智能交通信息采集终端的研究与设计

[摘 要]文章探讨以TMS320LF2407A和EPM570为核心的嵌入式智能交通信息采集终端采集地感线圈、视频监控，超声波脉冲等实时信号，通过3G DTU模块把采集到的信号无线传输到后台数据库，在电子地图上实现实时显示路况信息。

[关键词]嵌入式系统；3G DTU；DSP

[中图分类号]G434 [文献标识码]A [文章编号]1008-7656（2017）03-0087-06

城市交通拥挤问题，造成了巨大的时间浪费和环境污染。交通信息采集终端是智能交通的重要组成部分。本设计将城市道路路口各车道的地感线圈的脉冲信号、视频监控信号，超声波脉冲信号等通过以TMS320LF2407A[1]（以下简称LF2407A）和Altera公司的 MAX II CPLD EPM570为核心的嵌入式系统采集，经过分析和加工，转换成TTL电平的信号，通过3G DTU模块传送到后台服务器进行分析和处理，在电子地图显示实时交通信息，用户通过电子地图进行查询路况，制定最优出行方案、节省出行时间，提高交通运行的效率。

一、交通信息采集终端的核心硬件电路

控制机系统的核心硬件电路，采用5V电源供电，由于LF2407A芯片的核心电压和I/O口电压都是3.3V，所以需要将5V的电源电压变换为3.3V，本设计中采用TI公司的TPS767D301作为DC/DC转换芯片，该芯片是一个双路低压降的电压调节器，输入为5V电压，可输出一路+3.3V固定电压和一路1.5V～5V可调电压，每路电流最大输出为1A。由于LF2407A片内Flash编程电压为+5V，所以，可将+5V电压通过跳线直接接入LF2407A的Flash编程电压输入引脚Vccp，电源电路原理图如图1所示，其中+3.3V输出电压供LF2407A使用，另一路可输出+1.8V。

系统中，片外程序空间的扩展采用IS61LV6416L芯片，该芯片是64k x 16 高速CMOS静态随机存储器，最小读写时间为8ns，由于LF2407A工作在40MHz时，其机器周期为25ns，故DSP对其访问时无须加等待时间，提高系统运行效率。

CPLD的设计主要是对键盘、液晶和交通信号灯进行控制。由于TMS320LF2407A的I/O管脚和各种特殊功能是复用的，如果将键盘、LCD显示以及交通信号灯直接和DSP相连，这将造成它的极大浪费，且键盘和LCD是低速设备，这对于高速数据处理的DSP来说是无法接受的，所以本設计中，采用CPLD作为键盘，液晶，交通信号灯的桥梁。

对于LCD显示，将DSP中的数据发送到CPLD，然后DSP去做其他的事情，而后续显示的任务由CPLD 完成，CPLD 将在LCD允许的速度下对其进行操作即可达到显示目的，CPLD的端口电压为3.3V，而LCD接口电压是5V ，为了CPLD和LCD之间的电平匹配，需要借助电平转换芯片来完成从3.3V到5V之间的相互转换，电平转换芯片采用TI公司的SN74LVC4245A芯片，这个芯片的数据传输方向是双向的，在引脚DIR 的作用下，既可以实现从3.3V向5V转换，也可以实现从5V向3.3V转换。对于键盘，在完成键盘的各种处理后通过中断来通知DSP，然后DSP进行取数操作，这样并不会影响到整个系统的运行速度。对于交通信号灯，由于信号灯的数量较多，如果都由DSP的I/O端口控制，会造成端口的浪费，而通过CPLD扩展I/O端口，达到少量DSP端口控制多数交通信号灯的作用。DSP和CPLD硬件连接的结构框图见图2。

在本设计中，CPLD器件采用Altera公司的MAX II器件。MAX II器件是基于新型的CPLD架构和基于0.18μm Flash工艺，具有低功耗，内核电压小，支持内部时钟频率高达300 MHz，内置用户非易失性Flash存储器，实时在线系统可编程能力（ISP），使用电源电压种类少，简化单板设计等优点。在交通信息采集终端中，采用MAX II 系列EPM570T144C5芯片，其内部有570个逻辑单元，相当于440个宏单元，共116个通用I/O，引脚延时为8.8ns。

二、实时时钟电路

在本设计中，交通信号灯的运行是按照设定的时段进行的，时间是本设计最基础的数据，交通信号灯在时间的控制下，不同的时段运行不同的交通控制方案，通过不同方案的运行，达到改善道路的交通环境，提高交通的顺畅，缓解交通拥挤的作用，这就要求系统具有实时的时钟电路，提供准确、可靠的时间。

DS1302[2] 是美国DALLAS 公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM 的实时时钟电路，它可以对年、月、日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V～5.5V。采用三线接口与CPU 进行同步通信，具有涓细电流充电的功能。

