夏長權(quán) 佟國棟 朱金榮 韓東利

摘 要： 為了進(jìn)一步提高十字路口的車輛通行效率，提出基于CAN總線的智能交通控制系統(tǒng)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。其中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)路口的信號燈及故障檢測；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)提供數(shù)據(jù)支持。主控模塊與驅(qū)動(dòng)模塊之間采用CAN總線通信，通信速率高、可靠性好。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。

關(guān)鍵詞： 智能交通； CAN總線； 車流量采集； 信息通信； 遠(yuǎn)程控制； 通行效率

中圖分類號： TN876?34； TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）15?0137?04

Design of intelligent traffic system based on CAN bus

XIA Changquan， TONG Guodong， ZHU Jinrong， HAN Dongli

（School of Physical Science & Technology， Yangzhou University， Yangzhou 225002， China）

Abstract： The design scheme of intelligent traffic control system based on CAN bus is put forward to further improve the traffic efficiency of the crossroads. The system includes hardware control module， traffic flow acquisition module， PC software and other components. The hardware control module is composed of main control module， driving module and hardware yellow flashing module. The main control module is responsible for coordinating the operation among the various modules. The driving module is responsible for driving the signal lights and fault detection of the intersection. The traffic flow acquisition module is responsible for collecting the queuing traffic flow data to provide the data support for the intelligent time matching. The CAN bus communication is adopted between the main control module and driving module， which has fast communication speed and high reliability. The debugging results show that the control system can adjust the vehicle traffic time according to the traffic flow intelligently， and improve the vehicle traffic efficiency.

Keywords： intelligent traffic； CAN bus； traffic flow acquisition； information communication； remote control； traffic efficiency

0 引 言

近年來，隨著機(jī)動(dòng)車輛日益增長，越來越多的城市出現(xiàn)了交通擁堵的現(xiàn)像[1]。為了解決交通擁堵的問題，一方面可以改良城市道路基礎(chǔ)設(shè)施，另一方面則可以提高交通燈控制系統(tǒng)對車流量的調(diào)度效率。

經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，大部分城市使用的交通信號控制器采用固定時(shí)間的調(diào)度策略[2]。這種調(diào)度策略對于車流量均衡的路口調(diào)度效率良好，但對于車流量變化較大的路口調(diào)度效率比較低。為了提高對車流量變化較大路口的調(diào)度效率，本文提出基于CAN總線的智能交通控制系統(tǒng)解決方案。該方案通過地磁檢測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，經(jīng)過驗(yàn)證可以有效提高車輛通行效率。

1 系統(tǒng)方案概述

該系統(tǒng)主要包括主控模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、硬件黃閃模塊、車流量檢測模塊和上位機(jī)控制軟件。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

本文研究的智能交通控制系統(tǒng)中含有4個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊，每個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊控制一個(gè)方向的交通信號燈。主控模塊通過CAN總線統(tǒng)一控制4個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊，同時(shí)驅(qū)動(dòng)模塊也可以將故障信息發(fā)送給主控模塊。CAN總線通信是多主控制方式[3?5]，任何工作節(jié)點(diǎn)均可以發(fā)送和接收信息，為整個(gè)系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)提供了方便。硬件系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，特別注意了模塊化設(shè)計(jì)思想，方便故障維修。系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，無論其中哪一個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊出現(xiàn)故障，都可以直接使用其他驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行更換。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 STM32F103微處理器

微處理器作為主控模塊和驅(qū)動(dòng)模塊的控制核心，負(fù)責(zé)整個(gè)功能模塊的任務(wù)分配，協(xié)調(diào)功能模塊之間的通信。通過測試和實(shí)驗(yàn)的綜合考慮，最終選擇使用STM32F103系列微處理器[6?7]。該處理器擁有豐富的片上資源，具有體積小、功耗低的優(yōu)點(diǎn)，是第一個(gè)基于Cortex?M3內(nèi)核的微處理器。為了保證整個(gè)系統(tǒng)工作在穩(wěn)定的狀態(tài)，使用SP706SEN看門狗芯片設(shè)計(jì)了硬件復(fù)位電路[8]。

2.2 主控模塊

主控模塊作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，主要外設(shè)電路如圖2所示。主控模塊通過串口外接藍(lán)牙模塊、GPS模塊，手持設(shè)備可以通過藍(lán)牙模塊控制交通信號控制器，GPS模塊為主控模塊提供當(dāng)前時(shí)間和位置信息。W5500網(wǎng)絡(luò)控制模塊是上位機(jī)軟件與信號機(jī)之間通信的接口。FLASH存儲(chǔ)器擴(kuò)展了主控模塊數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。MAX485通信接口負(fù)責(zé)接收車流量信息。CAN收發(fā)器采用周立功公司研發(fā)的CTM1051A CAN隔離收發(fā)器，可以提高CAN通信的穩(wěn)定性、抗干擾性。LED指示燈用來指示系統(tǒng)運(yùn)行狀況，主要包括電源指示燈、通信狀態(tài)指示燈等。

