智能閘機及交通信號控制裝置設計

傅志宏

(上海交大高新技術股份有限公司，上海 200235)

0 引言

我國河流、湖泊眾多，大大小小河流成千上萬。為了便于交通運輸，在河流兩岸架起多種多樣的橋梁，車輛和行人才能在橋面上通行。橋梁架設也有多種形式，其中雖常用的是鋪設固定橋梁，造好后橋梁不能升降移動，但另一種形式是活動或稱移動閘橋，根據河流船只的通行要求，可以實施橋梁的升降。當主橋升起時，橋面上禁止車輛通行和行人行走。只有在橋梁降下，橋面合攏時，車輛和行人才可以通行。為了實現車輛和行人能安全的通過活動橋，我們利用現代智能化控制技術和車輛交通信號燈顯示LED屏顯示技術及橋梁閘機設施的開啟(升起)和關閉(降下)控制技術，有機組合成完整的閘機控制系統[1]。控制系統可以由三級控制組成，第一級為中央控制室監控系統運行狀況；第二級為主控制器，實施系統的主要控制，包括閘機的升起和降下，發布各種控制指令給第三級分控制器，為了避免中控出錯及調試方便，主控制器在中控的基礎上還引入了調試模式；第三級分控制器實施閘機的升起和降下，交通信號燈紅綠信號顯示(紅色為禁止通行，綠色為允許通行)，同時LED顯示屏則顯示“禁止通行”或“允許通行”字樣，以及發出禁止通行的聲光報警信號[2]。為了避免主控制器出差錯，方便橋一端的單獨控制操作，分控制器在主控模式的基礎上引入了人工控制模式[3]。目前我們研發的這種智能道閘及交通信號控制裝置已實際應用在我國三峽大壩橋體的升降機系統中。

1 閘機控制系統控制策略

本設計提供一種智能道閘及交通信號燈/報警控制裝置——即MIC-PC-F型閘機控制機。其主要用于活動橋梁閘機控制系統的第二、第三級控制器，它包括第二級的主控制器以及第三級的分控制器。

以下通過特定的具體實施舉例說明本設計的實施方式，顯示道閘控制及交通信號燈以及報警裝置結構配置示意圖。如圖1所示。

主控制器可放置在控制橋的一端，也可放置在中控室中，在活動橋兩端分別放置一個分控制器1和分控制器2。主控制器是第一級中控室和第三級分控制器之間的聯系紐帶，它可以把中控制室的控制指令發送給分控制器，也可以把分控制器的狀態反饋給中央控制室。每一個分控制器可以控制活動橋一端的兩個閘機，可對閘機進行開、關、停操作[4]；分控制器1、分控制器2可分別對控制橋一端的一個交通信號燈進行亮紅燈、亮綠燈、滅燈操作，對LED顯示屏進行亮紅色“禁止通行”字樣或亮綠色“允許通行”字樣操作，以及對聲光報警器做開或關操作。

2 閘機控制模塊設計

2.1 設計構想與硬件電路設計

2.1.1 系統在實際應用中的框圖

系統框圖，如圖2所示。

圖1 交通信號及報警裝置圖

圖2 系統在實際應用中的框圖

首先中央控制室通過無線或有線接收到升降橋梁請求信號，經過處理后向主控制機發出控制信號，主控制機同時向現場橋兩端的分控制器發送控制信號，同時采集現場車輛與行人的狀況(包括視頻信息、檢測信息及當前信號控制狀態等)，并通過主控制機反饋給中央控制室，從而構建一個中央控制機及閘機信號控制器之間的可靠控制系統[3]。

2.1.2 硬件選型

系統主要由以下幾部分硬件構成：數據處理模塊、通訊模塊、人機交互模塊。

數據處理模塊：設計中需要對采集來的數據進行提取并處理，并將這些信息通過液晶屏顯示給使用者。采用STM32 F407ZET6實現數據的處理、顯示及控制數據的收發。

通訊模塊：設計中采用3種通信模式，UDP模式采用MOXA MiiNePortE1-T通信模塊，無線通信模式則采用Digi TransPort WR21通信模塊，同時還預留開關量通信模式(用于PLC連接)。

