基于CAN總線的交通智能控制*

王 勇，郭美春，佟國棟，謝云夢，朱金榮，邱 祥

(1. 揚州大學 物理科學與技術學院，江蘇 揚州 225002； 2. 江蘇省揚州市高郵市高郵中等專業學校，江蘇 揚州 225002；3. 華南理工大學 電子信息學院， 廣東 廣州 510000)

基于CAN總線的交通智能控制*

王 勇1，郭美春2，佟國棟1，謝云夢3，朱金榮1，邱 祥1

(1. 揚州大學 物理科學與技術學院，江蘇 揚州 225002； 2. 江蘇省揚州市高郵市高郵中等專業學校，江蘇 揚州 225002；3. 華南理工大學 電子信息學院， 廣東 廣州 510000)

為了進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計方案。該系統包括硬件控制模塊、車流量采集模塊、上位機軟件等部分。硬件控制模塊由主控模塊、驅動模塊、硬件黃閃模塊等組成。主控模塊與驅動模塊之間采用CAN總線通信，具有通信速率高、可靠性好的優點。主控模塊負責協調調度各個模塊之間的工作；驅動模塊負責驅動路口的信號燈及故障檢測；車流量采集模塊負責采集排隊車流量數據，為智能配時提供依據。調試結果表明，該控制系統能夠根據車流量智能調節車輛通行時間，提高車輛通行效率。

智能交通；CAN總線；STM32F103 module；信息采集

0 引言

隨著機動車輛不斷增加，很多城市出現了交通擁堵的現象[1]。為了解決交通擁堵，一方面應改良城市道路基礎設施，另一方面則應提高交通燈控制系統對車流量的調度效率。

經過調研，大部分城市使用的交通信號控制器采用固定時間的調度策略[2]。這種調度策略對于車流量均衡的路口調度效率較高，但對于車流量變化較大的路口調度效率較低。為了提高對車流量變化較大路口的調度效率，本文提出基于CAN總線的交通管理的智能控制系統解決方案。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方案的參考數據，控制器根據車流量智能分配通行時間，有效提高通行效率。

1 系統設計方案

基于總體的設計要求，提出了如圖1所示的系統整體設計方案。該系統方案主要包括主控模塊、4個驅動模塊、硬件黃閃模塊、圖像采集模塊、DSP處理器和上位機通信軟件等。此方案能夠很好地滿足設計要求，主控板提供以太網接口，方便連接上位機軟件，4個驅動模塊可以提供16組信號輸出，在系統出現故障時，系統轉為硬件黃閃狀態，可以保證道路安全暢通。DSP處理器主要作用是對圖像采集模塊采集到的車輛圖像進行處理以及使用神經網絡控制算法進行車輛通行時間的預測。整個系統的設計采用模塊化的設計思想，方便故障模塊的更換。

圖1 智能交通控制系統方案示意圖

2 主控模塊設計

2.1主控模塊的設計

主控模塊使用STM32F103ZET6微處理器，最多可以提供5個串口便于與外設進行通信，同時支持CAN2.0B接口[3-5]，方便主控模塊與驅動模塊之間的通信。主控模塊負責連接、控制其他模塊，在整個控制系統中起重要作用。由于系統功能的需要，在主控模塊上添加了多種接口。

(1)三路串行接口：一個串口連接藍牙模塊；另一路串行接口接GPS模塊，用以為信號機授時；剩下的一個串口留作調試使用。

(2)一個485接口：用來接收來自圖像采集模塊的車流量信息。

(3)CAN通信接口：用來與驅動模塊進行通信。

2.2主控板最小系統電路

主控板最小系統電路是保證STM32微處理器能夠運行的必不可少的電路，主要包括電源供電電路、振蕩電路、復位電路、JTAG調試電路等。

(1)電源供電電路

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

(2)振蕩電路

振蕩電路是整個電路工作的基礎，為整個電路提供基準的頻率。在對STM32任何功能模塊進行編程時，都要先打開其對應的時鐘控制器，這樣的操作可以很好地控制芯片的功耗。同時，也可以在有處理任務時增大系統時鐘頻率，提高處理效率，在沒有處理任務時降低系統時鐘，減小系統功耗。圖2為振蕩電路原理圖。

圖2 振蕩電路原理圖

(3)復位電路

為了使整個系統始終工作在正常的狀態下，在主控模塊和驅動模塊中都加入了復位電路。具體原理圖如圖3所示。MCU配置一個定時器輸出接口接到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內部的看門狗定時器就會溢出并使/WDO輸出低電平，同時/MR輸出低電平信號使MCU復位。在正常運行時，MCU及時地產生翻轉信號，俗稱“喂狗”，確保微處理器不復位。同時它集成了上電復位、掉電復位等功能，并具有手動復位功能[6-7]。

