王 勇，郭美春，佟國(guó)棟，謝云夢(mèng)，朱金榮，邱 祥

(1. 揚(yáng)州大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225002； 2. 江蘇省揚(yáng)州市高郵市高郵中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 揚(yáng)州 225002；3. 華南理工大學(xué) 電子信息學(xué)院， 廣東 廣州 510000)

基于CAN總線的交通智能控制*

王 勇1，郭美春2，佟國(guó)棟1，謝云夢(mèng)3，朱金榮1，邱 祥1

(1. 揚(yáng)州大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225002； 2. 江蘇省揚(yáng)州市高郵市高郵中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 揚(yáng)州 225002；3. 華南理工大學(xué) 電子信息學(xué)院， 廣東 廣州 510000)

為了進(jìn)一步提高十字路口的車輛通行效率，提出基于CAN總線的交通管理智能控制設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)包括硬件控制模塊、車流量采集模塊、上位機(jī)軟件等部分。硬件控制模塊由主控模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、硬件黃閃模塊等組成。主控模塊與驅(qū)動(dòng)模塊之間采用CAN總線通信，具有通信速率高、可靠性好的優(yōu)點(diǎn)。主控模塊負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)調(diào)度各個(gè)模塊之間的工作；驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)路口的信號(hào)燈及故障檢測(cè)；車流量采集模塊負(fù)責(zé)采集排隊(duì)車流量數(shù)據(jù)，為智能配時(shí)提供依據(jù)。調(diào)試結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)能夠根據(jù)車流量智能調(diào)節(jié)車輛通行時(shí)間，提高車輛通行效率。

智能交通；CAN總線；STM32F103 module；信息采集

0 引言

隨著機(jī)動(dòng)車輛不斷增加，很多城市出現(xiàn)了交通擁堵的現(xiàn)象[1]。為了解決交通擁堵，一方面應(yīng)改良城市道路基礎(chǔ)設(shè)施，另一方面則應(yīng)提高交通燈控制系統(tǒng)對(duì)車流量的調(diào)度效率。

經(jīng)過(guò)調(diào)研，大部分城市使用的交通信號(hào)控制器采用固定時(shí)間的調(diào)度策略[2]。這種調(diào)度策略對(duì)于車流量均衡的路口調(diào)度效率較高，但對(duì)于車流量變化較大的路口調(diào)度效率較低。為了提高對(duì)車流量變化較大路口的調(diào)度效率，本文提出基于CAN總線的交通管理的智能控制系統(tǒng)解決方案。該方案通過(guò)地磁檢測(cè)器采集路口車流量信息作為交通燈控制器配時(shí)方案的參考數(shù)據(jù)，控制器根據(jù)車流量智能分配通行時(shí)間，有效提高通行效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

基于總體的設(shè)計(jì)要求，提出了如圖1所示的系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)方案主要包括主控模塊、4個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊、硬件黃閃模塊、圖像采集模塊、DSP處理器和上位機(jī)通信軟件等。此方案能夠很好地滿足設(shè)計(jì)要求，主控板提供以太網(wǎng)接口，方便連接上位機(jī)軟件，4個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊可以提供16組信號(hào)輸出，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)為硬件黃閃狀態(tài)，可以保證道路安全暢通。DSP處理器主要作用是對(duì)圖像采集模塊采集到的車輛圖像進(jìn)行處理以及使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法進(jìn)行車輛通行時(shí)間的預(yù)測(cè)。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，方便故障模塊的更換。

圖1 智能交通控制系統(tǒng)方案示意圖

2 主控模塊設(shè)計(jì)

2.1主控模塊的設(shè)計(jì)

主控模塊使用STM32F103ZET6微處理器，最多可以提供5個(gè)串口便于與外設(shè)進(jìn)行通信，同時(shí)支持CAN2.0B接口[3-5]，方便主控模塊與驅(qū)動(dòng)模塊之間的通信。主控模塊負(fù)責(zé)連接、控制其他模塊，在整個(gè)控制系統(tǒng)中起重要作用。由于系統(tǒng)功能的需要，在主控模塊上添加了多種接口。

(1)三路串行接口：一個(gè)串口連接藍(lán)牙模塊；另一路串行接口接GPS模塊，用以為信號(hào)機(jī)授時(shí)；剩下的一個(gè)串口留作調(diào)試使用。

(2)一個(gè)485接口：用來(lái)接收來(lái)自圖像采集模塊的車流量信息。

(3)CAN通信接口：用來(lái)與驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行通信。

2.2主控板最小系統(tǒng)電路

主控板最小系統(tǒng)電路是保證STM32微處理器能夠運(yùn)行的必不可少的電路，主要包括電源供電電路、振蕩電路、復(fù)位電路、JTAG調(diào)試電路等。

(1)電源供電電路

STM32F103ZET6微處理器的供電電壓為3.3 V，系統(tǒng)外部提供的電壓為5 V，需要使用穩(wěn)壓電路提供給主控模塊所需電壓。這里選擇使用AMS1117-3.3穩(wěn)壓器。

