王 勇，郭美春，佟國棟，謝云夢，朱金榮，邱 祥

(1. 揚州大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚州 225002； 2. 江蘇省揚州市高郵市高郵中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 揚州 225002；3. 華南理工大學(xué) 電子信息學(xué)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(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚州 225002； 2. 江蘇省揚州市高郵市高郵中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 揚州 225002；3. 華南理工大學(xué) 電子信息學(xué)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(shè)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。硬件控制模塊由主控模塊、驅(qū)動模塊、硬件黃閃模塊等組成。主控模塊與驅(qū)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(yōu)點。主控模塊負責(zé)協(xié)調(diào)調(diào)度各個模塊之間的工作；驅(qū)動模塊負責(zé)驅(qū)動路口的信號燈及故障檢測；車流量采集模塊負責(zé)采集排隊車流量數(shù)據(jù)，為智能配時提供依據(jù)。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(xiàn)了交通擁堵的現(xiàn)象[1]。為了解決交通擁堵，一方面應(yīng)改良城市道路基礎(chǔ)設(shè)施，另一方面則應(yīng)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，大部分城市使用的交通信號控制器采用固定時間的調(diào)度策略[2]。這種調(diào)度策略對于車流量均衡的路口調(diào)度效率較高，但對于車流量變化較大的路口調(diào)度效率較低。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總線的交通管理的智能控制系統(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，有效提高通行效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

基于總體的設(shè)計要求，提出了如圖1所示的系統(tǒng)整體設(shè)計方案。該系統(tǒng)方案主要包括主控模塊、4個驅(qū)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(shè)計要求，主控板提供以太網(wǎng)接口，方便連接上位機軟件，4個驅(qū)動模塊可以提供16組信號輸出，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)轉(zhuǎn)為硬件黃閃狀態(tài)，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(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法進行車輛通行時間的預(yù)測。整個系統(tǒng)的設(shè)計采用模塊化的設(shè)計思想，方便故障模塊的更換。

圖1 智能交通控制系統(tǒng)方案示意圖

2 主控模塊設(shè)計

2.1主控模塊的設(shè)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(shè)進行通信，同時支持CAN2.0B接口[3-5]，方便主控模塊與驅(qū)動模塊之間的通信。主控模塊負責(zé)連接、控制其他模塊，在整個控制系統(tǒng)中起重要作用。由于系統(tǒng)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(diào)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(qū)動模塊進行通信。

2.2主控板最小系統(tǒng)電路

主控板最小系統(tǒng)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(fù)位電路、JTAG調(diào)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(tǒng)外部提供的電壓為5 V，需要使用穩(wěn)壓電路提供給主控模塊所需電壓。這里選擇使用AMS1117-3.3穩(wěn)壓器。

(2)振蕩電路

振蕩電路是整個電路工作的基礎(chǔ)，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(yīng)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(wù)時增大系統(tǒng)時鐘頻率，提高處理效率，在沒有處理任務(wù)時降低系統(tǒng)時鐘，減小系統(tǒng)功耗。圖2為振蕩電路原理圖。

圖2 振蕩電路原理圖

(3)復(fù)位電路

為了使整個系統(tǒng)始終工作在正常的狀態(tài)下，在主控模塊和驅(qū)動模塊中都加入了復(fù)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(nèi)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(fù)位。在正常運行時，MCU及時地產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)信號，俗稱“喂狗”，確保微處理器不復(fù)位。同時它集成了上電復(fù)位、掉電復(fù)位等功能，并具有手動復(fù)位功能[6-7]。

圖3 復(fù)位電路原理圖

(4)JTAG調(diào)試電路

STM32微處理器支持在線調(diào)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(diào)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(diào)試電路，圖中網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號均為STM32微處理器的引腳。

圖4 JTAG調(diào)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(shè)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(fā)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(yīng)管腳上就可以實現(xiàn)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(qū)動模塊設(shè)計

3.1驅(qū)動模塊軟件設(shè)計

每個驅(qū)動模塊負責(zé)一個路口的所有信號燈的驅(qū)動。本系統(tǒng)設(shè)計每個驅(qū)動模塊可以驅(qū)動12路信號燈。驅(qū)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(qū)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(guān)參數(shù)，并立即將參數(shù)運用到驅(qū)動系統(tǒng)中[9]。通過這種方式能夠?qū)崿F(xiàn)4個驅(qū)動模塊動作的同步。

