基于FPGA开发模块的交通信号控制演示箱技术领域
本发明属于智能交通控制与管理相结合的技术领域，涉及一种可编程的多种信号
灯控制配时方案的实验教学装置，用于交通工程专业相关课程的教学，为学生展示信号机
的工作原理，在此基础上，学生可通过程序的编写，模拟多种需求下的信号灯配时控制方
案。
背景技术
随着城市交通事业的发展，很多企业和高校都投入到了交通信号控制设备的研发
和实验当中，但是之前的实验装置只是信号机外载的一种简单的展示工具，用户既不能现
场对实验箱进行编程控制，更换配时方案，而且存在着体积巨大、模拟情况单一、硬件复杂、
可扩展性低、系统集成度低等问题，这既给交通信号实验箱的组装、系统升级带来麻烦，增
加了成本，也不能直观的对学生展示信号机的工作原理，更不能针对不同的需求，更换配时
方案，因此教学效果不是很理想。由此可见，针对课堂教学实验需求，设计实验教学专用的
交通信号控制实验设备是有必要的。
而现有技术中，涉及实验箱用做信号机的有本申请人早期申请的专利
CN201410354935.X，但其只有简单的信号灯灯组和路口渠化标志，线圈检测器在外部，只有
外接信号机和馈线、线圈检测器，才会模拟车辆通过的信号，需要通过外接信号机或安装模
拟软件，来展示封装好的信号机的控制方案，此实验箱只是一种便携式的信号机工作的展
示装置。
为解决现有实验箱只能用做信号机的展示装置、教学效果差、价格昂贵、使用者不
能随意改变控制方案的问题，本发明的目的是提供一种在课堂上能够为学生演示信号机的
工作原理，以及根据需求更换配时方案的可编程、便携式交通信号控制实验教学设备，该装
置采用FPGA控制模块，搭载了ARM操作系统，能够脱离CPU并行执行，简化了复杂的底层控制
操作，比传统的工控机和外围接口芯片集成度更高，硬件成本降低，且可带动更多的输出端
接口，本装置最多可以使4路口的32组灯组和检测器组合输出，系统的扩展性更加灵活；信
号机通过以太网接口和PC机相连，可以自由的在Linux环境下进行程序的上传、编译、执行，
方便使用者开发、在线修改控制程序；实验箱还可以和数据库联接，方便数据的调取和存
储，更换不同的配时方案，实验装置的下面板可提供脉冲信号的输入，搭载线圈检测器灯
板，可根据当前车流量大小，系统自适应控制。这些软硬件特点能够使本发明装置可以提供
单、多路口的不同配时方案模拟，本发明装置集展示、控制于一体。既能满足高校的学生教
学工作，又能提供给相关企业部门多种路口的信号配时控制模拟演示，具有一定的经济价
值。
发明内容
为了实现上述目的，本发明具体采用以下技术方案：交通信号控制演示箱，包括：
箱体，用于放置灯板、连接线、电源、以太网线等，所述箱体还包括固定在箱体内的下面板，
下面板包括有连接信号灯和检测器的接口；灯板组件，包括用于模拟交叉口路口信号控制
的多种灯板，所述灯板为可拆卸的独立灯板，多种所述灯板可串联工作；灯板连接组件，用
于固定灯板和所述箱体；显示模块，其包括倒计时灯组、指示灯组；以太网接口，用于外接电
脑或路由器；所述下面板、显示模块均设置在箱体内部；所述灯板正面设置有路口的渠化箭
头、检测器和信号灯，信号灯包括直行灯、左转灯、行人灯，用于模拟路口的信号控制状态；
所述灯板还设置有信号灯、行人灯、检测器接线口；各灯板背面通过磁铁固定在箱体内；下
面板的检测器接线口用于与灯板检测器接口相连，当运行程序时，按下相应序号的检测器
控制按键，指示灯组亮；箱体与数据库软件相连，用于调用储存各时段交通流数据、配时字
段以及多种信号灯的配时方案；所述箱体与灯板内嵌FGPA模块并搭载高速CPU,支持多组灯
组和检测器的组合输出。
优选地，还包括活动灯板，其可与下面板连接，用于模拟路口信号控制状态。
优选地，还包括RS-232接口，用于系统的更新；复位键，用于信号机重启；USB接口，
用于文件传输、程序上传。
优选地，还包括灯板存放袋、线缆储物盒、工具储物盒。
优选地，还包括单路口信号灯采用如下配时方案：第一个阶段，先开始全红阶段，2
秒钟过后，设定的一个相位开始绿灯亮，并绿灯倒计时，其余相位红灯，红灯倒计时，当绿灯
变黄灯，其余相位更新红灯时间，再有黄灯变红，进入第二个阶段，循环。
优选地，还包括箱体与数据库软件相连后，进行如下感应控制：首先判断某一阶段
的运行时间是否到达该阶段的最小绿灯时间，如未到达继续则继续运行，如到达，则判断是
否有车辆通行需求，如有需求，则给定扩展步长时间，继续运行该阶段同时判断延长时间是
否完成，如未完成继续运行，若完成则判断是否到达最大绿灯时间，如达到最大绿灯时间，
则进入下一阶段。
所述信号机系统采用ARM开发，能够简化外部软件接口，编译环境是在ARM上建立
