智能交通信息采集終端的研究與設(shè)計(jì)

[摘 要]文章探討以TMS320LF2407A和EPM570為核心的嵌入式智能交通信息采集終端采集地感線圈、視頻監(jiān)控，超聲波脈沖等實(shí)時(shí)信號，通過3G DTU模塊把采集到的信號無線傳輸?shù)胶笈_數(shù)據(jù)庫，在電子地圖上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示路況信息。

[關(guān)鍵詞]嵌入式系統(tǒng)；3G DTU；DSP

[中圖分類號]G434 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A [文章編號]1008-7656（2017）03-0087-06

城市交通擁擠問題，造成了巨大的時(shí)間浪費(fèi)和環(huán)境污染。交通信息采集終端是智能交通的重要組成部分。本設(shè)計(jì)將城市道路路口各車道的地感線圈的脈沖信號、視頻監(jiān)控信號，超聲波脈沖信號等通過以TMS320LF2407A[1]（以下簡稱LF2407A）和Altera公司的 MAX II CPLD EPM570為核心的嵌入式系統(tǒng)采集，經(jīng)過分析和加工，轉(zhuǎn)換成TTL電平的信號，通過3G DTU模塊傳送到后臺服務(wù)器進(jìn)行分析和處理，在電子地圖顯示實(shí)時(shí)交通信息，用戶通過電子地圖進(jìn)行查詢路況，制定最優(yōu)出行方案、節(jié)省出行時(shí)間，提高交通運(yùn)行的效率。

一、交通信息采集終端的核心硬件電路

控制機(jī)系統(tǒng)的核心硬件電路，采用5V電源供電，由于LF2407A芯片的核心電壓和I/O口電壓都是3.3V，所以需要將5V的電源電壓變換為3.3V，本設(shè)計(jì)中采用TI公司的TPS767D301作為DC/DC轉(zhuǎn)換芯片，該芯片是一個(gè)雙路低壓降的電壓調(diào)節(jié)器，輸入為5V電壓，可輸出一路+3.3V固定電壓和一路1.5V～5V可調(diào)電壓，每路電流最大輸出為1A。由于LF2407A片內(nèi)Flash編程電壓為+5V，所以，可將+5V電壓通過跳線直接接入LF2407A的Flash編程電壓輸入引腳Vccp，電源電路原理圖如圖1所示，其中+3.3V輸出電壓供LF2407A使用，另一路可輸出+1.8V。

系統(tǒng)中，片外程序空間的擴(kuò)展采用IS61LV6416L芯片，該芯片是64k x 16 高速CMOS靜態(tài)隨機(jī)存儲器，最小讀寫時(shí)間為8ns，由于LF2407A工作在40MHz時(shí)，其機(jī)器周期為25ns，故DSP對其訪問時(shí)無須加等待時(shí)間，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。

CPLD的設(shè)計(jì)主要是對鍵盤、液晶和交通信號燈進(jìn)行控制。由于TMS320LF2407A的I/O管腳和各種特殊功能是復(fù)用的，如果將鍵盤、LCD顯示以及交通信號燈直接和DSP相連，這將造成它的極大浪費(fèi)，且鍵盤和LCD是低速設(shè)備，這對于高速數(shù)據(jù)處理的DSP來說是無法接受的，所以本設(shè)計(jì)中，采用CPLD作為鍵盤，液晶，交通信號燈的橋梁。

