交通信號(hào)燈畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　目錄1</b></p><p><b>　　第一章 引言3</b></p><p>　　1.1 城市交通現(xiàn)狀3</p><p>　　1.2 智能交通的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r3</p><

2、p>　　1.3 交通信號(hào)燈控制的研究現(xiàn)狀5</p><p>　　1.4 本文的主要工作6</p><p>　　第二章 十字路口信號(hào)控制的基本理論和方法7</p><p>　　2.1 交通信號(hào)燈7</p><p>　　2.2 信號(hào)燈的設(shè)置7</p><p>　　2.3 交通信號(hào)的控制方式8</p&

3、gt;<p>　　2.4 城市道路智能交通信號(hào)控制系統(tǒng)9</p><p>　　2.4.1 智能交通信號(hào)控制系統(tǒng)的基本組成9</p><p>　　2.4.2 交通信號(hào)控制系統(tǒng)的主要術(shù)語和參數(shù)9</p><p>　　2.4.3 智能交通信號(hào)控制的核心11</p><p>　　2.4.4 智能交通信號(hào)控制系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)步驟

4、12</p><p>　　第3章 信號(hào)燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)13</p><p>　　3.1 信號(hào)燈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)13</p><p>　　3.1.2 可編程控制器I/O端口分配15</p><p>　　3.1.3 程序梯形圖17</p><p>　　3.1.4 信號(hào)燈的PLC外部連線圖22</p>&l

5、t;p>　　3.2 倒計(jì)時(shí)數(shù)碼管的設(shè)計(jì)23</p><p>　　3.2.1程序梯形圖23</p><p>　　3.2.2 數(shù)碼管的PLC外部連線圖26</p><p>　　3.3 本章小結(jié)28</p><p>　　第四章 交通燈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)29</p><p>　　4.1 交通系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)29<

6、/p><p>　　4.2 選擇VHDL硬件描述語言設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)29</p><p>　　4.3 紅綠燈交通信號(hào)系統(tǒng)功能描述29</p><p>　　4.4 紅綠燈交通信號(hào)系統(tǒng)的VHDL模塊31</p><p>　　4.4.1 時(shí)鐘脈沖發(fā)生電路31</p><p>　　4.4.2 計(jì)數(shù)秒數(shù)選擇電路32</p&g

7、t;<p>　　4.4.3 倒計(jì)時(shí)控制電路35</p><p>　　4.4.4 紅綠燈信號(hào)控制電路37</p><p>　　4.4.5 建立程序包39</p><p>　　4.4.6 連接各個(gè)模塊39</p><p>　　圖14 連接各個(gè)模塊后的管腳分配圖40</p><p>　　4.5本章小

8、結(jié)40</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)41</b></p><p><b>　　致謝42</b></p><p><b>　　附件43</b></p><p>　　附錄一 信號(hào)燈程序指令表43</p><p>　　附錄二 數(shù)碼管顯示程序指

9、令表45</p><p>　　附錄三：紅綠燈交通信號(hào)系統(tǒng)的VHDL程序代碼46</p><p><b>　　第一章 引言</b></p><p>　　1.1 城市交通現(xiàn)狀</p><p>　　據(jù)一項(xiàng)對(duì)美國主要城市交通狀況的調(diào)查顯示：1982年至2000年，美國城市在上下班高峰期間的交通堵塞狀況不斷加劇，由交通堵塞造成

10、的時(shí)間和汽油浪費(fèi)而帶來的經(jīng)濟(jì)損失每年高達(dá)680億美元。以廣州為例來講，現(xiàn)在市區(qū)平均車速只有每小時(shí)12公里。用這個(gè)目標(biāo)速度代入歐美標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，廣州人為交通堵塞所付出的經(jīng)濟(jì)代價(jià)總值:每年耗費(fèi)1.5億小時(shí)，減少生產(chǎn)總值117億元。相當(dāng)于該市整個(gè)生產(chǎn)總值的7%!</p><p>　　在北美、澳大利亞等大城市，道路面積率高達(dá)35%--40%，而北京只有20%。緩解交通擁堵，加快道路建設(shè)是當(dāng)務(wù)之急。據(jù)悉，到2010年，北京將投

11、資500億元用于城市道路建設(shè)，到2005年，北京僅高速公路通車?yán)锍叹瓦_(dá)到600公里。但一味發(fā)展城市道路，也會(huì)刺激私家車超常規(guī)發(fā)展，兩者發(fā)展速度的失衡，最終還是逃不出“擁堵—修路—再擁堵”的怪圈。</p><p>　　中國各大城市的交通系統(tǒng)都存在著不同程度的問題，北京、上海、廣州三大城市的公共交通出行比例都比國外大城市小，尤其是高峰時(shí)段的公共交通分擔(dān)率更小。從我國目前各大城市的交通結(jié)構(gòu)看，普遍存在常規(guī)公共交通系統(tǒng)發(fā)

12、展不足，快速軌道交通系統(tǒng)發(fā)展滯后、自行車交通分擔(dān)率過高、小汽車發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁的不協(xié)調(diào)現(xiàn)象。因此，要準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)各種交通工具各自的使用條件和服務(wù)范圍，充分發(fā)揮各種交通方式的優(yōu)點(diǎn)，使其合理分工，才能發(fā)揮整個(gè)交通系統(tǒng)的效率。</p><p>　　1.2 智能交通的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　城市交通矛盾的日益突出，已開始影響城市的發(fā)展，解決這個(gè)問題最行之有效的良方或許就是大力發(fā)展智能化交通。智

13、能化交通管理體系在國外已經(jīng)有了40多年的發(fā)展歷史，是目前發(fā)達(dá)國家普遍采用的交通管理方式，這種方式是在發(fā)達(dá)的交通網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，應(yīng)用衛(wèi)星定位系統(tǒng)，對(duì)所轄區(qū)域的交通流量實(shí)施有效控制，使有限的交通網(wǎng)絡(luò)功能得到充分合理的利用，極大發(fā)揮城市的載體功能。智能交通系統(tǒng)將大大提高交通效率而節(jié)省大量的燃料和時(shí)間;除此之外，智能交通系統(tǒng)能夠減少交通事故，減少因事故造成部分經(jīng)濟(jì)損失。在與世界發(fā)達(dá)國家機(jī)動(dòng)車人均擁有量差距還很大的情況下，我國一些特大城市的交通擁堵已

14、排在世界前列。</p><p>　　在北京召開的“第二屆國際智能交通系統(tǒng)技術(shù)研討暨技術(shù)與產(chǎn)品展覽會(huì)”上透露。我國將投資20億元對(duì)北京、上海、天津、重慶、廣州、深圳、濟(jì)南、青島、杭州、中山10個(gè)城市進(jìn)行交通智能化改造，到2010年，這10個(gè)城市將全部實(shí)現(xiàn)交通的智能化。目前國內(nèi)外對(duì)智能交通系統(tǒng)的理解不盡相同，但不論從何種角度出發(fā)，有一點(diǎn)是共同的:智能交通系統(tǒng)是用各種高新技術(shù)，特別是電子信息技術(shù)提高交通效率，增加交通安

15、全性和改善環(huán)境的技術(shù)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)。日本、歐洲等眾多國家和地區(qū)在智能交通系統(tǒng)方面都取得了相當(dāng)大的進(jìn)展，對(duì)當(dāng)?shù)亟煌ㄟ\(yùn)輸效率的提高起了關(guān)鍵性的作用。從各國的發(fā)展來看，智能交通系統(tǒng)能使交通基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)揮出最大的效能，提高服務(wù)質(zhì)量;同時(shí)使社會(huì)能夠高效地使用交通設(shè)施和能源，從而獲得巨大的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益。它不但有可能解決交通的擁堵，而且對(duì)交通安全、交通事故的處理與救援、客貨運(yùn)輸管理、道路收費(fèi)系統(tǒng)等方面都會(huì)產(chǎn)生巨大的影響。</p><p&

