基于信號(hào)校驗(yàn)技術(shù)的單片機(jī)交通燈控制終端

何正言，田得良，莊卓文，黃江輝，葉曉靖

（華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510000）

智能交通系統(tǒng)一直是交通系統(tǒng)研究的一個(gè)重要方向，智能交通系統(tǒng)研究中一個(gè)重要的分支是統(tǒng)籌各路段的車流量信息，統(tǒng)一規(guī)劃調(diào)控各路口的紅綠燈時(shí)間來(lái)控制車輛通行，達(dá)到智能交通所需要的目的[1-2]。

現(xiàn)階段的交通燈控制終端一般采用PLC作為控制器，PLC穩(wěn)定性好，編程和操作簡(jiǎn)單，在信號(hào)燈亮燈時(shí)長(zhǎng)不變的交通燈控制中得到廣泛應(yīng)用。但是PLC通信復(fù)雜，參數(shù)更改不方便，靈活性差，并不能很好的滿足智能交通系統(tǒng)對(duì)于交通燈控制終端的要求[3]。

基于智能交通系統(tǒng)對(duì)于交通燈控制終端的特殊要求，提出了以單片機(jī)為控制核心的交通燈控制終端。單片機(jī)可編程性強(qiáng)，靈活性好，而且價(jià)格便宜，可以隨時(shí)與智能協(xié)調(diào)中樞控制系統(tǒng)進(jìn)行通信，并能在極短的時(shí)間內(nèi)響應(yīng)智能協(xié)調(diào)中樞控制系統(tǒng)的控制要求，實(shí)現(xiàn)交通燈控制時(shí)長(zhǎng)的變化[4]。

1 系統(tǒng)總體概況

智能交通系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，智能協(xié)調(diào)中樞控制系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“智能控制系統(tǒng)”）與交通燈控制終端進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，交換紅綠燈時(shí)長(zhǎng)和車流量信息等數(shù)據(jù)，交通燈控制終端根據(jù)智能控制系統(tǒng)的要求來(lái)控制紅綠燈工作。

圖1 智能交通系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Intelligent traffic system overall figure

本文設(shè)計(jì)的以單片機(jī)為控制核心的交通燈控制終端能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)智能控制系統(tǒng)發(fā)出的信號(hào)，隨時(shí)調(diào)整紅綠燈時(shí)間，并能將車流量統(tǒng)計(jì)信息實(shí)時(shí)反饋給智能控制系統(tǒng)。智能控制系統(tǒng)發(fā)送給單片機(jī)的時(shí)間信號(hào)以及單片機(jī)輸出的交通燈顯示信號(hào)都會(huì)經(jīng)過(guò)合理性校驗(yàn)，確保信息的合理性，保證交通路口通行安全。如控制單片機(jī)出現(xiàn)運(yùn)行錯(cuò)誤，系統(tǒng)可自復(fù)位并發(fā)出警報(bào)；如系統(tǒng)發(fā)生永久性故障，系統(tǒng)可自動(dòng)切換備用控制器。

1.1 運(yùn)行要求

十字路口交通燈系統(tǒng)中，每個(gè)路口有4個(gè)信號(hào)燈，分別為紅、黃、直行、左行。十字路口的交通放行方式會(huì)隨路口要求不同而不同，一般情況下，對(duì)側(cè)路口紅綠燈信號(hào)相同，整個(gè)路口紅綠燈按照既定的工作順序周期循環(huán)工作。

本系統(tǒng)采用最為典型的工作方式，其它情況只需要改變對(duì)應(yīng)控制的燈即可。

1）每個(gè)方向的交通燈按智能控制系統(tǒng)設(shè)定的方式周期循環(huán)工作。

2）東西（南北）信號(hào)燈為黃燈或綠燈時(shí)，南北（東西）方向必須是紅燈。

3）黃燈固定的工作時(shí)長(zhǎng)為3 s；綠燈的工作時(shí)長(zhǎng)由智能控制系統(tǒng)控制，單片機(jī)根據(jù)智能控制系統(tǒng)發(fā)送的綠燈時(shí)長(zhǎng)來(lái)實(shí)時(shí)更改綠燈時(shí)長(zhǎng)，在兩組信號(hào)發(fā)送的間隔時(shí)間內(nèi)按照上一組時(shí)間信號(hào)工作；每組紅燈時(shí)長(zhǎng)為另一只的綠燈時(shí)長(zhǎng)加黃燈時(shí)長(zhǎng)。

