本文是基于 FPGA 智能交通控制系統(tǒng)設(shè)計，該系統(tǒng)采用硬件實現(xiàn)的主要方案包括：環(huán)形線圈車流量檢測器進(jìn)行車流量檢測，根據(jù)實時車流量來實時的配時紅綠燈的亮滅時間。利用 FPGA 技術(shù)，采用 ALTERA 公司的 FPGA 作為設(shè)計平臺，通過 Quartus II 軟件實現(xiàn)交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計。

本設(shè)計的主要設(shè)計理念是采用模塊化的方式，整體結(jié)構(gòu)是 FPGA 控制模塊和車流量檢測模塊。其中 FPGA 控制模塊包括：時鐘分頻模塊，LED 燈控制模塊，點陣顯示模塊，無線模塊，采集信號處理模塊和控制模塊。

1、設(shè)計要求

如圖所示為本設(shè)計的城市交叉路口智能交通控制系統(tǒng)示意圖，交叉路口的交通分為東西方向和南北方向，其中南北方向為交通主干道，東西方向為交通副干道。不管南北方向還是東西方向都設(shè)有 4 種信號燈：紅燈（R）、綠燈（G）、黃燈（Y）、左轉(zhuǎn)燈（L）。為了簡化討論，人行道的信號燈與直行信號燈同步。

在南北方向的交通信號燈為紅燈的時候，東西方向的交通信號燈狀態(tài)為綠燈、黃燈、左轉(zhuǎn)燈以及最后的黃燈。同樣的東西方向的交通信號燈為紅燈的時候，南北方向的交通信號燈的狀態(tài)也依次為綠燈、黃燈、左轉(zhuǎn)燈以及最后的黃燈。

在發(fā)生緊急情況的時候，交通南北主干道和交通東西副干道需要有一種處理緊急事故的能力。也就是在發(fā)生意外情況下，南北方向和東西方向的交通信號燈都變?yōu)榧t燈，直到緊急事故消失。采用這種設(shè)計方式是完全為了保證在緊急事故中，處理事故的車輛能夠優(yōu)先通過，獲得寶貴的處理事故的時間，是非常人性化的考慮，保障了人民的人身和財產(chǎn)安全。

在交叉路口中，需要設(shè)置點陣模塊來顯示倒計時的狀態(tài)，方便讓車輛司機知道當(dāng)前交通信號燈的即時狀態(tài)，這個設(shè)計也體現(xiàn)了人性化的特點。

2、設(shè)計框架

在本論文中，采用的編程設(shè)計思想是目前比較常用的模塊化理念，將交通燈控制系統(tǒng)的整體設(shè)計分為了硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，由幾個具體的模塊組成每個部分，如圖所示為城市致命交通控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計框架。

3、硬件設(shè)計

3.1 環(huán)形線圈車輛檢測器：本文選用了國際通用的車輛檢測卡裝置。如圖所示為環(huán)形線圈的車流量檢測模塊的電路圖，該模塊需要在道路的地下將地感線圈埋放，通電。環(huán)形線圈與其耦合的電路連接，該耦合電路具有自身的振蕩頻率。當(dāng)有車輛通過的時候環(huán)形線圈中的電感量就會發(fā)生變化，同時與之耦合的電路中的振蕩頻率也會較自身的固有頻率增高，這個時候，電路將會向外發(fā)送一個正脈沖信號。

3.2 單片機控制系統(tǒng)：單片機控制系統(tǒng)的主要目的是將多個埋設(shè)在交叉路口路段上的地感線圈的信號進(jìn)行簡單處理并控制無線通信模塊將信號發(fā)送到交通燈控制中心。

如下圖所示為基于單片機的車流量計數(shù)電路，其接受來自不同的 3 個地感線圈的信號，并將信號與 STC89C51 單片機的中斷引腳連接，中斷引腳分別為 INT0 和 INT1。

其工作原理可以表述為：假設(shè)有車輛在南北方向的道路上行駛，其首先通過了埋設(shè)在地下的環(huán)形線圈 1，由環(huán)形線圈 1 發(fā)出了脈沖信號 input1 經(jīng)反向傳入了中斷引腳 INT0，INT0 中斷信號有效的時候會將單片機內(nèi)部的計時功能開啟，同時打開允許中斷引腳 INT1 工作；當(dāng)車輛經(jīng)過了環(huán)形線圈 2 的時候，由環(huán)形線圈 2 發(fā)出了脈沖信號 input2 經(jīng)反向傳入了中斷引腳 INT1，檢測單片機引腳 P1.0 是否為高電平，如果是的話單片機內(nèi)部計數(shù)器加 1；當(dāng)車輛經(jīng)過了環(huán)形線圈 3 的時候，由環(huán)形線圈 3 發(fā)出了脈沖信號 input3 經(jīng)反向傳入了中斷引腳 INT1，此時中斷 INT1 同樣有效，這時檢測單片機引腳 P1.0 是否為高電平，如果是的話就關(guān)斷單片機內(nèi)部的 INT1 中斷和計數(shù)器，這樣可以判斷車輛的行駛方向，對于一個道路可以雙向行駛的地方是十分有用的。

3.3 無線通信模塊：無線通信模塊分別安裝在路上設(shè)施中和交通燈控制系統(tǒng)中細(xì)膩中，由于距離比較遠(yuǎn)，所以采用了無線通信的方式。

3.4 FPGA 控制模塊：本設(shè)計的主要模塊，其根據(jù)環(huán)形線圈獲得的車流量信息實時的對交通信號燈的配時方案作出合理安排。

3.5 交通信號燈：即為交叉路口實際的信號燈以及倒計時點陣顯示。

4、軟件設(shè)計

以上述的硬件設(shè)計為基礎(chǔ)，本文根據(jù)交通信號燈的實際運作情況，將 FPGA 控制模塊中的控制系統(tǒng)軟件設(shè)計分為 5 個模塊，城市交通燈控制系統(tǒng)軟件設(shè)計框架如圖所示。

4.1 時鐘分頻模塊：時鐘分頻模塊是將硬件電路上的時鐘信號進(jìn)行分頻獲得秒信號，用來當(dāng)做控制模塊的時鐘輸入。本文中使用的硬件電路中有源晶振提供的時鐘頻率為 50MHz，對于交通信號燈而言，需要的是以秒為單位的時間信號。因此，50MHz 的頻率太高，需要對其進(jìn)行分頻處理。根據(jù)上述要求，在交通燈控制系統(tǒng)中設(shè)計了時鐘分頻模塊，其分頻系數(shù)設(shè)置為 50M，輸入的時鐘為 50 MHz，輸出時鐘為 1 Hz。

4.2 點陣顯示模塊：點陣顯示模塊是用來顯示 LED 燈由亮到暗的時間倒計時的，其與 LED 燈是同步的，同樣都是受到控制模塊的控制。

4.3 無線模塊：用來讀寫無線模塊中的數(shù)據(jù)，其采用的接口協(xié)議是通用異步收發(fā)傳輸器，通常稱作 UART。

4.4 采集信號處理模塊：實時處理車輛檢測裝置上傳的有效信號，并將處理結(jié)果傳向控制系統(tǒng)。

4.5 控制模塊：控制模塊是整個交通燈控制系統(tǒng)軟件設(shè)計框架的重點，也是整個控制系統(tǒng)的核心。

按照上述的軟件設(shè)計框架，采用 Verilog 語言在 Quartus II 上進(jìn)行編程實現(xiàn)，并仿真測試，最終進(jìn)行硬件級調(diào)試。

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