16、gt;　　表1-1 美國 歐洲 日本同我國在智能交通系統(tǒng)發(fā)展方面的對(duì)比表</p><p>　　1.3 交通信號(hào)燈控制的研究現(xiàn)狀</p><p>　　城市交通系統(tǒng)是一種非線性的、時(shí)變的、滯后的大系統(tǒng)，以往的交通控制研究多是基于啟發(fā)式的考慮，而不是基于控制理論的方法。近多年來，隨著眾多研究控制理論出身的學(xué)者的加盟，使得城市交通自動(dòng)控制領(lǐng)域的研究出現(xiàn)了新的思路、新的方法。本小節(jié)就近年來交通信號(hào)

17、控制理論的研究進(jìn)展作一簡述。</p><p>　　1. 靜態(tài)多段配時(shí)控制</p><p>　　靜態(tài)多段配時(shí)控制是利用歷史數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)的一種開環(huán)控制，其基本設(shè)計(jì)思想源于線性規(guī)劃。它沒有考慮交通需求的隨機(jī)波動(dòng)，沒有考慮城市道路交通流的實(shí)時(shí)進(jìn)化過程，其控制能力和抗干擾能力非常有限。但就城市某一區(qū)域而言，每日的交通狀況畢竟表現(xiàn)出相當(dāng)程度的重復(fù)性，車流的運(yùn)動(dòng)變化仍有一定的規(guī)律可循。因此研究靜態(tài)多段配時(shí)控

18、制，將其作為其他控制策略的“參照系”，或?yàn)樗鼈兲峁俺踔迪到y(tǒng)”還是很有意義的。這種方法簡便易行，尤其適用于穩(wěn)態(tài)交通環(huán)境，頗受交通工程人員歡迎。</p><p>　　2. 準(zhǔn)動(dòng)態(tài)多段配時(shí)控制</p><p>　　準(zhǔn)動(dòng)態(tài)多段配時(shí)控制與靜態(tài)多段配時(shí)控制相類似，只不過多段的劃分不是以時(shí)間為依據(jù)，而是以檢測到的實(shí)時(shí)交通狀態(tài)為依據(jù)。交通狀態(tài)可以用交通量、占有率、車速等交通數(shù)據(jù)的特征值來表達(dá)。被劃分成的

19、若干個(gè)交通狀況分別配以不同的優(yōu)化配時(shí)。準(zhǔn)動(dòng)態(tài)多段配時(shí)控制是一閉環(huán)控制系統(tǒng)。由于反饋的引入，所以系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能比靜態(tài)多時(shí)段控制有明顯改善，但是又由于它的控制方式仍屬于方案選擇式，所以系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的改善又十分有限，故稱之為準(zhǔn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。</p><p><b>　　3. 最優(yōu)控制</b></p><p>　　城市交通控制的最優(yōu)問題可表述如下:</p><

20、p><b>　　對(duì)于滿足約束條件：</b></p><p><b>　　（1-1）</b></p><p><b>　?。?-2）</b></p><p><b>　　的系統(tǒng)</b></p><p><b>　?。?-3） </b&g

21、t;</p><p><b>　　給定初始狀態(tài)</b></p><p><b>　　, </b></p><p>　　確定一個(gè)控制序列r(k)，使得以下性能指標(biāo)最優(yōu)</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　其中:(1-l)式

22、表示各方向排隊(duì)長度不能超過允許的上限，否則會(huì)影響上游相鄰路口的放行。(1-2)式表示控制變量r(也即綠信比)受到最大綠燈時(shí)間和最小綠燈時(shí)間的約束。(1-3)式中的表示路網(wǎng)中所有支路上排隊(duì)長度組成的向量;r表示各支路放行流量組成的向量，它與各路口的綠信比相對(duì)應(yīng)，是一控制向量;B是控制矩陣(i=0，1，…，m);a是一個(gè)時(shí)變的車輛到達(dá)向量。(1-3)式表示:此步排隊(duì)長度是上步剩余排隊(duì)長度減去此步放行長度，再加上此步到達(dá)車輛數(shù)。(1-4)式表

23、示性能指標(biāo)，己經(jīng)寫成了二次型函數(shù)形式;rN為期望的控制向量，R，Q為加權(quán)矩陣。在(1-4)式中引入了控制偏差的二次函數(shù)，目的是使最優(yōu)控制問題易于求解。</p><p>　　如果控制系統(tǒng)的規(guī)模較小，控制模型維數(shù)較低，就可用極小值原理或動(dòng)態(tài)規(guī)劃法對(duì)上述最優(yōu)問題求解。</p><p>　　1.4 本文的主要工作</p><p>　　近年來，國內(nèi)外許多專家致力于開發(fā)新的交通

24、信號(hào)控制方法，人工智能是新的研究方向之一，這是因?yàn)槿斯ぶ悄茉趶?fù)雜系統(tǒng)的定性建模和控制上卓有成效。由于交通流量是時(shí)變的、非線性的，具有較大的隨機(jī)性，并且很難建立精確的數(shù)學(xué)模型，所以本文設(shè)計(jì)了一種根據(jù)前后相流量來決定信號(hào)燈配時(shí)的模糊控制系統(tǒng)，其主要內(nèi)容如下:</p><p>　　(l)對(duì)十字路口交通信號(hào)燈控制問題、控制系統(tǒng)組成等進(jìn)行描述</p><p>　　(2)設(shè)計(jì)兩級(jí)模糊控制系統(tǒng)</

25、p><p>　　(3)在PLC上編程實(shí)現(xiàn)此模糊控制系統(tǒng)</p><p>　　第二章 十字路口信號(hào)控制的基本理論和方法</p><p><b>　　2.1 交通信號(hào)燈</b></p><p>　　在道路上用來傳遞具有法定意義指揮交通流通行或停止的光、聲、手勢(shì)等，都是交通信號(hào)。交通信號(hào)是在空間上無法實(shí)現(xiàn)分離原則的地方，主要在平面

26、交叉口上，用來在時(shí)間上給交通流分配通行權(quán)的一種交通指揮措施。交通信號(hào)燈用輪流顯示不同燈色來指揮交通的通行或停止。</p><p>　　隨著信號(hào)燈的發(fā)展，各國使用的信號(hào)燈存在不同的差別，各自給信號(hào)燈賦予不同的含義。我國目前使用的信號(hào)燈基本上與國際規(guī)定一致，具體含義如下:</p><p>　　(l)綠燈亮?xí)r，允許車輛、行人通行，但轉(zhuǎn)彎的車輛不準(zhǔn)妨礙直行的車輛和被放行的行人通行。</p&g

27、t;<p>　　(2)黃燈亮?xí)r，不準(zhǔn)車輛、行人通行，但已越過停止線的車輛和已進(jìn)入人行通道的行人，可以繼續(xù)通行。</p><p>　　(3)紅燈亮?xí)r，不準(zhǔn)車輛、行人通行。</p><p>　　(4)綠色箭頭燈亮?xí)r，準(zhǔn)許車輛按箭頭所示方向通行。</p><p>　　(5)黃燈閃爍時(shí)，車輛、行人須在確保安全的原則下通行。</p><p&g

28、t;　　(6)右轉(zhuǎn)彎車輛和T形交叉口右邊無人行橫道的直行車輛，遇黃燈或紅燈時(shí)，在不妨礙被放行的車輛和行人通行的情況下可以通行。</p><p>　　2.2 信號(hào)燈的設(shè)置</p><p>　　當(dāng)交叉路口的交通量接近路口的通行能力時(shí)，考慮在交叉路口設(shè)置交通信號(hào)控制。信號(hào)燈設(shè)得合理、正確，能較充分地發(fā)揮道路的交通效益，如設(shè)置不當(dāng)，非但浪費(fèi)了設(shè)備和資金，并且會(huì)對(duì)交通造成不良后果。如有些不合理信號(hào)控

29、制的路口，由于主要道路上駕駛員遇紅燈而停車，但他在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)并未看到次要道路上有車通行，往往會(huì)引起有意或無意的闖紅燈。因此，信號(hào)控制交叉口的交通事故，多發(fā)生在交通量較低的交叉口上或交通量較低的時(shí)間內(nèi)。</p><p>　　在吸取國外信號(hào)燈設(shè)置經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國目前具體的交通狀況，路口信號(hào)燈的設(shè)置與改進(jìn)要運(yùn)用交通工程學(xué)理論作指導(dǎo)，根據(jù)路口的地形特點(diǎn)、車流狀況，作好車輛與行人交通流量的調(diào)查，進(jìn)口道上車輛行駛速

