十字路口交通灯控制电路的设计及实现

十字路口交通灯控制电路的设计及实现西安交通大学网络教育学院论文摘要系统分析和总体设计本章主要通过交通信号控制系统展开分析，提出了该系统的需求分析和总体设计。首先时对十字路口交通信号灯存在的问题进行叙说，最后结合该系统提出总体设计，并解释如何改善十字路口信号灯。4.1系统需求分析针对交通控制信号系统的需求分析，首先应该明确我国的交通运输存在的问题。每个城市的道路的交通最大问题就是在城市人口密集的十字路口处，而十字路口是每个城市交通网络的最大交通枢纽。目前很多城市的十字路口都还安装的是固定式协调配时控制器，所以在高峰时段十字路口就会有大量的机动车辆，造成车辆拥挤，行车速度缓慢，交通事故也增加及通行能力低下等诸多问题。随着我国些年机车车辆迅速上涨，给城市的交通带来很大问题，致使城市交通拥堵，停车困难。为此应该在我国急需开发智能交通系统的趋势已经迫在眉睫。交通系统主要是靠交通信号的控制来指引，在城市的各大交通道路中，主要在各个交叉路口中交通控制是非常困难的。由于交叉路口在不同的时间段过往的车辆是流动而又复杂的，根本无法预计。采用固定的交通管理办法，会让城市的运输道路指示依靠原来的单一模式靠交通信号指示灯来指示，而不能根据机动车的高峰流来切换各主支干道的通过时间。造成要么无机动车，要么是机动车川流不息，无法行驶的交通拥堵状况。让交通运输的资源无形中就被浪费掉。真针对城市交通道路中的各个十字路口，应该根据该道路周围的机动车辆流量情况，对十字路口的交通信号指示灯可以自动化根据机动车辆流量情况转换交通信号灯的持续时间。设备不但成本高，而且开发的时间也需要很长，根本无法解决不了交通的拥堵。面对我国严重的交通问题，交通运输相关部门也投入很大的资源一直在开发研究一种能够适合我国道路情况，解决我国道路拥堵的一种交通信号控制系统，但是由于我国对该系统的研究较晚，人口增多，城市化也越来越大，这给我国交通运输带来很大的压力。结合交通信号灯的有效时间长度来完成对交叉路口的交通信号的实时管控；其次是当遇到紧急拥堵的情况下，十字路口的交通信号灯会根据实际的机动车流量自行转换信号灯，并可以对主干道的机动车信号灯的通过时间延时或缩短时间。通过这样的方式可以解决拥堵的主干道的拥堵车辆迅速通过，而支干道的车辆由于数量少，也可以在规定的缩短时间内通过。这样的交通运输系统可以保障了我国城市道路主干道的畅通。4.2系统总体设计系统总体设计就是指把整个交通控制系统的总体架构和系统进行系统的划分和研究。4.2.1总体架构设计根据以上提到的需求分析不难可以看出，交通控制信息系统主要是由信号控制模块和密码解锁模块两个模块组成的。信号控制模块主要是通过预先做好的程序来转换，而密码枷锁主要是通过计算机和互联网技术，对交通运输道路的实时机动车辆流量进行检测。并能通过密码处理方式，进行远程操作，让十字路口的交通信号指示灯的时间可以自动化转换，进而起到交通运输疏通的作用。信号控制主要应该具备三个条件，分别如下：（1）控制系统在交通运输普通的情况下，必须要保障城市主干道的畅通。这个时候交通运输的主干道的绿灯会亮起。而支干道的红色信号灯也同时会亮起，并且交通运输制度规定了主干道的绿色信号灯的亮起时间必须在六十分钟以上。（2）在主干道绿色信号灯的六十秒时间内，支干道的机动车辆可以陆续等待通过，而主干道上的交通信号灯必须是红色的，之后支干道的绿灯信号灯的时间不能超过三十秒。（3）每次主干道和支干道的交通信号灯都是相互转换的，主要有红黄绿三种，而红绿灯转换的中间必须有黄色信号灯过渡，而且黄色信号灯的过渡时间为五秒。4.2.2系统功能结构交通控制信号系统的两大模块的输入和输出是该系统功能的主要结构组成，另外还有一个就是内部的互联网框图。其中该系统的nRESET设计为低有效，也是该系统的复位信号。如果系统复位后，整个系统会进入到初始状态。当打开低电平的时候应该信交通信号控制的模块上面输出信息，主要是将FR和HG两个输出，为保证输出有效。如果需要串行输入信息就应该注意BIT开关，可以打开BIT开关。