張丙辛，賈欣蕊

（哈爾濱工程大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001）

以往在采集數(shù)據(jù)過程中，單片機(jī)對(duì)ADC、存儲(chǔ)器與外圍電路內(nèi)。直接采用MCU調(diào)控各路AID轉(zhuǎn)換過程，一方面，增加了I/O資源的占用量；另一方面，也耗用過多時(shí)間調(diào)控與檢測(cè)A/D過程。FPGA技術(shù)有時(shí)鐘頻率高、內(nèi)部延時(shí)短暫、運(yùn)轉(zhuǎn)快速、工效高等諸多優(yōu)勢(shì)，帶有充實(shí)的I/O儲(chǔ)備資源，在采集多路數(shù)據(jù)上表現(xiàn)出強(qiáng)大的適用性，能快速、高效率地完成數(shù)據(jù)處理任務(wù)，有廣袤的應(yīng)用空間。

1 設(shè)計(jì)以FPGA技術(shù)為基礎(chǔ)的多路并行通信系統(tǒng)

針對(duì)信道內(nèi)傳送的信息，若有目的性地進(jìn)行擾亂，則被接收信號(hào)質(zhì)量降低是必然事實(shí)，后果通常是信息量降低或傳送過程切斷。解讀目標(biāo)信號(hào)時(shí)域或轉(zhuǎn)換域內(nèi)的屬性，為提升信號(hào)綜合利用率提供理論支持。近年來，DSP、FPGA技術(shù)的研發(fā)均有跨越式發(fā)展，本文擬定基于DSP、FPGA研發(fā)設(shè)計(jì)出信號(hào)采集系統(tǒng)。

1.1 規(guī)劃設(shè)計(jì)模擬電路

模擬、數(shù)字電路均是系統(tǒng)硬件電路的重要構(gòu)成，前者的作用以放大處置輸入信號(hào)為主，多配置放大器等精密度較高的裝置。歷經(jīng)規(guī)范化處理流程后獲得三路輸出信號(hào)，其中，有兩路被傳送至數(shù)字電路內(nèi)并轉(zhuǎn)型為控制信號(hào)，另一路則被整合至A/D轉(zhuǎn)換電路內(nèi)。數(shù)字電路聚集成FPGA（EPF10K20TC144-4）芯片，A/D轉(zhuǎn)換芯片（AD1674）功能在于把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)型為數(shù)字喜好，而后調(diào)控信號(hào)流通及各類控制模塊。當(dāng)探測(cè)儀感知并探測(cè)到信號(hào)后，順勢(shì)將其傳送至放大電路內(nèi)，首級(jí)前置線性放大電路對(duì)脈沖信號(hào)做出放大處置。模數(shù)電路的作用主要是將擬化量轉(zhuǎn)型成數(shù)字量，其驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)編譯過程，為計(jì)算機(jī)處理操作創(chuàng)造便利條件。模數(shù)電路精確度高低是影響其分辨率、轉(zhuǎn)化準(zhǔn)確度的主要因素，因此，在選定分析器AID芯片時(shí)，需綜合考慮轉(zhuǎn)換速率、精度指標(biāo)。AD1674芯片有12位，轉(zhuǎn)換時(shí)間10μs，非線性為±1/2LSB，功耗200MW。

圖1 通信信號(hào)采集程序圖

1.2 規(guī)劃設(shè)計(jì)采集程序

擬化人類對(duì)模糊信息的闡述形式，推導(dǎo)出模糊控制算法，基于個(gè)體既往知識(shí)總結(jié)形成的模糊規(guī)則庫和模糊處理后的參照值一一匹配，導(dǎo)出逆模糊化數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)傳遞出的最后決策和人腦做出的邏輯化推理有高度相似性。模糊調(diào)控比較計(jì)算機(jī)和規(guī)則庫后，將其轉(zhuǎn)型為具有較高辨識(shí)度的語言（如圖1）。