DS1302与DSP的连接仅需要三条线，即SCLK、I/O、RST，连接的电路原理图见图3。Vcc2在单电源与电池供电的系统中提供低电源并提供低功率的电池备份。Vcc2在双电源系统中提供主电源，在这种运用方式下Vcc1连接到备份电源，以便在没有主电源的情况下能保存时间信息以及数据。DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电。当Vcc2大于Vcc1+0.2V时，Vcc2给DS1302供电。当Vcc2小于Vcc1时，DS1302由Vcc1供电。

三、存储电路

在本设计中，交通信息采集终端的ID号，运行的方案，相位参数，运行时段的时间表等数据，都存储在EEPROM AT24LC16里面，硬件电路见图4。该器件支持I2C 总线数据传送协议，内部有2048*8位的存储容量，即可以存储2K字节的数据，这2K字节被放在128个页内，每页存放16个字节，所以对AT24LC16内部的访问需要11位地址（0-7ff）。对AT24LC16访问时，按照页地址和页偏移量的方式进行访问。比如要访问第100页的第3个字节，则在发送寻址的时候，就要发送0X0643，其中页地址的高三位放在器件地址中。所以在编写程序对AT24LC16第100页的第3个字节进行写数据的时候，步骤如下：

1.发送起始信号；

2.发送器件地址0XA6（1010 0110，1010是固定地址，011是页地址的高三位，0表示写操作）；

3.发送操作地址0X43（0100 0011，0100是页地址的低四位，0011是頁地址偏移量，即第100页内的第三个字节；

4.发送要写的数据；

5.发送终止信号。

四、信号灯接口电路

交通信号灯的控制信号是DSP输出控制信号经过CPLD电路译码后，送入达林顿晶体管阵列ULN2803A，通过ULN2803A控制固态继电器，固态继电器与220v的交通信号灯相连，以达到3.3v电压控制220v交通信号灯的作用。ULN2803A是高电压，大电流的达林顿晶体管阵列，可驱动8路信号。固态继电器工作可靠，寿命长，无噪声，无火花，无电磁干扰，开关速度快，抗干扰能力强，且体积小，耐冲击，耐振荡，防爆、防潮、防腐蚀、能与TTL、DTL、HTL等逻辑电路兼容，以微小的控制信号达到直接驱动大电流负载。

五、串行接口电路

交通信息采集终端的串行口，主要是与DTU模块连接，达到远程控制的作用。串行接口电路的原理见图5。本设计中，采用串口电平转换芯片MAX232作为接口电路。

六、DTU模块

（一）3G DTU模块

本设计中采用的是厦门才茂CM8150P TD-SCDMA 3G DTU[3]，它是一款工业级无线数据传输设备，通过移动的TD-SCDMA 3G网络为用户提供透明TCP无线远距离数据传输或者透明UDP无线远距离数据传输的功能。采用ARM9工业级高性能嵌入式处理器，以实时操作系统为软件支撑平台，超大内存，内嵌TCP/IP协议栈；同时提供串口RS232或者USB接口，可以直接与串口/USB设备相连；设备支持双数据中心备份，以及多数据中心同步接收数据等功能；设备提供在线维持技术，保持数据终端永久在线，保存数据链路任何时候畅通，实现高速、稳定、可靠的TCP/UDP透明数据传输功能。支持语音、短信、数据触发上线以及超时自动断线的功能，降低流量降低产品功耗，实现低功耗功能。3G DTU模块与交通信号控制机联网模型见图6。

（二）DTU模块串行通信协议

交通的配时方案，系统时间的设置，运行时段的时间表等数据，都是通过串行口写入系统存储起来的，串行口通信的质量，关系到整个系统运行的稳定性。为了提高系统串口的稳定性和可靠性，本设计提供上位机和下位机串行通信界面，使用双接收和发送缓冲，避免在解析接收到的数据和发送数据的同时，新的数据写入缓冲对系统稳定性的影响。串行通信协议界面如下：

1.通信方式

一对一通信、全双工异步串行口、二进制方式数据流、无数据流方向控制

2.数据包基本格式

[令牌] [数据包长度] [数据1] ... [数据n] [校验和]

[令牌] = 0x55

[数据包长度] = 0x01 ～ 0xFF

[校验和] = （ [数据1] + [数据2] + ... + [数据n] ） 取除以0x100的余数

例如：

0x55 0x01 0x01 0x01 就是一个合法的数据包

0x55 0x02 0x01 0x02 0x01 就是一个校验和错误的数据包

3.指令格式

上位机发往下位机的指令格式：

[指令ID] [指令] [参数1] [参数2] [参数3]