30、度的調(diào)查，交通事故及違章調(diào)查，車輛可穿越的空當(dāng)及延誤調(diào)查等，具體問題具體分析，制定優(yōu)化的信號(hào)配時(shí)，保證現(xiàn)代交通高效、節(jié)能、低公害運(yùn)行。</p><p>　　交叉路口交通信號(hào)燈安裝方式有兩種，一種是安裝在伸向交叉路口中央上空型臂上;一種是安裝在路口邊或中央的燈柱上。</p><p>　　信號(hào)燈的排列方式通常分為兩種:</p><p><b>　　1、水平排列

31、式</b></p><p>　　從道路的中心線一側(cè)起以紅、黃、綠的順序向路邊排列。常用于路面較寬的道路。</p><p><b>　　2、垂直排列式</b></p><p>　　從上往下依次是紅、黃、綠燈。這種方式常用于路面較窄的道路。按固定方式排列信號(hào)燈有兩個(gè)好處:一是把紅燈信號(hào)放在最醒目的位置;二是可使患有色盲的人憑借位置來判斷

32、信號(hào)的含義。在交叉路口中央上空安裝信號(hào)燈時(shí)應(yīng)符合車輛通行凈空高度界限的要求。信號(hào)燈的亮度應(yīng)保證人們?cè)?O0m以外能看清。</p><p>　　2.3 交通信號(hào)的控制方式</p><p>　　根據(jù)所采用的控制裝置的不同，交通信號(hào)一般有三種控制方式：</p><p>　　1、周期式信號(hào)。這種信號(hào)的周期長、相位、綠燈時(shí)間、轉(zhuǎn)換時(shí)間等都是事先確定的。信號(hào)通過規(guī)定的周期運(yùn)行，

33、每個(gè)周期的周期長和相位都恒定不變。依靠所提供的設(shè)備，可用幾種預(yù)定配時(shí)方案，每一種都在一天規(guī)定的時(shí)間中交替使用。</p><p>　　2、半感應(yīng)式信號(hào)。這種信號(hào)保證主干路總保持綠燈直到設(shè)在次干路上的檢測器探到有車輛到達(dá)。這時(shí)信號(hào)經(jīng)過一個(gè)適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換間隔后，立刻為次干路顯示綠燈，該綠燈就維持到次干路上的車輛全部通過路口或持續(xù)到預(yù)定的最大綠燈時(shí)間為止。在綠波信號(hào)系統(tǒng)中，分配給次干路的綠燈時(shí)間必須限制在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)。該系統(tǒng)

34、的周期長和綠燈時(shí)間可根據(jù)需要隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)次干路沒有車輛時(shí)，主干路總是保持綠燈，事實(shí)上分配到次干路的綠燈時(shí)間可充分利用，所有“多余的”綠燈時(shí)間則都分配給主干路。</p><p>　　3、全感應(yīng)式信號(hào)。該信號(hào)的所有相位全由傳動(dòng)檢測器來控制。一般每個(gè)相位都要規(guī)定最小與最大綠燈時(shí)間。這種控制方式的周期長度和綠燈時(shí)間可根據(jù)需要作很大的變動(dòng)。周期中的某些相位是可以任意選擇使用的，當(dāng)檢測器未測出交通量時(shí)，該時(shí)刻的相位可自動(dòng)

35、取消。</p><p>　　目前，許多信號(hào)系統(tǒng)都實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)控制，使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制的地理交叉口，其信號(hào)一般采用預(yù)定周期式控制。有些城市還部分地實(shí)現(xiàn)了交替信號(hào)的線或面的聯(lián)動(dòng)控制，在這樣的系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)充當(dāng)了主控機(jī)和監(jiān)視器的角色。此時(shí)，信號(hào)的聯(lián)動(dòng)不僅對(duì)提高單個(gè)信號(hào)交叉口的通行能力和服務(wù)水平有很大作用，而且還對(duì)提高整條道路或整個(gè)路網(wǎng)的通行能力發(fā)揮著極其重要的作用。</p><p>　　2.4

36、城市道路智能交通信號(hào)控制系統(tǒng)</p><p>　　智能交通信號(hào)控制系統(tǒng)是城市道路交通管理系統(tǒng)中對(duì)交叉路口、行人過街，以及環(huán)路出入口采用信號(hào)控制的子系統(tǒng)。主要包括交通工程設(shè)計(jì)、車輛信息采集、數(shù)據(jù)傳輸與處理、控制模型算法與仿真分析、優(yōu)化控制信號(hào)調(diào)整交通流等。國內(nèi)外各大中城市己有的交通信號(hào)控制系統(tǒng)就是根據(jù)不同環(huán)境條件，基于各自城市道路的規(guī)劃和發(fā)展水平建立起來的。</p><p>　　2.4.1

37、智能交通信號(hào)控制系統(tǒng)的基本組成</p><p>　　智能交通信號(hào)控制系統(tǒng)的基本組成是：主控中心、路口交通信號(hào)控制機(jī)以及數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備。其中主控中心包括操作平臺(tái)、交互式數(shù)據(jù)庫、效益指標(biāo)優(yōu)化模型、數(shù)據(jù)(圖像)分析處理等。</p><p>　　圖2-1 城市道路智能交通信號(hào)控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　2.4.2 交通信號(hào)控制系統(tǒng)的主要術(shù)語和參數(shù)</p>

38、<p><b>　　周期</b></p><p>　　周期是指信號(hào)燈色發(fā)生變化，顯示一個(gè)循環(huán)所需的時(shí)間，也稱周期長，即紅、黃、綠燈時(shí)間之和。它是決定點(diǎn)控制定時(shí)信號(hào)交通效益的關(guān)鍵控制參數(shù)，用C表示。一般信號(hào)燈的最短周期長度不少于36秒，否則就不能保證幾個(gè)方向的車輛順利通過交叉口。最長周期長度一般不超過120秒。</p><p>　　從疏散交通的角度講，顯然當(dāng)交

39、通需求越大時(shí)，周期應(yīng)越長，否則一個(gè)周期內(nèi)到達(dá)的車輛不能在該周期的綠燈時(shí)間內(nèi)通過交叉口，就會(huì)發(fā)生堵塞現(xiàn)象。</p><p>　　正確的周期時(shí)長應(yīng)該是，每一個(gè)相位的綠燈時(shí)間剛好使該相位各入口處等待車隊(duì)放行完畢。如一個(gè)具有兩相位(東西向和南北向)交通流的交叉口，設(shè)兩個(gè)相位的交通到達(dá)率(到達(dá)率)分別是dl、d2，相應(yīng)相位的通行能力分別為s1，s2，周期時(shí)長為C，綠燈時(shí)間分別為g1、g2，其中損失時(shí)間分別為L1、L2(損失

40、時(shí)間是指燈色切換過程中的損失時(shí)間和不能被充分利用的綠燈時(shí)間，原因是綠燈出現(xiàn)之初車隊(duì)有個(gè)反應(yīng)和加速的過程)，則：</p><p><b>　　(2-1)</b></p><p><b>　　(2-2)</b></p><p>　　將上兩式相加，并將代入g1+g2=C，得</p><p><b&g

41、t;　　(2-3)</b></p><p>　　若s1=s2=s，則有</p><p>　　(2-4)由式(2-4)可計(jì)算出保證路口不堵塞的一個(gè)最小周期值。然而，若交通流的需求過高，堵塞現(xiàn)象將成為不可避免的，信號(hào)周期長度的選取應(yīng)根據(jù)某種優(yōu)化性能指標(biāo)選擇。</p><p><b>　　2、相位</b></p><p

