單交叉路口半感應(yīng)控制器設(shè)計

1 引言
    隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，城市交通日益擁擠，交叉路口是造成交通阻塞的主要因素，交通信號控制作為減少交通沖突的重要方法之一，廣泛應(yīng)用于城市交叉路口。目前實現(xiàn)交通信號控制器的方法有很多種，可采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件、PLC控制器、單片機控制器等。控制方式主要有多時段、多相位、定時控制及感應(yīng)控制等多種模式。
    定時控制是根據(jù)以往觀測的實際交通狀況，按照預(yù)先設(shè)定的周期和信綠比進行控制，它對交通流的突然變化毫無反應(yīng)，無法應(yīng)付交通量無規(guī)律的交叉路口。所以這種控制方式在實際應(yīng)用中不可避免地存在著無車開綠燈，造成時間損失；有車開紅燈，造成車輛等待以及停車等弊端。本文采用的半感應(yīng)控制，在一定程度上可以克服以上弊端，其特點是信號燈的信綠比不再依靠過去觀測到的交通狀況，而是依賴現(xiàn)場監(jiān)測的實際交通狀況，以實時檢測的交通數(shù)據(jù)為依據(jù)來確定信號的綠燈時間，因而能適應(yīng)交通流的隨機變化，對于主干道交通流穩(wěn)定、支干道交通流隨機波動比較大的路口，這種控制方式極為有效。
    隨著EDA技術(shù)的發(fā)展，CPLD/FPGA的優(yōu)點越來越明顯。CPLD是一種用戶可以根據(jù)實際需要自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路。編程可以通過硬件描述語言VHDL設(shè)計電子產(chǎn)品，具有很好的兼容性、可移植性、開發(fā)周期短。在單交叉路口采用半感應(yīng)控制方式時，由于系統(tǒng)的具體參數(shù)相位、最小綠燈時間和最大紅燈時間等都要根據(jù)具體的路口規(guī)模和交通流量來決定。所以采用CPLD實現(xiàn)的控制器，具有高密度和現(xiàn)場可編程、保密性、抗干擾能力強，便于集成等優(yōu)點。該單交叉路口半感應(yīng)控制以CPLD為控制核心，使用VHDL語言編程，可以方便地實現(xiàn)不同控制參數(shù)的設(shè)定和次干道控制信號信綠比的調(diào)節(jié)，并對控制結(jié)果進行仿真。

2 總體設(shè)計
2．1 設(shè)計思想
    對一個交叉路口實行半感應(yīng)控制，在次干道的兩個路口設(shè)置車輛檢測器。主干道通行的信號相位為非感應(yīng)相，次干道獲得通行權(quán)的信號相為感應(yīng)相。一般情況下，主干道一直是綠燈，只有次干道檢測到車輛，發(fā)出感應(yīng)信號時，其信號才可轉(zhuǎn)為綠燈信號。非感應(yīng)信號相，設(shè)置最小綠燈時間，在次干道車輛檢測器監(jiān)測到車輛時，必須等到主干道最小綠燈時間結(jié)束時，綠燈信號才能轉(zhuǎn)移到次干道。也就是說次干道獲得通行權(quán)，必須具備兩個條件：檢測器檢測到車輛到達，主干道最小綠燈時間結(jié)束。
    感應(yīng)信號相(即次干道通行相)設(shè)置初始綠燈時間、單位延續(xù)綠燈時間和最大綠燈時間。當(dāng)次干道獲得通行權(quán)后，控制器先給感應(yīng)相一個最小綠燈時間，使到達的車輛通過交叉口。如果此后再無車到達，初始綠燈接受，通行權(quán)又將轉(zhuǎn)移到主干道，如果在初始綠燈時間內(nèi)又有車到達，就要在延續(xù)一個單位綠燈時間，直到累計達最大綠燈時間。此后，即使次干道再有車輛到達，綠燈時間不再延長，通行權(quán)

轉(zhuǎn)移到主干道。半感應(yīng)控制流程如圖1所示

2．2 感應(yīng)配時設(shè)置
    單交叉路口半感應(yīng)控制需要恰當(dāng)?shù)拇_定主干道最小綠燈時間、次干道初始綠燈時間、單位延續(xù)綠燈時間和最大綠燈時間，以下簡要討論各個參數(shù)的設(shè)置。
    (1)主干道最小綠燈時間 主要由主干道的交通流量來決定，如果次干道只是偶爾有車輛通過，且主干道不是特別主要的城市道，可以取較小的綠燈時間(20～40 s)；如果次干道上交通流量較大，為了保證主干道交通不致頻繁中斷，取較長的最小綠燈時間(40～75 s)。
    (2)次干道初始綠燈時間 初始綠燈時間與檢測器到停車的距離有關(guān)，當(dāng)然也與檢測器到停車線所能容納的車輛數(shù)有關(guān)。根據(jù)《交通信號設(shè)計手冊》所推薦的數(shù)值轉(zhuǎn)化成米制單位，如表1所示。