的一个嵌入式Linux系统，通过底层的驱动控制FPGA端的接口，用外部串并方式传化芯片再
转接到信号灯、检测器及数码管接口，用户可以进行程序的编写来满足不同的配时需求，不
仅只是一种信号机的展示工具，而且大幅降低了硬件的复杂度，降低功耗，从而节省了成
本。
本发明具有如下有益效果：
（1）方便携带，本发明装置采用手提式箱体设计，体积小、功能齐全、箱体内存储空间
大，存放更多的灯板、线缆和工具。
（2）实验箱采用FPGA模块，可搭载更多的灯组、检测器，方便多路口的协调信号控
制模拟演示，也提高了系统和硬件的集成度，节约成本。
（3）采用ARM开发系统，适合复杂的底层控制操作，在性能模块提高的同时，也使使
用者操作起来更加方便，界面交互性更强，根据不同的使用需求，可自编译控制方案。
（4）实验箱可以用以太网接口和外部电脑进行联网操作，进行文件的传输，可以实
现动态联动演示。
（5）实验箱可连接数据库软件，灵活调取和存储外部数据，可以实现全感应信号控
制、自适应控制。
（6）实验教学效果好，通过本发明专利，不仅能让学生直观的了解实际信号机的工
作原理，而且可以自己拆装、组装灯板以及编程控制信号机的配时方案，能够进一步帮助学
生了解信号机在交通管理中的运用领域和信号控制的重要性。
附图说明
图1是多功能交通信号控制实验箱正面示意图。
图2是单路口信号控制活动灯板示意图。
图3是单路口固定配时控制流程图。
图4是实验箱与数据库相连的感应控制流程图。
图5是实验箱下面板示意图。
图6是实验箱外部接口示意图。
具体实施方式
图中：1、扣槽；2、手提式把手；3、检测器；4、道路渠化箭头；5、行人信号灯灯组；6、
倒计时灯组；7、机动车信号灯灯组；8、信号灯组与下面板连接口；9、检测器与下面板连接
口；10、灯板与下面板连接辅助接口；11、活动灯板存储袋；12、线缆储物盒；13、工具储物盒；
14电源按钮；15、检测器工作指示灯；16、检测器按键；17、预留键工作指示灯；18、预留键；
19、信号灯工作指示灯；20、RS-232接口；21、RS-485接口；22、CAN总线接口；23、复位按钮；
24、USB接口；25、以太网接口；26、I/0接口；27、JTAG接口；28、存储卡端口；29、电源插孔。
在灯板正面设置路口渠化和信号灯，包括左、直、右信号灯，行人灯。灯板面上设置
有信号灯、检测器接线口，该处接线口采用直插直拔型，既方便接线，又保证安全。活动灯板
可吸附在箱体上，并通过辅助接口与下面板相连，可实现模拟路口信号控制状态演示。
灯板上设置有检测器接口，与实验箱下面板相连，当连接数据库时，调用数据库交
通数据，通过接收到的数据控制灯板组件的感应控制演示，外接电脑时，客户端可以实时显
示检测器上传的交通信号数据。
实验箱通过以太网接口或者USB接口，可以进行程序的上传、编译、执行，也可以直
接与路由器相连，可联网修改控制参数，将Linux系统接入到该灯板系统，实现外部软件和
动态灯组配时方案功能。
图2中，路口渠化箭头4、行人信号灯组5、倒计时灯6、机动车左转、直行、右转信号
灯组7，构成路口的信号灯控制布局，用于主要的显示功能。接线口7、8处进行信号灯、检测
器的接入工作，其中接线口内部具有电压保护单元，用于保护使用者安全以及灯组使用的
可靠性。
图3中，单路口信号灯固定配时，分两个阶段，第一个阶段，先开始全红阶段，2秒钟
过后，设定的一个相位开始绿灯亮，并绿灯倒计时，其余相位红灯，红灯倒计时，当绿灯变黄
灯，其余相位更新红灯时间，再有黄灯变红，进入第二个阶段，循环。灯板和信号箱可以模拟
多种路口的信号控制方案。
如图4所示，通过灯板和实验箱及数据库连接实现感应控制。数据库中存放调度
表、时间表、方案表。调度表用于确认某一天使用一个特定的时间表；时间表用于确认某一
时段选用某种控制方案；方案表可以存放多种配时方案，如感应配时的具体配时参数。感应
控制方案：首先判断某一阶段的运行时间是否到达该阶段的最小绿灯时间，如未到达继续
则继续运行，如到达，则判断是否有车辆通行需求，如有需求，则给定扩展步长时间，继续运
行该阶段同时判断延长时间是否完成，如未完成继续运行，若完成则判断是否到达最大绿
灯时间，如达到最大绿灯时间，则进入下一阶段。
图5中，灯板存放袋11、线缆储物盒12、工具储物盒13、可以收纳实验用的灯板等设
备；信号灯工作指示灯19、检测器工作指示灯15，用于显示对应编号的灯组是否处于工作状
态；预留键18、可以自定义。
图6中，RS-232接口20作实验箱系统升级，刷机用；以太网口25上传文件到实验箱、
连接外部软件；复位键23重启实验箱。