42、>　　相位：即信號(hào)相位，是指在周期時(shí)間內(nèi)按需求人為設(shè)定的，同時(shí)取得通行權(quán)的一個(gè)或幾個(gè)交通流的序列組。</p><p><b>　　3、相位差</b></p><p>　　相位差:具有相同周期長的相關(guān)路口，在同方向上的兩個(gè)相關(guān)相位的啟動(dòng)時(shí)間差，稱為相位差。從某一車流方向來看，為使車輛在交叉口處不受阻而流暢通過，與其使相關(guān)聯(lián)信號(hào)同時(shí)顯示同一燈色(特別是綠燈開始時(shí)間)

43、，不如使綠燈開始時(shí)間錯(cuò)開一些。這里稱時(shí)間對(duì)“錯(cuò)開”為相位差。把干線上某一路口作為基準(zhǔn)路口，其他各路口的協(xié)調(diào)相位起始時(shí)刻滯后于基準(zhǔn)路口的協(xié)調(diào)相位起始時(shí)刻的最小時(shí)間差，稱為絕對(duì)相位差;車輛行使方向任意相鄰路口的協(xié)調(diào)相位起始時(shí)刻的最小時(shí)間差，稱為相對(duì)相位差。通常用時(shí)距圖表示信號(hào)配時(shí)與距離的關(guān)系。</p><p><b>　　圖2-4 時(shí)距圖</b></p><p>　　以

44、第1個(gè)交叉口的信號(hào)為基準(zhǔn)，則圖中的Al、A2、A3分別為交叉口2、3、4的信號(hào)的絕對(duì)相位差。要確定路口信號(hào)間的相對(duì)相位差，則需要先確定車輛的行駛方向。當(dāng)車輛由路口1沿道路駛向路口4時(shí)，Bl是路口2信號(hào)和路口1信號(hào)的相對(duì)相位差;B2是路口3信號(hào)和路口2信號(hào)的相對(duì)相位差;當(dāng)車輛由路口4沿道路駛向路口1時(shí)，B3是路口3信號(hào)和路口4信號(hào)當(dāng)相對(duì)相位差;B4是路口2信號(hào)和路口3信號(hào)的相對(duì)相位差。由時(shí)距圖可以看出，BZ和B4均表示路口2信號(hào)和路口3信

45、號(hào)之間的相對(duì)相位差，只是因選定行車方向不同而具有不同的數(shù)值。兩者之和等于一個(gè)周期的長度。</p><p>　　4、飽和流量:是衡量路口交通流施放能力的重要參數(shù)，通常是指一個(gè)綠燈時(shí)間內(nèi)的連續(xù)通過路口的最大車流量。</p><p>　　5、綠燈間隔時(shí)間:是指從失去通行權(quán)的相位的綠燈結(jié)束，到下一個(gè)得到通行權(quán)的相位綠燈開始所用的時(shí)間。</p><p>　　6、有效綠燈時(shí)間:

46、是指被有效利用的實(shí)際車輛通行時(shí)間。它等于綠燈時(shí)間與黃燈時(shí)間之和減去頭車啟動(dòng)的損失時(shí)間。</p><p>　　2.4.3 智能交通信號(hào)控制的核心</p><p>　　智能交通信號(hào)控制系統(tǒng)的核心是控制模型算法軟件，是貫穿規(guī)劃設(shè)計(jì)在內(nèi)的信號(hào)控制策略的管理平臺(tái)，體現(xiàn)著交通管理者的控制思想，它包括信號(hào)控制系統(tǒng)將起到的作用和地位。目前，國內(nèi)外已應(yīng)用的信號(hào)控制系統(tǒng)大多是以優(yōu)化定周期方案、優(yōu)化路口綠信號(hào)

47、配比以及協(xié)調(diào)相關(guān)路口通行能力為基礎(chǔ)的，是根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和自動(dòng)檢測到的車流量信息，通過設(shè)置的控制模型算法選取適當(dāng)?shù)男盘?hào)配比控制方案，是被動(dòng)的控制策略。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，交互式控制策略使信號(hào)控制由感控到誘導(dǎo)實(shí)現(xiàn)了真正的智能，交通信號(hào)控制系統(tǒng)不僅可以檢測到車流量等交通信息參數(shù)，調(diào)控路口綠信號(hào)配比，變化交通限行、禁行等指路標(biāo)志，還可以根據(jù)系統(tǒng)聯(lián)接的數(shù)據(jù)庫完成與交通參與者之間的信息交換，向交通參與者顯示道路交通信息、停車場信息，提供給交通參與者合

48、理的行駛線路，以達(dá)到均衡道路交通負(fù)荷的主動(dòng)的控制策略。尤其重要的是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)字化使數(shù)據(jù)傳輸和信息利用得到了可靠保證?？梢哉f，城市道路智能交通信號(hào)控制系統(tǒng)是城市道路交通管理隨著信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)迅猛發(fā)展的綜合產(chǎn)物。</p><p>　　2.4.4 智能交通信號(hào)控制系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)步驟</p><p>　　根據(jù)路口交通現(xiàn)狀和預(yù)測進(jìn)行交通渠化設(shè)計(jì)分析原始交通流數(shù)據(jù)，通過仿真模型效驗(yàn)，確定控制模式

49、，進(jìn)行交通參數(shù)設(shè)定根據(jù)交通渠化設(shè)計(jì)及控制模式的設(shè)計(jì)要求完成交通工程設(shè)計(jì)(包括車輛檢測器的檢測區(qū)定位)根據(jù)各個(gè)路口配備設(shè)備的相關(guān)性，完成協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)確定系統(tǒng)和單點(diǎn)控制的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，得出最優(yōu)信號(hào)控制方案配置路口信號(hào)控制機(jī)的固化基礎(chǔ)參量，配置主控中心數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)傳輸設(shè)置。</p><p>　　第3章 信號(hào)燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1 信號(hào)燈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p

50、>　　本文以十字路口信號(hào)燈的PLC控制為主進(jìn)行研究。該十字路口信號(hào)燈包括南北方向左轉(zhuǎn)和直行紅黃綠燈和人行道紅綠燈各兩組，東西方向左轉(zhuǎn)紅黃綠燈用人行道紅綠燈各兩組，本節(jié)設(shè)計(jì)主要圍繞各個(gè)信號(hào)燈的工作時(shí)序圖和具體的PLC控制程序來做介紹。</p><p>　　3.1.1 工作時(shí)序圖</p><p><b>　　1．南北方向</b></p><p&

51、gt;　　對(duì)于該方向，信號(hào)燈配置為左轉(zhuǎn)紅黃綠燈和直行紅黃綠燈以及人行道紅綠燈各兩組。直行紅黃綠燈控制直行車輛，同時(shí)左轉(zhuǎn)紅黃綠燈控制左轉(zhuǎn)車輛，兩組信號(hào)燈狀態(tài)相反，分別在不同時(shí)段放行直行以及左轉(zhuǎn)的車輛。本文采用的是以120s為周期，其信號(hào)燈工作時(shí)序如圖3.1所示。</p><p>　　對(duì)于直行紅黃綠燈，該組信號(hào)燈的3個(gè)燈以綠燈（35s） 黃燈(5s) 紅燈（80s）依次循環(huán)。</p>&

52、lt;p>　　對(duì)于左轉(zhuǎn)紅黃綠燈，該組信號(hào)燈的3個(gè)燈以紅燈（40s） 綠燈（15s） 黃燈(5s) 紅燈（60s）依次循環(huán)。</p><p>　　對(duì)于人行道紅綠燈，本設(shè)計(jì)配置了紅燈和綠燈兩種狀態(tài)，且該紅、綠燈各自均以紅燈（60s） 綠燈（60s）依次循環(huán)，并且與直行方向與左轉(zhuǎn)方向綠燈狀態(tài)相反。即對(duì)于某一車道，當(dāng)直行及左轉(zhuǎn)紅燈均亮?xí)r該側(cè)的人行道綠燈才亮，當(dāng)任一直行或左轉(zhuǎn)綠燈亮?xí)r該

53、人行道都顯示為紅燈亮。</p><p>　　圖3.1 南北方向信號(hào)燈工作時(shí)序圖</p><p><b>　　2．東西方向</b></p><p>　　東西方向的信號(hào)燈工作與南北方向呈對(duì)稱方式，行車與南北方向道路交替進(jìn)行，其工作時(shí)序如圖3.2所示。</p><p>　　對(duì)于東西直行紅黃綠燈，該組信號(hào)燈的3個(gè)燈以紅燈（60s

