利用FPGA进行交通信号灯控制系统的设计

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威廉希尔官方网站 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。