1.2 安全性要求

考慮到交通系統(tǒng)中，安全穩(wěn)定是第一位，所以對(duì)于交通燈控制系統(tǒng)需滿足安全要求：

1）如果智能控制系統(tǒng)遭到入侵或者癱瘓，交通燈控制系統(tǒng)必須保證交通燈能正常工作，不出現(xiàn)錯(cuò)誤。

2）信號(hào)燈顯示必須確保不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，如兩個(gè)方向同時(shí)綠燈的情況。

3）如果單片機(jī)出現(xiàn)故障，必須保證交通燈信號(hào)不出現(xiàn)紊亂，并在短時(shí)間內(nèi)投入備用控制終端，同時(shí)發(fā)出警報(bào)通知相關(guān)值班人員。

2 設(shè)計(jì)方案

雖然現(xiàn)在技術(shù)成熟，單片機(jī)抗干擾能力較強(qiáng)，但是單片機(jī)在實(shí)際工作中還是有一定幾率出錯(cuò)，如程序跑飛，還有曾經(jīng)遇到過(guò)的I/O口輸出紊亂等問(wèn)題。為了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，調(diào)用看門狗寄存器來(lái)糾正程序跑飛[5-6]，同時(shí)加入一片單片機(jī)作為信號(hào)校驗(yàn)單片機(jī)來(lái)糾正I/O輸出紊亂問(wèn)題。故本系統(tǒng)采用兩片AT89C51單片機(jī)作為核心器件，其中一片負(fù)責(zé)控制交通燈信號(hào)顯示，另一片負(fù)責(zé)對(duì)顯示信號(hào)進(jìn)行校驗(yàn)。

控制單片機(jī)（U1）負(fù)責(zé)接收輸入的綠燈時(shí)長(zhǎng)信號(hào)和車流量計(jì)數(shù)信號(hào)，對(duì)綠燈時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行合理性判斷，進(jìn)行車流量脈沖計(jì)數(shù)，輸出控制信號(hào)燈的電平，并在收到智能控制系統(tǒng)請(qǐng)求車流量數(shù)據(jù)的信號(hào)后，將車流量數(shù)據(jù)反饋給智能控制系統(tǒng)。信號(hào)校驗(yàn)單片機(jī)（U2）負(fù)責(zé)對(duì)控制信號(hào)燈的顯示信號(hào)進(jìn)行合理性校驗(yàn)，包括校驗(yàn)兩個(gè)路口的紅綠燈是否矛盾以及綠燈時(shí)長(zhǎng)是否合理，校驗(yàn)無(wú)誤后允許信號(hào)燈接收電平信號(hào)做出改變；如果校驗(yàn)不通過(guò)，則保持之前信號(hào)燈信號(hào)不變，復(fù)位控制單片機(jī)，同時(shí)發(fā)出警報(bào)，如多次校驗(yàn)不通過(guò)，則斷開當(dāng)前整個(gè)系統(tǒng)（包括控制和校驗(yàn)），投入備用信號(hào)燈控制器。

3 硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)控制終端要和智能控制系統(tǒng)進(jìn)行有線或無(wú)線通信[7]，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送給信號(hào)燈，信號(hào)校驗(yàn)單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行校驗(yàn)后判斷是否讓信號(hào)燈變化，警報(bào)系統(tǒng)需要在收到警報(bào)信號(hào)后發(fā)出警報(bào)并持續(xù)一段時(shí)間，而且在重復(fù)收到警報(bào)信號(hào)后要啟動(dòng)備用控制器。