[指令ID] 为上位机为某个指令分配的ID，指令ID的范围在0xC0 ～ 0xFF。

[指令] 为表示某项操作的一个数，范围为0x00 ～ 0xFF

[参数1] 、[参数2] 、[参数3] 为执行某个指令所必需的参数，范围为0x00 ～ 0xFF。不同的指令参数个数是不同的，[指令]在0x00到0x2F之间时，无参数；[指令]在0x30到0x5F之间时，有且只有1个参数，以此类推，最多3个参数。

例如：

A：[指令]在0x00到0x2F之间时，无参数。

上位机发送：0x55 0x04 0xC0 0x01 0x02 0x03 0xC6

下位机返回：0x55 0x02 0xC0 0x01 0xC1

B：[指令]在0x30到0x5F之间，有且只有1个参数。

上位机发送：0x55 0x04 0xC1 0x31 0x01 0x01 0xF4

下位机返回：0x55 0x03 0xC1 0x31 0x01 0xF3

C：[指令]在0x60到0x8F之间，有且只有2个参数。

上位机发送：0x55 0x05 0xC2 0x70 0x02 0x03 0x04 0x3B

下位机返回：0x55 0x04 0xC2 0x70 0x02 0x03 0x37

D：[指令]在0x90到0xFF之间，有且只有3个参数。

上位机发送：0x55 0x05 0xC2 0xB0 0x02 0x03 0x04 0x7B

下位机返回：0x55 0x04 0xC2 0xB0 0x02 0x03 0x04 0x7B

下位机发往上位机的指令格式：

[返回的指令ID] [指令执行状态] [参数1] [参数2] [参数3]

[返回的指令ID] 为与某个上位机已经发出的指令对应的，上位机分配的指令ID。

[指令执行状态] 为向上位机返回的表示某个指令执行状态的一个数，范围为0x00 ～ 0xFF。

[参数1] [参数2] [参数3] 为执行某个指令返回的状态所必需的参数，范围为0x00 ～ 0xFF。

部分DTU模块与交通信号控制机指令說明如表1：

七、交通信息采集终端数据采集接口电路

本设计主要通过视频检测器和超声波检测器实现交通路口车流量、车型、车速、占有率的检测。

（一）基于视频图像的车辆检测传感的研制

本设计的视频传感器检测装置的目标是实时检测路面的车辆状态，即当前是否有车辆通过。对于运动目标（车辆）的其它特性，如大小、速度、形状等不需要进行检测和判断，可以选择的方法有背景减法、帧差法和光流法。我们将使用背景减法和帧差法相结合的图像处理方法。

考虑到背景减法和帧差法对目标检测的优缺点，将之结合进行运动目标的检测，达到既有效检测出运动目标，又对动态环境有良好的适应性。

基于此，选择背景减法和帧差法相结合的运动目标检测方法。检测方法的步骤如下：

当进行道路状态检测时，由于不需要提取目标的具体特征，只要求检测是否存在运动目标，不需要检测车型、车流量、车速等，因此在采样图像数据时可以不用全部采集整幅图像数据，而只需要采集足够检测出存在运动目标的数据即可。

（二）基于超声技术的车辆检测传感的研制

超声波检测器以单片机STC89C52RC为核心，通过对采集到的信号进行处理之后，发出一个低电平信号，然后传输到交通信号控制机的核心处理器的数字信号处理器DSP中。

超声波检测器的结构见图7，主要包括单片机、激励电路、发射与接收探头、放大处理电路这五部分。单片机控制产生40kHz的超声波脉冲信号，通过激励电路来放大信号，再通过发射探头把脉冲信号发射出去，当脉冲信号遇到障碍物时则会被反射回来。放大处理电路把干扰信号过滤掉并把超声波信号放大，通过处理电路产生一个低电平来触发单片机的外部中断引脚从而产生一次中断，检测到车辆信息。

汽车的车长一般都在2米以上，车高也有1米多。按照120km/h的速度计算，即车本身通过自身的长度需要60ms，而且一般情况下在交通十字路口不可能达到这么高的速度，所以车通过自身长度的时间肯定超过60ms，为了避免漏检，超声波发射周期取小于60ms。

八、结语

经过试运行，交通信息采集终端初步实现利用3G网络向用户推送实时交通路况，构建城市道路交通信息无线采集网络，实时传送路况信息便于智能交通信息服务平台数据分析和数据推送，为广大交通出行者提供实时路况信息查询和静态交通查询服务。

[参考文献]

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

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

[3]厦门才茂TD-SCDMA DTU CM8150P/CM8150EP技术参数[EB/OL].厦门才茂通信科技有限公司.http：//www.caimore.com/.

[4]周辉等.智能交通控制系统[J].计算机应用研究，2003（6）.

[作者简介]刘绍英，广西广播电视大学教务处处长，高级工程师，硕士，研究方向：电子信息技术、软件工程。

[责任编辑 何一辉]