基于EDA技术的智能交通信号灯的设计
摘要：基于eda技术，设计一个交通十字路口的智能控制系统。

控制系统由vhdl硬件语言编写，完成十字路口支路和干路上人行横道的红、绿、黄交通灯的运行控制，并且通过对相应路段的车数量检测，智能化地对绿灯的延时进行改变。

关键词：eda；vhdl语言；可编程逻辑器件；交通灯控制系统
引言：随着城市的日新月异，私人汽车数量的不断增加，交通灯的运行模式和管制变得越来越重要，智能数字化信息为基础建立起的数字化城市不断的发展。

随着数字电子技术的发展，当前数字系统的设计正向着速度快、容量大、体积小、重量轻的轨道上发展。

现代化城市交通作为城市发展的一个重要问题引起人们的注意，智能交通灯控制系统也是应用电子技术中较为经典的设计。

就目前而言尚存在一系列问题待解决，例如实际路口搭建的交通灯种类多、程序结构较复杂、数量较多等问题。

传统的电子设计方法电路应用元器件多、接线较复杂、故障率很高、系统维护不方便。

eda （electronic design automation）技术近年来不断发展，该技术不但可以大部分替代设计者完成设计中的工作，而且可以从程序中直接修改系统功能及错误，大大的缩短了研发周期，节约了成本。

本文采用eda技术，基于vhdl语言，利用可编程逻辑器件（fpga）器件通过quartusⅱ软件的功能仿真和调试，完成整个的系统设计。

表现出了eda 技术的优越性。

不仅使系统设计的产品集成化、小型化，而且最重要的是提高了系统的故障率，由于系统具有可编程的
优点，从而大大降低设计成本费用、缩短了开发周期、方便进行产品的维修以及系统的升级。

系统总体功能描述：交通灯控制系统是每个城市必须的基础设施，对人、车、路三者进行调控。

根据交通规则的规定，来设计完成东西方向和南北方向的显示时间功能和交通指示灯控制。

在一个有一条主干道和一条支干道的实际十字路口，每条干道的每个入口设置了一组两位数码管显示装置和一组绿、红、黄信号指示灯，分别用来显示直行、左右转弯、禁止通行的通行信息，确保车辆安全通行。

一、设计要求：
（1）具有进行系统初始化的功能，起初每个路口都显示红灯10秒（可根据实际情况进行调试），然后所有路口均闪亮黄灯5秒（可调），所有数码管熄灭指示灯，从而系统完成初始化并进入周期性的循环控制状态。

（2）具有规律且稳定的周期性循环指示状态，循环周期为140秒。

东西左转弯、南北方向禁行时为状态w0，状态时间为25s；东西左转弯、南北方向禁行时为状态w1，状态时间为5s；东西方向直行、南北方向禁行时为状态w2，状态时间为35s；东西方向直行、南北方向禁行时为状态w3，状态时间为5s；南北左转弯、东西方向禁行时为状态w4，状态时间为20s；南北左转弯、东西方向禁行时为状态w5，状态时间为5s；南北方向直行、东西方向禁行时为状态w6，状态时间为35s；南北方向直行、东西方向禁行时为
状态w7，状态时间为5s。

（3）交通灯控制系统能够实现秒表倒计时功能。

（4）遇见紧急状态时，具有实现特殊状态的紧急功能显示控制，即所有路口指示灯都显示红灯，直到人为的解除该状态，使之进入正常周期性循序工作。

（5）交通灯控制系统要有相应的抗干扰措施，来应对不同环境的影响，提高其可靠性。

二、硬件系统的总体设计各模块的功能
各模块功能如下：
（1）clk时钟模块。

clk信号发生模块采用分频计数器来发出准确的秒脉冲信号，为控制模块提供准确的时钟脉冲信号。

（2）交通灯控制模块。

交通灯控制模块用于控制干路、支路的交通灯状态和倒计时显示内容，来显示交通灯控制状态表中的数据，完成交通的布控。

（3）数据显示可控模块。

数据显示可控模块用于选择和控制时间的动态显示。

（4）译码管驱动模块。

译码管驱动模块用于驱动数码管进行倒计时输出显示。

（5）状态显示模块。

对交通灯的状态显示。

（6）倒计时显示模块。

显示保持交通灯目前的状态剩余时间。

三、系统设计
根据十字路口位置情况，该路口的东、西方向的交通灯的亮灭和
数码管显示的运行规律相同，南、北方向的交通灯亮灭和数码管显示的运的运行规律相同，因此，可以省去一半的输出控制线。

