随着社会经济的迅速发展, 城市交通日益拥挤, 交叉路口是造成交通阻塞的主要因素, 交通信号控制系统的好坏就更加关系到交通路口的状况, 因此研究交通信号控制器对改善我国的交通事业有很大的帮助。交通信号控制作为减少交通冲突的重要方法之一, 广泛的应用于城市交叉路口。目前实现路口交通信号控制器的方法有很多种, 可以用标准逻辑器件、PLC控制器[1]、单片机控制器[2,3]PLD控制器等。控制方式上主要有多时段、多相位、定时控制等多种模式。
随着E D A技术的发展, C P L C/F P G A的优点越来越明显。编程通过符合国际标准的硬件描述语言 (VHDL) 来进行电子产品的开发和设计, 使产品有很好的兼容性、可移植性、开发周期短。在实际控制中以多相位控制为主, 具体的相位数根据交叉路口的具体规模和车流量的来决定, 相位不确定。因此采用CPLD实现的交通信号控制器可以实现高速、高密度和现场可编程、保密性好等优点。
本文设计的多相位控制器以CPLD为控制核心, 使用VHDL语言编程, 可以方便的实现不同相位的切换, 和控制信号输出的倒计时显示, 并对结果进行了仿真验证。
1 总体设计
1.1 设计思想
根据模块化、集成化、灵活化的设计原则, 系统尽量使用集成元件。在设计中, 考虑了相位可以根据外部输入进行选择, 通过交叉路口交通流量的分析, 设计中考虑了2相位、3相位以及紧急全红延时, 这三种情况进行设计。主干道绿灯时间, 主干道左转绿灯时间、黄灯时间、支干道绿灯时间以及全红延时时间, 设为变量, 可以根据具体进行调节。系统设置有复位信号, 当复位信号有效时, 系统将进入复位状态, 并载入设定该的参数运行。复位状态为主干道绿灯。当系统进入复位状态后, 此时可以根据相位的选择改变控制相序。
1.2 系统结构
系统采用CPLD实现, 系统基准时钟f0由外部电路提供, 设f0=10MHz。按照设计要求, 可将系统组成分成为四个部分, 即分频电路、主控制电路、主干道灯时减法计数器、支干灯时减法计数器。分频电路对输入的时钟信号f0进行106分频得到的10Hz信号, 用作为主控部分的时钟信号;将主控部分的时钟再进行10分频, 得到的1Hz信号用作减法计数器的时钟信号。主控部分是设计的核心, 由它产生主、支道路的信号控制信号, 各个信号灯的控制信号在时序图上应满足相位转换要求, 并产生倒计时计数器的使能信号。主、支干道灯时减法计数器在使能信号的控制下, 完成减法计数, 最终将输出送译码显示电路。
2 VHDL程序设计与仿真
2.1 从上到下的层次化设计
对于顶层设计模块, 其输入信号为时钟信号的方波和复位信号 (reset) 以及相位选择信号 (interrupt) , 输出信号包括主、支干道绿等、黄灯、红灯控制信号, 以及主干道左传绿灯, 倒计时计数器十位和个位的8421BCD码信号。
对于较低的层次, 按其功能可分为4个单元进行设计, 它们是预分频单元、主控制器单元、主干道灯时到计时单元、支干道灯时倒计时单元等。
2.2 主控制部分的VHDL设计
主控制器模块的功能是在时钟脉冲和复位信号的控制下, 形成主、支干道的绿灯、黄灯、红灯的控制信号。为了提高控制精度, 输入时钟脉冲的周期采用0.1S, 则记数值相应扩大10倍, 程序设计中用到了2个进程, 一个是主控时序进程, 用来实现有限状态机 (6个状态) , 另一个是辅助进程, 用来实现状态译码。主控制器的状态, 相位选择信号用来选择实际运行的相位。当为0时, 系统为三相位, 系统变化的状态为S0、S1、S2、S3、S4、再返回S0;当相位选择为2时, 系统为两相位, 系统变化的状态为、S2、S3、S4、再返回S0;当相位选择为1时, 系统进入全红状态S5;延时15s后又回到S0;当相位选择3时系统又返回为默认状态 (三相位) 。各状态的定义与时序图对应。
2.3 仿真与时序分析
采用CPLD进行多相位交通信号控制器的设计, 设计完成后对各个模块使用MAXPLUSⅡ进行系统的仿真, 仿真的关键是进行仿真设计, 仿真设计的目的是较为全面的验证设计的目标是否达到, 仿真从两个方面考虑:一个方面是验证系统按不同相位设置, 实现可变相位控制的设计思想;另一个方面是验证系统输出量的准确控制和显示。基于上述思路设计仿真波形, 设主干道绿灯40s, 左转绿灯15s, 黄灯5s, 次干道绿灯30s, 并进行仿真, 仿真波形。其中clock1外部时钟f0、mr_kz、mg_kz、mlg_kz、my_kz、br_kz、bg_kz、by_z分别为主干道红灯控制信号, 主干道绿灯控制信号, 主干道左转绿灯等控制信号, 主干道红灯控制信号, 次干道红灯控制信号, 次干道红灯控制信号, 次干道控制信号。
当系统的相位为0时, 系统变化状态为S0、S1、S2、S3、S4、再返回S0;当相位变化为1时, 系统由S0状态进入S5, 延时15S后有范围S5, 如此循环, 当相位变化为3时, 系统返回三相位, 进入S0、S1、S2、S3、S4、返回S0的循环, 当相位变化为2时。系统进入两相位, 变化状态为S0、S2、S3、S4、返回S0的循环。系统相位为三相位时, 当主干道绿灯40s->左转绿灯15s->主干道黄灯5s->主干道红灯35s;与此同时, 次干道红灯60s->次干道绿灯30s->次干道黄灯5s。
3 结语
(1) 分析仿真结果表明, 使用VHDL语言, 以CPLD为核心控制器, 完全可以实现多相位交通信号控制器的设计, 可以实现2相位和3相位的切换, 以及紧急情况全红延时等, 增加系统的灵活性。 (2) 探讨了通过集成电路来完成交通信号灯的控制, 分析了交通控制器的特点, 讲述了用CPLD实现设计的基本方法步骤。
摘要：针对现在交通日益拥挤, 车流量变化比较大的问题, 设计了以CPLD为控制核心的多相位交通信号控制器。采用层次化的设计方法, 使用VHDL语言编制主控部分的程序, 并使用MAXPLUSⅡ进行仿真。仿真的结果表明, 系统可以实现2、3相位交通灯的控制以及到计时功能, 并且各相位的切换可以通过外部输入调节, 增加了系统的灵活性。
关键词：交通信号灯,控制器,多相位,CPLD,VHDL
参考文献
[1] 主中苏.PLC在城市道路交通信号控制系统中的应用[J].仪表技术与传感器, 2003 (6) :36～38.
[2] 欧伟民.基于单片机的交通信号控制系统[J].湖南大学学报:自然科学版.
[3] 张鹏贤, 马跃洲, 梁卫东.新型微电脑交通信号控制仪的研制[J].甘肃工业大学学报, 2001, 27 (3) :71～73.