人機交互模塊：設計中通過數據處理模塊片處理過的數據最終需要能直觀的顯示給使用者，我們通過按鈕開關來控制輸入，用LED顯示各個狀態及指令信息，同時選擇了NT35510觸摸顯示屏來實現人機交互的系統顯示。

2.2 軟件功能設計

2.2.1 系統流程圖設計

系統運行有兩種運行狀態。

狀態一：公路橋升起，車輛禁止通行，如圖3所示。

在活動橋計劃升起時，中控室通過主控制器把指令傳給分控制器1和分控制器2，先行開啟交通信號燈控制按鈕，交通信號燈紅燈亮起，聲光報警器開始報警，LED顯示屏顯示為紅色“禁止通行”字樣，在等待30秒后，在確保活動橋上沒有車輛及人員通行時(攝像機監控或人工觀察)，關閉所有道閘機，禁止車輛及人員通過活動橋。在閘機閉到位、信號控制為禁止狀態時，主控制器與分控制器柜內可升橋信息指示燈亮起，開始升橋操作。

圖3 活動橋計劃升起流程圖

狀態二：公路橋降下，車輛允許通行，如圖4所示。

圖4 活動橋下降后流程圖

在確保活動橋下降的范圍內人員安全(攝像機監控或人工觀察),中控室開啟活動橋下降按鈕，聲光報警器開始報警，在活動橋平穩下降到位后，中控室、主控制器、分控制器內允許通行按鈕同時亮起，中控室開啟通行按鈕，道閘快速打開，在各個閘機都開到位時，LED顯示屏顯示綠色“允許通行”字樣，同時交通信號燈切換至綠燈狀態，車輛可安全通行。

上述實例為中控模式下的系統操作，而主控制器有兩種控制模式：中控模式、調試模式。其中中控模式時，該控制器只接受中控室的指令來控制分控制器，主控制器操作無效；如果指向調試模式時，中控室的指令就無效了，此時，可以通過主控制器來控制分控制器。指令包括開紅綠燈、開閉閘機。主控制器機柜內指示燈包括中控命令指示、分控制器的閘機狀態指示和主控指令狀態指示。

分控制器有3種控制模式：主控模式、人工模式、調試模式。在主控模式時，該控制器只接受主控制器的指令(可為主控指令或中控指令)來控制外接設備，人工指令則無效；如果指向人工模式時，主控制器的指令就無效了，此時，可以通過人工來控制一端的外接設備；調試模式為無效模式。指令包括開、滅紅綠燈，開閉停閘機。邏輯箱的指示燈包括主控命令指示、各閘機狀態指示和旋轉開關狀態指示。

2.2.2 串口通訊格式和數據協議

1、通訊協議格式組成：

信息頭、信息長度、協議編碼、信息體、校驗碼。

串口參數：

Rate：9600

Parity：Odd

Data Bits：8

Stop Bits : 1

Flow Control: None

2.2.3 串口數據讀寫及處理模塊

串口數據初始化及讀寫部分程序：

void uart_init(u32 pclk2,u32 bound)

{

float temp;

u16 mantissa;

u16 fraction;

temp=(float)(pclk2*1000000)/(bound*16);

mantissa=temp; //得到整數部分

fraction=(temp-mantissa)*16; //得到小數部分

mantissa<<=4;

mantissa+=fraction;

RCC->AHB1ENR|=1<<0; //使能PORTA口時鐘

RCC->APB2ENR|=1<<4; //使能串口1時鐘

GPIO_Set(GPIOA,PIN9|PIN10,GPIO_MODE_AF,GPIO_OTYPE_PP,GPIO_SPEED_50M,GPIO_PUPD_PU);//PA9,PA10,復用功能,上拉輸出

GPIO_AF_Set(GPIOA,9,7); //PA9,AF7

GPIO_AF_Set(GPIOA,10,7);//PA10,AF7

//波特率設置

USART1->BRR=mantissa; //波特率設置

USART1->CR1&=～(1<<15); //設置OVER8=0

USART1->CR1|=1<<3; //串口發送使能

if EN_USART1_RX //如果使能了接收

//使能接收中斷

USART1->CR1|=1<<2; //串口接收使能

USART1->CR1|=1<<5; //接收緩沖區非空中斷使能

MY_NVIC_Init(3,3,USART1_IRQn,2);//組2，最低優先級

endif

USART1->CR1|=1<<13; //串口使能

}

void USART1_IRQHandler(void)