對于LCD顯示，將DSP中的數(shù)據(jù)發(fā)送到CPLD，然后DSP去做其他的事情，而后續(xù)顯示的任務(wù)由CPLD 完成，CPLD 將在LCD允許的速度下對其進(jìn)行操作即可達(dá)到顯示目的，CPLD的端口電壓為3.3V，而LCD接口電壓是5V ，為了CPLD和LCD之間的電平匹配，需要借助電平轉(zhuǎn)換芯片來完成從3.3V到5V之間的相互轉(zhuǎn)換，電平轉(zhuǎn)換芯片采用TI公司的SN74LVC4245A芯片，這個(gè)芯片的數(shù)據(jù)傳輸方向是雙向的，在引腳DIR 的作用下，既可以實(shí)現(xiàn)從3.3V向5V轉(zhuǎn)換，也可以實(shí)現(xiàn)從5V向3.3V轉(zhuǎn)換。對于鍵盤，在完成鍵盤的各種處理后通過中斷來通知DSP，然后DSP進(jìn)行取數(shù)操作，這樣并不會影響到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行速度。對于交通信號燈，由于信號燈的數(shù)量較多，如果都由DSP的I/O端口控制，會造成端口的浪費(fèi)，而通過CPLD擴(kuò)展I/O端口，達(dá)到少量DSP端口控制多數(shù)交通信號燈的作用。DSP和CPLD硬件連接的結(jié)構(gòu)框圖見圖2。

在本設(shè)計(jì)中，CPLD器件采用Altera公司的MAX II器件。MAX II器件是基于新型的CPLD架構(gòu)和基于0.18μm Flash工藝，具有低功耗，內(nèi)核電壓小，支持內(nèi)部時(shí)鐘頻率高達(dá)300 MHz，內(nèi)置用戶非易失性Flash存儲器，實(shí)時(shí)在線系統(tǒng)可編程能力（ISP），使用電源電壓種類少，簡化單板設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)。在交通信息采集終端中，采用MAX II 系列EPM570T144C5芯片，其內(nèi)部有570個(gè)邏輯單元，相當(dāng)于440個(gè)宏單元，共116個(gè)通用I/O，引腳延時(shí)為8.8ns。

二、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路

在本設(shè)計(jì)中，交通信號燈的運(yùn)行是按照設(shè)定的時(shí)段進(jìn)行的，時(shí)間是本設(shè)計(jì)最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)，交通信號燈在時(shí)間的控制下，不同的時(shí)段運(yùn)行不同的交通控制方案，通過不同方案的運(yùn)行，達(dá)到改善道路的交通環(huán)境，提高交通的順暢，緩解交通擁擠的作用，這就要求系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)的時(shí)鐘電路，提供準(zhǔn)確、可靠的時(shí)間。

DS1302[2] 是美國DALLAS 公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM 的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，它可以對年、月、日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，具有閏年補(bǔ)償功能，工作電壓為2.5V～5.5V。采用三線接口與CPU 進(jìn)行同步通信，具有涓細(xì)電流充電的功能。

DS1302與DSP的連接僅需要三條線，即SCLK、I/O、RST，連接的電路原理圖見圖3。Vcc2在單電源與電池供電的系統(tǒng)中提供低電源并提供低功率的電池備份。Vcc2在雙電源系統(tǒng)中提供主電源，在這種運(yùn)用方式下Vcc1連接到備份電源，以便在沒有主電源的情況下能保存時(shí)間信息以及數(shù)據(jù)。DS1302由Vcc1或Vcc2兩者中的較大者供電。當(dāng)Vcc2大于Vcc1+0.2V時(shí)，Vcc2給DS1302供電。當(dāng)Vcc2小于Vcc1時(shí)，DS1302由Vcc1供電。

三、存儲電路

在本設(shè)計(jì)中，交通信息采集終端的ID號，運(yùn)行的方案，相位參數(shù)，運(yùn)行時(shí)段的時(shí)間表等數(shù)據(jù)，都存儲在EEPROM AT24LC16里面，硬件電路見圖4。該器件支持I2C 總線數(shù)據(jù)傳送協(xié)議，內(nèi)部有2048*8位的存儲容量，即可以存儲2K字節(jié)的數(shù)據(jù)，這2K字節(jié)被放在128個(gè)頁內(nèi)，每頁存放16個(gè)字節(jié)，所以對AT24LC16內(nèi)部的訪問需要11位地址（0-7ff）。對AT24LC16訪問時(shí)，按照頁地址和頁偏移量的方式進(jìn)行訪問。比如要訪問第100頁的第3個(gè)字節(jié)，則在發(fā)送尋址的時(shí)候，就要發(fā)送0X0643，其中頁地址的高三位放在器件地址中。所以在編寫程序?qū)T24LC16第100頁的第3個(gè)字節(jié)進(jìn)行寫數(shù)據(jù)的時(shí)候，步驟如下：

