基于FPGA的校内十字路口红绿灯控制系统设计实现

陈春先 曲鸣飞 张丽 辛义

【摘要】    本文就校内的十字路口，设计了基于FPGA的红绿灯控制系统，该课题采用当下比较前沿的技术FPGA并且可以使得系统具有电路简单，可靠性强、运算速度高的特点。系統通过功能扩展、接口扩展可同时控制多个路口的红绿灯变换， 并实现具有根据需要实时快速擦写应用程序的功能，为校园安全增添实时保障。

【关键词】    红绿灯控制系统    FPGA

引言

伴随社会经济的不断发展，人们的生活质量得以较大提高，近乎家家都有小轿车，当然校园内的大学生们，也随着与社会接轨程度的加深，开车的逐渐增多，加之校园教职工的车辆，校园安全便增加了一项不可忽略的重点，那就是校园车辆的行驶安全，尤其是路口的安全便尤为突出。

为解决上述问题，经过调查研究，本文设计了一种基于FPGA的控制系统，FPGA 具有可编程、高集成度、高速和高可靠性等优点，通过配置器件内部的逻辑功能和输入/输出端口，将原来电路板级的设计放在芯片中进行，提高了电路性能，降低了印刷电路板设计的工作量和难度，有效提高了设计的灵活性和效率。

系统可以根据校园实际情况实时更换控制功能，比如可以寒暑假期间与学期间设置不同的等灯时长，对于系统只需要改几个数字重新下载即可，具有较好的可扩展性，系统维护也比较简单。

一、功能需求及系统组成

1.1功能需求

为保证校园内十字路口行人和车辆有序通行， 控制需求如下：

（1）A向B向各设一组左拐灯，红、绿、黄灯，显示顺序为：绿—黄—左拐—黄—红

（2）双向各设置一组倒计时显示器

A 向左拐、绿、黄和红灯显示时间分别为10S，40S，5S，50S;

B 向左拐、绿、黄和红灯显示时间分别为10S，30S，5S，60S;

（3） 期望有五种控制模式，可以通过控制开关进行切换，以应对工作日及假期需求

方式1：A向绿灯长亮，B向红灯亮;

方式2：A向左拐灯长亮，B向红灯亮;

方式3：B向绿灯长亮，B向红灯亮;

方式4：B向左拐灯长亮，A向红灯亮

方式5：自动按双向灯的显示要求交替循环。

（4）须有硬件复位控制

1.2系统组成框图

根据需求调研，该控制系统功能框图如下图1所示：

采用FPGA设计实现，不仅可以降低成本，缩短设计周期，还能保证设计正确性。

二、系统硬件平台

设计研发阶段，特采用 Basys2开发板作为硬件平台，其中资源足以实现设计任务，该平台的资源框图如图2所示：

赛灵思公司的Spantan3E-100CP132作为控制器，外围输入用3个拨动开关作为方式控制开关和系统复位开关，8只发光二极管模拟双向的左转、红、黄、绿灯，4个LED数码管正好模拟双向的信号灯计时数。

三、系统软件平台

Xilinx的 开发工具ISE，集成了FPGA开发需要的所有功能，提供了一个功能强大的设计收敛环境。ISE的主要功能包括设计输入、综合、 仿真、实现和 下载。

四、控制系统设计

4.1交通灯控制器功能设计

控制器需要具备控制电路模块、计时模块、译码模块、动态扫描显示模块等，如下图3所示。

依据控制器系统框图，顶层电路设计如下所示，由控制模块JTD_CTRL、 分频模块、计时模块和译码显示模块四部分组成。CLK50M是硬件平台提供的50MHz时钟源，M（2：0）是控制方式拨动开关输入，CLR为系统复位按键，输出信号ABL（7：0）为信号灯显示控制信号，接8只发光二极管，模拟AB双向的左拐、黄、绿、红灯，LED（6：0）为7段LED的段选控制信号，SEL（3：0）为4个LED的位选控制端。

4.2逻辑控制电路

该模块根据外部信号产生系统状态机，控制其它模块协调工作。

自动模式下，状态机生成8个状态转换，八个状态S0—S7逻辑抽象如下：

S0（000）：A向红灯，B向黄灯5s; S1（001）：A向绿灯40s，B向红灯; S2（010）：A向黄灯5S，B向红灯; S3（011）：A向左转灯10s，B向红灯; S4（010）：A向黄灯5S，B向红灯; S5（011）：A向红灯，B向绿灯30s; S6（110）：A向红灯，B向黄灯5s; S7（111）：A向红灯，B向左转灯10s;

手动模式下，状态机生成4个状态，分别是 S1、 S3、 S5 、S7。

4.3分频

该模块根据平台提供的50MHz时钟信号，分频出1KHz和1Hz，1Hz时钟信号给控制模块和计时模块，1KHz时钟信号给显示控制模块，动态扫描4个LED数码管

4.4计时控制

该模块根据分频提供的1Hz时钟信号，减1计数，为显示电路提供倒计时时间，每种状态下的倒计时时间见前文中状态的逻辑抽象。

4.5扫描显示

该模块对计时单元输出的计时信号进行译码，生成段选码和位选码，分频单元输出的1KHz时钟信号对4位数码管动态扫描。

4.6扫描显示

该模块对计时单元输出的计时信号进行译码，生成段选码和位选码，分频单元输出的1KHz时钟信号对4位数码管动态扫描。

4.7译码驱动

该模块对逻辑控制单元输出的状态机进行译码，生成A向和B向红绿黄灯的显示信号，输出的信号ABL7-ABL0与灯的对应A向左转、A向黄灯、A向绿灯、A向红灯、B向左转、B向黄灯、B向绿灯、B向红灯

五、 综合验证

软件平台提供的综合工具可以对设计文件查找语法错误，修正之后，对部分模块进行仿真测试，验证逻辑功能符合设计需求。

六、约束设计、布局布线、生成可编程代码、下载、测试、修正

结合系统设计输入输出和选定的硬件测试平台BASYS2， 资源分布完成后，布局布线，生成.bit文件，下载到硬件平台，功能测试并调试设计过程，本设计经测试，完全可以实现设计预期。

参  考  文  献

[1] 蒋敏.VHDL语言与数字系统的设计. 应用科技.2010

[2] 罗勇. 基于FPGA的交通灯控制与实现. 电子器件.2008.

[3] 蒋敏. VHDL语言与数字系统的设计. 应用科技，2010.