摘 要： 采用軟件控制方式的道路交通信號機(jī)在死機(jī)時往往失去其綠沖突保護(hù)功能。根據(jù)“綠沖突矩陣”的檢測原理，本文提出一種道路交通信號控制機(jī)的信號沖突檢測方案，采用自頂向下的設(shè)計方法，通過FPGA實現(xiàn)系統(tǒng)的各個功能模塊。該系統(tǒng)可以獨立地檢測綠燈信號沖突這種道路交通的異常情況，并能立即做出處理。仿真及實際測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)時序分配與程序設(shè)計合理，工作穩(wěn)定可靠，并能夠提高信號機(jī)嵌入式系統(tǒng)的實時性。

0 引言

隨著各國城市化進(jìn)程的不斷發(fā)展，智能交通系統(tǒng)在城市道路交通控制中得到了廣泛的應(yīng)用。智能道路交通信號機(jī)是智能交通系統(tǒng)的重要組成部分，也是解決城市交通問題的關(guān)鍵設(shè)備。信號機(jī)中的綠沖突檢測可以提高智能交通系統(tǒng)的安全性和可靠性。由于過去的綠沖突保護(hù)控制方式相對簡單，通常是用簡單的繼電器互鎖或者信號燈的接線實現(xiàn)[1]，隨著多相位、多時段控制方式和線控、面控方式的發(fā)展，目前的綠沖突檢測多通過信號機(jī)的控制軟件實現(xiàn)。然而，當(dāng)這類信號機(jī)出現(xiàn)死機(jī)導(dǎo)致信號沖突時，其保護(hù)功能就失效。因此研究一種新的綠沖突檢測電路在智能交通控制中具有十分重要的現(xiàn)實意義。

本文研究的綠沖突檢測電路采用FPGA實現(xiàn)。FPGA適合于組合邏輯和時序邏輯電路設(shè)計，并且具有并發(fā)執(zhí)行的功能，相對于微控制器的程序設(shè)計更加穩(wěn)定可靠[2]。同時，基于FPGA的綠沖突檢測電路實現(xiàn)信號機(jī)的綠沖突檢測功能，可以減輕信號機(jī)CPU的負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)的實時性。

1 綠沖突

綠沖突是指規(guī)定不允許同時放行的信號燈組中的綠色信號燈同時點亮[3]。就目前的交通信號控制機(jī)來說，產(chǎn)生綠沖突的原因大概有以下幾類：

（1）系統(tǒng)軟故障

此類綠沖突通常是由于交通信號機(jī)里面的控制系統(tǒng)出現(xiàn)死機(jī)或者是一些數(shù)據(jù)處理錯誤等軟故障造成的。不僅如此，如果交通信號機(jī)在較為惡劣的電磁環(huán)境下工作，也會受到電磁干擾而出現(xiàn)短暫的綠沖突現(xiàn)象。

（2）硬件故障

由于信號機(jī)的硬件變質(zhì)、損壞或者溫度變化、受潮等原因造成的綠沖突。這種情況如果發(fā)生，就可能長時間持續(xù)下去，只能對信號機(jī)進(jìn)行維修或者更換里面的部件[4-5]。

2 基于綠沖突矩陣的校驗原理

本文設(shè)計的綠沖突檢測是基于綠沖突矩陣的檢測原理，沖突矩陣的行和列分別對應(yīng)一個信號燈組，為一對稱矩陣，如圖1所示。

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在圖1（a）中假設(shè)有G0、G1、G2三個綠燈信號，設(shè)G0和G1同時點亮視為沖突，G1和G2同時點亮視為沖突，則圖中對應(yīng)沖突的位置填入1，G0和G2同時點亮不視為沖突的位置填0，如圖所示，本文稱之為綠沖突矩陣數(shù)據(jù)，因此，綠沖突矩陣數(shù)據(jù)中的位信息1就是某綠燈對子不允許同時點亮的定義。校驗過程如下：

當(dāng)輸入的信號為G0G1G2=010時（1表示綠燈亮，0表示綠燈滅）：

（1）G0為0，不與G0所在的行校驗，轉(zhuǎn)下一行；

（2）G1為1，進(jìn)行校驗，將輸入信號“010”與G1所在的行“101”相與，即010&101=0，數(shù)據(jù)正確；

（3）G2為0，同理不需要校驗。

當(dāng)G0G1G2=110，即G0和G1同時亮?xí)r，與G0所在行相與后結(jié)果非0，說明G0和G1信號沖突，此時，信號機(jī)應(yīng)立即切斷所有綠燈信號，轉(zhuǎn)而執(zhí)行黃閃信號。

本文設(shè)計的綠沖突檢測電路對應(yīng)15路綠燈信號G0~G14，如東西方向的直行綠燈、左轉(zhuǎn)綠燈、右轉(zhuǎn)綠燈、掉頭綠燈、行人綠燈等。在本文中綠沖突矩陣數(shù)據(jù)是以字節(jié)為單位的，所以15路信號對應(yīng)的綠沖突矩陣數(shù)據(jù)分成4塊，每一塊有8字節(jié)，按照圖1（b）的編號順序通過FPGA串口寫進(jìn)FPGA的ROM中。其中第一塊數(shù)據(jù)用于校驗G0~G7綠信號之間的沖突，第二塊數(shù)據(jù)用于校驗G8~G14與G0~G7綠信號之間的沖突，第三塊數(shù)據(jù)用于校驗G8~G14綠信號之間的沖突。第四塊數(shù)據(jù)也是用于校驗G8~G14與G0~G7綠信號之間的沖突，因此不需要寫進(jìn)ROM。在校驗的過程中還應(yīng)排除Gx與Gx自身的比對，如圖1（b）中斜方向所示。

3 總體方案

根據(jù)綠沖突矩陣的檢測原理，采用自頂向下的設(shè)計方法將檢測電路分為以下幾個模塊：（1）信號燈的燈組驅(qū)動電路，通過SPI方式在正常狀態(tài)下接收信號控制機(jī)的燈組數(shù)據(jù)，在黃閃狀態(tài)下接收沖突檢測電路發(fā)送的信號燈黃閃數(shù)據(jù)。（2）沖突檢測電路采用Xilinx的FPGA芯片XC3S50，通過SPI模塊接收信號燈的狀態(tài)數(shù)據(jù)。（3）數(shù)據(jù)接收結(jié)束后復(fù)位時鐘分頻模塊，時鐘分頻模塊產(chǎn)生其他模塊所需時鐘，所有模塊都是在統(tǒng)一的時鐘線上運行，以免發(fā)生時序混亂。（4）沖突檢測模塊，在檢測時序期間對SPI接收的數(shù)據(jù)即信號燈的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行綠沖突校驗，校驗是根據(jù)上文所說的綠沖突矩陣比對各綠燈信號狀態(tài)，該綠沖突矩陣數(shù)據(jù)存放在FPGA的IP核所生成的ROM里面。（5）黃閃延時判斷模塊，沖突檢測模塊的檢測結(jié)果經(jīng)過黃閃延時判斷模塊進(jìn)行延時檢測并確認(rèn)是否有沖突。如果沒有沖突，則燈組驅(qū)動繼續(xù)接收信號控制機(jī)的燈組數(shù)據(jù)；如果有沖突，則黃閃標(biāo)志置位，切斷MCU的SPI通道，沖突檢測電路通過SPI開始發(fā)送黃閃數(shù)據(jù)至燈組驅(qū)動，從而讓燈組驅(qū)動切換至黃閃狀態(tài)。總體方案如圖2所示。

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4 各模塊設(shè)計

4.1 SPI模塊

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