基于FPGA的自适应交通信号系统设计与实现

闵富红， 褚周健， 王恩荣， 叶彪明

(南京师范大学 电气与自动化工程学院， 南京 210042)

基于FPGA的自适应交通信号系统设计与实现

闵富红， 褚周健， 王恩荣， 叶彪明

(南京师范大学 电气与自动化工程学院， 南京 210042)

针对当前道路车辆逐渐增多，固定配时方案的交通信号系统无法满足复杂车流变化的情况。提出将感应控制方式融入到交通信号系统中，并与定时配置方案相结合，采用FPGA技术设计一种自适应的交通控制系统。通过Verilog语言编写各模块的控制程序，在QuartusⅡ软件环境下进行综合编译与仿真验证，设计出能够采集路口车流信息并实时反馈、自动调整配时方案的交通信号控制系统。然后，结合开发板模块电路，选择合适的电子器件，设计车流检测和交通信号模拟显示电路，并通过管脚约束的方式，完成外接模拟显示电路与开发板的硬件连接，下载程序并调试运行。最终，在实验室完成自适应交通信号系统的硬件电路调试。

交通系统； 现场可编程门阵列； 自适应控制； 仿真实验； 硬件电路

0 引 言

目前，我国汽车保有量在世界上所占比重逐渐加大，道路上车辆大幅度增加，尤其是一二线城市，交通问题已经严重影响了人们的日常出行，交通信号作为交叉路口车辆通行的规则，能够保证车辆安全、高效的通过路口，合理配置控制信号的周期和相位，减少车辆在路口不必要的等待和延误，是缓解交通拥堵的有效手段。然而，目前绝大多数路口使用的依然是固定模式下的定时配时方案，无法满足当前车辆猛增、路口不同时段的复杂车流量情况，极易造成交叉路口的拥堵，排队过长，陷入恶性循环[1-4]。

本文将基于FPGA数字技术[5-9]，采用硬件描述语言Verilog进行编程，设计出能够采集路口车流量信息并作为判断依据，并实时调整路口交通信号相位及周期的配时方案的自适应控制的交通信号系统。

1 系统设计方案及结构

目前，路面上的交叉路口有丁字路口、三岔路口、十字路口、五叉路口等[10]，其中以十字路口居多。本次交通信号系统以一个十字路口为控制对象，设计车流检测的传感器电路，用于检测一定时间内通过路口的车流数据，同时将数据进行实时保存，并反馈到主芯片中进行处理，从而确定下一周期路口的配时方案[11-12]。

十字路口的相位转换以四相位的8个状态来设计，即在单方向上遵循直行绿灯→黄灯→左转绿灯→黄灯→红灯，当其中一个方向上非红灯常亮时，另一方向，红灯常亮，同时对每个相位分别进行赋值并倒计时，相位信号与倒计时同步跳转。根据这一基本交通信号设计原则，同时依据路口车流量在短时间内不会突变的规律，以某一路口周期内实际的统计数据和经验累计，得到8组不同车流数据下各个相位的具体配时方案，如表1所示。

表1 相位配时方案表 s

表1中，将检测到的车流数据分为8个区间，其中车流量n<10时相位采用最短周期的配时方案，n>41时系统采用最长周期配时方案，在10～41之间每组均对应一个唯一的配时策略。其中,第1相位表示主干道方向上直行绿灯的配时时长；第2相位为主干道左转方向上的绿信配时时长；第3相位表示次干道直行方向绿灯时长；第4相位为次干道左转方向绿信时长。4个相位转换期间配以5 s黄灯过度时间，每个相位的具体配时加上总黄灯延误时间即为一个周期的配时时长。

自适应交通信号系统的设计以主芯片型号为EP2C5T144C8N的飓风2代FPGA开发板为核心器件，结合其电源模块电路、复位模块电路、时钟模块电路以及下载配置电路等，设计车流检测电路及外接模拟显示电路，并焊接实物，与开发板上的通用I/O口通过管脚约束的方式完成硬件连接，组成完整的交通信号系统。其次，采用硬件描述语言Verilog通过模块化的方式，对系统各个模块加以编程。本次设计的模块主要包括时钟分频模块、车流检测及统计模块、信号转换模块、相位赋值模块、倒计时模块、译码显示模块以及自适应决策模块[13]。系统控制模块结构如图1所示。由于所用到的时钟信号为1 Hz，系统自带的时钟信号为50 MHz，因此首先对其进行分频，作为各个相位配时及倒计时的时钟信号。然后，通过车流检测传感器采集车流数据并进行统计，将数据实时反馈到开发板主芯片中，通过查表自适应决策相应的配时方案并相位赋值输出，数码管显示倒计时，信号灯同步进行相位转换，实现信号系统的实时自适应控制。

