智能交通信息采集終端的研究與設計

[摘 要]文章探討以TMS320LF2407A和EPM570為核心的嵌入式智能交通信息采集終端采集地感線圈、視頻監控，超聲波脈沖等實時信號，通過3G DTU模塊把采集到的信號無線傳輸到后臺數據庫，在電子地圖上實現實時顯示路況信息。

[關鍵詞]嵌入式系統；3G DTU；DSP

[中圖分類號]G434 [文獻標識碼]A [文章編號]1008-7656（2017）03-0087-06

城市交通擁擠問題，造成了巨大的時間浪費和環境污染。交通信息采集終端是智能交通的重要組成部分。本設計將城市道路路口各車道的地感線圈的脈沖信號、視頻監控信號，超聲波脈沖信號等通過以TMS320LF2407A[1]（以下簡稱LF2407A）和Altera公司的 MAX II CPLD EPM570為核心的嵌入式系統采集，經過分析和加工，轉換成TTL電平的信號，通過3G DTU模塊傳送到后臺服務器進行分析和處理，在電子地圖顯示實時交通信息，用戶通過電子地圖進行查詢路況，制定最優出行方案、節省出行時間，提高交通運行的效率。

一、交通信息采集終端的核心硬件電路

控制機系統的核心硬件電路，采用5V電源供電，由于LF2407A芯片的核心電壓和I/O口電壓都是3.3V，所以需要將5V的電源電壓變換為3.3V，本設計中采用TI公司的TPS767D301作為DC/DC轉換芯片，該芯片是一個雙路低壓降的電壓調節器，輸入為5V電壓，可輸出一路+3.3V固定電壓和一路1.5V～5V可調電壓，每路電流最大輸出為1A。由于LF2407A片內Flash編程電壓為+5V，所以，可將+5V電壓通過跳線直接接入LF2407A的Flash編程電壓輸入引腳Vccp，電源電路原理圖如圖1所示，其中+3.3V輸出電壓供LF2407A使用，另一路可輸出+1.8V。

系統中，片外程序空間的擴展采用IS61LV6416L芯片，該芯片是64k x 16 高速CMOS靜態隨機存儲器，最小讀寫時間為8ns，由于LF2407A工作在40MHz時，其機器周期為25ns，故DSP對其訪問時無須加等待時間，提高系統運行效率。

CPLD的設計主要是對鍵盤、液晶和交通信號燈進行控制。由于TMS320LF2407A的I/O管腳和各種特殊功能是復用的，如果將鍵盤、LCD顯示以及交通信號燈直接和DSP相連，這將造成它的極大浪費，且鍵盤和LCD是低速設備，這對于高速數據處理的DSP來說是無法接受的，所以本設計中，采用CPLD作為鍵盤，液晶，交通信號燈的橋梁。

對于LCD顯示，將DSP中的數據發送到CPLD，然后DSP去做其他的事情，而后續顯示的任務由CPLD 完成，CPLD 將在LCD允許的速度下對其進行操作即可達到顯示目的，CPLD的端口電壓為3.3V，而LCD接口電壓是5V ，為了CPLD和LCD之間的電平匹配，需要借助電平轉換芯片來完成從3.3V到5V之間的相互轉換，電平轉換芯片采用TI公司的SN74LVC4245A芯片，這個芯片的數據傳輸方向是雙向的，在引腳DIR 的作用下，既可以實現從3.3V向5V轉換，也可以實現從5V向3.3V轉換。對于鍵盤，在完成鍵盤的各種處理后通過中斷來通知DSP，然后DSP進行取數操作，這樣并不會影響到整個系統的運行速度。對于交通信號燈，由于信號燈的數量較多，如果都由DSP的I/O端口控制，會造成端口的浪費，而通過CPLD擴展I/O端口，達到少量DSP端口控制多數交通信號燈的作用。DSP和CPLD硬件連接的結構框圖見圖2。

在本設計中，CPLD器件采用Altera公司的MAX II器件。MAX II器件是基于新型的CPLD架構和基于0.18μm Flash工藝，具有低功耗，內核電壓小，支持內部時鐘頻率高達300 MHz，內置用戶非易失性Flash存儲器，實時在線系統可編程能力（ISP），使用電源電壓種類少，簡化單板設計等優點。在交通信息采集終端中，采用MAX II 系列EPM570T144C5芯片，其內部有570個邏輯單元，相當于440個宏單元，共116個通用I/O，引腳延時為8.8ns。

二、實時時鐘電路

在本設計中，交通信號燈的運行是按照設定的時段進行的，時間是本設計最基礎的數據，交通信號燈在時間的控制下，不同的時段運行不同的交通控制方案，通過不同方案的運行，達到改善道路的交通環境，提高交通的順暢，緩解交通擁擠的作用，這就要求系統具有實時的時鐘電路，提供準確、可靠的時間。

DS1302[2] 是美國DALLAS 公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM 的實時時鐘電路，它可以對年、月、日、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能，工作電壓為2.5V～5.5V。采用三線接口與CPU 進行同步通信，具有涓細電流充電的功能。

