯控制系统电路简单、PORK运行可靠、PORK易于实现,可实现对交通信号的控制和显示功能。草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼关键词HDPLD；PORK十字路口交通灯；PORK控制器；PORK车辆行人安全草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼BASED草鱼ON草鱼FPGA草鱼INTERSECTION草鱼TRAFFIC草鱼LIGHTS草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼ABSTRACT草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼THIS草鱼PAPER草鱼MAINLY草鱼INTRODUCES草鱼THE草鱼INTERSECTION草鱼TRAFFIC草鱼LIGHTS草鱼THE草鱼CONTROLLER草鱼DESIGN草鱼FIRST,草鱼INTRODUCE草鱼TRAFFIC草鱼CONTROL草鱼SYSTEM草鱼AND草鱼THE草鱼TRAFFIC草鱼LIGHTS草鱼CONTROL草鱼CIRCUIT草鱼DEVELOPMENT草鱼PRESENT草鱼SITUATIONPORK草鱼THEN草鱼THE草鱼HARDWARE草鱼DESCRIPTION草鱼LANGUAGE草鱼OF草鱼TRAFFIC草鱼LIGHT草鱼CONTROLLER草鱼DESIGN草鱼MAINLY草鱼INTRODUCES草鱼CONTROL草鱼SYSTEM草鱼DESIGN,草鱼AND草鱼THE草鱼VARIOUS草鱼PARTS草鱼OF草鱼THE草鱼SYNCHRONOUS草鱼PROCESSING草鱼BETWEEN草鱼EACH草鱼MODULE草鱼FINALLY,草鱼SIMULATION,草鱼TEST草鱼CONTROLLER草鱼IS草鱼CORRECT草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼KEY草鱼WORDS草鱼2HDPLDPORK草鱼CROSSING草鱼TRAFFIC草鱼LIGHTSPORK草鱼CONTROLLERPORK草鱼VEHICLE草鱼PEDESTRIAN草鱼SAFETY草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼1草鱼草鱼前言草鱼城市交通是一个集经济性与社会公益性于一体的领域，鲤鱼包括管理体制、PORK城市规划布局、PORK投融资体制、PORK交通方式选择、PORK公共交通运营组织、PORK交通需求管理、PORK交通流量控制与管理等等方面的内容，鲤鱼涉及到管理、PORK法规、PORK规划、PORK工程、PORKTRANBBS技术、PORK财政、PORK教育、PORK环境、PORK能源、PORK信息以及人文等社会经济诸多学科领域。草鱼这些方面集成在一起形成一个错综复杂的城市交通大系统。草鱼系统问题就必须通过系统方法来解决，鲤鱼解决系统问题的基本方法是建立有效的信息传导、PORK控制和反馈机制，鲤鱼实现各子系统联动从而提高整体系统有效运行并实现其目标。草鱼从这个意义上讲，鲤鱼城市交通问题的核心就是如何建立一个有效的管理机制，鲤鱼保证各子系统及系统要素有机衔接与互动，鲤鱼从而实现城市交通系统的良性运转。草鱼随着社会经济发展和城市人口的膨胀，鲤鱼中国大中城市交通均面临着诸多问题，鲤鱼其中特别突出的是交通拥堵。草鱼拥堵的频繁发生和严重程度已经严重影响了城市的正常运转，鲤鱼给城市居民带来生活不便，鲤鱼衍生交通事故，鲤鱼加剧了城市环境污染。草鱼引起拥堵的原因为交叉口运行不畅；PORK路网布局不合理；PORK交通结构不合理；PORK交通秩序不佳。