图1 系统控制模块结构图

2 车流检测电路的设计

依据上述系统控制模块的结构，先要对车流检测及采集模块进行设计。目前路面上所采用的车流检测装置有压电式、环形线圈式、微波式、视频式以及红外线式等[14-16]。本设计为在实验室范围内模拟运行，选择红外检测器作为系统的车辆检测装置。工作原理是由调制脉冲发生器产生调制脉冲，并由红外探头向外辐射。当有车辆经过时，发射出的红外线脉冲反射回来，被接收管接收，经红外解调器解调，再通过选通、放大、整流和滤波后出发驱动器输出检测信号。

红外车流检测电路的设计是选用型号为ST188的红外光电传感器作为核心器件，它是由发射二极管和接收管组成，实物图和内部电路图如图2所示。A、K是红外发射二极管的正负极，C、E是接收管的正负极。使用时只要将A极接高电平、K极接低电平，红外发射管就能发出红外线，C极接高电平、E极接低电平便可正常接收反射回来的红外线。单独使用ST188时会出现较大的死区，因而，一般会在传感器外围加上电压比较器作为辅助电路，来提高红外检测器的可靠性和灵敏度。图3为本次设计的车流检测电路原理图。电路左侧为ST188红外传感器，右侧为型号为LM393的电压比较器与传感器相连构成辅助电路，电压比较器同相端与红外传感器的输出端直接相连，反相端接一个电位器，用于调整检测器的灵敏度，电压比较器输出端接一个LED灯以方便观察检测器工作状况。当没有车辆经过反射红外线时，CE之间截止，无电流流过，传感器输出端输出电源电压为高电平，电压比较器输出高电平，LED灯不亮，当有车辆经过反射红外线时，CE之间导通，输出端相当于接地，红外传感器输出电压为低电平，LED灯亮。同时将检测器的输出端与开发板相连，将得到的高、低电平作为采集和统计信号，传送到开发板中进行处理，实现自适应控制。

(a)(b)

图2 ST188实物图(a)和内部电路图(b)

图3 红外车流检测器电路原理图

3 系统软件设计及仿真

自适应交通信号系统控制模块的设计是通过Verilog语言进行编程，所涉及的模块有时钟分频模块、车流检测及统计模块、信号转换模块、相位赋值模块、倒计时模块、译码显示模块以及自适应决策模块。时钟分频模块是针对FPGA开发板自带的50 MHz的时钟信号进行分频，得到交通信号所需的1 Hz信号，并在此时钟信号下进行各个模块计时控制；车流检测及采集模块是将车流检测电路所采集到的路口车辆数据实时的加以统计并反馈到芯片中，作为配时方案选择的依据；信号转换模块是对十字路口双向直行绿灯、左转绿灯、黄灯和红灯四种信号灯根据相位转换的次序进行控制；相位赋值模块是按照配时方案表对各个相位的时长进行分配，与信号转换实现同步控制；倒计时模块是对各个相位上的赋值时长，在时钟信号下，进行倒计时处理；译码显示模块是针对路口显示倒计时间的数码管进行译码显示控制；自适应决策模块是写入在不同车流范围下的8组不同配时方案，依据车流的统计数据进行选择调用。系统控制模块的软件设计流程如图4所示。

图4 软件设计流程图

最后，按照软件设计流程对各个模块进行编程，并将编写完毕的程序在QuartusⅡ软件平台下进行综合编译，编译无误后选择输入输出信号创建波形文件，然后配置合适的参数并进行仿真，以验证设计功能的正确性。为了验证自适应交通信号系统的设计功能，输入脉冲信号，模拟通过的车流数据，选取其中3组车流数据范围，进行仿真验证，仿真波形如图5所示。

(a) n≤10

(b) n∈[21，25]