当需要解锁交通运输信号的时候，应该注意OPEN按钮，如果解锁成功的花信号会显示成功。通过以上操作，就可以保证交通信号控制系统恢复正常，并且会处于开机的状态。如果不需要信息传输，就应该保持开机状态。4.3信号控制模块设计信号模块是一种新的利用信息传播的方式将交通运输情况传输给一定的计算机枢纽。主要是由控制和处理两个模块，控制模块主要是收集交通道路车辆流量的信息，而处理模块则是把收集到的数据传输给交通运输的终端，这样就可以让交通运输真正的实施远程监控。进而起到及时根据十字路口的机动车辆流量情况进行转换交通指示信号灯的时间。常显示的时间就是由定时器发出的，译码显示器主要的作用就是改变交通枢纽的信号灯，但是其在控制单元的控制下才可以完成的。5系统的硬件电路实现本章主要通过阐述系统的硬件对十字路口交通管理控制的意义入手，并结合开发该系统的软件，叙述了该系统设计的全部过程。主要是通过系统的开发过程及环境进行分析，最后提出系统主要的功能模块，并针对这些问题进行了描述。5.1系统开发软硬件环境5.1.1FPGA设计开发流程FPGA的完整开发流程一般包括以下几个方面：（1）一般是在设计该系统之前，应该注意电路功能的设计，首先就应该提出论证方案。并准备系统设计，选择合适的FPGA芯片等工作。一般是将该系统划分成若干个基本单元，使用的方法是采用自顶向下。并把这些基本单元再次划分成下一层的最基本的单元，一直这样划分下去。只要EDA元件库为止。（2）设计输入这个环节，经常用的方法是硬件描述语言。或是通过原理图输入的方式来完成。（3）功能仿真的主要作用是可以验证设计电路的逻辑功能。（4）综合优化，综合优化的过程就是将硬件描述语言。电路原理图等设计输入通过综合工具转换成逻辑网表。综合优化生成的逻辑网表都是由与。或、非门、RAM。触发器等基本逻辑单元组成的。同时根据约束条件优化生成的逻辑网表。输出edf和edn等文件。提供给FPGA/CPLD生产厂家的布局布线器进行实现；（5）综合后仿真主要是检查看原设计和综合结果是否一致。仿真时可以通过一定的标准延时文件的真实性。将综合生成的标准延时文件标注。再把综合仿模型评估，最后应该注意电路网表中的由于延时带来的影响。（6）实现（Implementation）。与布局布线（Place&Route）。实现是将综合生成的。逻辑网表配置到具体的FPGA芯片上。布局是在FPGA芯片内部的硬件结构上。合理的配置逻辑网表中。的硬件原语和底层单元。而且需要在面积最。优和速度最优二者。之间进行平衡。布线是利用芯片。内部的各种连线资源。根据布局的拓扑结构。合理准确地连接各个元件；（7）时序仿真与验证。将布局布线后的延时信息。反标注到网表中用来检测时序工作情况。时序仿真包含的延时信息最精确。也是最全的。能够很好地反映。FPGA芯片的实际工作情况。在有些情况下为了使设计更加可靠。验证工作也应该在仿真后做。（8）调试与加载配置。就是在线调试或者将生成的。芯片中应该配置一定的文件并进行测试。5.1.2开发软件QuartusII简介世界上有很多编程逻辑器件的公司。但是Altera公司是最大的一个。该公司在FPGA/CPLD集成开发环境下，研制成功了QuartusII。Altera公司在本世纪的初期才正式推出QuartusII这个产品。该产品是集成开发环境MAX+plusII的更新换代产品，使用起来比原来的药方便快捷，而且还具有很好的界面的优点。通过QuartusII。PGA设计者可以进行设计输入。DL逻辑综合。线布局（适配）。真验证以及下载配置和硬件测试等。提供的设计环境了与FPGA芯片结构无关。让设计者很方便地进行设计输入和器件编程。5.1.3FPGA开发板简介本文采用的FPGA芯片是Altera公司开发的CycloneII系列，型号为EP2C8Q208C8。AlteraCycloneII系列元件采用台积电（TSMC）90nm低K介电质制程的300mm晶圆制造。具有诸多的先进特性。如用于高性能数字信号处理（DSP）应用的嵌入式18×18乘法和支持如DDR2（高达334Mbps）和QDRII（高达668Mbps）的存储器。