基于FPGA的智能流控交通燈設計

李恒毅+趙歡+劉芳+李瑤

摘要：智能交通燈是智慧交通建設的重要方面，能夠有效緩解現代城市日益增大的交通壓力。該文通過對十字路口車流量的分析，提出了一種基于FPGA的智能流控交通燈的設計方案，能夠有效地提高十字路口的通行效率。

關鍵詞：FPGA；智能交通燈；智慧交通

中圖分類號：TN317 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）04-0177-02

1 概述

當今中國私家車的擁有量劇增，原有的交通指揮系統越來越顯得力不從心，其最大弊端在于指揮方式過于死板。在很多情況下，如果路口交通燈的控制時序一成不變，不但不能起到緩解交通壓力的作用，反而因雙向紅綠交通燈持續時間固定造成更嚴重的擁堵[1]。以生活中常見的十字路口為例，在遇到交通高峰期的時候，某一道路方向通行壓力很大，而另一方向線路車流量很小。如果不能夠靈活調整兩條線路的通行時間，那么就造成繁忙道路一側擁堵嚴重，而空閑道路一側白白浪費通行時間資源。這種情況不但增加了車輛運行的成本，而且也不利于建立節約型、環保型社會。如果能夠通過實時監測兩個方向的車流量，并以分析結果為依據來控制路口交通燈的亮滅時間，將會給交通指揮帶來極大的便利，達到更加有效利用城市交通資源的目的[2]。為了實現這一目標，本文介紹了一種基于車流量監測的智能交通燈的設計思路，希望能夠為“智慧交通”的建設貢獻一份力量。

1 設計思路

本文所設計的智能交通燈控制系統，是以普通十字路口為例（如圖1）。南北方向（a方向）交通燈為LED_a，東西方向（b方向）交通燈為LED_b。在人行道路口處安裝行人探測裝置[3]，用于感知是否有行人試圖通過路口。并且在停車等待標線30米處埋設地感線圈，用于檢測是否有車輛通過，并統計車流量[4]。

根據設計目標，智能交通燈控制系統分為兩種工作狀態，即自動工作狀態和人工干預狀態，其中人工干預狀態優先級較高。當需要禁行或者人工控制某個方向的道路交通時，可以通過遠程或現場操作的方法來實現控制。如果沒有存在人工干預的情況，系統則進入自動工作狀態[5]。

控制系統在自動工作狀態下又分為五種工作模式：正常模式、優先模式、限流模式、暢行模式、等待模式。所對應的應用場景如下：

①正常模式。如果交通情況較為正常，a、b兩個方向車流量相當，并且同時處于繁忙狀態或不繁忙狀態，此時兩組交通燈按照正常預設時序工作。

②優先模式與限流模式。假設當a方向道路交通處于繁忙狀態，而b方向道路交通處于不繁忙狀態時。a方向交通燈將進入優先模式，通行時間會適當延長用來保證車流較大方向的通行。而b方向則進入限流模式，通行時間會相應縮短。

③暢行模式與等待模式。假設經過長時間統計a方向有車或行人通過，而b方向沒有車輛或行人通過。那么LED_a將進入暢行模式，保持綠燈長亮；LED_b將進入等待模式，保持紅燈長亮。通過行人探測器和地感線圈，檢測兩個方向是否有車輛或行人試圖通過路口，以此作為工作模式切換的判斷條件。采用這種設計的目的在于避免某方向無車、無行人情況所占用的通行時間。

實際中應用中需要根據車流狀況在四種工作模式之間自動切換，從而達到靈活分配兩個方向通行時間的目的。系統基本控制流程如圖2所示。

在以上設計思路的基礎上，本文提出了一種基于FPGA平臺的控制系統架構[6]。采用ALTERA公司CYCLONE IV系列的FPGA芯片，型號為EP4CE6F17C8。其功耗較低，而且引腳資源非常豐富便于系統今后的功能擴展?？刂葡到y的核心部分包括：分頻模塊、控制及計時模塊、取位模塊、譯碼模塊以及數碼管顯示掃描模塊。所需輸入信號包括全局時鐘clk、系統復位信號RSTn、地感線圈信號car_sig以及行人探測信號warn。各個模塊相互關聯之后，構成了上述系統的基本運行架構，如圖3所示。

分頻模塊將clk全局時鐘頻率轉化為頻率為1Hz的clk_1，供給控制及計時模塊，用于信號燈的倒計時以及車流量統計計時；同時為數碼管顯示掃描模塊提供clk_2，以滿足數碼管動態掃描所需要的時鐘頻率。

控制及計時模塊負責整個系統的核心控制功能。接收到clk_1時鐘后，模塊根據car_sig和warn的輸入信號，控制模塊完成對車流計數、工作模式的轉換，并輸出內部狀態機在每個時鐘沿下對應的燈色編碼。然后計時模塊將當前燈色剩余時間提供給取位模塊。

取位模塊得到計時模塊傳來的時間數據，進行取位操作，得出十位以及個位的數據傳給譯碼模塊。

譯碼模塊得到取位模塊時間數據后，進行譯碼操作后，將譯碼數據傳給數碼管掃描顯示模塊。

數碼管掃描顯示模塊接收到譯碼數據后，在分頻模塊供給的clk_2時鐘上升沿的控制下輸出譯碼，逐個顯示在八段數碼管上。

在此構架基礎上編寫了相關程序，編譯成功后把程序文件進行ModelSim仿真測試。測試結果表明，控制系統能夠自動切換工作模式以適應不同的交通狀況，倒計時顯示以及燈色轉換均正常工作，較好地完成了設計目標，如圖4。

參考文獻：

[1] 蔡翠.我國智慧交通發展的現狀分析與建議[J].交通工程，2013（6）：224-227.

[2] 李盛春，孔令江，劉慕仁，等.智能交通燈對交叉路口交通流的影響[J].物理學報，2009（4）： 2266-2270.

[3] 蘇松志，李紹滋，陳淑媛，等.行人檢測技術綜述[J].電子學報，2012（4）：814-820.

[4] 何志強，羅飛，于峰崎，等. 基于地磁傳感器的車輛檢測算法[J].科學技術與工程，2014（15）：203-206.

[5] 杜紅艷.基于PLC的智能交通燈控制系統設計[J].自動化與儀器儀表， 2014（2）：60-62.

[6] 張曉榮，李永紅.智能交通燈的設計及其 FPGA 的實現[J].傳感器世界，2013（12）：27-30.