本文采用目前成熟先进的eda技术，基于vhdl 硬件描述语言，采用fpga芯片作为硬件电路，完全胜任本设计系统的需要。

芯片中内部主要由初始化电路、分频、求模取余、译码函数、计数状态译码、位选扫描等7 个模块组成，
其中，reset 为复位控制端，clk 时钟信号为12mhz ， spec为特殊状态控制端，输出端口ns[8. . 0]为南北方向的两组红、黄、绿六个指示灯，we[8. . 0]为东西方向的两组组红、绿、黄六个指示灯，ns - led[ 6. . 0]为南北方向路口的数码管段码端，we - led[ 6. . 0]为控制东西路口的数码管段码端口，sel[ 1. . 0]为译码管的公共位选端。

四、程序设计
应用的fpga芯片中的信号处理功能，只需借助vhdl 硬件描述语言即可实现。

其中的七个不同模块分别由不同的进程（process）来完成。

分频模块主要功能是将12mhz的clk时钟信号分频成为500hz 和1hz不同的两种信号。

其中一个0.5khz的时钟信号用作系统的位选时钟，并生成系统扫描位选信号；另一个1hz 的clk时钟信号用于控制系统的计数处理。

系统的初始化电路功能主要是实现交通灯控制系统进入循环运行的工作状态，该电路主要实现15秒的初始化计数过程，完成初始化计数过程后系统便生成一个控制信号en （高电平有效），传送到后面的模为140的循环计数电路。

本设计利用quartusii集成的开发系统对系统的初始化电路及整个控制系统进行了功能仿真。

由图可知，复位端reset能控制初始化电路模块，其时间长度为15秒。

初始化任务完成以后，高电平有效的使能信号en便输出各循环系统。

当系统完成系统的初始化之后，主控循环计数电路模块便对1hz 时钟信号进行模为140 的循环计数，输出共140个十进制数为0，1，2 到139。

各个计数状态经主控模块进行译码之后，一部分转换为东西方向、南北方向的红、绿、黄共12个指示信号，另一部分转换为东西、南北方向的倒计时两位十进制数码显示。

之后将上面提到的的东西方向ns - d、南北方向的数码显示值we - d，并通过模为10逻辑运算即可得到相应方向显示数码的十进制数的十位数字字显示值，通过除十取余的逻辑运算即便可生成相应方向的数码管显示数码的个位数字。

最后将0，1，2到9这些数字传送至代码转换函数（function）。

即可转换为相应数字的段码值，进行倒计时的显示。

五、实物测试
本文利用北京r&c百科融创公司的eda实验箱，并设计了相应的高亮led 交通灯指示模拟电路板以及数码显示模拟电路板，通过扩展导线将eda实验箱与外部电路板进行连接，将程序下载到芯片ep1k10tc100 -3进行实物模拟调试。

经过仿真后，本系统达到了预期的设计要求，实现了对十字路口交通指示信号的智能运行控制。

六、结束语
本文用led交通灯指示模拟电路板以及数码管显示模拟电路板和eda技术、基于vhdl语言及fpga芯片。

系统功能完备，成本低，运行可靠。

并在编程过程中充分考虑并利用了时钟电路的计数状态所对应的信息，实现了十字路口（特别是人交通拥堵、交通灯种类较多、数量也多）的交通灯的运行控制。

系统仿真分析证明，本系统设计是成功的和符合实际的。

不过在本次设计中也意识到存在着一些不足，比如在人机交互方面增加一些控制模块，则可以实现管理者的手工调整交通灯的运行状态及系统的升级。

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作者简介：
杨荣（1971年10月7日），男，汉族，安徽宿州人，工程硕士，就职于西安航空职业技术学院科研处，助理研究员，研究方向：教育教学管理及工程技术应用。