本文是基于 FPGA 智能交通控制系統設計，該系統采用硬件實現的主要方案包括：環形線圈車流量檢測器進行車流量檢測，根據實時車流量來實時的配時紅綠燈的亮滅時間。利用 FPGA 技術，采用 ALTERA 公司的 FPGA 作為設計平臺，通過 Quartus II 軟件實現交通燈控制系統的設計。

本設計的主要設計理念是采用模塊化的方式，整體結構是 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、設計要求

如圖所示為本設計的城市交叉路口智能交通控制系統示意圖，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有 4 種信號燈：紅燈（R）、綠燈（G）、黃燈（Y）、左轉燈（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為綠燈、黃燈、左轉燈以及最后的黃燈。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也依次為綠燈、黃燈、左轉燈以及最后的黃燈。

在發生緊急情況的時候，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。也就是在發生意外情況下，南北方向和東西方向的交通信號燈都變為紅燈，直到緊急事故消失。采用這種設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安全。

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

2、設計框架

在本論文中，采用的編程設計思想是目前比較常用的模塊化理念，將交通燈控制系統的整體設計分為了硬件設計和軟件設計，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的硬件設計框架。

3、硬件設計

3.1 環形線圈車輛檢測器：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。當有車輛通過的時候環形線圈中的電感量就會發生變化，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，電路將會向外發送一個正脈沖信號。

3.2 單片機控制系統：單片機控制系統的主要目的是將多個埋設在交叉路口路段上的地感線圈的信號進行簡單處理并控制無線通信模塊將信號發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：假設有車輛在南北方向的道路上行駛，其首先通過了埋設在地下的環形線圈 1，由環形線圈 1 發出了脈沖信號 input1 經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部的計時功能開啟，同時打開允許中斷引腳 INT1 工作；當車輛經過了環形線圈 2 的時候，由環形線圈 2 發出了脈沖信號 input2 經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部計數器加 1；當車輛經過了環形線圈 3 的時候，由環形線圈 3 發出了脈沖信號 input3 經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，如果是的話就關斷單片機內部的 INT1 中斷和計數器，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施中和交通燈控制系統中細膩中，由于距離比較遠，所以采用了無線通信的方式。

3.4 FPGA 控制模塊：本設計的主要模塊，其根據環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、軟件設計

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

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行分頻獲得秒信號，用來當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，需要對其進行分頻處理。根據上述要求，在交通燈控制系統中設計了時鐘分頻模塊，其分頻系數設置為 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據，其采用的接口協議是通用異步收發傳輸器，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，并將處理結果傳向控制系統。

4.5 控制模塊：控制模塊是整個交通燈控制系統軟件設計框架的重點，也是整個控制系統的核心。

按照上述的軟件設計框架，采用 Verilog 語言在 Quartus II 上進行編程實現，并仿真測試，最終進行硬件級調試。

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