王維松，王金生，章 偉，梁 齊

(1.合肥工業(yè)大學電子科學與應用物理學院，安徽合肥 230009;2.南京工業(yè)大學化學化工學院，江蘇南京 210009)

汽車已經(jīng)逐漸成為了人們?nèi)粘Ｉ钪凶钪饕慕煌üぞ?。但是，城市基礎設施建設特別是城市交通道路的發(fā)展速度卻滿足不了汽車數(shù)量增長的需求，這就使城市交通擁堵現(xiàn)象越來越嚴重，車輛通行速度成為了城市發(fā)展的瓶頸［1－2］。在加強城市基礎建設的同時，改善十字路口的交通信號燈運行模式，提高十字路口的通行效率，對緩解城市交通堵塞有著重要的現(xiàn)實意義。而目前城市的交通燈控制，是根據(jù)一定時間段的各車道車流量的調(diào)查而分配出的相對合理的固定紅綠燈轉(zhuǎn)化周期。但在特定的時間段，會出現(xiàn)某一方向車輛早已通行完，而另一方向車輛排隊等綠燈的情況［3］，這嚴重降低了實際的十字路口交通效率。

文中采用硬件描述語言VHDL設計了一種新型十字路口交通燈控制系統(tǒng)，其主控系統(tǒng)是Altera公司Cyclone系列 FPGA 芯片 EP1C6Q240C8［4］。該系統(tǒng)利用環(huán)形線圈感應車輛，通過無線發(fā)射/接收模塊把信號傳輸?shù)胶诵目刂菩酒M行處理，實時輸出相應的紅綠燈控制信號，從而動態(tài)調(diào)節(jié)各方向的通行時間，實現(xiàn)十字路口的車輛通行效率的最大化［5］。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡介

系統(tǒng)基本框圖如圖1所示，它分為車流量檢測部分、交通信號控制部分和信號顯示部分。在車流量檢測部分，通過環(huán)形線圈傳感器采集車輛信號，通過A/D轉(zhuǎn)換器、信號放大電路和無線發(fā)射/接收模塊，將采集到的信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳輸?shù)浇煌刂撇糠?，?jīng)過FPGA控制芯片的分析和處理，輸出實時的紅綠燈控制信號，并將控制信號顯示在相應的紅綠燈上，從而優(yōu)化十字路口各車道的車輛通行效率［6］。

如圖2所示，在十字路口的直行道和左轉(zhuǎn)道口安裝環(huán)形線圈感應該車道是否有車輛停留［7］，人行道通行與否由相鄰直行道紅綠燈狀況確定，若綠燈，則人行道為通行狀態(tài)，反之亦然;右轉(zhuǎn)方向信號燈狀態(tài)由相關(guān)人行道信號燈狀態(tài)決定，若人行道為通行狀態(tài)，則右轉(zhuǎn)方向為紅燈，反之，則為綠燈。

2 傳統(tǒng)交通控制系統(tǒng)狀態(tài)分析

當前大部分十字路口的交通控制系統(tǒng)模式，都是根據(jù)道路交通狀況，事先設定好的紅、綠、黃色信號燈時間，來控制整個交通岔路口的車輛通行。目前最普遍的交通控制系統(tǒng)信號燈變化的基本模式如圖3所示［8］。

圖1 系統(tǒng)基本框架

根據(jù)此模式下信號燈相位的基本要求，設定直行方向綠色信號燈時間為24 s，左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)方向綠色信號燈時間為6 s，黃色信號燈時間統(tǒng)一為3 s。其自動運行狀態(tài)如表1所示。

表1 交通燈狀態(tài)轉(zhuǎn)換表

從狀態(tài)轉(zhuǎn)換表可以看出，以a道路直行方向信號燈狀態(tài)S1為出發(fā)點，3種顏色信號燈不斷循環(huán)，顯示時間為S1+S2+S3=72 s，即為交通控制系統(tǒng)的一個周期時間。通過計算，可得a道路直行方向綠燈時間概率為24/72=33.33%，左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)方向綠燈時間概率為6/72=8.33%，b道路狀態(tài)與a道路相同。無論十字路口車流量狀況如何，傳統(tǒng)模式下的各個路口和方向的車輛通行概率保持不變。