    (3)次干道單位延續(xù)綠燈時間 對于檢測器與停車線間距離較大的交叉路口，單位延續(xù)時間就是車輛從檢測器行駛到進入交叉路口所需的時間；而對于檢測器與停車線間距離較小的交叉路口，單位延時綠燈時間是綠燈信號期間駛進交叉口的車對相鄰車輛的最大空間時距。一旦單位延時綠燈時間確定，只要車輛間的空間時距小于此值，綠燈信號就停留在次干道，除非最大綠燈時間到達。單位延時綠燈時間可以根據(jù)交通調(diào)查分析來確定，一般取3～4 s。
    (4)最大綠燈時間確定 最大綠燈時間通常取30～60 s，根據(jù)路口交通條件決定，當(dāng)單位延時綠燈時間取值較小時，只要交叉路口交通量不是過飽和，次干道綠燈信號不會經(jīng)常達到最大綠燈時間。
2．3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)采用CPLD實現(xiàn)，基準(zhǔn)時鐘廠由外部電路提供，設(shè)戶10 MHz。按照設(shè)計要求，將系統(tǒng)分為半感應(yīng)主控制、分頻、非感應(yīng)相和感應(yīng)相計數(shù)等模塊。分頻電路對輸入f=1 MHz的時鐘信號進行1 05分頻。得到10 Hz信號用作半感應(yīng)主控制模塊的時鐘信號：將主控部分時鐘再10分頻，得到1 Hz信號作為非感應(yīng)相和感應(yīng)相計數(shù)器的時鐘輸入信號。半感應(yīng)主控部分是設(shè)計核心，由其產(chǎn)生感應(yīng)相和非感應(yīng)相的控制信號，各個信號燈的控制信號時序應(yīng)滿足半感應(yīng)控制和相位轉(zhuǎn)換要求，圖2為其系統(tǒng)整體電路結(jié)構(gòu)。

3 VHDL程序設(shè)計與仿真
3．1 層次化設(shè)計
    編程使用VHDL硬件描述語言。對于頂層設(shè)計模塊，其輸入信號為時鐘信號(f)和復(fù)位信號(Reset)以及車輛檢測信號(Sensor)，輸出信號包括主、支干道綠燈、黃燈、紅燈控制信號。底層設(shè)計，按其功能可分為分頻、主控制器、感應(yīng)相信號計時、非感應(yīng)相信號計時等4個單元。
3．2 主控制模塊的VHDL設(shè)計
    主控制模塊在時鐘脈沖和復(fù)位信號的控制下，形成感應(yīng)相和非感應(yīng)相的綠、黃、紅燈的控制信號。程序設(shè)計采用2個進程，分別實現(xiàn)有限狀態(tài)機(4個狀態(tài))和狀態(tài)譯碼。圖3為主控制器的狀態(tài)，s0為非感應(yīng)相綠燈，感應(yīng)相紅燈；s1為非感應(yīng)相黃燈，感應(yīng)相紅燈；s2為非感應(yīng)相紅燈，感應(yīng)相綠燈；s3為非感應(yīng)相紅燈，感應(yīng)相黃燈；Sensor為感應(yīng)相有車標(biāo)志，mgt_1為非感應(yīng)相最小綠燈到標(biāo)志；bgt_1為感應(yīng)相最大綠燈到標(biāo)志。

3．3 仿真與時序分析
    采用CPLD設(shè)計單交叉路口半感應(yīng)控制器，設(shè)計完成后使用MAXPLUSⅡ?qū)Ω鱾€模塊進行系統(tǒng)仿真。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置：非感應(yīng)相最小綠燈時間為40 s，黃燈為2 s，感應(yīng)相單位綠燈延續(xù)為4 s，感應(yīng)相最大綠燈時間為28 s。my，mr，mg分別為非感應(yīng)相黃、紅、綠燈控制信號；by，br，bg分別為感應(yīng)相黃、紅、綠燈控制信號。圖4為感應(yīng)相有車時仿真圖，圖5為感應(yīng)相仿真圖。

    圖4表明，系統(tǒng)可以實現(xiàn)感應(yīng)相和非感應(yīng)相的正常順序切換。當(dāng)感應(yīng)相有車輛時，綠燈信號并不能立即從非感應(yīng)相切換到感應(yīng)相，必須等到非感應(yīng)相最小綠燈時間到達后，實現(xiàn)通行權(quán)的轉(zhuǎn)換，保證主干道的車輛通行。
    圖5表明，當(dāng)通行權(quán)轉(zhuǎn)移到感應(yīng)相時，如果在經(jīng)過單位綠燈延續(xù)后，沒有車輛到達感應(yīng)相，則通行權(quán)又轉(zhuǎn)移到非感應(yīng)相，這樣既保證了感應(yīng)相車輛的通行需求，又避免了因感應(yīng)相車流量小而造成的交通資源浪費。

4 結(jié)束語
    仿真結(jié)果表明，以CPLD為核心控制器，使用VHDL語言編程，可以實現(xiàn)單交叉路口半感應(yīng)控制器的設(shè)計。使用CPLD可編程器件，靈活性好、開發(fā)周期短、抗干擾能力強。分析半感應(yīng)控制方法的基本原理，并簡要說明系統(tǒng)參數(shù)選取時應(yīng)考慮的問題，并介紹用CPLD實現(xiàn)設(shè)計的基本方法。