{

u8 res;

if(USART1->SR&(1<<5))//接收到數據

{

res=USART1->DR;

if((USART_RX_STA&0x8000)==0)//接收未完成

{

if(USART_RX_STA&0x4000)//接收到了0x0d

{

if(res!=0x0a)USART_RX_STA=0;//接收錯誤,重新開始

else USART_RX_STA|=0x8000; //接收完成了

}else //還沒收到0X0D

{

if(res==0x0d)USART_RX_STA|=0x4000;

else

{

USART_RX_BUF[USART_RX_STA&0X3FFF]=res;

USART_RX_STA++;

if(USART_RX_STA>(USART_REC_LEN-1))USART_RX_STA=0;//接收數據錯誤,重新開始接收

}

}

}

}

}

串口數據顯示部分程序：

void inikeydis(void)

{

for(i=0;i<4;i++)//創建21個按鈕

{

for(j=0;j<5;j++)

{

res=i*5+j;

c_btn[res]=btn_creat(j*95+5,i*95+420,90,90,0,2); c_btn[res]->bkctbl[0]=BLACK;//邊框顏色

c_btn[res]->bkctbl[1]=0X4A49;//第一行的顏色

c_btn[res]->bkctbl[2]=0X4A49;//上半部分顏色

c_btn[res]->bkctbl[3]=0X3186;//下半部分顏色

c_btn[res]->font=24;

c_btn[res]->bcfucolor=WHITE;//松開時為白色

c_btn[res]->bcfdcolor=BLACK;//按下時為黑色

//c_btn[res]->caption=(u8*)calc_btnstr_tbl[res];

c_btn[res]->sta=0;

}

}

c_btn[20]=btn_creat(5,325,90,90,0,2);//創建圓角按

c_btn[20]->bkctbl[0]=BLACK;//邊框顏色 c_btn[20]->bkctbl[1]=RED;//第一行的顏色 c_btn[20]->bkctbl[2]=RED;//上半部分顏色

c_btn[20]->bkctbl[3]=RED;//下半部分顏色

c_btn[20]->font=24;

c_btn[20]->bcfucolor=WHITE;//松開時為白色

c_btn[20]->bcfdcolor=BLACK;//按下時為黑色

c_btn[20]->sta=0;

for(res=0;res<21;res++) c_btn[res]->caption=(u8*)calc_btnstr_tbl[res];

for(i=0;i<21;i++)btn_draw(c_btn[i]);

gui_draw_arcrectangle(100,325,375,90,12,1,CALC_DISP_BKCOLOR,CALC_DISP_BKCOLOR);

POINT_COLOR=WHITE;

BACK_COLOR=CALC_DISP_BKCOLOR;

if((rdbuf[0]=='A')&&((rdbuf[1] & 0x7f)=='K'))

{x3=Show_Str(105,330,"顯示指令：開啟",16,0);}

else((rdbuf[0]=='A')&&((rdbuf[1] & 0x7f)=='B'))

x3=Show_Str(105,370," 顯示指令：關閉",16,0);}

BACK_COLOR=WHITE;

}

3 總結

由于本人所在公司和江南重工公司的合作，在三峽大壩的升降機系統中得以測試實施，該設備已得到了實際應用。通過實際的應用，我發現系統的總體結構是結構化和模塊化的，應具有很好的兼容性和可擴展性，這樣才能讓不同廠商的產品可以綜合在同一個系統中，又能為以后系統擴張提供便利。

本文提供了基于在智能交通控制領域中的一種特殊情況下的控制應用，它也可以應用于軌道交通、無軌電車、橋梁、隧道等領域的通行控制。同時，它為智能交通控制應用于其它控制領域，以及如何和其它控制完善地連接集成，提供了一個很好的借鑒。

[1] 沈國江，張偉. 城市道路智能交通控制技術[M].北京：科學出版社，2015.

[2] 李瑞敏，章立輝.城市交通信號控制[M].北京：清華大學出版社.2015.

[3] 于泉. 城市交通信號控制基礎[M].北京：冶金工業出版社.2011.

[4] 翟潤平，周彤梅，劉廣萍.道路交通控制原理及應用.中國人民公安大學出版社，2011.

[5] 自動道閘標準：Q/S003-2000-QB/440300L9100-2000[R].