西安交通大學(xué) 黃覽小

十字路口車輛通行能否保持較高的效率，將決定城市交通管理水平。本文結(jié)合十字路口交通燈控制要求，采用QuartusⅡ?qū)崿F(xiàn)了交通燈控制電路設(shè)計，并對設(shè)計效果進行了仿真分析。從仿真結(jié)果來看，交通燈控制電路可以在車流量過大時將道路通行時間由60s增加至90s，并在車流量過小時將通行時間由60s減少至30s，因此能夠?qū)崿F(xiàn)十字路口車輛通行量的動態(tài)控制。:

引言：伴隨著私家車數(shù)量的不斷增加，城市交通壓力日漸增大。而加強十字路口交通燈控制，則能起到緩解城市交通堵塞的重要作用。目前在交通燈控制設(shè)計方面，采用傳統(tǒng)的設(shè)計形式已經(jīng)無法滿足交通燈的動態(tài)控制需求。為此，還要引入先進的設(shè)計軟件，采用QuartusⅡ?qū)崿F(xiàn)十字路口交通燈控制電路設(shè)計與仿真分析，提高十字路口的車輛通行效率。

1.QuartusⅡ概述

在現(xiàn)代電子產(chǎn)品設(shè)計方面，主要采用Electronic Design Automation技術(shù)，即EDA技術(shù)。采用該技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對可編程邏輯器件的大規(guī)模運用，并通過硬件描述實現(xiàn)系統(tǒng)邏輯表達，然后進行軟件開發(fā)和實驗，最終利用軟件完成硬件設(shè)計。伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新的軟件工具得到了進一步開發(fā)?，F(xiàn)階段，可以采用能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場編程的QuartusⅡ工具。 QuartusⅡ由Altera公司開發(fā)，屬于綜合性CPLD/FPGA開發(fā)軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)原理圖、VerilogHDL等各種設(shè)計形式的輸入，同時能夠利用內(nèi)部綜合器以及仿真器完成設(shè)計輸入和硬件配置。

2.基于QuartusⅡ的十字路口交通燈控制電路設(shè)計

2.1 設(shè)計要求

設(shè)計十字路口交通燈控制電路，目的在于實現(xiàn)交通燈信號的控制。而十字路口由東南方向主干道和西北方向支干道交叉形成，采用的交通燈有黃、綠、紅三種，綠燈表示通行，紅燈則禁止通行，黃燈為變道提示。在交通燈控制方面，要求使主干道保持長時間綠燈，同時支干道保持長時間紅燈。為此，還要使主干道亮綠燈時長為60s，支干道亮綠燈時長15s。在由綠轉(zhuǎn)紅的過程中，交通燈中間要變?yōu)辄S燈，閃爍4s后再變燈，黃燈亮3s，同時對方也變燈。在緊急特殊的情況下，還要根據(jù)車流量信號Q大小進行交通燈控制，即通過數(shù)控分頻完成各方向通行時間的動態(tài)調(diào)節(jié)。在城市地區(qū)，上下班為高峰期，容易出現(xiàn)交通不暢狀況。想要緩解交通壓力，還要對道路的通行時間進行調(diào)整。比如在道路通暢的情況下，可以通過延長通行時間減輕周圍道路壓力。而在道路堵塞的情況下，則要通過縮短通行時間緩解交通壓力。