3.1 核心模塊

核心模塊包含兩片單片機(jī)，其中單片機(jī)U1為主控制單片機(jī)，單片機(jī)U2為信號(hào)校驗(yàn)單片機(jī)，主控制單片機(jī)負(fù)責(zé)通信、顯示等功能，信號(hào)校驗(yàn)單片機(jī)負(fù)責(zé)校驗(yàn)主控制單片機(jī)的信號(hào)是否合理（詳見(jiàn)本文5軟件設(shè)計(jì)一節(jié)）。U1的信號(hào)燈顯示信號(hào)通過(guò)P2口輸出，輸出的信號(hào)同時(shí)接入鎖存器74HC573的輸入端和U2的P2口中，U2的P2口作為輸入口，讀取U1輸出的交通燈顯示信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行合理性校驗(yàn)。鎖存器74HC573的鎖存控制端LE接U2的P1.0口，如果U2校驗(yàn)了U1輸出的信號(hào)沒(méi)有問(wèn)題后，P1.0會(huì)輸出高電平并延時(shí)一段時(shí)間以打開74HC573鎖存端，讓顯示信號(hào)輸入鎖存器。同時(shí)，U2的P1.1口經(jīng)非門接U1的復(fù)位引腳，如信號(hào)校驗(yàn)不通過(guò)，則在P1.1口輸出低電平復(fù)位U1，如U2復(fù)位則不會(huì)造成U1誤復(fù)位。鎖存器的輸出端接信號(hào)燈，這里用16個(gè)發(fā)光二極管模擬信號(hào)燈，對(duì)側(cè)信號(hào)燈分為一組，兩組信號(hào)燈八個(gè)引腳分別接入鎖存器的八個(gè)輸出端。鎖存器的輸出端同時(shí)又接U1的P0口，如果U1因?yàn)檫\(yùn)行的問(wèn)題復(fù)位后，在程序初始化后通過(guò)讀取P0口狀態(tài)獲取當(dāng)前信號(hào)燈顯示的狀態(tài)，然后從當(dāng)前狀態(tài)開始循環(huán)運(yùn)行，不至于造成信號(hào)燈顯示混亂。

U1的串口通信引腳P3.0和P3.1可根據(jù)實(shí)際運(yùn)用接外部通信模塊，包括串口通信模塊或藍(lán)牙通信模塊，實(shí)現(xiàn)通信功能。核心模塊電路圖如圖2所示。

3.2 警報(bào)模塊

為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，警報(bào)模塊運(yùn)用最簡(jiǎn)單的RC延時(shí)電路，以實(shí)現(xiàn)在收到持續(xù)時(shí)間很短的單片機(jī)警報(bào)信號(hào)后，能夠保持發(fā)出警報(bào)。模塊設(shè)計(jì)延時(shí)為5 s，此處用LED代替警報(bào)燈及時(shí)間繼電器等警報(bào)器件。若警報(bào)模塊收到警報(bào)信號(hào)，則會(huì)持續(xù)報(bào)警5 s；如單片機(jī)出現(xiàn)故障持續(xù)輸出警報(bào)信號(hào)，兩次信號(hào)的時(shí)間間隔小于5 s，則模塊持續(xù)報(bào)警，報(bào)警持續(xù)設(shè)定時(shí)間后時(shí)間繼電器動(dòng)作，跳開當(dāng)前系統(tǒng)，切換備用交通燈控制器。警報(bào)模塊電路圖如圖3所示。

4 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)方案設(shè)計(jì)要求和硬件電路，單片機(jī)1中為控制程序，單片機(jī)2為信號(hào)校驗(yàn)程序，采用C語(yǔ)言為單片機(jī)編寫程序[8]。

4.1 控制程序

為了防止程序跑飛，啟用單片機(jī)的看門狗寄存器，單片機(jī)在初始化或復(fù)位后，會(huì)向智能控制系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)來(lái)獲取當(dāng)前的綠燈時(shí)長(zhǎng)信號(hào)。單片機(jī)通過(guò)讀取P0口的狀態(tài)，確定當(dāng)前信號(hào)燈運(yùn)行的狀態(tài)系數(shù)a，然后跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)狀態(tài)開始循環(huán)運(yùn)行，如果信號(hào)燈處于初始狀態(tài)時(shí)，則順序運(yùn)行，這樣可保證單片機(jī)復(fù)位后立刻返回當(dāng)前狀態(tài)繼續(xù)循環(huán)運(yùn)行。流程圖如圖4。