圖3 復位電路原理圖

(4)JTAG調試電路

STM32微處理器支持在線調試功能，很大程度上方便了硬件編程工作。通過對編寫的程序進行單步調試，能夠很容易找到程序編寫的錯誤位置，提高編程效率。圖4為JTAG調試電路，圖中網絡標號均為STM32微處理器的引腳。

圖4 JTAG調試電路

2.3GPS模塊與藍牙模塊

GPS模塊的主要作用是為主控模塊提供基準時間以及具體的位置信息。GPS模塊為單獨設計的可插接電路，其通過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通信的電路很簡單，STM32F103微處理器的CAN_TX和CAN_RX管腳直接連接到CTM1051A的對應管腳上就可以實現CAN通信，通信速率最高可以達到1 Mb/s。

圖5 CAN通信模塊原理圖

3 驅動模塊設計

3.1驅動模塊軟件設計

每個驅動模塊負責一個路口的所有信號燈的驅動。本系統設計每個驅動模塊可以驅動12路信號燈。驅動模塊對于信號燈的控制主要依賴于從主控模塊接收到的控制命令。驅動模塊通過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參數，并立即將參數運用到驅動系統中[9]。通過這種方式能夠實現4個驅動模塊動作的同步。

3.2驅動控制電路設計

驅動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LQFP64，完全能夠滿足驅動板的設計要求[10]。本系統設計中，單個驅動模塊可以控制12路通道，系統設計有4個驅動模塊，一共可以控制48路通道， 可以充分滿足現在交通路口的行車需求。下面就驅動板中的具體控制電路選擇一路進行說明。電路原理圖如圖6所示。

圖6 交通信號燈驅動電路原理圖

信號燈驅動電路是一個典型的MOC3061系列光電雙向可控硅驅動電路[11]。當2號腳為低電平時，光耦導通，雙向可控硅導通，此時Lin與Lout處于導通狀態；相反，當2號腳為高電平時，光耦不導通，此時Lin與Lout處于斷開狀態。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硬件黃閃模塊設計

為了保證系統的正常運行，除了上面敘述過的復位電路以外，系統還設置了硬件黃閃模塊用以應對系統出現的故障。復位電路能夠在系統軟件出現異常的情況下，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硬件黃閃模塊。它的主要控制功能是：以1s為周期閃爍四個路口的所有黃色信號燈，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 系統軟件設計

主控模塊在整個系統中處于核心位置，其主要負責接收DSP處理器發送來的各個路口預測通行時間。其次主控模塊通過CAN總線統一控制4個驅動模塊協調工作[12]。在整個工作過程中，主控模塊不斷向硬件黃閃模塊發送脈沖信號，使硬件黃閃模塊處于休眠狀態；否則系統將進入硬件黃閃狀態。對于上位機發送的信息，主控模塊通過網絡接口進行接收處理。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 系統聯調與測試

為了簡化模塊之間的電路連接，使通信信號更穩定可靠，主控模塊與4個驅動模塊采用歐式插座統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。對于信號機的遠程控制需求，編寫了適用于信號機的上位機軟件。通過對整個系統的聯合調試，交通燈控制系統實現了固定時間方式的運行。

由于整個系統還未安裝到交通路口采集交通流量數據，在系統智能配時方案測試時采用上位機軟件模擬車流量采集模塊向主控模塊發送車輛信息。配時方案采用四相位方式，通行周期設置為120 s。上位機向信號機發送4個方向的車輛數，信號機根據車輛數智能分配路口通行時間。表1為智能配時時間與車輛數關系表。實驗表明，智能信號機能夠根據車流量信息智能分配路口通行時間。

表1 智能配時時間與車輛數關系表

6 結論

本文從提高對變化車流量調度效率的角度出發，設計了基于CAN總線技術的交通管理控制系統。經測試，該系統能夠根據車流量信息智能調節車輛通行時間，提高了車輛通行效率。系統模塊之間采用CAN總線通信，通信速率高、穩定性好。整個系統采用模塊化設計思想，方便了系統的維護。能夠根據排隊車輛數預測車輛的通行時間。本系統安全可靠，參數配置方便，具有一定的推廣價值。

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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，佟國棟，等.基于CAN總線的交通智能控制[J].微型機與應用，2017,36(19)：6-8,15.

江蘇省科學基金(BY2016069-14)

2017-05-02)

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