交通控制系統(tǒng)在運(yùn)作過程中，針對(duì)接收到的信號(hào)要做出相應(yīng)的轉(zhuǎn)換等處置。大部分情景下，使用MCU調(diào)控通信控制系統(tǒng)階段，受自身指令周期策的約束，通常會(huì)造成其運(yùn)轉(zhuǎn)過程遲緩，因此，本次設(shè)計(jì)中使用編程難度較小、快速運(yùn)行的FPGA芯片。在設(shè)計(jì)信號(hào)采集系統(tǒng)實(shí)踐中，F(xiàn)PGR技術(shù)運(yùn)行時(shí)需有兩塊FPGA芯片輔佐，一塊安放于采集系統(tǒng)的發(fā)送端，另一塊被定位于A/D轉(zhuǎn)換器與運(yùn)算放大器共同構(gòu)成的信號(hào)接收端。

2 通信信號(hào)采集處理實(shí)踐

2.1 相位采集控制

在信號(hào)采集系統(tǒng)運(yùn)作過程中，控制器發(fā)揮協(xié)調(diào)作用。ADC0809地址選擇器對(duì)各道通道采集信息過程均能產(chǎn)出控制行為，而后針對(duì)存管于RAM內(nèi)的ADC0809二進(jìn)制數(shù)據(jù)，程序自動(dòng)建設(shè)讀寫模型并作出闡釋（如圖2）。

在相同時(shí)間點(diǎn)于十字路口落實(shí)兩個(gè)不同方向的采集任務(wù)所用時(shí)間，被統(tǒng)稱為相位。在現(xiàn)實(shí)交通調(diào)控內(nèi)，單個(gè)十字路口一般會(huì)被細(xì)化為東、南、西、北四方向的直行向與轉(zhuǎn)彎向，因此單個(gè)十字路口持有四種相位。為確保系統(tǒng)能快捷辨識(shí)、采集數(shù)據(jù)信息，于多路并行工況下能快速轉(zhuǎn)變信道方位信息，將客觀因素對(duì)信號(hào)波段形成的擾動(dòng)降至最低。因此，本文提出了采用多相位控制法（如圖3）。

圖2 基于四相位十字交叉路口通行圖

圖3 多相位控制法

該控制法由數(shù)個(gè)小型相位流程構(gòu)成，對(duì)不同流程任務(wù)間信息流做出交融處理，達(dá)成全面采集、高效率共享通信信息資源的目的。本系統(tǒng)中的任意一個(gè)小程序均可追隨另一個(gè)程序任務(wù)的運(yùn)作節(jié)奏，同步落實(shí)收集信息的任務(wù)，并經(jīng)由最后的通信機(jī)制傳送與處理信息。

2.2 建設(shè)采集神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

為達(dá)成自動(dòng)化控制，應(yīng)先檢測(cè)通行車輛有關(guān)參數(shù)。把控制器安置于十字路口中間部位，而后將流量測(cè)控儀安設(shè)于各條路段的入口端，把用于檢測(cè)地感線圈的檢測(cè)儀敷設(shè)于和各條路面下端相距100m處。用于測(cè)定即時(shí)相位車輛的同行頻率，并將其設(shè)定為做出是否測(cè)定下一個(gè)相位決策的重要憑據(jù)。結(jié)合動(dòng)態(tài)采集到的車流信息，有規(guī)劃地調(diào)整相位次序，進(jìn)而滿足不同工況條件下提出的交通需求。

基于模糊算法概念，若檢測(cè)到某相位車流量數(shù)值偏低時(shí)，可減縮對(duì)應(yīng)相位啟動(dòng)時(shí)間。為降低誤檢風(fēng)險(xiǎn)，確保背后列隊(duì)車輛安穩(wěn)、有序推進(jìn)，在相位啟動(dòng)10s后采允許檢測(cè)器運(yùn)作。而若一相位上車流偏多時(shí)，則建議適當(dāng)延長(zhǎng)相位的啟動(dòng)時(shí)間，但分析到其他相位上車輛狀態(tài)，因此，要明確規(guī)定不能超出預(yù)定的時(shí)長(zhǎng)上限值。為更有效地調(diào)控相位啟動(dòng)的時(shí)間參數(shù)，本文規(guī)劃了圖4所示的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

結(jié)合業(yè)內(nèi)對(duì)模糊算法做出的定義，當(dāng)檢測(cè)到某個(gè)相位的車流量減少時(shí)，可以短縮該項(xiàng)目啟動(dòng)的時(shí)間長(zhǎng)度。為規(guī)避誤檢情況，確保后面排隊(duì)的車輛能安全順利通行，在相位啟動(dòng)后10s檢測(cè)器才開始運(yùn)作。