3.2驅(qū)動控制電路設(shè)計

驅(qū)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(qū)動板的設(shè)計要求[10]。本系統(tǒng)設(shè)計中，單個驅(qū)動模塊可以控制12路通道，系統(tǒng)設(shè)計有4個驅(qū)動模塊，一共可以控制48路通道， 可以充分滿足現(xiàn)在交通路口的行車需求。下面就驅(qū)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(qū)動電路原理圖

信號燈驅(qū)動電路是一個典型的MOC3061系列光電雙向可控硅驅(qū)動電路[11]。當(dāng)2號腳為低電平時，光耦導(dǎo)通，雙向可控硅導(dǎo)通，此時Lin與Lout處于導(dǎo)通狀態(tài)；相反，當(dāng)2號腳為高電平時，光耦不導(dǎo)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(shè)計

為了保證系統(tǒng)的正常運行，除了上面敘述過的復(fù)位電路以外，系統(tǒng)還設(shè)置了硬件黃閃模塊用以應(yīng)對系統(tǒng)出現(xiàn)的故障。復(fù)位電路能夠在系統(tǒng)軟件出現(xiàn)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(tǒng)軟件設(shè)計

主控模塊在整個系統(tǒng)中處于核心位置，其主要負責(zé)接收DSP處理器發(fā)送來的各個路口預(yù)測通行時間。其次主控模塊通過CAN總線統(tǒng)一控制4個驅(qū)動模塊協(xié)調(diào)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(fā)送脈沖信號，使硬件黃閃模塊處于休眠狀態(tài)；否則系統(tǒng)將進入硬件黃閃狀態(tài)。對于上位機發(fā)送的信息，主控模塊通過網(wǎng)絡(luò)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(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個驅(qū)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。通過對整個系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)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主控模塊發(fā)送車輛信息。配時方案采用四相位方式，通行周期設(shè)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)關(guān)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。

表1 智能配時時間與車輛數(shù)關(guān)系表

6 結(jié)論

本文從提高對變化車流量調(diào)度效率的角度出發(fā)，設(shè)計了基于CAN總線技術(shù)的交通管理控制系統(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(shè)計思想，方便了系統(tǒng)的維護。能夠根據(jù)排隊車輛數(shù)預(yù)測車輛的通行時間。本系統(tǒng)安全可靠，參數(shù)配置方便，具有一定的推廣價值。

[1] 郭繼孚,劉瑩,余柳.對中國大城市交通擁堵問題的認識[J].城市交通,2011,9(2):8-14,6.

[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].信息與安全,2012(5):1-5.

[3] 楊飛,鄭貴林.基于CAN總線的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].微計算機信息,2005,21(7):34-36.

[4] 喻金錢,喻斌.STM32F系列ARM Cortex-M3核微控制器開發(fā)與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社,2011.

[5] 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].微計算機應(yīng)用,2010,31(12):59-63.

[6] 陳健.基于AWA14423探頭的數(shù)字聲級計的研制[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2011.

[7] 曹曉偉.MOC3061系列光電雙向可控硅驅(qū)動器[J].國外電子元器件,1996(12):2-4.

[8] 王毅峰, 溫希東. 基于CAN總線的智能控制器的設(shè)計[J]. 儀表技術(shù)與傳感器, 2006(4):32-34.

[9] 顏自勇. CAN總線技術(shù)在智能樓宇通信中的應(yīng)用[J]. 安防科技,2006(4):18-19,54.

[10] 熊茂華.基于CAN現(xiàn)場總線的智能交通信號控制系統(tǒng)[J]. 工業(yè)控制計算機,2006,19(9):56-57,64.

[11] 黃波士.基于CAN總線的集散控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D].濟南：山東科技大學(xué),2003.

[12] 馮亞軍. 重型汽車CAN總線控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究[D].濟南：山東大學(xué),2006.

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(yīng)用，2017,36(19)：6-8,15.

江蘇省科學(xué)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(shù)。郭美春(1976-)，女，本科，主要研究方向：光電技術(shù)。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(tǒng)。E-mail:745093889@qq.com。