这种新的器件比第一代Cyclone产品具有两倍多的I/O引脚，且对可编程逻辑，存储块和其它特性进行了最优的组合，具有许多新的增强特性。EP2C8Q208C8提供多达8256个LE单元，嵌入式RAM单元（M4K）共有36个，总容量达165888bits。并且内嵌2个锁相环（PLL）。18个嵌入式18比特x18比特乘法器（EmbeddedMultipliers），在208个封装管脚中共有138个userI/Opins。5.2系统主要功能模块实现设计输入后进行逻辑综合。辑综合通过后得到如图5-1所示的编译报告，其中逻辑资源消耗信息显示逻辑单元LE消耗44个，包含44个组合逻辑功能模块以及21个逻辑寄存器，用户自定义管脚使用了13个。图5-1编译报告5.3系统电路的实现在CompileDesign下的Analysis&Synthesis目录中，NetlistsViewer中的RTLViewer显示了逻辑综合后生成的硬件电路图。生成如图5-2所示的RTL级电路顶层框架图，与设计预期相符，其中密码解锁模块异步复位信号nRESET设计为低有效，当解锁成功后OPEN输出由初始状态低电平变为高电平，OPEN信号翻转后进入信号控制模块，使得信号控制模块维持初始状态S0不变，保持支干道关闭，主干道开启。图5-2RTL级电路顶层框架图6结论本篇论文首先提出了十字路口交通控制管理的概念，并根据该课题入手，从背景及意义展开十字路口交通控制管理开始，最后提出了交通控制管理的重要性。并结合国内外关于交通控制管理的研究展开探讨，引出我国交通控制管理的缺陷。并提出了只能交通信号控制系统。也针对国内外的可编程逻辑器件的发展状况进行了描述。同时也对FPGA技术有了认识，介绍了该系统对交通信号控制的现实意义。接下来又对该系统的开发难度，并描述了开发该系统所使用的硬件及设计时所需要的高层次设计的方法。通过该文章的论述，为以后得交通控制管理信号灯控制系统有了最基础的准备，为将来在该方面的研究奠定了基础。然后结合QuartusII软件的开发及应用，介绍了交通控制信息系统开发的软硬件的开发环境。同时也提出了完成逻辑综合与仿真验证的研究与设计。并针对各模块仿真的结果进行了一定的分析，进而说明了这些模块的正确性和实用性。最后将FPGA中配置了综合生成的逻辑网表文。综上所述，本篇文章通过高层次的分析和设计。合硬件描述语言的应用。并对可编辑逻辑器的件的技术和发展展开探讨，进而实现了一个能够实时协调交通拥堵的现状，该系统实用于各城市的主支干道的十字路口。通过合理的设计交通信号控制系统，能够根据输入的监测型号对交通信号实施实时转换状态。使主支干道的十字路口的机动车辆通过率得到大大提高。并且在交通运输的高峰期，可以通过密码解锁的方法让机动车辆能在高峰时段关闭支干道，进而让主干道的车辆不用再等红绿灯，避免了机动车辆在主干道的十字路口积压。本篇文章虽然对十字路口交通控制系统有了一定的成果，但是由于时间的不足，加上本人对交通控制信号系统的经验欠缺，使得该文章存在一些问题，如有错误，愿让各高校的专业人士继续完善和突破。致谢本文是在聂程导师精心指导和大力支持下完成的。聂老师以其严谨求实的治学态度、高度的敬业精神、兢兢业业、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响。他渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪。这次我的毕业论文在聂老师的悉心指导下，顺利地完成了，我对聂老师表示深深的感谢。同时在写论文过程当中同学们给了我很大的帮助，我对他们表示谢意。参考文献[1]潘松,黄继业.EDA技术实用教程[M].科学出版社,2012[2]廖俗平,陆瑞强.CPLD数字电路设计-使用MAX+PLUSⅡ入门篇[M].清华大学出版社.2011[3]王振红.VHDL数字电路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