智能交通路口控制器的設(shè)計(jì)

摘　要：介紹了TCS-0602智能交通路口控制器的硬件結(jié)構(gòu)及軟件結(jié)構(gòu)，該控制器首次將32位處理器和Uclinux操作系統(tǒng)應(yīng)用到智能交通領(lǐng)域，建立了一種開放式的軟硬件體系，目前支持五種交通控制算法，將在一些城市進(jìn)行試運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：智能交通 路口控制器 MPC8245 Uclinux

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市的交通擁擠問題日趨嚴(yán)重，因此提高城市路網(wǎng)的通行能力、實(shí)現(xiàn)道路交通的科學(xué)化管理迫在眉睫。智能交通系統(tǒng)(ITS)在這種背景下應(yīng)運(yùn)而生[1]。

智能交通要求路口向控制中心實(shí)時(shí)提供圖像和數(shù)據(jù)信息，并能夠獨(dú)立執(zhí)行一些復(fù)雜的算法。但是目前國內(nèi)的路口交通控制器大多采用單片機(jī)作為處理器，只能執(zhí)行定時(shí)算法，以RS232或者RS485作為通訊方式，根本無法滿足智能交通對(duì)于路口控制器的要求；而國外的路口控制器(如西門子公司的2070和美國的EAGLE)不能適合中國國情，且價(jià)格昂貴，操作不方便。因此研究開發(fā)出適合中國國情、性能價(jià)格比高的路口控制器成為一項(xiàng)特別緊迫的任務(wù)。

本課題組開發(fā)的TCS-0602智能交通路口控制器滿足了國內(nèi)智能交通發(fā)展的要求。本文將從路口控制器在智能交通中的作用、TCS-0602的硬件體系、軟件體系和最后的運(yùn)行結(jié)果四個(gè)方面來進(jìn)行說明。

1 智能交通路口控制器在智能交通中的作用

智能交通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)正常工作時(shí)，共享數(shù)據(jù)庫通過光纜收集控制器預(yù)處理過的圖像和數(shù)據(jù)信息，在控制中心通過相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行預(yù)測、誘導(dǎo)和控制[2～4]，然后將控制參數(shù)下載到智能交通路口控制器，由它控制交通指示牌和交通信號(hào)燈，來實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的最優(yōu)控制策略。當(dāng)智能交通路口控制器不能跟控制中心通訊的時(shí)候，它可以根據(jù)當(dāng)?shù)貦z測到的交通流量和歷史數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行基于該路口的局域最優(yōu)控制。當(dāng)發(fā)生事故和其它特殊情況時(shí)，還可以通過手動(dòng)實(shí)現(xiàn)路口的控制。所以在智能交通中，智能交通路口控制器是一個(gè)收集數(shù)據(jù)和實(shí)現(xiàn)控制的平臺(tái)。它需要完成以下任務(wù)：(1)與控制中心通過光纜進(jìn)行通訊；(2)執(zhí)行交通控制算法；(3)接收攝像機(jī)圖像；(4)與微波檢測儀通訊；(5)與地感線圈通訊；(6)控制交通信號(hào)燈；(7)控制交通指示牌。

2 智能交通路口控制器的硬件體系結(jié)構(gòu)

智能交通控制器需要執(zhí)行繁重的通訊和算法處理，對(duì)處理器的通訊和運(yùn)算速度有很高的要求，摩托羅拉公司的MPC8245能夠滿足這些要求。MPC8245具有強(qiáng)大的通訊和運(yùn)算能力[5]，可以通過TI16C554等串口芯片擴(kuò)展多個(gè)RS232串口，和多個(gè)外設(shè)通過串口進(jìn)行通訊;可以連接多達(dá)4個(gè)PCI設(shè)備，還可以通過以太網(wǎng)或者電話線進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊。由于MPC8245可以運(yùn)行在300MHz，因此可以滿足很多智能交通算法的需求。

