基于CAN總線的智能交通控制系統(tǒng)設計

夏長權 佟國棟 朱金榮 韓東利

摘 要： 為了進一步提高十字路口的車輛通行效率，提出基于CAN總線的智能交通控制系統(tǒng)設計方案。該系統(tǒng)包括硬件控制模塊、車流量采集模塊、上位機軟件等部分。其中硬件控制模塊由主控模塊、驅動模塊、硬件黃閃模塊等組成。主控模塊負責協(xié)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(shù)據(jù)，為智能配時提供數(shù)據(jù)支持。主控模塊與驅動模塊之間采用CAN總線通信，通信速率高、可靠性好。調試結果表明，該控制系統(tǒng)能夠根據(jù)車流量智能調節(jié)車輛通行時間，提高車輛通行效率。

關鍵詞： 智能交通； CAN總線； 車流量采集； 信息通信； 遠程控制； 通行效率

中圖分類號： TN876?34； TP29 文獻標識碼： 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，隨著機動車輛日益增長，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設施，另一方面則可以提高交通燈控制系統(tǒng)對車流量的調度效率。

經過調研發(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良好，但對于車流量變化較大的路口調度效率比較低。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間，經過驗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、驅動模塊、硬件黃閃模塊、車流量檢測模塊和上位機控制軟件。系統(tǒng)整體設計方案如圖1所示。

本文研究的智能交通控制系統(tǒng)中含有4個驅動模塊，每個驅動模塊控制一個方向的交通信號燈。主控模塊通過CAN總線統(tǒng)一控制4個驅動模塊，同時驅動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)點均可以發(fā)送和接收信息，為整個系統(tǒng)的模塊化設計提供了方便。硬件系統(tǒng)在設計時，特別注意了模塊化設計思想，方便故障維修。系統(tǒng)運動時，無論其中哪一個驅動模塊出現(xiàn)故障，都可以直接使用其他驅動模塊進行更換。

2 系統(tǒng)硬件電路設計

2.1 STM32F103微處理器

微處理器作為主控模塊和驅動模塊的控制核心，負責整個功能模塊的任務分配，協(xié)調功能模塊之間的通信。通過測試和實驗的綜合考慮，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，是第一個基于Cortex?M3內核的微處理器。為了保證整個系統(tǒng)工作在穩(wěn)定的狀態(tài)，使用SP706SEN看門狗芯片設計了硬件復位電路[8]。

2.2 主控模塊

主控模塊作為整個控制系統(tǒng)的核心，主要外設電路如圖2所示。主控模塊通過串口外接藍牙模塊、GPS模塊，手持設備可以通過藍牙模塊控制交通信號控制器，GPS模塊為主控模塊提供當前時間和位置信息。W5500網絡控制模塊是上位機軟件與信號機之間通信的接口。FLASH存儲器擴展了主控模塊數(shù)據(jù)存儲空間。MAX485通信接口負責接收車流量信息。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)運行狀況，主要包括電源指示燈、通信狀態(tài)指示燈等。

2.3 驅動模塊

驅動模塊主要負責驅動交通信號燈和檢測驅動電路故障。驅動電路的設計主要使用3.3 V弱電壓控制220 V交流電壓的通斷，通過查閱相關設計資料，最終選擇使用雙向可控硅進行電路的設計。本系統(tǒng)設計中，單個驅動模塊可以控制12路通道，系統(tǒng)設計有4個驅動模塊，一共可以控制48路通道，可以充分滿足十字路口的行車需求。選擇其中一路驅動信號進行說明，具體驅動電路原理圖如圖3所示。

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。通過MCU的一個I/O管腳經過ULN2803進行反向，驅動光耦MOC3061的2號腳。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(tài)；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(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行檢測，判斷此路交流信號是否正常工作。當正常工作時，驅動板上的微處理器將會檢測到高電平；當不正常工作時，驅動板上的微處理器將會檢測到低電平。

2.4 硬件黃閃模塊

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

當系統(tǒng)正常工作時，CD74HC123接收到脈沖信號，輸出的控制信號為低電平，SN74HC74N使能，黃閃驅動電路不工作；當主控模塊出現(xiàn)故障，脈沖信號消失，CD74HC123控制信號為高電平，此時黃閃驅動電路開始工作，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)軟件設計

3.1 主控模塊智能程序設計

主控模塊在整個系統(tǒng)中處于核心位置，協(xié)調網絡通信模塊、藍牙模塊、GPS模塊、CAN收發(fā)模塊等統(tǒng)一工作[11?12]。系統(tǒng)啟動運行后，主控模塊首先進行各個功能模塊的初始化，接著判斷程序是否進入車流量采集工作模式，若進入車流量采集模式則采用智能配時方案配置信號機參數(shù)。圖5為主控模塊程序流程圖。主控模塊在整個運行過程中，程序通過中斷方式接收上位機發(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 驅動模塊程序設計

驅動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)送來的信號配時方案，解析符合自身地址的信息，控制交通信號燈的開關狀態(tài)以及持續(xù)的時間[13] 。系統(tǒng)上電之后，首先進行初始化操作，然后按照國標要求，黃燈閃爍至少10 s，紅燈點亮至少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)點亮紅色信號燈。圖6為驅動模塊程序流程圖。

4 系統(tǒng)聯(lián)調與測試

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個驅動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。對于信號機的遠程控制需求，編寫了適用于信號機的上位機軟件[14]。通過對整個系統(tǒng)的聯(lián)合調試，交通燈控制系統(tǒng)實現(xiàn)了固定時間方式的運行。

由于整個系統(tǒng)還未安裝到交通路口采集交通流量數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)智能配時方案測試時采用上位機軟件模擬車流量采集模塊向信號機發(fā)送車輛信息。配時方案采用4相位方式，信號周期設置為120 s。上位機向信號機發(fā)送4個方向的車輛數(shù)，信號機根據(jù)車輛數(shù)智能分配路口通行時間。表1為智能配時時間與車輛數(shù)之間的關系表。實驗表明，智能信號機能夠根據(jù)車流量信息智能分配路口通行時間。

5 結 語

本文從提高對變化車流量調度效率的角度出發(fā)，設計了基于CAN總線技術的智能交通燈控制系統(tǒng)。經測試，該系統(tǒng)能夠根據(jù)車流量信息智能調節(jié)車輛通行時間，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。整個系統(tǒng)采用模塊化設計思想，方便了系統(tǒng)的維護。本系統(tǒng)安全可靠，參數(shù)配置方便，具有一定的推廣價值。

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