圖2 核心模塊電路圖Fig.2 Circuit of the coremodule

圖3 警報(bào)模塊Fig.3 Circuit of the alerting unit

在一個(gè)周期內(nèi)交通燈信號(hào)變化6次，每種狀態(tài)根據(jù)相應(yīng)時(shí)長(zhǎng)用嵌套延時(shí)語(yǔ)句進(jìn)行延時(shí)，同時(shí)，在每秒的嵌套語(yǔ)句開始都對(duì)看門狗計(jì)時(shí)器清0（喂狗）。

單片機(jī)和智能控制系統(tǒng)的通信包括發(fā)送車流量信息和接收綠燈時(shí)長(zhǎng)。單片機(jī)在收到智能控制系統(tǒng)的請(qǐng)求數(shù)據(jù)信號(hào)0xff后，會(huì)將T0計(jì)數(shù)器記錄的車流量數(shù)據(jù)發(fā)送給智能控制系統(tǒng)[9]。如果單片機(jī)收到的數(shù)據(jù)不是0xff，則識(shí)別此數(shù)據(jù)為綠燈時(shí)長(zhǎng)數(shù)據(jù)。每次智能控制系統(tǒng)會(huì)發(fā)送4個(gè)綠燈的時(shí)長(zhǎng)數(shù)據(jù)，單片機(jī)接到全部4個(gè)數(shù)據(jù)后對(duì)其合理性進(jìn)行校驗(yàn)。如果4個(gè)數(shù)據(jù)都在預(yù)設(shè)的范圍內(nèi)，則為合法數(shù)據(jù)，單片機(jī)將其裝入顯示時(shí)間數(shù)組中；如果存在非法數(shù)據(jù)，則將4個(gè)數(shù)據(jù)全部舍棄。這樣設(shè)計(jì)是為了防止智能控制系統(tǒng)紊亂或者被入侵而造成交通癱瘓等嚴(yán)重后果。如單片機(jī)一直不收到數(shù)據(jù)請(qǐng)求信號(hào)或時(shí)長(zhǎng)數(shù)據(jù)，則交通燈控制終端會(huì)一直按照現(xiàn)有的時(shí)長(zhǎng)數(shù)據(jù)正常循環(huán)運(yùn)行。

4.2 信號(hào)校驗(yàn)程序

信號(hào)校驗(yàn)單片機(jī)是為了防止主單片機(jī)的I/O口輸出紊亂造成交通燈信號(hào)錯(cuò)誤而設(shè)置的，主要是對(duì)控制單片機(jī)輸出信號(hào)進(jìn)行有效性校驗(yàn)，校驗(yàn)無(wú)誤后再顯示。同時(shí)為了防止信號(hào)校驗(yàn)單片機(jī)出錯(cuò)，啟動(dòng)看門狗寄存器，并且在單片機(jī)初始化時(shí)會(huì)置P1.2高電平延時(shí)0.5 s來(lái)啟動(dòng)警報(bào)電路，這樣如果信號(hào)校驗(yàn)單片機(jī)跑飛復(fù)位，警報(bào)信號(hào)亦會(huì)動(dòng)作。信號(hào)校驗(yàn)流程圖如圖5。

信號(hào)校驗(yàn)單片機(jī)只有在檢測(cè)到顯示信號(hào)發(fā)生變化后才會(huì)去判斷信號(hào)是否正常，由于兩次信號(hào)變化的時(shí)間間隔很長(zhǎng)，這樣可以保證信號(hào)變化時(shí)單片機(jī)U2正處于判斷信號(hào)相同循環(huán)中，74HC573處于不可寫入狀態(tài)，防止未經(jīng)校驗(yàn)的信號(hào)寫入鎖存器。