智能交通控制器硬件框圖如圖2所示，MPC8245擴(kuò)展了32M SDRAM和4M FLASH存儲(chǔ)器，其中，4M FLASH用來存儲(chǔ)Linux內(nèi)核和應(yīng)用程序,32M的SDRAM在系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)候存儲(chǔ)Linux的內(nèi)核和應(yīng)用程序。違章抓拍控制器通過PCI總線接口芯片PLX9030接入MPC8245，系統(tǒng)可以兼容各種不同的違章抓拍控制器，通過編寫不同的驅(qū)動(dòng)程序來實(shí)現(xiàn)。以太網(wǎng)控制器通過以太網(wǎng)接口芯片CS8900A接入MPC8245，可以接入Internet，加入光線接口就可以實(shí)現(xiàn)光纖通訊。通過MPC8245的UART口擴(kuò)展了一片16C554，擴(kuò)展出了四個(gè)串口，分別接入液晶控制器、交通燈控制器、交通指示牌控制器和傳感器。液晶控制器用來設(shè)定或者修改智能路口控制器控制參數(shù)，而且還可以通過手動(dòng)直接控制交通燈。交通燈的控制是直接控制交通燈，接收來自MPC8245的參數(shù)設(shè)定，比如路口數(shù)、紅綠燈時(shí)間等，并控制交通燈。交通指示牌是用來提供交通信息的大屏幕，MPC8245接收來自控制中心的交通信息，并將這些信息送到交通指示牌控制器，顯示在大屏幕上，用來疏導(dǎo)交通。檢測設(shè)備在目前交通控制中的作用越來越重要，各種檢測設(shè)備不但種類繁多，而且新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，因此TCS-0602預(yù)留了包括串口在內(nèi)的多種接口方式。

3 智能交通路口控制器的軟件體系

作者開發(fā)的智能交通路口控制軟件建立在Uclinux操作系統(tǒng)之上。Linux內(nèi)核是一種源碼開放的操作系統(tǒng)，采用模塊化的設(shè)計(jì)。在此只保留了必需的功能模塊，刪除了冗余的的功能模塊，并對(duì)內(nèi)核重新編譯，從而使系統(tǒng)運(yùn)行所需的硬件資源顯著減少。因此將其應(yīng)用于智能交通路口控制器的設(shè)計(jì)，具有代碼量小、運(yùn)行消耗系統(tǒng)資源少、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)了智能交通路口控制器對(duì)于操作系統(tǒng)的要求。

智能交通控制器應(yīng)用軟件由四個(gè)通訊協(xié)議模塊和五個(gè)算法模塊構(gòu)成。四個(gè)通訊模塊分別是：違章處理協(xié)議、控制中心通訊協(xié)議、串口通訊協(xié)議和流量數(shù)據(jù)采集協(xié)議。五種控制算法模塊分別是：定時(shí)控制模塊、感應(yīng)控制模塊、多時(shí)段控制模塊、黃閃控制模塊和綠波帶控制模塊。圖3給出了基于Uclinux的智能路口交通控制器的軟件工作流程。

 

下面說明整個(gè)系統(tǒng)的工作流程。系統(tǒng)上電后， Uclinux啟動(dòng)，設(shè)置CPU主頻工作方式、PLL，進(jìn)行串口波特率設(shè)置、初始化堆棧，將FLASH中的數(shù)據(jù)段COPY到RAM中指定位置上，跳到第一片RAM的0位置開始執(zhí)行。如果是9030的中斷，系統(tǒng)調(diào)用違章抓拍系統(tǒng)的通訊協(xié)議，獲取違章車牌號(hào)；如果是8900A的中斷，系統(tǒng)調(diào)用控制中心的通訊協(xié)議，獲得控制中心的控制信息；如果是串口中斷，系統(tǒng)再查詢是16C554的哪個(gè)串口的中斷，然后調(diào)用相應(yīng)的協(xié)議；如果是時(shí)鐘中斷，就給傳感器發(fā)出控制指令，或者給紅綠燈控制器發(fā)出控制指令，或者給交通指示牌發(fā)出相應(yīng)的控制信息。不管是什么中斷發(fā)生，都要調(diào)用五種算法中正在運(yùn)行的算法來重新計(jì)算參數(shù)。
 
TCS-0602智能交通路口控制器于2002年12月通過國家鑒定，并將在一些城市進(jìn)行試運(yùn)行。該系統(tǒng)的創(chuàng)新在于將嵌入式處理器和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)結(jié)合起來應(yīng)用于智能交通領(lǐng)域，在軟、硬件方面都是開放式的結(jié)構(gòu)，軟件目前可以支持五種控制算法，并且可以擴(kuò)充。硬件可以支持RS232、RS485、PCI、RJ45和USB接口設(shè)備。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，TCS-0602智能交通路口控制器設(shè)計(jì)合理、運(yùn)行可靠，完全可以替代國外的同類產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)
1 陳德望,李靈犀,劉小明等.城市高速道路交通控制方法研究的回顧與展望.信息與控制,2002;31(4):341～345
2 陳德望,湯淑明,宮曉燕等.城市交叉口交通信號(hào)控制研究的發(fā)展與展望.自動(dòng)化博覽,2002(1):48～50
3 劉小明,陳德望,宮曉燕等.Study On The Loop Control Structure of Traffic Flow Based On Self-Organization Theory.IEEE International Conference On System,Man,and Cyber-netics,2001
4 宮曉燕,湯淑明,王知學(xué).高速公路交通流建模綜述.交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào),2002;2(1):74～79
5 Motorola Corp.MPC8245 User’ Manul.Doc,1999