54、） 綠燈(35s) </p><p>　　黃燈（5s） 紅燈（20s）依次循環(huán)。</p><p>　　對(duì)于東西左轉(zhuǎn)紅黃綠燈，該組信號(hào)燈的3個(gè)燈以紅燈（100s） 綠燈(15s) </p><p>　　黃燈（5s）依次循環(huán)。</p><p>　　對(duì)于東西側(cè)人行道紅綠燈，各自以綠燈（60

55、s） 紅燈（60s）依次循環(huán)，并且與直行方向與左轉(zhuǎn)方向綠燈狀態(tài)相反。</p><p>　　圖3.2 東西方向信號(hào)燈工作時(shí)序圖</p><p>　　3.1.2 可編程控制器I/O端口分配</p><p>　　由于本設(shè)計(jì)所選用的PLC為輸入點(diǎn)：64，輸出點(diǎn)：64，晶體管輸出。而本設(shè)計(jì)中的輸入輸出點(diǎn)數(shù)共為52點(diǎn)，均在PLC的基本輸入輸出點(diǎn)數(shù)范圍之內(nèi)，所以無需進(jìn)行

56、I/O擴(kuò)展，在設(shè)計(jì)時(shí)只需賦與其不同的端口地址即可。</p><p>　　1.外部輸入控制按鈕</p><p>　　本設(shè)計(jì)當(dāng)中的6個(gè)外部控制按鈕的具體I/O端口分配方式如表3.3所示。PLC上的外部輸入控制按鈕總共分為6個(gè)，分別是系統(tǒng)啟動(dòng)按鈕、系統(tǒng)停止按鈕、南北無線</p><p>　　手動(dòng)強(qiáng)通啟動(dòng)按鈕、南北無線手動(dòng)強(qiáng)通停止按鈕、東西手動(dòng)強(qiáng)通啟動(dòng)按鈕、東西手動(dòng)強(qiáng)通停止

57、按鈕。</p><p>　　表3.3 外部輸入控制按鈕I/O端口分配</p><p><b>　　2.信號(hào)燈輸出</b></p><p>　　PLC系統(tǒng)的信號(hào)燈輸出量主要是由各個(gè)方向的紅、黃、綠燈所構(gòu)成的。對(duì)于南北方向上某一行車方向的信號(hào)燈輸出，本設(shè)計(jì)共設(shè)置了三組信號(hào)燈，其中兩組車輛信號(hào)燈，分為直行紅、黃、綠燈和左轉(zhuǎn)紅、黃、綠燈，另外一組是人

58、行道上的紅綠燈。另一方行車方向上信號(hào)燈的設(shè)置與該方向完全相同；對(duì)于東西方向，由于其行車與南北方向?qū)ΨQ，所以其信號(hào)燈的設(shè)置也與南北向相同。信號(hào)燈輸出的I/O端口分配方式如表3.4所示：</p><p>　　表3.4 信號(hào)燈輸出的I/O端口分配</p><p><b>　　3.數(shù)碼管輸出</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)中四個(gè)方向數(shù)碼管共設(shè)置了

59、四組，南北方向和東西方向各兩組，每一方向的兩組數(shù)碼管顯示均相同。對(duì)于某一組數(shù)碼管，又分為了個(gè)位數(shù)字顯示和十位顯示，所以本設(shè)計(jì)當(dāng)中的四組數(shù)碼管共占用28點(diǎn)輸出。數(shù)碼管輸出的I/O端口分配如表3.5所示：</p><p>　　表3.5 數(shù)碼管輸出的I/O端口分配</p><p>　　3.1.3 程序梯形圖</p><p>　　本設(shè)計(jì)的梯形圖設(shè)計(jì)力求簡單、高效，在完成

60、設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，盡量簡化系統(tǒng)，充分利用系統(tǒng)資源。</p><p><b>　　1.南北方向</b></p><p>　　在南北直行方向，當(dāng)開始按鈕啟動(dòng)后，首先啟動(dòng)直行綠燈輸出，并設(shè)置定時(shí)器T0在35s后動(dòng)作，接通直行黃燈，斷開直行綠燈的通路，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器T1。5s后T1動(dòng)作，接通直行紅燈，斷開直行黃燈通路，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器T2。南北方向的程序梯形圖如圖3.6所示：&l

61、t;/p><p>　　對(duì)于南北左轉(zhuǎn)方向，當(dāng)開始按鈕啟動(dòng)后，在直行黃燈啟動(dòng)5s后左轉(zhuǎn)綠燈啟動(dòng)，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器T3。15s后啟動(dòng)左轉(zhuǎn)黃燈并斷開左轉(zhuǎn)綠燈通路，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器T4。5s后斷開自身通路。對(duì)于左轉(zhuǎn)紅燈，本設(shè)計(jì)采用左轉(zhuǎn)紅燈通路上串入左轉(zhuǎn)綠燈和左轉(zhuǎn)黃燈的常閉開關(guān)控制的方法，既可以簡單地對(duì)左轉(zhuǎn)紅燈進(jìn)行控制，同時(shí)還保證了紅燈和綠燈不會(huì)同時(shí)亮，提高了系統(tǒng)安全性。</p><p>　　對(duì)于無線強(qiáng)通控制

62、，當(dāng)強(qiáng)通開關(guān)X002按下后，通過X002的常開及常閉開關(guān)強(qiáng)行接通直行方向綠燈，同時(shí)強(qiáng)行斷開其它方向通路。</p><p>　　對(duì)于人行道信號(hào)燈，本設(shè)計(jì)能過采用直行及左轉(zhuǎn)紅、黃、綠燈的常開及常閉開關(guān)直接控制其紅燈和綠燈的通路，也大大簡化了系統(tǒng)，符合設(shè)計(jì)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性等要求。</p><p>　　圖3.6 南北方向程序梯形圖（a） </p><p><b>

63、;　　續(xù)圖（b）</b></p><p><b>　　(b) </b></p><p><b>　　續(xù)圖（c）</b></p><p><b>　　(c)</b></p><p><b>　　2.東西方向</b></p><

64、p>　　東西方向的梯形圖構(gòu)成與南北方向相同，但啟動(dòng)次序不同，本文不加以詳細(xì)論述。具體梯形圖程序如圖3.7所示：</p><p>　　圖3.7 南北方向程序梯形圖(a) </p><p><b>　　續(xù)圖（b）</b></p><p>　　(b) </p><p>　　3

65、.1.4 信號(hào)燈的PLC外部連線圖</p><p>　　信號(hào)燈的PLC外部連線較為簡便，信號(hào)燈輸出一端直接接PLC的輸出端，另一端在并上一個(gè)24V的直流電源后接入PLC的接地端COM1。連線圖如圖3.8所示：</p><p>　　圖3.8 信號(hào)燈的PLC外部連線圖</p><p>　　3.2 倒計(jì)時(shí)數(shù)碼管的設(shè)計(jì)</p><p>　　在實(shí)際的

66、交通控制中，僅有信號(hào)燈是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要系統(tǒng)將各個(gè)時(shí)序階段的具體運(yùn)行時(shí)間顯示出來。本節(jié)將就如何實(shí)現(xiàn)數(shù)碼顯示及數(shù)碼管的外部接線作詳細(xì)介紹。</p><p>　　3.2.1程序梯形圖</p><p>　　本設(shè)計(jì)中四個(gè)方向數(shù)碼管共設(shè)置了四組，南北方向和東西方向各兩組，每一方向的兩組數(shù)碼管顯示均相同。對(duì)于某一組數(shù)碼管，又分為了個(gè)位數(shù)字顯示和十位顯示，對(duì)于該組數(shù)碼管，又分別顯示直行、左轉(zhuǎn)時(shí)兩個(gè)燈切