1.發(fā)送起始信號；

2.發(fā)送器件地址0XA6（1010 0110，1010是固定地址，011是頁地址的高三位，0表示寫操作）；

3.發(fā)送操作地址0X43（0100 0011，0100是頁地址的低四位，0011是頁地址偏移量，即第100頁內(nèi)的第三個(gè)字節(jié)；

4.發(fā)送要寫的數(shù)據(jù)；

5.發(fā)送終止信號。

四、信號燈接口電路

交通信號燈的控制信號是DSP輸出控制信號經(jīng)過CPLD電路譯碼后，送入達(dá)林頓晶體管陣列ULN2803A，通過ULN2803A控制固態(tài)繼電器，固態(tài)繼電器與220v的交通信號燈相連，以達(dá)到3.3v電壓控制220v交通信號燈的作用。ULN2803A是高電壓，大電流的達(dá)林頓晶體管陣列，可驅(qū)動8路信號。固態(tài)繼電器工作可靠，壽命長，無噪聲，無火花，無電磁干擾，開關(guān)速度快，抗干擾能力強(qiáng)，且體積小，耐沖擊，耐振蕩，防爆、防潮、防腐蝕、能與TTL、DTL、HTL等邏輯電路兼容，以微小的控制信號達(dá)到直接驅(qū)動大電流負(fù)載。

五、串行接口電路

交通信息采集終端的串行口，主要是與DTU模塊連接，達(dá)到遠(yuǎn)程控制的作用。串行接口電路的原理見圖5。本設(shè)計(jì)中，采用串口電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232作為接口電路。

六、DTU模塊

（一）3G DTU模塊

本設(shè)計(jì)中采用的是廈門才茂CM8150P TD-SCDMA 3G DTU[3]，它是一款工業(yè)級無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，通過移動的TD-SCDMA 3G網(wǎng)絡(luò)為用戶提供透明TCP無線遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸或者透明UDP無線遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?。采用ARM9工業(yè)級高性能嵌入式處理器，以實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為軟件支撐平臺，超大內(nèi)存，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧；同時(shí)提供串口RS232或者USB接口，可以直接與串口/USB設(shè)備相連；設(shè)備支持雙數(shù)據(jù)中心備份，以及多數(shù)據(jù)中心同步接收數(shù)據(jù)等功能；設(shè)備提供在線維持技術(shù)，保持?jǐn)?shù)據(jù)終端永久在線，保存數(shù)據(jù)鏈路任何時(shí)候暢通，實(shí)現(xiàn)高速、穩(wěn)定、可靠的TCP/UDP透明數(shù)據(jù)傳輸功能。支持語音、短信、數(shù)據(jù)觸發(fā)上線以及超時(shí)自動斷線的功能，降低流量降低產(chǎn)品功耗，實(shí)現(xiàn)低功耗功能。3G DTU模塊與交通信號控制機(jī)聯(lián)網(wǎng)模型見圖6。

（二）DTU模塊串行通信協(xié)議

交通的配時(shí)方案，系統(tǒng)時(shí)間的設(shè)置，運(yùn)行時(shí)段的時(shí)間表等數(shù)據(jù)，都是通過串行口寫入系統(tǒng)存儲起來的，串行口通信的質(zhì)量，關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。為了提高系統(tǒng)串口的穩(wěn)定性和可靠性，本設(shè)計(jì)提供上位機(jī)和下位機(jī)串行通信界面，使用雙接收和發(fā)送緩沖，避免在解析接收到的數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)，新的數(shù)據(jù)寫入緩沖對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。串行通信協(xié)議界面如下：

1.通信方式

一對一通信、全雙工異步串行口、二進(jìn)制方式數(shù)據(jù)流、無數(shù)據(jù)流方向控制

2.數(shù)據(jù)包基本格式

[令牌] [數(shù)據(jù)包長度] [數(shù)據(jù)1] ... [數(shù)據(jù)n] [校驗(yàn)和]