草鱼交通拥堵的发生使汽车被迫减速和加速，鲤鱼甚至停车，鲤鱼导致了汽车行驶油料消耗和废气排放增加，鲤鱼根据国外有关资料和国内环境专家研究成果3表明，鲤鱼机动车在怠速状态下所排放的一氧化碳、PORK氮氧化物是正常行驶状态下的35倍。草鱼因此拥堵加大了对城市环境的污染。草鱼通过采取有效措施的实行和实施交通新技术，鲤鱼将有利于缓解交通拥堵状况，鲤鱼从而节约城市能源和降低环境污染。草鱼草鱼11草鱼交通控制系统以及交通红绿灯控制电路的发展现状草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼随着社会经济的发展，鲤鱼城市交通问题越来越引起人们的关注。草鱼出行交通的协调，鲤鱼已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。草鱼城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、PORK交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，鲤鱼它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼随着城市机动车量的不断增加，鲤鱼许多城市出现了交通超负荷运行的情况，鲤鱼因此，鲤鱼自80年代后期，鲤鱼这些城市纷纷修建城市高速道路，鲤鱼在高速道路建设完成的初期，鲤鱼它们也曾有效地改善了交通状况。草鱼然而，鲤鱼随着交通量的快速增长和缺乏对高速道路的系统研究和控制，鲤鱼高速道路没有充分发挥出预期的作用。草鱼而城市高速道路在构造上的特点，鲤鱼也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路耦合处交通状况的制约。草鱼所以，鲤鱼如何采用合适的控制方法，鲤鱼最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，鲤鱼缓解主干道与匝道、PORK城区同周边地区的交通拥堵状况，鲤鱼越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼车辆的数量持续增加，鲤鱼不断新建道路已不能很好地解决交通拥堵的现状，鲤鱼这还需要好的交通疏导，鲤鱼但交通的问题日益突出，鲤鱼单单4依靠人力来指挥交通已经不可行了,所以，鲤鱼设计交通灯来完成这个需求就显的越加迫切了为了确保十字路口的行人和车辆顺利、PORK畅通地通过,往往采用电子控制的交通信号来进行指挥。草鱼智能交通红绿灯控制电路是用于城市交通疏导的管理系统，鲤鱼它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。草鱼智能的交通信号灯指挥着人和各种车辆的安全运行,实现红、PORK黄、PORK绿灯的自动指挥是城乡交通管理现代化的重要课题在城乡街道的十字交叉路口,为了保证交通秩序和行人安全,一般在每条道路上各有一组红、PORK黄、PORK绿交通信号灯交通灯控制电路自动控制十字路口两组红、PORK黄、PORK绿交通灯的状态转换,指挥各种车辆和行人安全通行,实现十字路口城乡交通管理自动化草鱼草鱼12草鱼智能交通红绿灯控制电路技术的现状草鱼草鱼通信号控制系统大体上分为三种类型PORK定周期的信号机、PORK多时段且具有无电缆协调功能的微电脑型信号机以及联网式自适应多相位智能型信号机。草鱼具体采用哪种类型，鲤鱼应根据其应用场合及特点加以确定。草鱼其中，鲤鱼第一种类型以其成本低，鲤鱼设计简单，鲤鱼安装及维护方便等特点得到了广泛应用。草鱼本文讨论的城乡交通灯控制系统就属于该种类型。草鱼而随着各种控制器件的推出，鲤鱼交通灯控制电路得以更易实现并趋向智能化。草鱼草鱼交通灯控制系统主要由时间发生器电路、PORK光电检测电路、PORK控制电路等几个部分组成。