DS1302與DSP的連接僅需要三條線，即SCLK、I/O、RST，連接的電路原理圖見圖3。Vcc2在單電源與電池供電的系統中提供低電源并提供低功率的電池備份。Vcc2在雙電源系統中提供主電源，在這種運用方式下Vcc1連接到備份電源，以便在沒有主電源的情況下能保存時間信息以及數據。DS1302由Vcc1或Vcc2兩者中的較大者供電。當Vcc2大于Vcc1+0.2V時，Vcc2給DS1302供電。當Vcc2小于Vcc1時，DS1302由Vcc1供電。

三、存儲電路

在本設計中，交通信息采集終端的ID號，運行的方案，相位參數，運行時段的時間表等數據，都存儲在EEPROM AT24LC16里面，硬件電路見圖4。該器件支持I2C 總線數據傳送協議，內部有2048*8位的存儲容量，即可以存儲2K字節的數據，這2K字節被放在128個頁內，每頁存放16個字節，所以對AT24LC16內部的訪問需要11位地址（0-7ff）。對AT24LC16訪問時，按照頁地址和頁偏移量的方式進行訪問。比如要訪問第100頁的第3個字節，則在發送尋址的時候，就要發送0X0643，其中頁地址的高三位放在器件地址中。所以在編寫程序對AT24LC16第100頁的第3個字節進行寫數據的時候，步驟如下：

1.發送起始信號；

2.發送器件地址0XA6（1010 0110，1010是固定地址，011是頁地址的高三位，0表示寫操作）；

3.發送操作地址0X43（0100 0011，0100是頁地址的低四位，0011是頁地址偏移量，即第100頁內的第三個字節；

4.發送要寫的數據；

5.發送終止信號。

四、信號燈接口電路

交通信號燈的控制信號是DSP輸出控制信號經過CPLD電路譯碼后，送入達林頓晶體管陣列ULN2803A，通過ULN2803A控制固態繼電器，固態繼電器與220v的交通信號燈相連，以達到3.3v電壓控制220v交通信號燈的作用。ULN2803A是高電壓，大電流的達林頓晶體管陣列，可驅動8路信號。固態繼電器工作可靠，壽命長，無噪聲，無火花，無電磁干擾，開關速度快，抗干擾能力強，且體積小，耐沖擊，耐振蕩，防爆、防潮、防腐蝕、能與TTL、DTL、HTL等邏輯電路兼容，以微小的控制信號達到直接驅動大電流負載。

五、串行接口電路

交通信息采集終端的串行口，主要是與DTU模塊連接，達到遠程控制的作用。串行接口電路的原理見圖5。本設計中，采用串口電平轉換芯片MAX232作為接口電路。

六、DTU模塊

（一）3G DTU模塊

本設計中采用的是廈門才茂CM8150P TD-SCDMA 3G DTU[3]，它是一款工業級無線數據傳輸設備，通過移動的TD-SCDMA 3G網絡為用戶提供透明TCP無線遠距離數據傳輸或者透明UDP無線遠距離數據傳輸的功能。采用ARM9工業級高性能嵌入式處理器，以實時操作系統為軟件支撐平臺，超大內存，內嵌TCP/IP協議棧；同時提供串口RS232或者USB接口，可以直接與串口/USB設備相連；設備支持雙數據中心備份，以及多數據中心同步接收數據等功能；設備提供在線維持技術，保持數據終端永久在線，保存數據鏈路任何時候暢通，實現高速、穩定、可靠的TCP/UDP透明數據傳輸功能。支持語音、短信、數據觸發上線以及超時自動斷線的功能，降低流量降低產品功耗，實現低功耗功能。3G DTU模塊與交通信號控制機聯網模型見圖6。

（二）DTU模塊串行通信協議

交通的配時方案，系統時間的設置，運行時段的時間表等數據，都是通過串行口寫入系統存儲起來的，串行口通信的質量，關系到整個系統運行的穩定性。為了提高系統串口的穩定性和可靠性，本設計提供上位機和下位機串行通信界面，使用雙接收和發送緩沖，避免在解析接收到的數據和發送數據的同時，新的數據寫入緩沖對系統穩定性的影響。串行通信協議界面如下：

1.通信方式

一對一通信、全雙工異步串行口、二進制方式數據流、無數據流方向控制

2.數據包基本格式

[令牌] [數據包長度] [數據1] ... [數據n] [校驗和]

[令牌] = 0x55

[數據包長度] = 0x01 ～ 0xFF

[校驗和] = （ [數據1] + [數據2] + ... + [數據n] ） 取除以0x100的余數

例如：

0x55 0x01 0x01 0x01 就是一個合法的數據包

0x55 0x02 0x01 0x02 0x01 就是一個校驗和錯誤的數據包

3.指令格式

上位機發往下位機的指令格式：

[指令ID] [指令] [參數1] [參數2] [參數3]

[指令ID] 為上位機為某個指令分配的ID，指令ID的范圍在0xC0 ～ 0xFF。

[指令] 為表示某項操作的一個數，范圍為0x00 ～ 0xFF

[參數1] 、[參數2] 、[參數3] 為執行某個指令所必需的參數，范圍為0x00 ～ 0xFF。不同的指令參數個數是不同的，[指令]在0x00到0x2F之間時，無參數；[指令]在0x30到0x5F之間時，有且只有1個參數，以此類推，最多3個參數。