2.3 驅(qū)動(dòng)模塊

驅(qū)動(dòng)模塊主要負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)交通信號燈和檢測驅(qū)動(dòng)電路故障。驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)主要使用3.3 V弱電壓控制220 V交流電壓的通斷，通過查閱相關(guān)設(shè)計(jì)資料，最終選擇使用雙向可控硅進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)。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，可以充分滿足十字路口的行車需求。選擇其中一路驅(qū)動(dòng)信號進(jìn)行說明，具體驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖3所示。

信號燈驅(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。通過MCU的一個(gè)I/O管腳經(jīng)過ULN2803進(jìn)行反向，驅(qū)動(dòng)光耦MOC3061的2號腳。當(dāng)2號腳為低電平時(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號腳為高電平時(shí)，光耦不導(dǎo)通，此時(shí)[Lin]與[Lout]處于斷開狀態(tài)。其中，[R1]為限流電阻，使輸入的電流控制為[9]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]電阻和[C1]電容組成浪涌吸收電路，防止浪涌破壞雙向可控硅。

故障檢測模塊主要使用交流光耦對每一路輸出的交流信號進(jìn)行檢測，判斷此路交流信號是否正常工作。當(dāng)正常工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)板上的微處理器將會(huì)檢測到高電平；當(dāng)不正常工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)板上的微處理器將會(huì)檢測到低電平。

2.4 硬件黃閃模塊

硬件黃閃模塊采用純硬件電路設(shè)計(jì)，不需要微處理器編程，可以提供驅(qū)動(dòng)黃色信號燈以1 s為周期進(jìn)行閃爍。圖4為硬件黃閃模塊原理框圖，其中HCF4060BE為14級紋波二進(jìn)制計(jì)數(shù)器和振蕩器。

當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，CD74HC123接收到脈沖信號，輸出的控制信號為低電平，SN74HC74N使能，黃閃驅(qū)動(dòng)電路不工作；當(dāng)主控模塊出現(xiàn)故障，脈沖信號消失，CD74HC123控制信號為高電平，此時(shí)黃閃驅(qū)動(dòng)電路開始工作，所有黃燈以1 s為周期閃爍[10]。

2.5 車流量采集模塊

車流量采集模塊采用STF1000地磁車輛檢測器。地磁信號接收處理器接收到地磁車輛檢測器發(fā)送的無線信號，處理后通過RS 485總線將車輛信息傳送給主控模塊。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主控模塊智能程序設(shè)計(jì)

主控模塊在整個(gè)系統(tǒng)中處于核心位置，協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)通信模塊、藍(lán)牙模塊、GPS模塊、CAN收發(fā)模塊等統(tǒng)一工作[11?12]。系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行后，主控模塊首先進(jìn)行各個(gè)功能模塊的初始化，接著判斷程序是否進(jìn)入車流量采集工作模式，若進(jìn)入車流量采集模式則采用智能配時(shí)方案配置信號機(jī)參數(shù)。圖5為主控模塊程序流程圖。主控模塊在整個(gè)運(yùn)行過程中，程序通過中斷方式接收上位機(jī)發(fā)送的配置信息，也以中斷方式向硬件黃閃模塊發(fā)送脈沖信號，維持硬件黃閃模塊處于休眠狀態(tài)。

3.2 驅(qū)動(dòng)模塊程序設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)模塊程序的主要功能是通過CAN中斷方式接收主控模塊發(fā)送來的信號配時(shí)方案，解析符合自身地址的信息，控制交通信號燈的開關(guān)狀態(tài)以及持續(xù)的時(shí)間[13] 。系統(tǒng)上電之后，首先進(jìn)行初始化操作，然后按照國標(biāo)要求，黃燈閃爍至少10 s，紅燈點(diǎn)亮至少5 s，接著檢測控制數(shù)據(jù)是否有效，若有效則使用控制數(shù)據(jù)，并檢測是否存在故障；若無效則繼續(xù)點(diǎn)亮紅色信號燈。圖6為驅(qū)動(dòng)模塊程序流程圖。