67、換之間的時(shí)間。</p><p>　　該段程序的設(shè)計(jì)，主要是通過D0-D4數(shù)據(jù)寄存器來實(shí)現(xiàn)。開始時(shí)，南北直行綠、南北直行黃、南北直行紅、東西直行綠、東西直行黃、東西直行紅分別在其電路接通時(shí)發(fā)送給顯示電路一個(gè)脈沖信號(hào)，同時(shí)中間繼電器M8013每隔1s發(fā)送一個(gè)脈沖信號(hào)。當(dāng)顯示電路收到信號(hào)后首先將D0清零， 并且每秒加1，然后用要顯示的數(shù)依次減去D0中的數(shù)字并發(fā)送到寄存器D1；將D1中的數(shù)字分別取個(gè)位和十位發(fā)送到寄存器D

68、2和D4，最后用SEGD命令將D2和D4中的數(shù)字顯示到數(shù)碼管上。</p><p><b>　　1.南北方向</b></p><p>　　該方向程序的梯形圖設(shè)計(jì)如圖3.9所示：</p><p>　　圖3.9 南北方向程序梯形圖(a) </p><p><b>　　續(xù)圖（b）</b></p>

69、;<p>　　(b) </p><p><b>　　2.東西方向</b></p><p>　　該方向程序的梯形圖設(shè)計(jì)如圖3.10所示：</p><p>　　圖3.10 東西方向程序梯形圖(a) </p><p><b>　　續(xù)圖（b）</b&g

70、t;</p><p>　　(b) </p><p>　　3.2.2 數(shù)碼管的PLC外部連線圖</p><p>　　對(duì)于數(shù)碼管的連線，南北向、東西向的兩組數(shù)碼管的各接頭依次接在PLC輸出端的Y020-Y056口上，另一端再并上一個(gè)24V的直流電源后接入PLC的接地端COM1，連線圖如圖3.11所示：</p>

71、<p>　　圖3.11 數(shù)碼管的PLC外部連線</p><p><b>　　3.3 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章研究了信號(hào)燈的具體配置、時(shí)序要求、端口分配、梯形圖程序的設(shè)計(jì)以及PLC外部連線；對(duì)于數(shù)碼管顯示，主要研究了數(shù)碼管的顯示原理、控制程序和外部連線等問題，己完成了交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的大部分。對(duì)于系統(tǒng)的仿真，本設(shè)計(jì)選用三菱公司的GX.

72、Developer程序開發(fā)工具進(jìn)行仿真模擬。</p><p>　　第四章 交通燈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1 交通系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　交通系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢(shì)就是要提高通行能力，加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)，開展智能化運(yùn)輸和環(huán)保專項(xiàng)技術(shù)的研究，并且要做到以人為本，重點(diǎn)開展交通安全技術(shù)的研究，在這個(gè)過程中要確定經(jīng)濟(jì)合理的目標(biāo)，促進(jìn)新材料的廣泛應(yīng)用和開發(fā)。<

73、;/p><p>　　4.2 選擇VHDL硬件描述語言設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)</p><p>　　首先，簡單地介紹一下什么是VHDL硬件描述語言。VHDL的英文全稱是VHSIC（Very High Speed Integrated Circuit）Hardware Description Language。是EDA設(shè)計(jì)中使用最多的語言之一，它具有很強(qiáng)的電路描述和建模能力，能從多個(gè)層次對(duì)數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行建模和描述

74、，從而大大地簡化了硬件設(shè)計(jì)任務(wù)，提高了設(shè)計(jì)效率和可靠性。</p><p>　　其次，這次設(shè)計(jì)選用VHDL硬件描述語言的優(yōu)勢(shì)就在于傳統(tǒng)的用原理圖設(shè)計(jì)電路的方法具有直觀形象的優(yōu)點(diǎn)，但如果所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的規(guī)模比較大，或者設(shè)計(jì)軟件不能提供設(shè)計(jì)者所需的庫單元時(shí)，這種方法就顯得很受限制了。而且用原理圖表示的設(shè)計(jì)，通用性、可移植性也比較弱，所以在現(xiàn)代的設(shè)計(jì)中，越來越多地采用了基于硬件描述語言的設(shè)計(jì)方式。利用硬件描述語言來設(shè)計(jì)電路，

75、使探測各種設(shè)計(jì)方案變成一件很容易的事，因?yàn)橹恍枰獙?duì)描述語言進(jìn)行修改，這比更改電路原理圖要容易實(shí)現(xiàn)得多。</p><p>　　4.3 紅綠燈交通信號(hào)系統(tǒng)功能描述</p><p>　　在交通信號(hào)燈的設(shè)計(jì)中，外部硬件電路方面主要包括：兩組紅綠燈、兩組LED顯示器（見圖1）。軟件方面包括：（1）電路合成模塊的概念：將交通燈信號(hào)系統(tǒng)劃分成若干個(gè)小電路，編寫每一個(gè)模塊的VHDL程序代碼，并將各個(gè)小電路

76、相連接。這樣可以增加程序的調(diào)試速度，同時(shí)也能夠?qū)⒐ぷ骷?xì)分，以提高編程速度（見圖2、圖3）。（2）參數(shù)化的概念：針對(duì)不同時(shí)段的交通流量，可以調(diào)整紅綠燈電路（增加或者減少電路的計(jì)數(shù)時(shí)間），以增加程序的靈活性。</p><p>　　圖1 十字路口示意圖</p><p>　　圖2 交通信號(hào)燈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　由交通信號(hào)燈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(見圖2)可知，該系統(tǒng)由4個(gè)

77、子電路組成。其中包括：</p><p><b>　　時(shí)鐘發(fā)生電路；</b></p><p><b>　　計(jì)數(shù)秒數(shù)選擇電路；</b></p><p><b>　　倒計(jì)時(shí)控制電路；</b></p><p>　　紅綠燈信號(hào)控制電路。</p><p>　　圖3

78、 交通信號(hào)燈系統(tǒng)模塊圖</p><p>　　由圖3可以看出系統(tǒng)大體的工作程序是：首先由時(shí)鐘發(fā)生電路產(chǎn)生穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)，為下面三個(gè)子電路提供同步工作信號(hào)。接收到時(shí)鐘信號(hào)的紅綠燈信號(hào)控制電路開始工作，并將產(chǎn)生的重新計(jì)數(shù)的輸出使能控制信號(hào)發(fā)送給計(jì)數(shù)秒數(shù)選擇電路和倒計(jì)時(shí)控制電路，同時(shí)還會(huì)將目前電路產(chǎn)生的狀態(tài)信號(hào)發(fā)送給前者。接收到重新計(jì)數(shù)的信號(hào)后計(jì)數(shù)秒數(shù)選擇電路就會(huì)負(fù)責(zé)產(chǎn)生計(jì)數(shù)器所需要的計(jì)數(shù)值，并將這一數(shù)值發(fā)送給倒計(jì)時(shí)控制

79、電路，由它利用發(fā)光二極管顯示倒計(jì)時(shí)的狀態(tài)。當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)完畢，倒計(jì)時(shí)控制器就會(huì)負(fù)責(zé)產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)發(fā)送給紅綠燈信號(hào)控制電路進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)，之后循環(huán)這一過程。</p><p>　　4.4 紅綠燈交通信號(hào)系統(tǒng)的VHDL模塊</p><p>　　4.4.1 時(shí)鐘脈沖發(fā)生電路</p><p>　　在紅綠燈交通信號(hào)系統(tǒng)中，大多數(shù)的情況是通過自動(dòng)控制的方式指揮交通的。因此，為了避

80、免意外事件的發(fā)生，電路必須給出一個(gè)穩(wěn)定的時(shí)鐘（clock）才能讓系統(tǒng)正常的工作。因此，hld1時(shí)鐘發(fā)生電路（見圖4）最主要的功能就是產(chǎn)生一些穩(wěn)定的輸出信號(hào)，并將其用做后面幾個(gè)電路的使能控制與同步信號(hào)。</p><p>　　圖4 時(shí)鐘發(fā)生電路模塊圖</p><p><b>　　系統(tǒng)輸入信號(hào)：</b></p><p>　　clk：由外部信號(hào)發(fā)生器

