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潘國安（1962－）
男，浙江紹興人，交通科技工程師，學士，（紹興市交通警察支隊，浙江 紹興 312000），現(xiàn)任紹興市交通警察支隊副支隊長
基金項目：國家863計劃項目(2007AA11Z216)
摘要：基于環(huán)形線圈車輛檢測器基本的工作原理，針對傳統(tǒng)的采用倍頻技術的檢測產品靈敏度不高的缺點，提出全新的采用周期整定技術的感應式車輛檢測器設計原理，在確保檢測精度的情況下，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。完成了車輛檢測卡的軟硬件設計，并詳細描述了該檢測卡的構成及軟硬件實現(xiàn)。設計了一種基于車輛檢測器提供的車輛等待長度信息的，相序可變的單路口多相位交通信號燈全感應控制策略，實際應用表明該全感應控制算法十分有效。
關鍵詞：車輛檢測器；智能交通系統(tǒng)；全感應控制；環(huán)形線圈
Abstract: Aimed at drawback of low sensitivity of frequency divided method used in traditional vehicle detector, we present a novel inductive vehicle detector design method based on the basic operating principle of loop coil vehicle detector. Systematic stability is improved and accuracy is guaranteed. The design of hardware and software of this detecting card is implemented and described in detail. A single-intersection-multiple-phase all-traffic-responsive signal control strategy with phase sequencer is given based on vehicle waiting information provided by vehicle detector. The practical application results show that the all-traffic-responsive strategy is effective.
Key words: Vehicle detector；ITS；all-traffic-responsive control；loop coil
1 引言
交通是城市經濟活動的命脈，對城市經濟發(fā)展、人民生活水平的提高起著十分重要的作用。車輛檢測器是交通控制系統(tǒng)的信息采集設備，為交通控制器的各種控制算法提供實時的交通數(shù)據。各式車輛檢測器之中，環(huán)形線圈車輛檢測器具有檢測參數(shù)精確度高、適應性強、可靠性高、漏檢率低、使用壽命長、性能價格比高等諸多優(yōu)點，仍然是目前用于交通控制系統(tǒng)最廣泛、效果也較好的一種車輛交通信息檢測設備[1][2][3]。
傳統(tǒng)的環(huán)形線圈式車輛檢測器通過對線圈振蕩頻率的采樣進行檢測，而在實際中，由于車輛行駛速度的原因，系統(tǒng)還來不及有足夠的時間對脈沖進行采集，下一輛車就已經通過線圈了，因此直接對頻率的測量往往需要使用倍頻技術。
本文設計一種全新的車輛檢測卡，采用CPLD對振蕩周期進行整定計數(shù)的方法。CPLD利用鐘振的工作頻率脈沖作為對振蕩周期t計數(shù)的參考脈沖，可極大提高系統(tǒng)的檢測精度，檢測卡可在同樣的時間內對同一路線圈做更多次的檢測，減小漏檢率。并根據車輛檢測卡提供的車輛排隊長度的信息，設計了一種基于相序優(yōu)化的全感應交通控制策略，在實際應用中有效改善了交通狀況。
2 硬件設計