[令牌] = 0x55

[數(shù)據(jù)包長度] = 0x01 ～ 0xFF

[校驗(yàn)和] = （ [數(shù)據(jù)1] + [數(shù)據(jù)2] + ... + [數(shù)據(jù)n] ） 取除以0x100的余數(shù)

例如：

0x55 0x01 0x01 0x01 就是一個(gè)合法的數(shù)據(jù)包

0x55 0x02 0x01 0x02 0x01 就是一個(gè)校驗(yàn)和錯誤的數(shù)據(jù)包

3.指令格式

上位機(jī)發(fā)往下位機(jī)的指令格式：

[指令I(lǐng)D] [指令] [參數(shù)1] [參數(shù)2] [參數(shù)3]

[指令I(lǐng)D] 為上位機(jī)為某個(gè)指令分配的ID，指令I(lǐng)D的范圍在0xC0 ～ 0xFF。

[指令] 為表示某項(xiàng)操作的一個(gè)數(shù)，范圍為0x00 ～ 0xFF

[參數(shù)1] 、[參數(shù)2] 、[參數(shù)3] 為執(zhí)行某個(gè)指令所必需的參數(shù)，范圍為0x00 ～ 0xFF。不同的指令參數(shù)個(gè)數(shù)是不同的，[指令]在0x00到0x2F之間時(shí)，無參數(shù)；[指令]在0x30到0x5F之間時(shí)，有且只有1個(gè)參數(shù)，以此類推，最多3個(gè)參數(shù)。

例如：

A：[指令]在0x00到0x2F之間時(shí)，無參數(shù)。

上位機(jī)發(fā)送：0x55 0x04 0xC0 0x01 0x02 0x03 0xC6

下位機(jī)返回：0x55 0x02 0xC0 0x01 0xC1

B：[指令]在0x30到0x5F之間，有且只有1個(gè)參數(shù)。

上位機(jī)發(fā)送：0x55 0x04 0xC1 0x31 0x01 0x01 0xF4

下位機(jī)返回：0x55 0x03 0xC1 0x31 0x01 0xF3

C：[指令]在0x60到0x8F之間，有且只有2個(gè)參數(shù)。

上位機(jī)發(fā)送：0x55 0x05 0xC2 0x70 0x02 0x03 0x04 0x3B

下位機(jī)返回：0x55 0x04 0xC2 0x70 0x02 0x03 0x37

D：[指令]在0x90到0xFF之間，有且只有3個(gè)參數(shù)。

上位機(jī)發(fā)送：0x55 0x05 0xC2 0xB0 0x02 0x03 0x04 0x7B

下位機(jī)返回：0x55 0x04 0xC2 0xB0 0x02 0x03 0x04 0x7B

下位機(jī)發(fā)往上位機(jī)的指令格式：

[返回的指令I(lǐng)D] [指令執(zhí)行狀態(tài)] [參數(shù)1] [參數(shù)2] [參數(shù)3]

[返回的指令I(lǐng)D] 為與某個(gè)上位機(jī)已經(jīng)發(fā)出的指令對應(yīng)的，上位機(jī)分配的指令I(lǐng)D。

[指令執(zhí)行狀態(tài)] 為向上位機(jī)返回的表示某個(gè)指令執(zhí)行狀態(tài)的一個(gè)數(shù)，范圍為0x00 ～ 0xFF。

[參數(shù)1] [參數(shù)2] [參數(shù)3] 為執(zhí)行某個(gè)指令返回的狀態(tài)所必需的參數(shù)，范圍為0x00 ～ 0xFF。