81、提供1kHZ的時(shí)鐘信號(hào)；</p><p>　　reset：系統(tǒng)內(nèi)部自復(fù)位信號(hào)。</p><p><b>　　系統(tǒng)輸出信號(hào)：</b></p><p>　　ena_scan：將外部的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行分頻處理；</p><p>　　ena_1hz：產(chǎn)生每秒一個(gè)的脈沖信號(hào)；</p><p>　　flash_1

82、hz：產(chǎn)生每秒一個(gè)脈沖的時(shí)鐘信號(hào)。</p><p>　　經(jīng)仿真后得到的時(shí)序圖(見圖5、圖6)：</p><p>　　圖5 將clk經(jīng)分頻處理后得到的ena_scan信號(hào)</p><p>　　圖6 時(shí)鐘發(fā)生電路時(shí)序圖</p><p>　　從圖5中可以看出，當(dāng)外部信號(hào)發(fā)生器提供了1kHZ的時(shí)鐘信號(hào)后，系統(tǒng)輸出信號(hào)ena_scan就將時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行

83、了4分頻。從圖6又可以看出，當(dāng)加入1kHZ的時(shí)鐘信號(hào)后，ena_1hz產(chǎn)生了周期為一秒的脈沖信號(hào)，flash_1hz產(chǎn)生了周期為一秒的脈沖時(shí)鐘信號(hào)。</p><p>　　在這段程序的設(shè)計(jì)過程中最大的特點(diǎn)就是引用了參數(shù)化的概念，即使用了常數(shù)(constant)。常數(shù)的定義和設(shè)置主要是為了使程序更容易閱讀和修改，只要改變了常量的數(shù)值，使用到該常數(shù)的地方都會(huì)隨著更新而使用新的常數(shù)值。這就使設(shè)計(jì)的靈活性增強(qiáng)了。例如程序中

84、用到的：constant scan_bit:positive:=2;</p><p>　　signal clk_scan_ff:std_logic_vector(scan_bit-1 downto 0);第一句就是將scan_bit設(shè)為常數(shù)‘2’，這個(gè)數(shù)值是可以根據(jù)設(shè)計(jì)的需要任意設(shè)定的。第二句是定義一個(gè)信號(hào)，它的位數(shù)就是(scan_bit-1),因?yàn)橹皊can_bit設(shè)定的值為2，所以信號(hào)的位數(shù)就是2位。如果想

85、增減信號(hào)的位數(shù)，只需要改動(dòng)常數(shù)的賦值就可以了。</p><p>　　4.4.2 計(jì)數(shù)秒數(shù)選擇電路</p><p>　　當(dāng)通過交通路口時(shí)，如果能在一個(gè)方向增添一個(gè)倒計(jì)時(shí)顯示器對(duì)車輛、行人加以提示，可能會(huì)有更好的效果。因此,hld2計(jì)數(shù)秒數(shù)選擇電路(見圖7)最主要的功能就是負(fù)責(zé)輸出顯示器需要的數(shù)值（即倒數(shù)的秒數(shù)值），作為倒計(jì)時(shí)顯示器電路的計(jì)數(shù)秒數(shù)。</p><p>　　

86、圖7 計(jì)數(shù)秒數(shù)選擇電路模塊圖</p><p><b>　　系統(tǒng)輸入信號(hào)：</b></p><p>　　clk：由外部信號(hào)發(fā)生器提供1kHZ的時(shí)鐘信號(hào)；</p><p>　　reset：系統(tǒng)內(nèi)部自復(fù)位信號(hào)；</p><p>　　ena_scan：接收由時(shí)鐘發(fā)生電路提供的250Hz的時(shí)鐘脈沖信號(hào)；</p>&

87、lt;p>　　recount：接收由交通燈信號(hào)控制電路產(chǎn)生的重新計(jì)數(shù)的使能控制信號(hào)；</p><p>　　sign_state：接收由交通燈信號(hào)控制電路產(chǎn)生的狀態(tài)信號(hào)。</p><p><b>　　系統(tǒng)輸出信號(hào)：</b></p><p>　　load：負(fù)責(zé)產(chǎn)生計(jì)數(shù)器所需要的計(jì)數(shù)數(shù)值。</p><p>　　經(jīng)仿真后得

88、到的時(shí)序圖(見圖8)：</p><p>　　圖8 計(jì)數(shù)秒數(shù)選擇電路時(shí)序圖</p><p>　　由計(jì)數(shù)描述選擇電路的時(shí)序圖(見圖8)可以看出這段程序中定義了在正常車流量情況下，東西及南北方向紅燈、黃燈和綠燈需要維持的秒數(shù)分別是15s、5s和25s。</p><p>　　architecture bhv of hld2 is</p><p>　

89、　constant redew_time:integer:=15;---東西方向紅燈設(shè)定為15s。</p><p>　　constant yellowew_time:integer:=5;--東西方向黃燈設(shè)定為5s。</p><p>　　constant greenew_time:integer:=25;--東西方向綠燈設(shè)定為25s。</p><p>　　const

90、ant redsn_time:integer:=15;--南北方向紅燈設(shè)定為15s。</p><p>　　constant yellowsn_time:integer:=5;--南北方向黃燈設(shè)定為5s。</p><p>　　constant greensn_time:integer:=25;--南北方向綠燈設(shè)定為25s。</p><p><b>　　beg

91、in</b></p><p>　　process(reset,clk)</p><p><b>　　begin</b></p><p>　　if reset='1' then</p><p>　　load<="00000000";</p><p&g

92、t;　　elsif (clk'event and clk='1') then</p><p>　　if (ena_scan='1' and recount='1') then</p><p>　　case sign_state is</p><p>　　when "000"=>load

93、<=conv_std_logic_vector(greensn_time,8);</p><p>　　--sign_state=“000”時(shí)，南北方向綠燈亮25s。</p><p>　　when "001"=>load<=conv_std_logic_vector(yellowsn_time,8);</p><p>　　--si

94、gn_state=“001”時(shí)，南北方向黃燈亮5s。</p><p>　　when "010"=>load<=conv_std_logic_vector(redsn_time,8);</p><p>　　--sign_state=“010”時(shí)，南北方向紅燈亮15s。</p><p>　　when "011"=>

95、;load<=conv_std_logic_vector(redew_time,8);</p><p>　　--sign_state=“011”時(shí)，東西方向紅燈亮15s。</p><p>　　when "100"=>load<=conv_std_logic_vector(yellowew_time,8);</p><p>　　-

96、-sign_state=“100”時(shí)，東西方向黃燈亮5s。</p><p>　　when "101"=>load<=conv_std_logic_vector(greenew_time,8);</p><p>　　--sign_state=“101”時(shí)，東西方向綠燈亮25s。</p><p>　　when others=>loa

97、d<=conv_std_logic_vector(yellowsn_time,8);</p><p><b>　　end case;</b></p><p>　　當(dāng)外部信號(hào)發(fā)生器提供了1kHZ的時(shí)鐘信號(hào)，并且重新計(jì)數(shù)信號(hào)(recount)為“1”時(shí),load信號(hào)就會(huì)按照預(yù)先設(shè)置的數(shù)值逐1遞減,直至減到零為止,當(dāng)下一個(gè)重新計(jì)數(shù)信號(hào)(recount)再次為“1”時(shí)，

98、會(huì)重復(fù)此過程。</p><p>　　在這段程序的設(shè)計(jì)中用到了conv_std_logic_vector(value,n)語句，它的用法就是將已經(jīng)定義的數(shù)值 (value)轉(zhuǎn)換成n位(bit)的表示方法。例如程序中：when "000"=>load<=conv_std_logic_vector(greenew_time,8);就是將十進(jìn)制的25轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制的19，這就使設(shè)計(jì)減少了很多

99、不必要的麻煩。</p><p>　　4.4.3 倒計(jì)時(shí)控制電路</p><p>　　通過日常生活中的觀察，我發(fā)現(xiàn)在一些交通路口已經(jīng)開始使用倒計(jì)時(shí)顯示器，它們的作用就是用來提示車輛行人目前還有多長時(shí)間信號(hào)燈會(huì)發(fā)生變化，這樣車輛行人就可以提前判斷是否有足夠的時(shí)間通過路口，進(jìn)而就可以避免很多意外事故的發(fā)生。例如：南北方向綠燈，車輛處于正常行駛中，東西方向紅燈，車輛處于等待中，若南北方向行駛的車輛

