基于信號校驗(yàn)技術(shù)的單片機(jī)交通燈控制終端

摘要：根據(jù)區(qū)域協(xié)調(diào)型智能交通系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)控制的交通燈控制終端。交通燈控制終端與智能協(xié)調(diào)中樞控制系統(tǒng)進(jìn)行通信，反饋車流量信息，并按照中樞系統(tǒng)的要求來控制紅綠燈的工作。本終端采用雙單片機(jī)信號校驗(yàn)的方式，配合看門狗的使用，糾正終端運(yùn)行過程中可能發(fā)生的錯(cuò)誤，并加入警報(bào)和自投入備用模塊，在運(yùn)行出錯(cuò)情況下發(fā)出警報(bào)，在設(shè)備故障情況下自投入備用控制器，保證路口交通安全穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：信號校驗(yàn);單片機(jī);看門狗;備用模塊

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)間來控制車輛通行，達(dá)到智能交通所需要的目的。

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，編程和操作簡單，在信號燈亮燈時(shí)長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)對于交通燈控制終端的要求。

基于智能交通系統(tǒng)對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)長的變化。

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)的要求來控制紅綠燈工作。

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，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)間信號以及單片機(jī)輸出的交通燈顯示信號都會經(jīng)過合理性校驗(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)信號燈，分別為紅、黃、直行、左行。十字路口的交通放行方式會隨路口要求不同而不同，一般情況下，對側(cè)路口紅綠燈信號相同，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)長為3 s;綠燈的工作時(shí)長由智能控制系統(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)長來實(shí)時(shí)更改綠燈時(shí)長，在兩組信號發(fā)送的間隔時(shí)間內(nèi)按照上一組時(shí)間信號工作;每組紅燈時(shí)長為另一只的綠燈時(shí)長加黃燈時(shí)長。

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)信號燈顯示必須確保不會出現(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)遇到過的I/O口輸出紊亂等問題。為了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，調(diào)用看門狗寄存器來糾正程序跑飛，同時(shí)加入一片單片機(jī)作為信號校驗(yàn)單片機(jī)來糾正I/O輸出紊亂問題。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)控制交通燈信號顯示，另一片負(fù)責(zé)對顯示信號進(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)長信號和車流量計(jì)數(shù)信號，對綠燈時(shí)長進(jìn)行合理性判斷，進(jìn)行車流量脈沖計(jì)數(shù)，輸出控制信號燈的電平，并在收到智能控制系統(tǒng)請求車流量數(shù)據(jù)的信號后，將車流量數(shù)據(jù)反饋給智能控制系統(tǒng)。信號校驗(yàn)單片機(jī)(U2)負(fù)責(zé)對控制信號燈的顯示信號進(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)長是否合理，校驗(yàn)無誤后允許信號燈接收電平信號做出改變;如果校驗(yàn)不通過，則保持之前信號燈信號不變，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，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)行有線或無線通信，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送給信號燈，信號校驗(yàn)單片機(jī)對信號進(jìn)行校驗(yàn)后判斷是否讓信號燈變化，警報(bào)系統(tǒng)需要在收到警報(bào)信號后發(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，信號校驗(yàn)單片機(jī)負(fù)責(zé)校驗(yàn)主控制單片機(jī)的信號是否合理(詳見本文5軟件設(shè)計(jì)一節(jié))。U1的信號燈顯示信號通過P2口輸出，輸出的信號同時(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，對其進(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輸出的信號沒有問題后，P1.0會輸出高電平并延時(shí)一段時(shí)間以打開74HC5 73鎖存端，讓顯示信號輸入鎖存器。同時(shí)，U2的P1.1口經(jīng)非門接U1的復(fù)位引腳，如信號校驗(yàn)不通過，則在P1.1口輸出低電平復(fù)位U1，如U2復(fù)位則不會造成U1誤復(fù)位。鎖存器的輸出端接信號燈，這里用16個(gè)發(fā)光二極管模擬信號燈，對側(cè)信號燈分為一組，兩組信號燈八個(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)行的問題復(fù)位后，在程序初始化后通過讀取P0口狀態(tài)獲取當(dāng)前信號燈顯示的狀態(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，則會持續(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，兩次信號的時(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為信號校驗(yàn)程序，采用C語言為單片機(jī)編寫程序。

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，會向智能控制系統(tǒng)發(fā)送信號來獲取當(dāng)前的綠燈時(shí)長信號。單片機(jī)通過讀取P0口的狀態(tài)，確定當(dāng)前信號燈運(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。

在一個(gè)周期內(nèi)交通燈信號變化6次，每種狀態(tài)根據(jù)相應(yīng)時(shí)長用嵌套延時(shí)語句進(jìn)行延時(shí)，同時(shí)，在每秒的嵌套語句開始都對看門狗計(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。單片機(jī)在收到智能控制系統(tǒng)的請求數(shù)據(jù)信號0xff后，會將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)。如果單片機(jī)收到的數(shù)據(jù)不是0xff，則識別此數(shù)據(jù)為綠燈時(shí)長數(shù)據(jù)。每次智能控制系統(tǒng)會發(fā)送4個(gè)綠燈的時(shí)長數(shù)據(jù)，單片機(jī)接到全部4個(gè)數(shù)據(jù)后對其合理性進(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)請求信號或時(shí)長數(shù)據(jù)，則交通燈控制終端會一直按照現(xiàn)有的時(shí)長數(shù)據(jù)正常循環(huán)運(yùn)行。

4.2 信號校驗(yàn)程序

信號校驗(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錯(cuò)誤而設(shè)置的，主要是對控制單片機(jī)輸出信號進(jìn)行有效性校驗(yàn)，校驗(yàn)無誤后再顯示。同時(shí)為了防止信號校驗(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)會置P1.2高電平延時(shí)0.5 s來啟動(dòng)警報(bào)電路，這樣如果信號校驗(yàn)單片機(jī)跑飛復(fù)位，警報(bào)信號亦會動(dòng)作。信號校驗(yàn)流程圖如圖5。

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

當(dāng)單片機(jī)校驗(yàn)到顯示信號不正常時(shí)，會輸出低電平復(fù)位控制單片機(jī)，并啟動(dòng)警報(bào)電路。如果顯示信號一直不正常，則警報(bào)電路會持續(xù)收到警報(bào)信號報(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，則信號校驗(yàn)單片機(jī)同樣會檢測到然后啟動(dòng)警報(bào)電路。

5 系統(tǒng)調(diào)試

按設(shè)計(jì)把硬件環(huán)境搭建出來后，通過在正確程序中加入while(1)語句模擬單片機(jī)跑飛，單片機(jī)I/O口飛線高低電平來強(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

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)對于通信和控制的要求。在本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，亦可通過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。