基于FPGA的交通信号灯控制系统

摘要：为了解决传统交通灯控制系统常采用单片机或PLC等控制芯片所具有的控制不精确、系统外围电路复杂、程序修改不灵活、成本偏高等缺点，利用VHDL硬件描述语言，通过QuattusⅡ软件和以CycloneⅡ系列FPGA为核心的开发板，完成交通信号灯控制系统的设计。该系统具有电路简单、可靠性强、运算速度高、参数易修改等特点。通过软件进行仿真，并在KX_7C5TP型开发板下载模拟，结果表明系统工作正常，控制器能完成预定的设计要求。
关键词：交通信号灯控制系统；VHDL；EDA；FPGA

0 引言
    随着社会经济的高速发展，由车辆大幅增加而带来的交通问题日趋严重。因此，作为交通监管系统的重要组成部分，交通信号灯在协调人、车、路的关系时发挥着巨大的作用。
    EDA(Electronic Design Automation，电子设计自动化)是依靠功能强大的计算机，对以硬件描述语言HDL(Hardware Description Langu age)为系统逻辑描述手段完成的设计文件加以处理，自动实现既定的电子线路系统功能的一种技术。利用EDA技术进行电子系统设计的最终目标是完成专用集成电路ASIC(Application Specific Integrated Circuit)的设计和实现。ASIC作为最终的物理平台，集中容纳了用户通过EDA技术将电子应用系统的既定功能和技术指标具体实现的硬件实体。现场可编程门阵列FPGA(Field Programmahie Gate Array)是实现这一途径的主流器件，其特点是具有极大的灵活性和通用性，开发效率高，成本低，技术维护简单，工作可靠性好。

1 设计要求
1．1 应用背景
    有一条主干道和一条支干道的汇合点形成十字交叉路口，主干道为东西向，支干道为南北向。为确保车辆安全、迅速地通行，在交叉道口的每个入口处设置了红、绿、黄3色信号灯及左转向灯，如图1所示。

1．2 要求
    (1)主干道绿灯亮时，支干道红灯亮，反之亦然，两者交替允许通行。主干道每次放行40 s，支干道每次放行30 s。每次绿灯亮，前10 s为左转灯亮，后5 s为黄灯亮。余下为直行灯亮。
    (2)能实现正常的倒计时显示功能。
    (3)能实现总体清零功能：计数器由初始状态开始计数，对应状态的指示灯亮。

2 系统状态分析
    对设计要求进行分析可知，主、支干道交通灯变化顺序应如图2所示。

    状态转换如表1所示。

3 系统结构设计
    根据要求，系统结构图设计如图3所示。时钟脉冲由分频器对晶振脉冲进行分频产生。主控制器接收时钟信号，并据此进行状态转换，同时输出各状态的时间。信号灯控制器根据主控制器产生的状态量对主、支干道信号灯进行控制。由于主控制器输出的时间信号为实数类型，因此还需设计分位器将其转换为两组BCD码分别送至数码管显示。

4 VHDL设计实现
    为便于系统实现，采用VHDL语言对各个模块进行设计。主控制器为一计数器，输入信号为秒脉冲，以70为一个周期，计数到1后，在下一个时钟信号来到时，计数器复位，开始下一轮计数，如此往复。系统复位信号reset可使计数器从任意状态复位至状态S0，并重新开始计数。下面是主控制器的VHDL文件。其中clk和rst是时钟和复位信号，state表示当前状态，seg7a、seg7b分别表示主、支干道倒计时时间，temp为内置变量。
   

5 结果仿真
    通过QuartusⅡ软件将各模块连接，进行编译、仿真，各模块可正常工作。分配引脚后，将配置文件下载至KX_7C5TP型FPGA开发板，系统运行正常，验证了整个设计的正确性，仿真结果如图4，图5所示。

6 结语
    从上述设计可以看出，利用FPGA进行交通信号灯控制系统的设计，使得设计者的工作仅限于利用软件的方式，即利用硬件描述语言和EDA软件来完成对系统硬件功能的设计，这不仅提高了设计的灵活性，也便于设计者对信号灯的定周控制时间进行修改。