例如：

A：[指令]在0x00到0x2F之間時，無參數。

上位機發送：0x55 0x04 0xC0 0x01 0x02 0x03 0xC6

下位機返回：0x55 0x02 0xC0 0x01 0xC1

B：[指令]在0x30到0x5F之間，有且只有1個參數。

上位機發送：0x55 0x04 0xC1 0x31 0x01 0x01 0xF4

下位機返回：0x55 0x03 0xC1 0x31 0x01 0xF3

C：[指令]在0x60到0x8F之間，有且只有2個參數。

上位機發送：0x55 0x05 0xC2 0x70 0x02 0x03 0x04 0x3B

下位機返回：0x55 0x04 0xC2 0x70 0x02 0x03 0x37

D：[指令]在0x90到0xFF之間，有且只有3個參數。

上位機發送：0x55 0x05 0xC2 0xB0 0x02 0x03 0x04 0x7B

下位機返回：0x55 0x04 0xC2 0xB0 0x02 0x03 0x04 0x7B

下位機發往上位機的指令格式：

[返回的指令ID] [指令執行狀態] [參數1] [參數2] [參數3]

[返回的指令ID] 為與某個上位機已經發出的指令對應的，上位機分配的指令ID。

[指令執行狀態] 為向上位機返回的表示某個指令執行狀態的一個數，范圍為0x00 ～ 0xFF。

[參數1] [參數2] [參數3] 為執行某個指令返回的狀態所必需的參數，范圍為0x00 ～ 0xFF。

部分DTU模塊與交通信號控制機指令說明如表1：

七、交通信息采集終端數據采集接口電路

本設計主要通過視頻檢測器和超聲波檢測器實現交通路口車流量、車型、車速、占有率的檢測。

（一）基于視頻圖像的車輛檢測傳感的研制

本設計的視頻傳感器檢測裝置的目標是實時檢測路面的車輛狀態，即當前是否有車輛通過。對于運動目標（車輛）的其它特性，如大小、速度、形狀等不需要進行檢測和判斷，可以選擇的方法有背景減法、幀差法和光流法。我們將使用背景減法和幀差法相結合的圖像處理方法。

考慮到背景減法和幀差法對目標檢測的優缺點，將之結合進行運動目標的檢測，達到既有效檢測出運動目標，又對動態環境有良好的適應性。

基于此，選擇背景減法和幀差法相結合的運動目標檢測方法。檢測方法的步驟如下：

當進行道路狀態檢測時，由于不需要提取目標的具體特征，只要求檢測是否存在運動目標，不需要檢測車型、車流量、車速等，因此在采樣圖像數據時可以不用全部采集整幅圖像數據，而只需要采集足夠檢測出存在運動目標的數據即可。

（二）基于超聲技術的車輛檢測傳感的研制

超聲波檢測器以單片機STC89C52RC為核心，通過對采集到的信號進行處理之后，發出一個低電平信號，然后傳輸到交通信號控制機的核心處理器的數字信號處理器DSP中。

超聲波檢測器的結構見圖7，主要包括單片機、激勵電路、發射與接收探頭、放大處理電路這五部分。單片機控制產生40kHz的超聲波脈沖信號，通過激勵電路來放大信號，再通過發射探頭把脈沖信號發射出去，當脈沖信號遇到障礙物時則會被反射回來。放大處理電路把干擾信號過濾掉并把超聲波信號放大，通過處理電路產生一個低電平來觸發單片機的外部中斷引腳從而產生一次中斷，檢測到車輛信息。

汽車的車長一般都在2米以上，車高也有1米多。按照120km/h的速度計算，即車本身通過自身的長度需要60ms，而且一般情況下在交通十字路口不可能達到這么高的速度，所以車通過自身長度的時間肯定超過60ms，為了避免漏檢，超聲波發射周期取小于60ms。

八、結語

經過試運行，交通信息采集終端初步實現利用3G網絡向用戶推送實時交通路況，構建城市道路交通信息無線采集網絡，實時傳送路況信息便于智能交通信息服務平臺數據分析和數據推送，為廣大交通出行者提供實時路況信息查詢和靜態交通查詢服務。

[參考文獻]

[1]TMS320X24XDSP.Controllers Reference Set （PeripheralLibraryandSpecificDrive）. ISHIGUROA，FURIHASHIT. Texas Instruments. 1997

[2]DS1302 datasheet[EB/OL]http：//cnpdf.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/226595/DALLAS/DS1302.html

[3]廈門才茂TD-SCDMA DTU CM8150P/CM8150EP技術參數[EB/OL].廈門才茂通信科技有限公司.http：//www.caimore.com/.

[4]周輝等.智能交通控制系統[J].計算機應用研究，2003（6）.

[作者簡介]劉紹英，廣西廣播電視大學教務處處長，高級工程師，碩士，研究方向：電子信息技術、軟件工程。

[責任編輯 何一輝]