FPGA在智能交通产品中的应用研究

摘 要传统的交通控制策略常常造成单方向的交通拥堵，造成单方向交通延误时长较大。为了解决目前传统交通控制策略的缺陷，基于不同的情景构造相应的智能交通控制系统，并在FPGA上模拟。通过模拟发现，FPGA技术能够有效的应用于智能交通产品的开发和利用当中。

【关键词】智能交通 系统 FPGA 产品

1 FPGA简介

FPGA是一种新型的可编程逻辑器件，是著名可编程逻辑器件厂商Altera在20世界80年代推出的可扩展性的现场可编程门阵列，其很好的兼容了GAL和PAL器件的优点，具有可以用于大规模电路设计以及编程灵活等特点，现在已经成为可编程逻辑器件的主流器件之一。其出现推动了可编程逻辑器件的发展，具有里程碑的意义。FPGA芯片包括六个组成部分，即可编程输入/输出单元、基本可编程逻辑单元、完整的时钟管理、嵌入式RAM、丰富的布线资源和内嵌的底层功能单元和内嵌专用硬核。随着技术的不断进步，FPGA技术的发展具有如下发展趋势：

（1）基于FPGA的可编程片上系统技术；

（2）向着高性能、高密度、低功效的方向发展；

（3）动态可重构三个方面发展。

从而使其具有如下几个方面的优点：

（1）能够实现硬件的时分复用，能够有效的实现电路功能进行动态配置；

（2）具有并行处置能力，能够有效提高其处理效率；

（3）能够改变硬件来实现正在运行的程序；

（4）投入成本低、开发周期短，将其应用于智能交通系统控制中能够有效降低其运行和开发成本。

正是由于FPGA具有上述优点，使其在智能交通产品中得到广泛的应用。为了有效的说明FPGA在智能交通产品中的应用，本文通过FPGA在智能交通信号控制系统中的应用来进行具体的说明。

2 智能交通信号控制系统基本理论

2.1 交通信号控制系统的分类

交通控制系统可以按照信号控制范围和信号控制原理两种类型进行分类，其中信号控制范围分类包括点控、线控和面控，信号控制原理分类包括定时控制、感应控制和自适应控制。

为了能有效建立交通信号控制系统，需要几个重要参数，包括以下几个参数：

（1）周期，周期主要用于指挥交通的信号灯总是按照预先设计的程序一步一步循环变换，其完成每一次循环需要的总时间，即红灯时间加上绿灯时间加上黄灯时间，将其定义为周期。通常根据十字路口的红绿灯的时间长度来确定周期的长短，通常周期的设定长短影响着道路的拥挤程度，因此在交通控制系统中需要根据具体情况进行合理的设置。

（2）相位和相位差十字路口的不同方向的不同灯色的组合称之为相位，不同灯色之间的时间差定义为相位差。通过在十字路口采用分时通行的方法能够有效避免各个交通路口出现交通拥堵，减少单向停车时间，从而有利于道路畅通。

（3）绿灯有效时间和绿信比有效绿灯时间指绿灯信号时段减去前后损失时间，相位绿信比指一个相位信号有效绿灯长度与信号周期的比值。可以通过合理的分配绿信比来达到各方向延误时间和停车次数达到最小。基于上述基本参数，为了有效评估交通控制系统的性能，常用采用通行能力、延误时间、饱和度、停车率来评估其性能的好坏。

2.2 交通等控制系统设计

在城市交通中，在平时能够使单方向的停车数达到最小，避免出现交通阻塞；在出现紧急情况下，能够通过控制交通系统使损失达到最小，从而使得交通系统设计需要满足达到以下两点目标：

（1）在平时能够有效指挥交通，协调车辆的正常通行，当城市发生交通事故时，能够一定程度上减少不必要的损失；

（2）城市交通网络配时优化的好坏通常由红绿灯配时方案的好坏决定

根据上述两个基本目标，使得城市交通等控制系统需要解决以下几个方面的问题：

（1）城市市区内的十字路口的交通控制系统具有在平时情况下能够按照合理的顺序依次点亮，能在急车通行的情况下能保证紧急车辆优先通行；

（2）城乡结合处的十字路口的交通灯需要在交通高峰时间，主副干道都要有车辆通行。基于此，为了能够很好的设计交通控制系统，通常其设计通常由分频模块、计数模块、控制模块和显示模块四个基本模块组成。

3 基于FPGA的交通等控制系统的实现

交通信号控制系统在EDA技术的基础上，利用FPGA开发软件ISE以及硬件描述语言HDL设计实现城市和城乡结合处的交通控制系统。

3.1 十字路通控制模块设计

以城市十字路通控制模块设计为例，假设主干道的红绿灯顺序依次为：绿灯、黄灯、左转绿灯、黄灯、绿灯，并依此顺序不断循环，副干道的顺序依次为：红灯、绿灯、黄灯、左转绿灯和黄灯。以主干道方向为例，通过编程发现，主干道的交通等完全按照绿灯、黄灯、左转绿灯、黄灯、绿灯顺序循环点亮，符合当初的设计要求。

3.2 显示模块设计

显示模块设计采用四个共阴极数码管，通过动态扫描方式连接，并共用一套驱动设计电路，以达到每个数码管共同通过公共的端被轮流驱动，以达到减少I/O资源和内部逻辑资源的目的。采用时分原理和人类的视觉暂留效应以达到动态扫描显示的目的，采用512Hz左右的时钟进行轮流驱动以点亮数码管，但是由于人的视觉暂留效应，此时所有的数码管感觉是同时点亮。为了能够解决上述问题，将扫描的时钟频率设定为400Hz。

3.3 交通灯控制系统硬件电路设计

为了能够有效的设计交通灯控制系统的硬件电路，需要发光二极管（红）4个、发光二极管（黄）4个、发光二极管（绿）8个、八段数码管4个、电路板1个、电阻4个和导线若干。通过基于FPGA实现的数码管的点亮，通常采用动态扫描连接，具体来讲：八段管采用动态扫描连接，四个数码管采用同一显示驱动电路。

4 结语

通过对交通灯控制系统的目标和要求进行分析的基础上，构建交通灯控制系统，并基于FPGA来实现交通灯的有效控制。根据设计不同情景下的交通运行情况，分别设计不同的交通控制系统，通过实验验证发现，只要FPGA的I/O数量满足要求，交通控制系统都可以通过FPGA芯片来同时执行。

参考文献

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作者简介

曹晶（1982-），男，河北省鹿泉市人。大学本科学历。现为石家庄域联视控控制技术有限公司工程师。研究方向为智能交通中视频技术的应用。

作者单位

石家庄域联视控控制技术有限公司 河北省石家庄市 050000