(c) n≥41

程序设计中，信号灯共阳极，高位公共连接，低位点亮。当车流小于10时，仿真波形图5(a)所示。系统工作在最小周期下，此时主干道南北方向第1相位赋值为7，转换成二进制0111，第4相位直行绿灯信号点亮，同时赋值15 s倒计时，然后跳转成11，即1011，第3相位的黄灯点亮5 s，接着信号相位赋值为13，即1101，第2相位信号灯点亮15 s，最后是11的黄灯倒计时5 s，完成南北方向4个相位状态的切换，赋值14，即1110，红灯点亮，相位赋值为南北向4个状态时长总和40 s。南北方向进入红灯信号，时长为40 s，在此期间，次干道东西方向上由直行绿灯、黄灯、左转、黄灯4个相位状态依次跳转，分别赋值为15、5、15以及5 s，各相位赋值与配时方案表最小周期的相位赋值一一对应。当检测车流数据在21～25之间时，仿真波形图5(b)所示，主干道南北方向上第一相位赋值为7，直行的绿灯信号点亮，同时其相位时长延长至30 s，东西方向赋值14，红灯信号打开，信号配时延长至60 s。当给入车流数据大于41时，仿真波形如图5(c)所示，主干道南北方向上第一相位绿信时长为50 s，次干道东西方向红灯信号时长90 s，配时方案得到进一步的延长，同时，各方向上信号按照直行绿灯、黄灯、左转、黄灯4个相位状态顺序依次跳转，且各相位配时方案与配时方案表的查询结果相一致。

通过3组不同车流数据下的仿真，验证了系统能够根据采集到的不同车流数据，自动调整相位以及周期配时方案，且配时方案与配时数据表一一对应。选取3组数据分别为两个临界值和一个中间值，对应了最小周期、最长周期以及一个中间范围的周期，更具代表性，从而验证了本次实时自适应交通系统控制器功能设计的正确性。

4 硬件电路及实验验证

自适应交通信号系统的硬件电路包含FPGA开发板的集成模块电路，以及外接显示和车流检测电路。设计中所使用到的开发板集成模块电路有电源电路、配置下载接口电路、复位电路、时钟晶振电路等，集成模块电路通过软件设计，配置参数进行选择调用。外接的显示电路包括相位显示的信号灯和译码显示的数码管电路，信号灯选用黄、绿、红三色的LED灯代替，每个路口分别设置直行绿灯、黄灯、左转绿灯和红灯各四盏，4个路口共16盏，同向的LED灯接相同的控制信号，统一工作。同时，在各个路口设置相应的数码管显示倒计时时间，模拟交叉路口的交通系统运行。车流检测电路在之前已做过详细介绍。外接的硬件电路原理图如图6所示。

外接硬件电路中，信号灯作为相位显示硬件模块，采用共接高电平的方式连接，经电阻悬挂端与开发板经过管脚约束直接相连，双路口总共需要8个引脚接口，低电平时对应的信号灯点亮。二位共阳极数码管经过三极管放大驱动，三极管基集经电阻悬挂端经过引脚分配与开发板公共I/O口相连，进行位选，占用8个引脚接口，同时将数码管段码信号进行约束分配，双向两组，每组8个信号，共占用16个引脚接口，最后经过段选和片选，实现动态扫描工作。红外光电传感器放置于主干道路口，当有车辆经过时，在一个相位周期内对所有经过的车辆统计计数，并将检测到车流数据经与FPGA开发板相连的比较器输出端发送到芯片中进行处理，实现控制功能。

图6 外接电路原理图

最后，将外接硬件电路按原理图进行实物焊接，同时在QuartusⅡ软件中选择开发板器件型号，对其管脚进行约束，选用其中44个I/O口分别作输入输出的引脚分配，按照分配的规则完成开发板与外接电路的硬件连接。上电调试打开控制开关，系统直接运行在最短周期下，南北方向直行绿灯15 s倒计时，东西方向红灯显示40 s开始倒计时。然后模拟车辆经过路口，触发传感器并使其计数，其具体运行结果如图7所示。