當(dāng)單片機(jī)校驗(yàn)到顯示信號(hào)不正常時(shí)，會(huì)輸出低電平復(fù)位控制單片機(jī)，并啟動(dòng)警報(bào)電路。如果顯示信號(hào)一直不正常，則警報(bào)電路會(huì)持續(xù)收到警報(bào)信號(hào)報(bào)警，持續(xù)一段時(shí)間后時(shí)間繼電器動(dòng)作切換備用控制器。如果控制單片機(jī)因?yàn)榭撮T狗復(fù)位，則信號(hào)校驗(yàn)單片機(jī)同樣會(huì)檢測(cè)到然后啟動(dòng)警報(bào)電路。

圖4 單片機(jī)U1程序流程圖Fig.4 Structure of control program

圖5 信號(hào)校驗(yàn)程序流程圖Fig.5 Structure of signal validation program

5 系統(tǒng)調(diào)試

按設(shè)計(jì)把硬件環(huán)境搭建出來(lái)后，通過(guò)在正確程序中加入while（1）語(yǔ)句模擬單片機(jī)跑飛，單片機(jī)I/O口飛線高低電平來(lái)強(qiáng)制拉高或拉低單片機(jī)I/O電平模擬單片機(jī)I/O口輸出紊亂，進(jìn)行實(shí)物硬件調(diào)試。

經(jīng)多次修改調(diào)試，系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中能夠保持穩(wěn)定；在模擬故障環(huán)節(jié)中，復(fù)位功能及警報(bào)功能均正常動(dòng)作，系統(tǒng)功能達(dá)到預(yù)定要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文采用單片機(jī)作為交通燈控制終端的控制核心，采用信號(hào)校驗(yàn)的方式，彌補(bǔ)了PLC控制器運(yùn)用于智能交通系統(tǒng)中的不足，同時(shí)保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，更方便的滿足智能交通系統(tǒng)對(duì)于通信和控制的要求。在本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，亦可通過(guò)更換不同種類和功能的單片機(jī)，滿足更多不同的交通控制要求。

[1]鄭淑鑒，徐建閩，盧凱.一種新型的區(qū)域協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)[C].第五屆中國(guó)智能交通年會(huì)暨第六屆國(guó)際節(jié)能與新能源汽車創(chuàng)新發(fā)展論壇優(yōu)秀論文集，2009.

[2]李振龍，陳德望.交通信號(hào)區(qū)域協(xié)調(diào)優(yōu)化的多智能體博弈模型[J].公路交通科技，2004，21（1）:85-88，93.LI Zhen-long，CHEN De-wang.Agame theoreticalmodel of multi-agents in area coordination and optimization of traffic signals[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development，2004，21（1）:85-88，93.

[3]黃鵑飛.基于PLC的自適應(yīng)交通燈智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].南昌：南昌大學(xué)，2009.

[4]郭循釗.基于單片機(jī)的多功能交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真實(shí)現(xiàn)[J].公路交通技術(shù)，2010（1）:128-131.GUO Xun-zhao.Design and emulation of multi-functional traffic lights control system based on single-chip computer[J]Technology of Highway and Transport，2010（1）:128-131

[5]郭天祥.51單片機(jī)C語(yǔ)言教程—入門、提高、開發(fā)、拓展全攻略[M].北京：北京電子工業(yè)出版社，2009.

[6]倪志蓮．單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社，2010.

[7]孫耀杰，高騫.基于單片機(jī)的區(qū)域交通信號(hào)控制系統(tǒng)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2012（1）:88-90.SUN Yao-jie，GAO Qian.Area traffic signal control system based on single-chip microcontroller[J].Electronic Design Engineering，2012（1）:88-90.

[8]王晉，張玉更.基于STC單片機(jī)的交通信號(hào)指示燈的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程， 2013（7）:146-148.WANG Jin，ZHANG Yu-geng.Based on the microcomputer STC of traffic signal lamp design[J].Electronic Design Engineering，2013（7）:146-148.

[9]王寶珠，高瑜，吳金龍，基于FPGA的交通路口車流量檢測(cè)方法研究[J].電子設(shè)計(jì)工程，2013（5）:91-93.WANG Bao-zhu，GAO Yu，WU Jin-long.Test traffic flow of Ajunction with FPGA[J].Modern Electronics Technique，2013（5）:91-93.