草鱼草鱼目前设计交通灯的方案有很多，鲤鱼有应用CPLD设计实现交通信号灯控制器方法PORK有应用PLC实现对交通灯控制系统的设计PORK有应用单片机实现对交通信号灯设计的方法。草鱼5目前，鲤鱼国内的交通灯一般设在十字路门，鲤鱼在醒目位置用红、PORK绿、PORK黄三种颜色的指示灯。草鱼加上一个倒计时的显示计时器来控制行车。草鱼对于一般情况下的安全行车，鲤鱼车辆分流尚能发挥作用，鲤鱼但根据实际行车过程中出现的情况，鲤鱼还存在以下缺点PORK1两车道的车辆轮流放行时间相同且固定，鲤鱼草鱼在十字路口，鲤鱼经常一个车道为主干道，鲤鱼车辆较多，鲤鱼放行时间应该长些；PORK另一车道为副干道，鲤鱼车辆较少，鲤鱼放行时间应该短些。草鱼2没有考虑紧急车通过时，鲤鱼两车道应采取的措施，鲤鱼臂如，鲤鱼消防车执行紧急任务通过时，鲤鱼两车道的车都应停止，鲤鱼让紧急车通过。草鱼这些控制方法的功能修改及调试都需要硬件电路的支持，鲤鱼在一定程度上增加了功能修改及系统调试的困难。草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼13草鱼本论文的主要工作草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼本论文主要介绍十字路口交通灯控制器的设计。草鱼1）主要介绍交通灯控制系统相关技术原理及总体方案设计；PORK2）介绍系统硬件电路设计，鲤鱼包括可编程逻辑器件的发展状况，鲤鱼以及设计方法的介绍，鲤鱼最后重点介绍交通灯控制器的设计；PORK3）交通灯控制器的VHDL设计及仿真，鲤鱼包括接口部的设计，鲤鱼时序脉冲信号的产生等等。草鱼131草鱼交通信号草鱼草鱼草鱼草鱼交通信号可以分为PORK指挥灯信号，鲤鱼车道灯信号，鲤鱼人行道灯信号，鲤鱼6交通指挥棒信号和手势信号等，鲤鱼这里主要介绍指挥灯信号。草鱼在中华人民共和国道路交通管理条例中规定PORK1在车辆和行人遇到交通灯信号，鲤鱼交通标志或交通标线与交通警察的指挥不一致时，鲤鱼服从交通警察的指挥。草鱼2车道绿色灯亮时，鲤鱼准许本车道的车辆遵行。草鱼3车道红灯亮时，鲤鱼不许本车道的车辆通行。草鱼4当人行横道灯为绿灯时，鲤鱼准许行人通过横道。草鱼5当人行横道灯为绿灯闪烁信号时，鲤鱼不许行人进入人行横道。草鱼但已经进入人行横道的，鲤鱼可以继续通行。草鱼6当人行横道灯为红色时，鲤鱼不许行人进入人行横道。草鱼7车辆经过人行横道时，鲤鱼遇到交通信号放行行人时，鲤鱼必须停车或减速行使；PORK通过设有信号控制的人行横道时，鲤鱼必须注意避让来往的行人。草鱼132草鱼控制系统草鱼草鱼草鱼草鱼上面的交通规则已经提到了信号交通控制的一些规范。草鱼交通控制系统中，鲤鱼交通信号的控制对象是交通流，鲤鱼交通流运行的是有一定的规律的，鲤鱼要认识这种规律，鲤鱼需要借助数学工具，鲤鱼对交通流运行进行科学的分析。草鱼一个交通控制系统主要包括以下五部分PORK1交通流系统。草鱼它是指车辆，鲤鱼行人，鲤鱼道路和环境，鲤鱼之所以称为系统是为了突出交通控制研究的对象不是某一因素，鲤鱼而是多个因素相互交织在一起的构成复杂的系统。草鱼2交通检测设备。草鱼主要指为控制提供有关信息的设备，鲤鱼如可以检测车流量，鲤鱼车辆行使速度等参数的车辆检测器，鲤鱼这些设备将交通信息7反映为与之相关的电子信息量。草鱼3数据处理。草鱼这部分是将交通检测设备送来的数据信息按照一定规律进行剔除如噪声等无用，鲤鱼无效信息，鲤鱼对有效信息进行整理和管理，鲤鱼提供尽可能详细的交通流系统的状态信息。草鱼4控制器。草鱼它是根据有数据处理后送来的交通信息，鲤鱼按照一定的控制算法做出相应的控制决策，鲤鱼这种决策可以是信号灯的配时，鲤鱼也可以是某交通信息的传递。草鱼控制器具有很强的输入，鲤鱼输出和通信能力。草鱼5控制设备。草鱼主要包括交通信号灯和可变限速标志等，鲤鱼这些可以为车辆驾驶人员或行人提供交通控制信息，鲤鱼来达到对交通流进行引导和控制的目的。