感應式車輛檢測卡采用歐洲標準卡式接口設計，埋設在路面下的感應線圈通過接線端子直接連入檢測卡內的振蕩電路，檢測卡通過對振蕩電路振蕩周期的捕獲和比較判斷車輛的通過情況，每塊車輛檢測卡可同時對四路電感線圈進行檢測，檢測卡輸出的車輛存在電平信號將通過隔離光耦經由底板上的自定義總線發(fā)送至檢測器處理器模塊對信號進行相關的統(tǒng)計計算，得出相應的交通流數(shù)據。
檢測卡的整體結構如圖1所示。其中振蕩器采用電容三點式振蕩電路，這種電路的特點是，由于反饋電壓從電容(C2)兩端取出，對高次諧波阻抗小，因而可將高次諧波濾除，可以獲得較好的輸出波形，非常適合檢測電路的需要。兩位撥碼開關用來設置電容器的大小，為振蕩電路提供4組不同的振蕩頻率，方便用戶在不同的環(huán)境下選擇最適合檢測的振蕩頻率，同時將4路線圈振蕩器設置成不同頻率可有效防止不同路線圈之間的耦合。隔離變壓器將線圈與內部電路隔離，與氣體放電管一起用來防止線圈與饋線感應產生的高壓電涌。
圖1 車輛檢測卡結構圖
振蕩器的正弦信號經整形分頻后送入CPLD進行計數(shù)。與傳統(tǒng)的環(huán)形線圈式車輛檢測卡通過對線圈振蕩頻率的采樣然后倍頻進行檢測不同本設計利用CPLD對振蕩周期進行整定計數(shù)的方法，不僅確保了檢測精度的要求，同時提高了系統(tǒng)在惡劣工作環(huán)境下的穩(wěn)定性。
CPLD選用Lattice公司生產的Lc4256v芯片，該芯片具有高速率、低功耗的特點，可支持1.8v，2.5v，3.3v多種接口電壓，特別的是，當I/O組的供電電壓為3.3v時，輸入引腳可以被安全的拉高至5.5v，因此非常適合混合電壓系統(tǒng)的設計。為了處理的方便，CPLD僅對周期的高電平信號進行計數(shù)，計數(shù)結果存入19位寄存器，提出中斷請求，微控制器響應中斷，讀取數(shù)值后，再進行下一輪計數(shù)。
由CD4040送來的分頻信號送入到Lc4256v中，Lc4256v的供電電壓為3.3V，但由于其特殊的多電平標準支持能力，可直接接受0—5vTTL電平信號的輸入，為了處理的方便，Lc4256v僅對周期的高電平信號進行計數(shù)，計數(shù)結果存入19位寄存器，提出中斷請求，微控制器響應中斷，讀取數(shù)值后，再進行下一輪計數(shù)。
由于振蕩周期是不斷送入到CPLD中的，而微控制器要同時對4路線圈進行檢測，因此，當CPLD中某路線圈振蕩周期的高電平信號計數(shù)值尚未被微控制器處理時，由于下一個周期信號的到來，此時需要CPLD保持住寄存器中的原計數(shù)值，直到微控制器讀取后方可再次計數(shù)，這樣就需要對CPLD對周期信號的計數(shù)進行相應時序的控制。
處理器單元采用臺灣華邦公司生產的一款8位微控制器W78E52B，體系結構與標準8051完全兼容，W78E52B獨特的4個外部中斷設計非常適合系統(tǒng)要響應4路周期計數(shù)值處理的需要，EMI減小模式也提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，其最高40M的工作頻率也完全滿足系統(tǒng)對微控制器處理速度的要求。當CPLD對一路線圈振蕩周期的采集結束時，向W78E52B提出中斷請求，若此時W78E52B空閑，則響應中斷，讀取周期記數(shù)值進行相關判斷后撤消中斷請求，對該路振蕩周期的計數(shù)再重新開始；若W78E52B正在處理其他路的計數(shù)結果，則中斷請求繼續(xù)保留，計數(shù)寄存器保留原計數(shù)值停止新一輪的計數(shù)，直到中斷被響應為止。
3 軟件設計
程序采用C語言編寫。系統(tǒng)上電后，程序先進行初始化，設置內部看門狗、定時器等特殊寄存器，讀入靈敏度和存在時間以設定各狀態(tài)標志及全局變量，并開啟中斷，進入循環(huán)等待狀態(tài)。每一路檢測線圈對應一路中斷，CPLD計數(shù)完畢后將向微控制器提出請求，進入中斷后的檢測卡的軟件流程如圖2所示。
圖2 檢測卡車輛檢測軟件流程