4 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)與測試

為了簡化模塊之間的電路連接，使通信信號更穩(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。對于信號機(jī)的遠(yuǎn)程控制需求，編寫了適用于信號機(jī)的上位機(jī)軟件[14]。通過對整個(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)方案測試時(shí)采用上位機(jī)軟件模擬車流量采集模塊向信號機(jī)發(fā)送車輛信息。配時(shí)方案采用4相位方式，信號周期設(shè)置為120 s。上位機(jī)向信號機(jī)發(fā)送4個(gè)方向的車輛數(shù)，信號機(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)之間的關(guān)系表。實(shí)驗(yàn)表明，智能信號機(jī)能夠根據(jù)車流量信息智能分配路口通行時(shí)間。

5 結(jié) 語

本文從提高對變化車流量調(diào)度效率的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了基于CAN總線技術(shù)的智能交通燈控制系統(tǒng)。經(jīng)測試，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)。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。

參考文獻(xiàn)

[1] 郭繼孚，劉瑩，余柳.對中國大城市交通擁堵問題的認(rèn)識[J].城市交通，2011，9（2）：8?14.

GUO J F， LIU Y， YU L. Traffic congestion in large metropolitan area in China [J]. Urban transport of China， 2011， 9（2）： 8?14.

[2] 金茂菁.我國智能交通系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J].交通信息與安全，2012，30（5）：1?5.

JIN M J. Status and development tendency of intelligent transporta?tion systems in China [J]. Journal of transport information & safety， 2012， 30（5）： 1?5.

[3] LIU B， JI T. The design of monitoring system based on CAN bus [C]// 2012 International Conference on Measurement， Information and Control. [S.l.]： IEEE， 2012： 137?140.

[4] 周雅稚，尹智勇，許向眾.基于CAN總線的區(qū)域控制器的原型設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2008（5）：225?226.

ZHOU Y Y， YIN Z Y， XU X Z. Prototype design of area controller based on CAN [J]. Microcomputer information， 2008（5）： 225?226.

[5] 諸一琦，程欽，吳丹程，等.基于車流量的智能交通控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].常州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，25（4）：83?87.

ZHU Y Q， CHENG Q， WU D C， et al. Design of intelligent traffic control system based on traffic flow [J]. Journal of Changzhou University （natural science）， 2013， 25（4）： 83?87.

[6] 祁春清，索跡.基于CAN總線的智能小區(qū)通信控制器的設(shè)計(jì)[J].信息化研究，2009，35（6）：62?64.

QI C Q， SUO J. Design of intelligent housing communication controller based on CAN bus [J]. Informatization research， 2009， 35（6）： 62?64.

[7] CHEN G， WANG S S， ZHANG Q R， et al. Design of micro?displacement control system based on STM32F103VCT6 [J]. Modern electronics technique， 2012， 35（5）： 32?35.

[8] 孫書鷹，陳志佳，寇超.新一代嵌入式微處理器STM32F103開發(fā)與應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2010，31（12）：59?63.

SUN S Y， CHEN Z J， KOU C. The developing and application of the new generation of embedded MPU?STM32F103 [J]. Microcomputer applications， 2010， 31（12）： 59?63.

[9] WANG J， CHEN Y， LU B C， et al. Design of micro?displacement platform monitoring system based on fuzzy PID control [J]. Machine design & manufacturing engineering， 2013， 11（2）： 112?116.

[10] 岳磊，金江明，宋玉來，等.基于小型陣列探頭的聲波分離方法研究[J].電聲技術(shù)，2014，38（4）：37?40.

YUE L， JIN J M， SONG Y L， et al. Study on acoustic wave separation technique based on mini?sized array probe [J]. Audio engineering， 2014， 38（4）： 37?40.

[11] 曹純子，李業(yè)德.基于單片機(jī)的智能交通燈控制器設(shè)計(jì)[J].山東理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，25（3）：105?107.

CAO C Z， LI Y D. Study intelligent traffic light control system based on singlechip [J]. Journal of Shandong University of Technology （natural science）， 2011， 25（3）： 105?107.

[12] 孔祥杰，沈國江，金穩(wěn)，等.基于車輛檢測技術(shù)的智能交通控制器設(shè)計(jì)[J].信息與控制，2007，36（6）：760?766.

KONG X J， SHEN G J， JIN W， et al. Design of an intelligent traffic controller based on vehicle detection technology [J]. Information & control， 2007， 36（6）： 760?766.

[13] RAO W D. Design the intelligent traffic controller based on the ARM chip [J]. Computer knowledge & technology， 2011（29）： 7222?7224.

[14] 鄭磊，葉樺，孫曉潔.基于CAN總線的焊接機(jī)器人安全控制器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].科技通報(bào)，2011，27（5）：671?676.

ZHENG L， YE H， SUN X J. Design of safety protection system for industry welding robot based on CAN bus [J]. Bulletin of science & technology， 2011， 27（5）： 671?676.