3 智能交通控制系統(tǒng)仿真

智能交通控制系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的交通控制系統(tǒng)，最大的創(chuàng)新點在于，實現(xiàn)了車輛通行相對方向不同步的信號控制，它會根據(jù)車流量的變化及時調(diào)整交通信號控制策略，最大限度提高了十字路口車流量的通行效率。整個控制電路包括了兩個控制模塊:直行方向控制模塊與左轉(zhuǎn)方向控制模塊，右轉(zhuǎn)方向和行人通行時間由直行方向控制模塊概括。控制程序運行時，兩個模塊交替運行，進行循環(huán)控制。直行4個方向與左轉(zhuǎn)4個方向的信號相位分別一致。例如，a方向具體相位如圖4所示。aa方向具體相位如圖5所示。

控制電路以1 Hz時鐘脈沖作為系統(tǒng)時鐘，它包含了8路輸入信號和48路輸出信號［9］，具體信號分布如表2所示。

表2 控制電路輸入、輸出信號列表

系統(tǒng)主要適應十字路口車流量不均衡的狀態(tài)，設定十字路口車流量狀況為a車道、b車道車流量大，c車道、d車道車流量小，如圖6所示。利用EDA軟件Quartus II 7.2，通過硬件描述語言VHDL進行模擬設計和仿真［9］，可得此狀態(tài)下智能交通控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果，如圖7所示。

圖6 十字路口車流量不均衡示意圖

圖7 車流量不均衡狀態(tài)下智能交通控制系統(tǒng)仿真結(jié)果示意圖

統(tǒng)計圖7中100 s內(nèi)a車道、b車道3種車輛通行方向的車輛通行時間，可得a車道、b車道直行方向車輛通行平均概率為(50+40)/200=45%，a車道、b車道左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)方向車輛通行平均概率為(46+18+50+57)/400=42.75%。

比較傳統(tǒng)模式下的交通控制系統(tǒng)和智能交通控制系統(tǒng)在十字路口車流量不均衡狀態(tài)下的車輛通行概率，可以發(fā)現(xiàn)，道路直行方向的車輛通行概率從33.33%提升到了45%，道路左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)方向的車輛通行概率從8.33%提升到了42.75%。因此，在車流量不均衡的情況下，本智能交通控制系統(tǒng)相對傳統(tǒng)模式下的交通控制系統(tǒng)，提高了十字路口的車輛通行效率，也滿足了預期的設計要求。

4 硬件設計與測試

完成了智能交通控制系統(tǒng)的設計、編譯、仿真后，將設計程序中輸入、輸出端口進行引腳綁定并下載到開發(fā)板上EP1C6Q240C8核心芯片中。制作外圍電路如圖8所示，并4路直行方向綠燈信號和4路左轉(zhuǎn)方向綠燈信號接入到開發(fā)板上的8個數(shù)碼管上，調(diào)整外圍電路的輸入電壓，觀察數(shù)碼管狀態(tài)。通過實際測試，8個數(shù)碼管的顯示結(jié)果正常，運行穩(wěn)定、可靠，達到了設計要求。

圖8 外圍電路的原理圖

5 結(jié)束語

利用EDA軟件Quartus II 7.2，采用硬件描述語言VHDL進行編程，實現(xiàn)了智能交通控制系統(tǒng)的設計、仿真，并利用EP1C6Q240C8 FPGA芯片制作成控制系統(tǒng)進行測試，實現(xiàn)了對交通信號燈相對方向不同步的控制功能，可在實際應用中提高城市十字路口的車輛通行效率，緩解城市的交通壓力。本設計具有設計效率高、成本低、可靠性強、維護容易及可擴展性強等優(yōu)點，展現(xiàn)了EDA技術(shù)和FPGA器件在智能交通控制方面應用的優(yōu)越性。

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