微控制器讀取CPLD計數(shù)值后首先判斷是否出現(xiàn)外部線圈斷路，確定線圈正常接入后將實時周期與本底周期進行比較判斷，當有車存在時，實時周期t變小，若t值連續(xù)落在靈敏度對應的區(qū)間次數(shù)達到設定值，則可判斷有車存在直至t值超出該區(qū)間為止。
本底周期的獲取對于判斷至關重要，由于外界溫度、環(huán)境的影響，實際的本底周期是連續(xù)變化的，因此需要在軟件設計中不斷調整本底周期。調整的方式可以分為向上矯正和向下矯正。
向上矯正方式是指，當外界環(huán)境影響使本底周期變大時，與有車存在致使實時周期變小明顯不同，因此可將矯正方式定為若讀取的周期值連續(xù)大于本底周期次數(shù)大于設定值，則將緩沖區(qū)中連續(xù)存入的周期數(shù)值中值濾波后重新設定為新的本底周期。
向下矯正方式為強制矯正，由于若外界環(huán)境影響使本底周期變小，效果將與車輛存在時一樣，只在變化率上有所不同，外界環(huán)境的影響造成的本底周期漂移要略快一些。設計時，使用存在時間的限制來強制矯正，若由于實際本底周期變小而造成系統(tǒng)連續(xù)判定有車，則當有車存在時間達到設定值時，強制判斷為無車，并重新設定本底周期。具體實現(xiàn)時由定時器T0不斷自行計數(shù)，當主程序流程判定有車后，再繼續(xù)判斷有車持續(xù)時間是否超出存在時間。定時器溢出中斷時，由定時器中斷對有車通道對應的計時變量進行處理，如圖3所示。
圖3 檢測卡存在時間統(tǒng)計軟件流程
4 控制算法
本文著重介紹一種基于車輛檢測卡提供的車輛等待長度信息的相序優(yōu)化的全感應控制方式。
典型的單交叉路口有東南西北四個方向,每個方向均有右行、直行和左行三股車流，在每條入口道上設置兩個車輛檢測檢測器構成一個檢測區(qū)，一個用于檢測該道的車輛離開數(shù)設在停車線處，一個用于檢測車輛到達數(shù)，檢測器對路口各個相位車輛通過信息進行實時檢測，送入控制器計算車輛等待長度為感應控制提供必要的數(shù)據。
在基于相序優(yōu)化的全感應控制方式中，相序是可變的，它能根據當前各紅燈相位的交通狀況，選擇交通要求最為緊急的相位作為候選綠燈相位。車輛檢測器就相當于實際交通控制中交警的“耳目”，它將來自單交叉口各車道的車輛通過信號通過并口送入交通控制器，控制器再根據交通流模型，通過計算車輛到達和離開檢測區(qū)的數(shù)據得出放行相位和其余相位的排隊車輛長度，再由控制決策算法考慮放行相位是繼續(xù)延長綠時及綠時延長時間，還是將通行權轉移至下個最緊急的相位，最后控制交通信號燈指示車輛通行，依次按相位循環(huán)控制，構成完整的交通控制閉環(huán)系統(tǒng)。
基于相序優(yōu)化的交通信號全感應控制的軟件流程圖如圖4所示。
變量定義：
i：當前綠燈相位；
ti,veh：相位i的車頭時距；
ti,add：相位i的延續(xù)綠燈時間；
：相位i的最大綠燈時間；
：相位i的最小綠燈時間；
：相位i的綠燈延續(xù)時間；
qi：相位i的車流量，單位：輛/小時；
：相位i的紅燈延續(xù)時間，單位：小時；
M：相序中的相位數(shù)目；
vi：相位i的在紅燈延續(xù)時間到達的車輛數(shù)（估計值），單位：輛；
Vi：相位i的在紅燈延續(xù)時間到達的車輛數(shù)的閥值。
圖4 基于相序優(yōu)化的交通信號全感應控制軟件流程
5 結束語
本文設計的車輛檢測卡及基于相序優(yōu)化的交通信號全感應控制策略在杭州濱江區(qū)等的一些地方得到了實際的應用。這些交叉口以前采用的是多時段多方案定時控制或簡單的感應控制。實際應用表明，本文提出的基于車輛排隊長度的全感應控制策略能夠有效改善交通狀況。今后的研究方向是基于車輛檢測信息的交通網絡自適應控制。
其它作者：
許衛(wèi)明(1972-)，男，浙江紹興人，交通科技工程師，學士，現(xiàn)任紹興市交通警察支隊科技科科長，研究方向為智能交通。
參考文獻
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北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號