100、看到倒計(jì)時(shí)顯示器上可以通行的時(shí)間很短，可能就會(huì)放慢速度等待下一次通行，這樣在東西方向綠燈時(shí)，車輛就能夠正常行駛，不會(huì)為等待南北方向強(qiáng)行的車輛而耽誤更多的時(shí)間。如此循環(huán)下去，道路就會(huì)暢通無阻了?？紤]到有些路口的交通擁堵現(xiàn)象較為嚴(yán)重，車輛會(huì)在道路上排成很長的一隊(duì)，這樣排在較遠(yuǎn)距離的司機(jī)就很難看清楚倒計(jì)時(shí)顯示器上變化的數(shù)字，有可能會(huì)影響到車輛之間的正常行駛。因此，如果采用發(fā)光二極管作為倒計(jì)時(shí)的顯示裝置就會(huì)使司機(jī)和行人一目了然，同樣也能夠起到很

101、好的提示作用。所以，hld3倒計(jì)時(shí)控制電路(見圖9)最主要的功能就是負(fù)責(zé)接收hld2電路輸出的值，然后將其轉(zhuǎn)換成BCD碼，并利用發(fā)光二極管顯示出來，讓車輛行人能夠清楚地知道再過多久信號(hào)燈就會(huì)發(fā)生變化。</p><p>　　圖9 倒計(jì)時(shí)控制電路</p><p><b>　　系統(tǒng)輸入信號(hào)：</b></p><p>　　clk：由外部信號(hào)發(fā)生器提供

102、1kHz的時(shí)鐘信號(hào)；</p><p>　　reset：系統(tǒng)內(nèi)部自復(fù)位信號(hào)；</p><p>　　ena_1hz：接收由時(shí)鐘發(fā)生電路提供的1Hz的脈沖信號(hào)；</p><p>　　recount：重新計(jì)數(shù)的使能控制信號(hào)；</p><p>　　load：負(fù)責(zé)接收計(jì)數(shù)器所需要的計(jì)數(shù)數(shù)值。</p><p><b>　　

103、系統(tǒng)輸出信號(hào)：</b></p><p>　　led：負(fù)責(zé)將計(jì)數(shù)數(shù)值轉(zhuǎn)換成BCD碼，并利用發(fā)光二極管顯示倒計(jì)時(shí)狀態(tài)；</p><p>　　next_state：當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)完畢后，負(fù)責(zé)產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，作為下一個(gè)狀態(tài)的觸發(fā)信號(hào)。</p><p>　　經(jīng)仿真后得到的時(shí)序圖(見圖10)：</p><p>　　圖10 倒計(jì)時(shí)控制電路時(shí)序

104、圖</p><p>　　由倒計(jì)時(shí)控制電路的時(shí)序圖(見圖10)可以看出，當(dāng)clk時(shí)鐘信號(hào)來臨后，在ena_1hz脈沖信號(hào)的同時(shí)激勵(lì)下，led會(huì)按照預(yù)先設(shè)置好的時(shí)間開始逐1遞減，進(jìn)行倒計(jì)時(shí)顯示。</p><p>　　process(clk,reset)</p><p><b>　　begin</b></p><p>　　if

105、 (reset='1') then </p><p>　　cnt_ff<="00000000";</p><p>　　led<="0000000000000000000000000";--當(dāng)reset=1，則將cnt_ff與led清零。</p><p>　　elsif (clk'event

106、and clk='1') then</p><p>　　if ena_1hz='1' then </p><p>　　if (recount='1') then</p><p>　　cnt_ff<=load-1;--當(dāng)reset=0,clk為上升沿觸發(fā)，且ena_1hz與recount為1時(shí)，load將

107、減1的數(shù)值賦給cnt_ff。</p><p>　　else cnt_ff<=cnt_ff-1;-- 當(dāng)reset=0,clk為上升沿觸發(fā)，且ena_1hz為1時(shí)，recount為0時(shí)，cnt_ff減1。</p><p><b>　　end if;</b></p><p><b>　　end if;</b></p

108、><p>　　case conv_integer(cnt_ff) is</p><p>　　when 0=>led(24 downto 0)<="1000000000000000000000000";</p><p>　　when 1=>led(24 downto 0)<="110000000000000000000

109、0000";</p><p>　　when 2=>led(24 downto 0)<="1110000000000000000000000";</p><p>　　when 3=>led(24 downto 0)<="1111000000000000000000000";</p><p>&l

110、t;b>　　……</b></p><p>　　when 23=>led(24 downto 0)<="1111111111111111111111110";</p><p>　　when 24=>led(24 downto 0)<="1111111111111111111111111";</p>

111、<p>　　when others=>led(24 downto 0)<="0000000000000000000000000";</p><p><b>　　end case;</b></p><p>　　這段程序是采用的就是查表的方法并且利用發(fā)光二極管進(jìn)行倒計(jì)時(shí)顯示,如圖10所示:當(dāng)綠燈點(diǎn)亮開始計(jì)數(shù)后，load就會(huì)將減1

112、后的值賦給cnt_ff，之后cnt_ff又會(huì)從case語句中查找到相對(duì)應(yīng)的值再賦給led顯示所剩余的時(shí)間。在程序編寫過程中運(yùn)用到了conv_integer()語句，它可以將cnt_ff所賦的值轉(zhuǎn)換成整數(shù)。由圖可知led是25位的系統(tǒng)輸出信號(hào)，負(fù)責(zé)控制發(fā)光二極管的輸出，所以25位的輸出信號(hào)可以分成七組控制發(fā)光二極管的顯示，其中“1”為點(diǎn)亮，“0”為熄滅。其對(duì)應(yīng)方式如下表所示：</p><p>　　4.4.4 紅綠燈

113、信號(hào)控制電路</p><p>　　在紅綠燈交通信號(hào)系統(tǒng)中，大多數(shù)的情況是通過自動(dòng)控制的方式指揮交通。但為了配合高峰時(shí)段，防止交通擁擠，有時(shí)還必須使用手動(dòng)控制，即讓交通警察自行指揮交通。因此，hld4紅綠燈信號(hào)控制電路(見圖11)除了負(fù)責(zé)監(jiān)控路口紅綠燈之外，最主要的功能就是能夠利用開關(guān)來切換手動(dòng)與自動(dòng)的模式，讓交通警察能夠通過外部輸入的方式來控制紅綠燈交通信號(hào)系統(tǒng)的運(yùn)做。

114、 </p><p>　　圖11 紅綠燈信號(hào)控制電路</p><p><b>　　系統(tǒng)輸入信號(hào)：</b></p><p>　　clk：由外部信號(hào)發(fā)生器提供1kHZ的時(shí)鐘信號(hào)；</p><

115、p>　　reset：系統(tǒng)內(nèi)部自復(fù)位信號(hào)；</p><p>　　ena_scan：接收由時(shí)鐘發(fā)生電路提供的250Hz的時(shí)鐘脈沖信號(hào)；</p><p>　　ena_1hz：接收由時(shí)鐘發(fā)生電路提供的1Hz的脈沖信號(hào)；</p><p>　　flash_1hz：接收由時(shí)鐘發(fā)生電路提供的1Hz的脈沖時(shí)鐘信號(hào)；</p><p>　　a_m：手動(dòng)、自動(dòng)

116、切換按鈕（1：自動(dòng)、0：手動(dòng)）；</p><p>　　st_butt： 紅綠燈狀態(tài)切換按鈕（在手動(dòng)操作下，每按一次按鈕就變換一個(gè)狀態(tài)）；</p><p>　　next_state：接收由倒計(jì)時(shí)控制電路提供的下一個(gè)狀態(tài)的觸發(fā)信號(hào)。</p><p>　　系統(tǒng)輸出信號(hào)： recount：產(chǎn)生重新計(jì)數(shù)的輸出使能控制信號(hào)；</p><p>