部分DTU模塊與交通信號控制機(jī)指令說明如表1：

七、交通信息采集終端數(shù)據(jù)采集接口電路

本設(shè)計(jì)主要通過視頻檢測器和超聲波檢測器實(shí)現(xiàn)交通路口車流量、車型、車速、占有率的檢測。

（一）基于視頻圖像的車輛檢測傳感的研制

本設(shè)計(jì)的視頻傳感器檢測裝置的目標(biāo)是實(shí)時(shí)檢測路面的車輛狀態(tài)，即當(dāng)前是否有車輛通過。對于運(yùn)動目標(biāo)（車輛）的其它特性，如大小、速度、形狀等不需要進(jìn)行檢測和判斷，可以選擇的方法有背景減法、幀差法和光流法。我們將使用背景減法和幀差法相結(jié)合的圖像處理方法。

考慮到背景減法和幀差法對目標(biāo)檢測的優(yōu)缺點(diǎn)，將之結(jié)合進(jìn)行運(yùn)動目標(biāo)的檢測，達(dá)到既有效檢測出運(yùn)動目標(biāo)，又對動態(tài)環(huán)境有良好的適應(yīng)性。

基于此，選擇背景減法和幀差法相結(jié)合的運(yùn)動目標(biāo)檢測方法。檢測方法的步驟如下：

當(dāng)進(jìn)行道路狀態(tài)檢測時(shí)，由于不需要提取目標(biāo)的具體特征，只要求檢測是否存在運(yùn)動目標(biāo)，不需要檢測車型、車流量、車速等，因此在采樣圖像數(shù)據(jù)時(shí)可以不用全部采集整幅圖像數(shù)據(jù)，而只需要采集足夠檢測出存在運(yùn)動目標(biāo)的數(shù)據(jù)即可。

（二）基于超聲技術(shù)的車輛檢測傳感的研制

超聲波檢測器以單片機(jī)STC89C52RC為核心，通過對采集到的信號進(jìn)行處理之后，發(fā)出一個(gè)低電平信號，然后傳輸?shù)浇煌ㄐ盘柨刂茩C(jī)的核心處理器的數(shù)字信號處理器DSP中。

超聲波檢測器的結(jié)構(gòu)見圖7，主要包括單片機(jī)、激勵電路、發(fā)射與接收探頭、放大處理電路這五部分。單片機(jī)控制產(chǎn)生40kHz的超聲波脈沖信號，通過激勵電路來放大信號，再通過發(fā)射探頭把脈沖信號發(fā)射出去，當(dāng)脈沖信號遇到障礙物時(shí)則會被反射回來。放大處理電路把干擾信號過濾掉并把超聲波信號放大，通過處理電路產(chǎn)生一個(gè)低電平來觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷引腳從而產(chǎn)生一次中斷，檢測到車輛信息。

汽車的車長一般都在2米以上，車高也有1米多。按照120km/h的速度計(jì)算，即車本身通過自身的長度需要60ms，而且一般情況下在交通十字路口不可能達(dá)到這么高的速度，所以車通過自身長度的時(shí)間肯定超過60ms，為了避免漏檢，超聲波發(fā)射周期取小于60ms。

八、結(jié)語

經(jīng)過試運(yùn)行，交通信息采集終端初步實(shí)現(xiàn)利用3G網(wǎng)絡(luò)向用戶推送實(shí)時(shí)交通路況，構(gòu)建城市道路交通信息無線采集網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)傳送路況信息便于智能交通信息服務(wù)平臺數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)推送，為廣大交通出行者提供實(shí)時(shí)路況信息查詢和靜態(tài)交通查詢服務(wù)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]TMS320X24XDSP.Controllers Reference Set （PeripheralLibraryandSpecificDrive）. ISHIGUROA，F(xiàn)URIHASHIT. Texas Instruments. 1997

[2]DS1302 datasheet[EB/OL]http：//cnpdf.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/226595/DALLAS/DS1302.html

[3]廈門才茂TD-SCDMA DTU CM8150P/CM8150EP技術(shù)參數(shù)[EB/OL].廈門才茂通信科技有限公司.http：//www.caimore.com/.

[4]周輝等.智能交通控制系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2003（6）.

[作者簡介]劉紹英，廣西廣播電視大學(xué)教務(wù)處處長，高級工程師，碩士，研究方向：電子信息技術(shù)、軟件工程。

[責(zé)任編輯 何一輝]