以FPGA為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)出的交通控制系統(tǒng)測(cè)算快速、過程安穩(wěn)、能快捷性地調(diào)控各相位狀態(tài)等，這就預(yù)示這改系統(tǒng)能及時(shí)收集到車多路并行車流量信息，基于模糊算法深度分析后，有針對(duì)性地進(jìn)行調(diào)控。為有效彌補(bǔ)現(xiàn)存交通控制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)暴露出的不足，進(jìn)而更有效地應(yīng)對(duì)城鎮(zhèn)區(qū)特殊時(shí)期交通阻塞的問題，利用VHDL語言編程設(shè)計(jì)信號(hào)采集系統(tǒng)，并且于Quartus II平臺(tái)仿真擬化系統(tǒng)運(yùn)作模式。仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)能結(jié)合車流動(dòng)態(tài)改變情況，快速做出切實(shí)可行的整頓措施，如圖5。

圖4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2.3 數(shù)據(jù)處理

在數(shù)據(jù)處理模塊中，DSP先利用BOOTLEADE流程，將存儲(chǔ)在Flash內(nèi)的程序代碼遷徙至芯片內(nèi)RAM，快速運(yùn)轉(zhuǎn)流程。程序先進(jìn)行初始化，落實(shí)至雙口RAM的通信。收集的數(shù)據(jù)短期內(nèi)會(huì)被存儲(chǔ)于雙口RAM內(nèi)，當(dāng)采集的數(shù)據(jù)達(dá)到一定量并可以建組時(shí)，DSP芯片對(duì)其做出處理。

本系統(tǒng)自適應(yīng)濾波器使用16階FIP濾波器，用等同信號(hào)作為參照信號(hào)d（n）與輸入信號(hào)x（n），選用上一時(shí)刻測(cè)算出的偏差值對(duì)本時(shí)刻濾波器系數(shù)做出修正。用自適應(yīng)濾波算法處置一路輸入信號(hào)x（n）以后，CCS3.3于計(jì)算機(jī)上能動(dòng)態(tài)化的呈現(xiàn)出處理后的波形。

3 統(tǒng)計(jì)與分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為更好地迎合系統(tǒng)對(duì)功能與技術(shù)提出的要求，擬定對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擬化檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果表明：不同電路模塊持有的各功能指標(biāo)均具有較高的邏輯性，系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)處置結(jié)果和軟件仿真后產(chǎn)出值間完全統(tǒng)一，提示能高效率地調(diào)控多路并行車流量。圖6為模擬仿真結(jié)果。

圖5 通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)程序圖

圖6 并行通信信號(hào)仿真結(jié)果圖示

和傳統(tǒng)并行通信信號(hào)相位檢測(cè)結(jié)果，能清楚地認(rèn)識(shí)到在計(jì)算機(jī)協(xié)助下，建設(shè)現(xiàn)實(shí)交通情況的仿真模型，能更精確的預(yù)估交通狀態(tài)，在采集多路并行通信信號(hào)方面表現(xiàn)出良好效能。并且在信號(hào)冗雜繁多的工況下，該系統(tǒng)運(yùn)行過程相對(duì)穩(wěn)定，信號(hào)傳導(dǎo)過程步調(diào)基本統(tǒng)一，基本無偏差形成，和傳統(tǒng)法相比，用時(shí)減少率高于50.0%。

4 結(jié)語

現(xiàn)代私家車數(shù)量有不斷上漲態(tài)勢(shì)，城市交通堵塞成為廣大公眾關(guān)注的一個(gè)社會(huì)性問題。交通控制系統(tǒng)在交通系統(tǒng)內(nèi)占據(jù)核心地位，因此，本文規(guī)劃設(shè)計(jì)了以FPGA技術(shù)為基礎(chǔ)的信號(hào)采集系統(tǒng)，通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)能快捷地采集車輛的通行頻率，促進(jìn)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)源交互過程，且還能智能化做出有關(guān)調(diào)控策略，實(shí)用性較強(qiáng)。