基于CAN总线的智能交通控制系统设计

摘 要： 为了进一步提高十字路口的车辆通行效率，提出基于CAN总线的智能交通控制系统设计方案。该系统包括硬件控制模块、车流量采集模块、上位机软件等部分。其中硬件控制模块由主控模块、驱动模块、硬件黄闪模块等组成。主控模块负责协调调度各个模块之间的工作；驱动模块负责驱动路口的信号灯及故障检测；车流量采集模块负责采集排队车流量数据，为智能配时提供数据支持。主控模块与驱动模块之间采用CAN总线通信，通信速率高、可靠性好。调试结果表明，该控制系统能够根据车流量智能调节车辆通行时间，提高车辆通行效率。

关键词： 智能交通； CAN总线； 车流量采集； 信息通信； 远程控制； 通行效率

中图分类号： TN876⁃34； TP29 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2018）15⁃0137⁃04

Design of intelligent traffic system based on CAN bus

XIA Changquan， TONG Guodong， ZHU Jiong， 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

近年来，随着机动车辆日益增长，越来越多的城市出现了交通拥堵的现像[1]。为了解决交通拥堵的问题，一方面可以改良城市道路基础设施，另一方面则可以提高交通灯控制系统对车流量的调度效率。

经过调研发现，大部分城市使用的交通信号控制器采用固定时间的调度策略[2]。这种调度策略对于车流量均衡的路口调度效率良好，但对于车流量变化较大的路口调度效率比较低。为了提高对车流量变化较大路口的调度效率，本文提出基于CAN总线的智能交通控制系统解决方案。该方案通过地磁检测器采集路口车流量信息作为交通灯控制器配时方案的参考数据，控制器根据车流量智能分配通行时间，经过验证可以有效提高车辆通行效率。

1 系统方案概述

该系统主要包括主控模块、驱动模块、硬件黄闪模块、车流量检测模块和上位机控制软件。系统整体设计方案如图1所示。

本文研究的智能交通控制系統中含有4个驱动模块，每个驱动模块控制一个方向的交通信号灯。主控模块通过CAN总线统一控制4个驱动模块，同时驱动模块也可以将故障信息发送给主控模块。CAN总线通信是多主控制方式[3⁃5]，任何工作节点均可以发送和接收信息，为整个系统的模块化设计提供了方便。硬件系统在设计时，特别注意了模块化设计思想，方便故障维修。系统运动时，无论其中哪一个驱动模块出现故障，都可以直接使用其他驱动模块进行更换。

2 系统硬件电路设计

2.1 STM32F103微处理器

微处理器作为主控模块和驱动模块的控制核心，负责整个功能模块的任务分配，协调功能模块之间的通信。通过测试和实验的综合考虑，最终选择使用STM32F103系列微处理器[6⁃7]。该处理器拥有丰富的片上资源，具有体积小、功耗低的优点，是第一个基于Cortex⁃M3内核的微处理器。为了保证整个系统工作在稳定的状态，使用SP706SEN看门狗芯片设计了硬件复位电路[8]。

2.2 主控模块

主控模块作为整个控制系统的核心，主要外设电路如图2所示。主控模块通过串口外接蓝牙模块、GPS模块，手持设备可以通过蓝牙模块控制交通信号控制器，GPS模块为主控模块提供当前时间和位置信息。W5500网络控制模块是上位机软件与信号机之间通信的接口。FLASH存储器扩展了主控模块数据存储空间。MAX485通信接口负责接收车流量信息。CAN收发器采用周立功公司研发的CTM1051A CAN隔离收发器，可以提高CAN通信的稳定性、抗干扰性。LED指示灯用来指示系统运行状况，主要包括电源指示灯、通信状态指示灯等。

2.3 驱动模块

驱动模块主要负责驱动交通信号灯和检测驱动电路故障。驱动电路的设计主要使用3.3 V弱电压控制220 V交流电压的通断，通过查阅相关设计资料，最终选择使用双向可控硅进行电路的设计。本系统设计中，单个驱动模块可以控制12路通道，系统设计有4个驱动模块，一共可以控制48路通道，可以充分满足十字路口的行车需求。选择其中一路驱动信号进行说明，具体驱动电路原理图如图3所示。

信号灯驱动电路是一个典型的MOC3061系列光电双向可控硅驱动电路。通过MCU的一个I/O管脚经过ULN2803进行反向，驱动光耦MOC3061的2号脚。当2号脚为低电平时，光耦导通，双向可控硅导通，此时[Lin]与[Lout]处于导通状态；相反，当2号脚为高电平时，光耦不导通，此时[Lin]与[Lout]处于断开状态。其中，[R1]为限流电阻，使输入的电流控制为[9]15 mA。[R2]为双向可控硅的门极电阻，可提高抗干扰能力。[R3]为触发双向可控硅的限流电阻。[R4]电阻和[C1]电容组成浪涌吸收电路，防止浪涌破坏双向可控硅。

故障检测模块主要使用交流光耦对每一路输出的交流信号进行检测，判断此路交流信号是否正常工作。当正常工作时，驱动板上的微处理器将会检测到高电平；当不正常工作时，驱动板上的微处理器将会检测到低电平。

2.4 硬件黄闪模块

硬件黄闪模块采用纯硬件电路设计，不需要微处理器编程，可以提供驱动黄色信号灯以1 s为周期进行闪烁。图4为硬件黄闪模块原理框图，其中HCF4060BE为14级纹波二进制计数器和振荡器。

当系统正常工作时，CD74HC123接收到脉冲信号，输出的控制信号为低电平，SN74HC74N使能，黄闪驱动电路不工作；当主控模块出现故障，脉冲信号消失，CD74HC123控制信号为高电平，此时黄闪驱动电路开始工作，所有黄灯以1 s为周期闪烁[10]。

2.5 车流量采集模块

车流量采集模块采用STF1000地磁车辆检测器。地磁信号接收处理器接收到地磁车辆检测器发送的无线信号，处理后通过RS 485总线将车辆信息传送给主控模块。

3 系统软件设计

3.1 主控模块智能程序设计

主控模块在整个系统中处于核心位置，协调网络通信模块、蓝牙模块、GPS模块、CAN收发模块等统一工作[11⁃12]。系统启动运行后，主控模块首先进行各个功能模块的初始化，接着判断程序是否进入车流量采集工作模式，若进入车流量采集模式则采用智能配时方案配置信号机参数。图5为主控模块程序流程图。主控模块在整个运行过程中，程序通过中断方式接收上位机发送的配置信息，也以中断方式向硬件黄闪模块发送脉冲信号，维持硬件黄闪模块处于休眠状态。

3.2 驅动模块程序设计

驱动模块程序的主要功能是通过CAN中断方式接收主控模块发送来的信号配时方案，解析符合自身地址的信息，控制交通信号灯的开关状态以及持续的时间[13] 。系统上电之后，首先进行初始化操作，然后按照国标要求，黄灯闪烁至少10 s，红灯点亮至少5 s，接着检测控制数据是否有效，若有效则使用控制数据，并检测是否存在故障；若无效则继续点亮红色信号灯。图6为驱动模块程序流程图。

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