智能交通路口控制器的設計

    摘要：介紹了TCS-0602智能交通路口控制器的硬件結構及軟件結構，該控制器首次將32位處理器和Uclinux操作系統應用到智能交通領域，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，將在一些城市進行試運行。

    關鍵詞：智能交通 路口控制器 MPC8245 Uclinux

近年來，隨著我國經濟的發展，城市的交通擁擠問題日趨嚴重，因此提高城市路網的通行能力、實現道路交通的科學化管理迫在眉睫。智能交通系統（ＩＴＳ）在這種背景下應運而生。

智能交通要求路口向控制中心實時提供圖像和數據信息，并能夠獨立執行一些復雜的算法。但是目前國內的路口交通控制器大多采用單片機作為處理器，只能執行定時算法，以ＲＳ２３２或者ＲＳ４８５作為通訊方式，根本無法滿足智能交通對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，且價格昂貴，操作不方便。因此研究開發出適合中國國情、性能價格比高的路口控制器成為一項特別緊迫的任務。

本課題組開發的ＴＣＳ－０６０２智能交通路口控制器滿足了國內智能交通發展的要求。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行結果四個方面來進行說明。。

１ 智能交通路口控制器在智能交通中的作用

智能交通網絡結構如圖１所示。當網絡正常工作時，共享數據庫通過光纜收集控制器預處理過的圖像和數據信息，在控制中心通過相應的數學模型進行預測、誘導和控制[２～４]，然后將控制參數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燈，來實現整個系統的最優控制策略。當智能交通路口控制器不能跟控制中心通訊的時候，它可以根據當地檢測到的交通流量和歷史數據的數學模型進行基于該路口的局域最優控制。當發生事故和其它特殊情況時，還可以通過手動實現路口的控制。所以在智能交通中，智能交通路口控制器是一個收集數據和實現控制的平臺。它需要完成以下任務：（１）與控制中心通過光纜進行通訊；（２）執行交通控制算法；（３）接收攝像機圖像；（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構

智能交通控制器需要執行繁重的通訊和算法處理，對處理器的通訊和運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具有強大的通訊和運算能力[５]，可以通過ＴＩ１６Ｃ５５４等串口芯片擴展多個ＲＳ２３２串口，和多個外設通過串口進行通訊?鴉可以連接多達４個ＰＣＩ設備，還可以通過以太網或者電話線進行網絡通訊。由于ＭＰＣ８２４５可以運行在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擴展了３２Ｍ ＳＤＲＡＭ和４Ｍ ＦＬＡＳＨ存儲器，其中，４Ｍ ＦＬＡＳＨ用來存儲Ｌｉｎｕｘ內核和應用程序,３２Ｍ的ＳＤＲＡＭ在系統運行的時候存儲Ｌｉｎｕｘ的內核和應用程序。違章抓拍控制器通過ＰＣＩ總線接口芯片ＰＬＸ９０３０接入ＭＰＣ８２４５，系統可以兼容各種不同的違章抓拍控制器，通過編寫不同的驅動程序來實現。以太網控制器通過以太網接口芯片ＣＳ８９００Ａ接入ＭＰＣ８２４５，可以接入Ｉｎｔｅｒｎｅｔ，加入光線接口就可以實現光纖通訊。通過ＭＰＣ８２４５的ＵＡＲＴ口擴展了一片１６Ｃ５５４，擴展出了四個串口，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。液晶控制器用來設定或者修改智能路口控制器控制參數，而且還可以通過手動直接控制交通燈。交通燈的控制是直接控制交通燈，接收來自ＭＰＣ８２４５的參數設定，比如路口數、紅綠燈時間等，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，用來疏導交通。檢測設備在目前交通控制中的作用越來越重要，各種檢測設備不但種類繁多，而且新產品不斷涌現，因此ＴＣＳ－０６０２預留了包括串口在內的多種接口方式。

３ 智能交通路口控制器的軟件體系

作者開發的智能交通路口控制軟件建立在Ｕｃｌｉｎｕｘ操作系統之上。Ｌｉｎｕｘ內核是一種源碼開放的操作系統，采用模塊化的設計。在此只保留了必需的功能模塊，刪除了冗余的的功能模塊，并對內核重新編譯，從而使系統運行所需的硬件資源顯著減少。因此將其應用于智能交通路口控制器的設計，具有代碼量小、運行消耗系統資源少、可靠性高等優點，適應了智能交通路口控制器對于操作系統的要求。

智能交通控制器應用軟件由四個通訊協議模塊和五個算法模塊構成。四個通訊模塊分別是：違章處理協議、控制中心通訊協議、串口通訊協議和流量數據采集協議。五種控制算法模塊分別是：定時控制模塊、感應控制模塊、多時段控制模塊、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。

下面說明整個系統的工作流程。系統上電后， Ｕｃｌｉｎｕｘ啟動，設置ＣＰＵ主頻工作方式、ＰＬＬ，進行串口波特率設置、初始化堆棧，將ＦＬＡＳＨ中的數據段ＣＯＰＹ到ＲＡＭ中指定位置上，跳到第一片ＲＡＭ的０位置開始執行。如果是９０３０的中斷，系統調用違章抓拍系統的通訊協議，獲取違章車牌號；如果是８９００Ａ的中斷，系統調用控制中心的通訊協議，獲得控制中心的控制信息；如果是串口中斷，系統再查詢是１６Ｃ５５４的哪個串口的中斷，然后調用相應的協議；如果是時鐘中斷，就給傳感器發出控制指令，或者給紅綠燈控制器發出控制指令，或者給交通指示牌發出相應的控制信息。不管是什么中斷發生，都要調用五種算法中正在運行的算法來重新計算參數。

    ＴＣＳ－０６０２智能交通路口控制器于２００２年１２月通過國家鑒定，并將在一些城市進行試運行。該系統的創新在于將嵌入式處理器和實時操作系統結合起來應用于智能交通領域，在軟、硬件方面都是開放式的結構，軟件目前可以支持五種控制算法，并且可以擴充。硬件可以支持ＲＳ２３２、ＲＳ４８５、ＰＣＩ、ＲＪ４５和ＵＳＢ接口設備。實際運行結果表明，ＴＣＳ－０６０２智能交通路口控制器設計合理、運行可靠，完全可以替代國外的同類產品。