(2)振蕩電路

振蕩電路是整個(gè)電路工作的基礎(chǔ)，為整個(gè)電路提供基準(zhǔn)的頻率。在對(duì)STM32任何功能模塊進(jìn)行編程時(shí)，都要先打開(kāi)其對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘控制器，這樣的操作可以很好地控制芯片的功耗。同時(shí)，也可以在有處理任務(wù)時(shí)增大系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，提高處理效率，在沒(méi)有處理任務(wù)時(shí)降低系統(tǒng)時(shí)鐘，減小系統(tǒng)功耗。圖2為振蕩電路原理圖。

圖2 振蕩電路原理圖

(3)復(fù)位電路

為了使整個(gè)系統(tǒng)始終工作在正常的狀態(tài)下，在主控模塊和驅(qū)動(dòng)模塊中都加入了復(fù)位電路。具體原理圖如圖3所示。MCU配置一個(gè)定時(shí)器輸出接口接到WDI管腳，如果此接口一直固定保持高電平或低電平，則1.6 s以后SP706SEN內(nèi)部的看門狗定時(shí)器就會(huì)溢出并使/WDO輸出低電平，同時(shí)/MR輸出低電平信號(hào)使MCU復(fù)位。在正常運(yùn)行時(shí)，MCU及時(shí)地產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)信號(hào)，俗稱“喂狗”，確保微處理器不復(fù)位。同時(shí)它集成了上電復(fù)位、掉電復(fù)位等功能，并具有手動(dòng)復(fù)位功能[6-7]。

圖3 復(fù)位電路原理圖

(4)JTAG調(diào)試電路

STM32微處理器支持在線調(diào)試功能，很大程度上方便了硬件編程工作。通過(guò)對(duì)編寫(xiě)的程序進(jìn)行單步調(diào)試，能夠很容易找到程序編寫(xiě)的錯(cuò)誤位置，提高編程效率。圖4為JTAG調(diào)試電路，圖中網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)均為STM32微處理器的引腳。

圖4 JTAG調(diào)試電路

2.3GPS模塊與藍(lán)牙模塊

GPS模塊的主要作用是為主控模塊提供基準(zhǔn)時(shí)間以及具體的位置信息。GPS模塊為單獨(dú)設(shè)計(jì)的可插接電路，其通過(guò)串口與主控模塊通信[8]。

2.4CAN接口電路

CAN接口電路使用CTM1051A通用CAN隔離收發(fā)器。圖5為CAN通信模塊原理圖。由圖中可以看出，組成CAN通信的電路很簡(jiǎn)單，STM32F103微處理器的CAN_TX和CAN_RX管腳直接連接到CTM1051A的對(duì)應(yīng)管腳上就可以實(shí)現(xiàn)CAN通信，通信速率最高可以達(dá)到1 Mb/s。

圖5 CAN通信模塊原理圖

3 驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

3.1驅(qū)動(dòng)模塊軟件設(shè)計(jì)

每個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)一個(gè)路口的所有信號(hào)燈的驅(qū)動(dòng)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)每個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊可以驅(qū)動(dòng)12路信號(hào)燈。驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)于信號(hào)燈的控制主要依賴于從主控模塊接收到的控制命令。驅(qū)動(dòng)模塊通過(guò)CAN總線從主控模塊接收控制命令后，解析出符合本模塊地址信息的相關(guān)參數(shù)，并立即將參數(shù)運(yùn)用到驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中[9]。通過(guò)這種方式能夠?qū)崿F(xiàn)4個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊動(dòng)作的同步。

3.2驅(qū)動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)模塊采用的微控制器芯片是STM32F103系列芯片中的STM32F103RBT6處理器。該小容量處理器的封裝為L(zhǎng)QFP64，完全能夠滿足驅(qū)動(dòng)板的設(shè)計(jì)要求[10]。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，單個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊可以控制12路通道，系統(tǒng)設(shè)計(jì)有4個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊，一共可以控制48路通道， 可以充分滿足現(xiàn)在交通路口的行車需求。下面就驅(qū)動(dòng)板中的具體控制電路選擇一路進(jìn)行說(shuō)明。電路原理圖如圖6所示。

圖6 交通信號(hào)燈驅(qū)動(dòng)電路原理圖

信號(hào)燈驅(qū)動(dòng)電路是一個(gè)典型的MOC3061系列光電雙向可控硅驅(qū)動(dòng)電路[11]。當(dāng)2號(hào)腳為低電平時(shí)，光耦導(dǎo)通，雙向可控硅導(dǎo)通，此時(shí)Lin與Lout處于導(dǎo)通狀態(tài)；相反，當(dāng)2號(hào)腳為高電平時(shí)，光耦不導(dǎo)通，此時(shí)Lin與Lout處于斷開(kāi)狀態(tài)。其中R1為限流電阻，使輸入的電流控制為15 mA。R2為雙向可控硅的門極電阻，可提高抗干擾能力。R3為觸發(fā)雙向可控硅的限流電阻。R4電阻與C1電容組成浪涌吸收電路，防止浪涌破壞雙向可控硅。

3.3硬件黃閃模塊設(shè)計(jì)