草鱼草鱼草鱼2草鱼FPGA设计原理草鱼21草鱼PLD器件的设计特点草鱼EDA技术出现以前,数字逻辑电路设计通常采用传统方法,即自下而上设计法。草鱼其主要思路是根据系统对硬件的要求编制技术规格书,画出系统流程图PORK然后对系统功能进行分析,划分出多个功能模块,画出系统功能框图PORK进行各功能模块的细化和电路设计PORK各模块设计调试完毕以后,再连接起来,进行调试,最后完成整个系统的硬件设计。草鱼这种自下而上设计法的仿真和调试工作要在系统的硬件开发完成以后才能进行,因此存在的问题只有在后期才能发现,一旦考虑不周,就要重新设计,使得设计费用和设计周期大大增加。草鱼此外,由于设计输入文件是电原理图,当系统比较复杂时,大量的原理图文件会给存档、8PORK阅读和修改带来不便。草鱼草鱼为了提高开发效率和增加已有开发成果的可继承性,缩短开发周期,各种新兴的EDA开发工具开始涌现,特别是硬件描述语言HDL的出现,使得传统的硬件电路设计方法发生了巨大的变革。草鱼基于PLD器件,采用HDL进行系统设计的思路是从系统总体的要求出发,自上而下地逐步将设计内容细化,最后完成系统的详细设计。草鱼这种设计方法的主要特点为草鱼草鱼1电路设计更趋合理草鱼硬件设计人员在设计硬件电路时使用PLD器件,就可以自行设计所需的专用功能模块,而无需受通用元器件的限制,从而使电路设计更趋合理,其体积和功耗也大为减小。草鱼草鱼2采用系统早期仿真草鱼在自上而下的设计过程中,每级都进行仿真,从而可以在系统设计的早期发现设计中存在的问题,从而大大缩短系统设计周期,降低费用。草鱼草鱼3降低了硬件电路设计难度草鱼PLD使用HDL编程,避免编写逻辑表达式或真值表,使设计难度大幅度下降,从而也缩短了设计周期。草鱼草鱼4主要设计文件使用HDL编写草鱼采用HDL编写的源程序作为归档文件有多种好处。草鱼HDL程序资料量小,便于保存PORK其可继承性好,而且阅读方便。草鱼可编程逻辑器件的设计流程一般为设计准备、PORK设计输入、PORK功能仿真、PORK设计处理、PORK时序仿真、9PORK器件编程和测试等七个步骤。草鱼草鱼22草鱼草鱼FPGA的基本结构草鱼FPGA是目前最为常用的复杂PLD器件。草鱼FPGA的发展非常迅速,形成了各种不同的结构。草鱼按逻辑功能块的大小,FPGA可分为细粒度FPGA和粗粒度FPGA。草鱼细粒度FPGA的逻辑功能块较小,资源可以充分利用,但连线和开关多,速度慢PORK粗粒度FPGA的逻辑功能块规模大,功能强,但资源不能充分利用。草鱼从逻辑功能块的结构上分类,可分为查找表结构、PORK多路开关结构和多级与非门结构。草鱼根据FPGA内部连线的结构不同,可分为分段互联型和连续互联型。草鱼根据编程方式,FPGA可分为一次编程和可重复编程两种。草鱼FPGA一般可由三种可编程电路和一个用于存放编程数据的SRAM组成,这三种可编程电路是可编程逻辑块CLB、PORK输入/输出模块IOB和互联资源IR。草鱼CLB是FPGA的主要组成部分,是实现逻辑功能的基本单元。草鱼它主要是由逻辑函数发生器、PORK触发器、PORK数据选择器等电路组成。草鱼IOB提供了器件引脚和内部逻辑阵列之间的连接,通常排列在芯片的四周。草鱼其主要是由输入触发器、PORK输入缓冲器、PORK输出触发/锁存器和输出缓冲器组成。草鱼每一个IOB控制一个引脚,可被配置为输入、PORK输出激活双向I/O功能。草鱼可编程互联资源IR包括各种长度的金属连线和一些可编程连接开关,它们将各个CLB之间和IOB之间互相连接起来,构成各种复杂功能的系统。草鱼FPGA的基本结构如图1所示。草鱼草鱼23采用FPGA设计逻辑电路的优点草鱼相对于传统数字电路设计方法,采用FPGA进行电路设计具有如下优10点草鱼1草鱼简化设计草鱼由于FPGA的可编程性和灵活性,电路设计结束后,可随意进行修改或删除,无需重新布线和生产印刷电路板,大大缩短了系统的设计周期。