2.2 設(shè)計思路

實際進行控制電路設(shè)計，應(yīng)完成數(shù)字電路設(shè)計。而數(shù)字系統(tǒng)由數(shù)據(jù)子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)構(gòu)成，需要利用數(shù)字技術(shù)完成信號處理、傳輸和控制。其中，控制子系統(tǒng)負責(zé)進行命令的發(fā)送，數(shù)據(jù)子系統(tǒng)則要進行命令接收，然后按照命令進行操作。針對數(shù)據(jù)子系統(tǒng)，控制子系統(tǒng)需要完成狀態(tài)信息采集，并實現(xiàn)外部輸入，從而得到相應(yīng)控制命令，所以系統(tǒng)控制電路將決定系統(tǒng)操作順序。在十字路口交通燈控制方面，采用QuartusⅡ軟件完成交通燈控制電路設(shè)計，可以根據(jù)車流量大小實現(xiàn)道路通行時間的調(diào)整，在車輛較少時縮短道路通行時間，在車輛較多時延長道路通行時間，達到緩解城市交通擁堵的目的。利用QuartusⅡ，也能對設(shè)計出的電路進行仿真，確保電路各項控制功能可以順利實現(xiàn)。而設(shè)計的控制電路應(yīng)包含脈沖發(fā)生器、譯碼器、計數(shù)器、狀態(tài)控制器等，大致可以劃分為時鐘電路、狀態(tài)控制電路、閃爍控制電路和計數(shù)電路四部分，能夠利用脈沖發(fā)生器獲得標準時鐘信號源，并利用譯碼器進行控制命令的發(fā)送，然后利用驅(qū)動電路實現(xiàn)交通燈的輸出控制。主控芯片采用Altera公司生產(chǎn)的FPGA芯片，具有響應(yīng)迅速的特點，可以進行交通燈控制信號的實時輸出，完成各方向通行時間動態(tài)調(diào)節(jié)，所以能夠使十字路口車輛通行效率得到有效提高。利用傳感器，可以實現(xiàn)車流量信號采集，然后經(jīng)過濾波、放大等處理得到數(shù)字信號，傳遞至控制芯片。根據(jù)接收得到的信號，芯片能夠?qū)崿F(xiàn)對計數(shù)器計數(shù)進制的實時調(diào)整，因此可以使紅綠燈時長以改變。

2.3 電路設(shè)計

2.3.1 時鐘電路設(shè)計

設(shè)計時鐘電路，可以為交通燈狀態(tài)控制提供時鐘信號，需要產(chǎn)生穩(wěn)定的脈沖信號，作為整個控制電路輸入。在實際進行時鐘電路設(shè)計時，可以采用自激多諧振蕩器，其由LM555CM時基電路構(gòu)成，為集成定時器。在脈沖輸出方面，電路振蕩周期滿足T≈0.7（R1+2R2）C。在周期為1s的情況下，采用10μF的電容和39kΩ固定電阻，則采用的電位器R2大小約為51kΩ。利用相串聯(lián)的固定電阻47kΩ和5kΩ電位器，可以通過調(diào)節(jié)電位器改變電壓輸出波形。

2.3.2 狀態(tài)控制電路設(shè)計

在交通燈狀態(tài)控制方面，按照流程，黃燈是給司機的安全提示，表明車輛通行時間結(jié)束，綠燈則代表車輛可以通行，紅燈則是不能通行。設(shè)計狀態(tài)控制電路，可以根據(jù)計數(shù)器計數(shù)值實現(xiàn)交通燈亮、滅控制。在控制電路處于初始狀態(tài)時，主干道亮綠燈，支干道亮紅燈。想要完成轉(zhuǎn)換，還要利用計數(shù)器計數(shù)值進行各方向上對應(yīng)燈的亮、滅控制，在達到計時時間后使?fàn)顟B(tài)控制器實現(xiàn)狀態(tài)的自動跳轉(zhuǎn)。即M為“0”時，交通燈正常工作，主干道交通燈綠燈亮，經(jīng)過60s，S由100010變?yōu)?000001，亮黃燈，持續(xù)3s后變?yōu)?10100，亮紅燈，持續(xù)15s后變?yōu)?00010，亮綠燈。在M為“1”時，說明道路交通出現(xiàn)了不暢的狀況，需要根據(jù)Q信號值進行道路通行時間調(diào)整。在Q為“0”情況下，說明車流量較小，可以采用30進制計數(shù)器，將60s縮短為30s，確保車輛能夠快速通行，使道路負擔(dān)得到減輕。在Q為“1”的情況下，車流量趨于飽和，需要將60s延長至90s，使車輛擁堵得到減少。因此，還要采用60進制計數(shù)器滿足交通燈正?？刂菩枨?，并采用分頻器實現(xiàn)分頻控制，從而對不同狀態(tài)下的交通燈進行控制。