為了保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，除了上面敘述過(guò)的復(fù)位電路以外，系統(tǒng)還設(shè)置了硬件黃閃模塊用以應(yīng)對(duì)系統(tǒng)出現(xiàn)的故障。復(fù)位電路能夠在系統(tǒng)軟件出現(xiàn)異常的情況下，重啟軟件程序；如果重啟軟件程序也不能解決軟件異常則啟動(dòng)硬件黃閃模塊。它的主要控制功能是：以1s為周期閃爍四個(gè)路口的所有黃色信號(hào)燈，提醒車輛駕駛員減速慢行、注意交通安全。圖7為硬件黃閃模塊原理圖。

圖7 硬件黃閃模塊原理圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主控模塊在整個(gè)系統(tǒng)中處于核心位置，其主要負(fù)責(zé)接收DSP處理器發(fā)送來(lái)的各個(gè)路口預(yù)測(cè)通行時(shí)間。其次主控模塊通過(guò)CAN總線統(tǒng)一控制4個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊協(xié)調(diào)工作[12]。在整個(gè)工作過(guò)程中，主控模塊不斷向硬件黃閃模塊發(fā)送脈沖信號(hào)，使硬件黃閃模塊處于休眠狀態(tài)；否則系統(tǒng)將進(jìn)入硬件黃閃狀態(tài)。對(duì)于上位機(jī)發(fā)送的信息，主控模塊通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行接收處理。具體的程序流程圖如圖8所示。

圖8 主控模塊程序流程圖

5 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)與測(cè)試

為了簡(jiǎn)化模塊之間的電路連接，使通信信號(hào)更穩(wěn)定可靠，主控模塊與4個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊采用歐式插座統(tǒng)一連接到一塊電路板上，此電路板上有CAN通信總線、電源線等。對(duì)于信號(hào)機(jī)的遠(yuǎn)程控制需求，編寫(xiě)了適用于信號(hào)機(jī)的上位機(jī)軟件。通過(guò)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)試，交通燈控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了固定時(shí)間方式的運(yùn)行。

由于整個(gè)系統(tǒng)還未安裝到交通路口采集交通流量數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)智能配時(shí)方案測(cè)試時(shí)采用上位機(jī)軟件模擬車流量采集模塊向主控模塊發(fā)送車輛信息。配時(shí)方案采用四相位方式，通行周期設(shè)置為120 s。上位機(jī)向信號(hào)機(jī)發(fā)送4個(gè)方向的車輛數(shù)，信號(hào)機(jī)根據(jù)車輛數(shù)智能分配路口通行時(shí)間。表1為智能配時(shí)時(shí)間與車輛數(shù)關(guān)系表。實(shí)驗(yàn)表明，智能信號(hào)機(jī)能夠根據(jù)車流量信息智能分配路口通行時(shí)間。

表1 智能配時(shí)時(shí)間與車輛數(shù)關(guān)系表

6 結(jié)論

本文從提高對(duì)變化車流量調(diào)度效率的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了基于CAN總線技術(shù)的交通管理控制系統(tǒng)。經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)能夠根據(jù)車流量信息智能調(diào)節(jié)車輛通行時(shí)間，提高了車輛通行效率。系統(tǒng)模塊之間采用CAN總線通信，通信速率高、穩(wěn)定性好。整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，方便了系統(tǒng)的維護(hù)。能夠根據(jù)排隊(duì)車輛數(shù)預(yù)測(cè)車輛的通行時(shí)間。本系統(tǒng)安全可靠，參數(shù)配置方便，具有一定的推廣價(jià)值。

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Traffic intelligent control based on CAN bus

Wang Yong1, Guo Meichun2, Tong Guodong1, Xie Yunmeng3, Zhu Jinrong1, Qiu Xiang1

(1. School of Physics Science and Technology, Yangzhou University, Yangzhou 225002, China;2. Gaoyou Secondary Professional School, Yangzhou 225002, China;3. School of Electronic Information, South China University of Technology, Guangzhou 510000, China)

In order to further improve the efficiency of the vehicle at the crossroads, the intelligent control design scheme of traffic management based on CAN bus is proposed. The system includes hardware control module, traffic flow acquisition module, PC software and other parts. The hardware control module is composed of the main control module, the driving module and the hardware yellow flash module. The main control module communicates with the drive module using the CAN bus, with high communication speed, the advantages of good reliability. The main control module is responsible for coordinating the operation between the various modules; the driving module is responsible for driving the signal lights and fault detection at the intersection; the traffic flow collecting module is responsible for collecting the queuing traffic data and providing the basis for the intelligent timing. The debugging results show that the control system can adjust the vehicle transit time according to the traffic flow and improve the vehicle traffic efficiency.

intelligent traffic; CAN bus; STM32F103 module; information acquisition

TP29

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.19.002

王勇，郭美春，佟國(guó)棟，等.基于CAN總線的交通智能控制[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(19)：6-8,15.

江蘇省科學(xué)基金(BY2016069-14)

2017-05-02)

王勇(1970-)，男，博士，工程師，主要研究方向：電子技術(shù)。郭美春(1976-)，女，本科，主要研究方向：光電技術(shù)。佟國(guó)棟(1990-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)。E-mail:745093889@qq.com。