草鱼草鱼2草鱼高性能草鱼现在市场上提供的FPGA器件的性能超过了最快的标准分立逻辑器件的性能,而且一片FPGA芯片的功耗比分立器件组合而成的电路功耗要小得多。草鱼草鱼3草鱼可靠性高草鱼采用FPGA器件将使所用器件的数目减少,也使印刷电路板面积减少,密度下降,这些都大大提高了电路的可靠性,同时也将减少干扰和噪声,使系统的运行更可靠。草鱼草鱼4草鱼成本下降草鱼采用FPGA设计数字系统,由于所用器件少,用于器件测试及装配的工作量也少,所以系统的成本将下降。草鱼草鱼5草鱼硬件加密草鱼使用FPGA器件构成的数字系统,其内部结构是由设计者通过编程实现的。草鱼有些器件还提供一个能被编程的保密单元,可用来防止检验和读出芯片中的程序,这对于保持芯片设计的专利、PORK防止他人抄袭具有很大好处。草鱼草鱼3具体方案论证与设计草鱼11试用一片HDPLD和若干外围电路实现十字路口交通管理器。草鱼该管理器控制甲、PORK乙两道的红、PORK黄、PORK绿三色灯，鲤鱼指挥车辆和行人安全通行。草鱼交通管理器示意图如图所示。草鱼途中R1、PORKY1、PORKG1是甲道红、PORK黄、PORK绿灯；PORKR2、PORKY2、PORKG2是已道红、PORK黄、PORK绿灯。草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼R1草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼Y1草鱼草鱼草鱼G1草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼G2草鱼草鱼草鱼Y2草鱼草鱼草鱼R2草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼C3草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼W3草鱼草鱼草鱼草鱼C1草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼W1草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼C2草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼W2草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼十字路口交通管理器示意图草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼该交通管理器由控制器和受其控制的三个定时器及六个交通灯组成。草鱼图中三个定时器分别确定甲道和乙道通行时间T3、PORKT1以及共交通管理器（控制器）甲道通行T3定时器乙道通行T1定时器公共停车T2定时器12同的停车（黄灯燃亮）时间T2这三个定时器采用以秒信号为时钟的计数器来实现，鲤鱼C1、PORKC2和C3分别是这些定时计数器的工作使能信号，鲤鱼即当C1、PORKC2和C3为1时，鲤鱼相应的定时器计数的指示信号，鲤鱼计数器在计数过程中，鲤鱼相应的指示信号为0，鲤鱼计数结束时为1草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼系统算法设计草鱼十字路口交通管理器是一个控制类型的数字系统，鲤鱼其数据处理单元比较简单。草鱼在此直接按照功能要求，鲤鱼即常规的十字路口交通管理规则，鲤鱼给出交通管理器工作流程图，鲤鱼同时也可以看做系统控制器的ASM图。草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼S0草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