(a) n≤10

(b)n∈[21,25](c)n≥41

图7 硬件运行结果图

硬件调试时，选取3组不同的车流数据进行测试。当在一个相位周期内模拟车流量在10以下时，系统继续工作在最小周期下，此时南北方向第一相位直行绿灯显示15 s，然后5 s黄灯，接着是15 s左转信号灯亮，最后5 s黄灯倒计时，完成南北方向4个状态转换。其间东西方向红灯亮40 s，与南北4个状态时间总和一致。然后南北方向进入40 s红灯倒计时，东西方向由直行绿灯、黄灯、左转、黄灯4个相位状态依次跳转，分别赋值为15、5、15以及5 s；当模拟车流量在21～25区间内，南北方向初始相位配时为30 s，东西方向红灯亮60 s，信号周期时长配置115 s，各方向上相位配时以及周期得到延长，系统运行在中间某一周期；当模拟车流量超过41辆时，系统工作在最长周期下，南北方向初始直行绿灯相位配时50 s，东西方向红灯亮90 s，然后两个方向分别按照相位次序进行状态转换，相位赋值数据以及周期配时得到进一步延长。由此可见，当系统检测到相应车流数据，保存并反馈到下一周期，能够实时自动调整其相位和周期的配时方案，且其配时数据与配时方案表一一对应。

通过硬件模拟运行试验，可以证明所设计的车流检测装置能正常检测通过的车辆并计数，同时能够将数据反馈到FPGA主芯片中，判断并准确地输出唯一对应的配时方案。交通信号相位显示的信号灯与倒计时能够在周期内完整的协调运行，验证了本次自适应交通信号系统的设计功能。

5 结 语

本文基于FPGA技术，选择飓风二代的FPGA开发板器件，结合其部分集成模块，设计车流检测以及硬件显示电路。通过硬件描述语言Verilog编写各个模块的控制程序，在QuartusⅡ软件开发环境中对其加以综合编译，并进行仿真验证。然后，通过管脚约束的方式，分配各个输入输出引脚，完成外接焊接实物电路与开发板之间的硬件连接，下载程序并进行调试运行。最终设计出能够实时采集路口车流数据，并根据车流量自适应调整相位及周期配时时长的交通信号控制系统。综合对比传统的交通信号控制系统，这里的设计有很大改进之处，在一定程度上可有效疏导路口交通秩序、缓解交通压力，对改进国内交通信号系统有一定参考价值和实际意义。此外，本文内容是大学生的创新实践训练课题，对培养应用型人才有具有很好的促进作用，有利于学生软硬件的正确掌握，通过训练增强了其动手实践能力和创新能力。

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·名人名言·

提出一个问题往往比解决一个问题更重要，因为解决问题也许仅是一个数学上或实验上的技能而已。而提出新的问题、新的可能性，从新的角度去看旧的问题，都需要有创造性的想像力，而且标志着科学的真正进步。

——爱因斯坦

Implement and Design of Adaptive Traffic Signal System through FPGA Technology

MINFuhong，CHUZhoujian,WANGEEnrong,YEBiaoming

(School of Electrical and Automation Engineering, Nanjing Normal University, Nanjing 210042, China)

The number of vehicles in the road increases gradually, traffic signal control system with fixed timing scheme is unable to meet the complex changes in traffic. In this paper, the induction control is integrated into the traffic signal system, combined with fixed cycle timing scheme. The program of traffic control system is designed based on the technology of FPGA, and then the written program with Verilog is compiled and simulated in Quartus Ⅱ. The adaptive traffic signal control system is designed to adjust automatically the traffic signal timing plan through the traffic flow information collected by the traffic detector. Then combing with different model circuits, the traffic detection circuit and traffic signal display circuit are carried out and welded. The connection of FPGA and hardware circuits is finished through the constraints of pins and is debugged. Finally, the hardware debugging of the adaptive traffic signal system is completed in the laboratory. It is practical significance for improving the traditional traffic control system which is easy to cause traffic congestion.

traffic system; field programmable gate array(FPGA); adaptive control; simulation experiments; hardware circuit

2016-06-15

江苏省研究生教育教学改革研究与实践课题(JGLX16_016)；南京师范大学研究生精品学位课程(201517)

闵富红(1970-)，女，江苏海安人，博士，副教授，研究方向：信号与电路系统。

Tel.: 025-85481045；E-mail：minfuhong@njnu.edu.cn

TP 391.9

A

1006-7167(2017)03-0137-05