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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。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。
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(cè)、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(cè)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(cè)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?鴉可以連接多達(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(cè)設(shè)備在目前交通控制中的作用越來越重要，各種檢測(cè)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)。
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