2.3.3 計數(shù)電路設(shè)計

在計數(shù)器電路設(shè)計上，還要利用兩個74910計數(shù)器連接成八位計數(shù)器，用于實現(xiàn)數(shù)字倒計時顯示，然后利用74163實現(xiàn)交通燈亮滅轉(zhuǎn)換。74190為十進制同步可逆計數(shù)器，能夠異步并行置數(shù)。將兩個74910計數(shù)器分別用于個位和十位計時，可以在低電平時進行加計數(shù)，并在高電平時實現(xiàn)減計數(shù)。在主干道亮綠燈時，計數(shù)器可以置顯示器一定數(shù)值，然后每1s減1進行計數(shù)，直至一次工作循環(huán)結(jié)束。將個位計數(shù)器輸出段利用與門和十位計數(shù)器CLK端連接，則能在個位數(shù)減到0時變?yōu)?，十位計數(shù)器芯片則會實現(xiàn)脈沖輸入，然后減1。根據(jù)狀態(tài)控制器輸出信號和時鐘電路計時時間，計數(shù)器可以完成不同輸出狀態(tài)選擇，使數(shù)碼管與交通燈顯示對應(yīng)，從而達到提示交通燈狀態(tài)的目的。

采用74163計數(shù)器進行燈的轉(zhuǎn)換控制，可以完成四位二進計數(shù)器的預(yù)制，實現(xiàn)禁止、計數(shù)、清零、置數(shù)等功能，可以通過輸入脈沖實現(xiàn)交通燈控制。正常情況下，計數(shù)器滿60，下個時鐘沿將恢復(fù)0，然后進行下一輪計數(shù)。但是，在檢測到M為“1”時，計數(shù)器會暫停工作，并實現(xiàn)復(fù)位清零，然后根據(jù)Q的值利用分頻器完成計數(shù)進制修改，達到分頻控制的目的。直至M重新回復(fù)到“0”，計數(shù)器才會恢復(fù)60進制，交通燈亮、滅也會恢復(fù)原本的狀態(tài)。

2.3.4 閃爍電路設(shè)計

在綠燈閃爍控制上，只有在道路通行時間不超出3s時，交通燈才會持續(xù)閃爍，通過提示保證車輛能夠安全通行。74163在實現(xiàn)數(shù)值輸出時，在輸出值小于3時，QC、QD輸出為0，需要利用或非門電路實現(xiàn)高電壓輸出，使之與脈沖信號相減，得到3s連續(xù)脈沖。脈沖通過與綠燈電路結(jié)合，則能實現(xiàn)3s閃爍。

3.基于QuartusⅡ的十字路口交通燈控制仿真實現(xiàn)

為確定十字路口交通燈控制電路設(shè)計效果，還要利用QuartusⅡ?qū)崿F(xiàn)控制電路的仿真分析，實現(xiàn)電路輸出控制的進一步調(diào)整。電路采用的控制芯片為EP1C6Q240C8，還要利用QuartusⅡ7.2軟件實現(xiàn)輸出測試，確定電路板上信號燈變化情況。在實際進行仿真分析時，還要利用QuartusⅡ完成工程文件編譯、引腳鎖定和仿真，然后進行外圍電路和輸入CLK的連接，利用JTAG端口完成程序下載和測試。從仿真結(jié)果來看，在主干道綠燈亮?xí)r，一旦檢測發(fā)現(xiàn)車流量超出了設(shè)定值1的情況下，道路通行時間就由原本60s提高至90s。而在檢測發(fā)現(xiàn)車流量小于設(shè)定值0的情況下，道路通行時間由60s縮短至30s。在車流量正常的情況下，主干道則保持60s的通行時間。此外，綠燈在通行時間≤3s時開始閃爍，黃燈亮?xí)r間可以達到4s。由此可見，設(shè)計的控制電路能夠?qū)崿F(xiàn)對十字路口交通燈的準確控制，并且可以根據(jù)各方向的交通情況實現(xiàn)通行時間的動態(tài)調(diào)節(jié)，因此能夠使十字路口車輛通行效率得到提高。

4.結(jié)論

通過研究可以發(fā)現(xiàn)，采用QuartusⅡ軟件進行交通燈控制電路設(shè)計，可以根據(jù)十字路口車流量情況實現(xiàn)道路通行時間動態(tài)控制，并通過仿真分析確定控制效果，所以能夠滿足交通燈控制設(shè)計要求。在城市道路交通管理方面，采用該種方法實現(xiàn)交通燈的控制管理，則能有效預(yù)防交通不暢，使城市道路資源得到最大化利用。但是在日常交通管制工作中，十字路口的位置時常會發(fā)生緊急或特殊情況，如何實現(xiàn)交通燈的特殊處理依然是值得思考的難題，因此還應(yīng)實現(xiàn)對該問題的深入研究，以便更好的滿足城市交通的管理需求。