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          基于RTOS的智能交通燈設(shè)計(jì)方法

          作者: 時(shí)間:2004-12-11 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
          摘要:介紹一種車流量變化動態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)間的燈的;在進(jìn)行流量統(tǒng)計(jì)的同時(shí),對違章情況進(jìn)行監(jiān)測;根據(jù)模糊算法分配各車道的綠燈時(shí)間,實(shí)現(xiàn)車流動態(tài)調(diào)節(jié)。分析其中存在的多種任務(wù),用傳統(tǒng)的前后臺編程實(shí)現(xiàn)難度較大,使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可簡化程序,并使程序具有良好的可讀性、可維護(hù)性和可移植性。介紹車流量檢測的原理與綠燈時(shí)間分配方案。

          關(guān)鍵詞:燈 車流量 實(shí)時(shí) 多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

          引言

          隨著城市汽車保有量的越來越多,城市的交通擁擠問題正逐漸引起人們的注意。交通燈是交管部分管理城市交通的重要工具。目前絕大部分交通燈其時(shí)間都是設(shè)定好的,不管是車流高峰還是低谷,紅綠燈的時(shí)間都固定不變;還有一些交通燈能根據(jù)簡單劃分的時(shí)間段來調(diào)整時(shí)間,但控制起來都不是很靈活,這使得城市車流的調(diào)節(jié)不能達(dá)到最優(yōu)。本文所述正是針對這一弊端進(jìn)行了改進(jìn),根據(jù)實(shí)時(shí)車流量對各路口的綠燈時(shí)間進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié),大大加強(qiáng)了其靈活性和實(shí)時(shí)性;軟件編程采用了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTX51,在確保實(shí)時(shí)性要求的同時(shí),簡化了復(fù)雜的軟件設(shè)計(jì)工作。

          1 方案論證

          圖1是一個(gè)典型的十字路口示意圖。分別用1、2、3、4表明四個(gè)流向的主車道,用a、b、c、p分別表示各主車道的左行車道、直行車道、右行車道以及人行橫道。

          通過分析很容易得知,除了四個(gè)右行車道外,在同一時(shí)間,最多只能有兩個(gè)車道通行,如1a、1b通行時(shí),其它車道都會被阻斷。所以在設(shè)計(jì)紅綠燈時(shí),可以兩兩組合,共有四組(如la-1b、2a-2b、3a-3b、4a-4b);而各車道的紅燈時(shí)間和人行橫道通停時(shí)間都由這四個(gè)組合的綠燈窗口時(shí)間決定。本文將以廣泛采用的圖2所示的通行順序來講述燈的設(shè)計(jì)。

          2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

          本系統(tǒng)硬件上采用上位機(jī)和下位機(jī)設(shè)計(jì),其中下位機(jī)四個(gè),均采用AT89C52單片機(jī),分別控制圖2所示的四個(gè)組合。AT89C52單片機(jī)具有MCS-51內(nèi)核,片內(nèi)有8KB Flash、256字節(jié)RAM、6個(gè)中斷源、1個(gè)串行口、最高工作頻率可達(dá)24MHz,完全可以滿足本系統(tǒng)的需要。

          上位機(jī)和下位機(jī)之間的串行通信采用RS-485標(biāo)準(zhǔn)接口。在通信頻率為9600bps的情況下,有效通信距離可達(dá)2.1km。

          軟件設(shè)計(jì)中,采用RTX51小型實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它是一個(gè)專用于8051系列處理器的多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),能使用四個(gè)任務(wù)優(yōu)先權(quán)完成同時(shí)存在時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度和搶先的任務(wù)切換,并可以簡化那些復(fù)雜而且時(shí)間要求嚴(yán)格的工程軟件設(shè)計(jì)工作。

          2.1 下位機(jī)設(shè)計(jì)

          以控制1a-1b-3c-4c-2p組合的下位機(jī)為例說明。

          下位機(jī)外接動態(tài)車輛檢測電路、LED和數(shù)碼相機(jī)。各下位機(jī)通過對車輛檢測電路定時(shí)掃描,讀取各車道當(dāng)前信息,判斷是否有車通過;LED顯示各車道方向箭頭及剩余時(shí)間;數(shù)碼相機(jī)則對違章車輛進(jìn)行抓拍。

          動態(tài)車輛檢測電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

          埋設(shè)在各車道安全線前方路面下的環(huán)形線圈傳感器與振蕩器匹配,形成一定頻率的周期信號。該信號經(jīng)施密特整形電路轉(zhuǎn)化為脈寬信號后可作為計(jì)數(shù)脈沖。當(dāng)有車輛通過該環(huán)形線圈時(shí),線圈磁場發(fā)生變化,從而導(dǎo)致計(jì)數(shù)脈沖數(shù)量的變化。將100ms時(shí)間內(nèi)沒有車通過時(shí)的頻率計(jì)數(shù)作為基準(zhǔn)計(jì)數(shù)Base,實(shí)際計(jì)數(shù)為Num。當(dāng)NumBase>0時(shí),就可判定有車輛通過。

          下面是下位機(jī)中多任務(wù)的分析與實(shí)現(xiàn)。

          (1)初始化任務(wù)

          初始化串行接口,并開始全部其它任務(wù)。最后刪除自身,因?yàn)槌跏蓟恍枰淮巍?/P>

          (2)數(shù)據(jù)采集任務(wù)

          每隔100ms順次讀取四個(gè)車道(1a、1b、3c、4c)動態(tài)車輛檢測電路的信息,判斷Num-Base是否大于0。若為真,則置相應(yīng)Flag為1,否則置0(Flash表示某一車道有無車輛通過的標(biāo)識)。令FLAG1、flag1分別標(biāo)志1a車道上一次和本次的檢測結(jié)果。若FLAG1-flag1=1,則表明有車通過(同樣,可以令FLAG2、flag2標(biāo)識1b車道,F(xiàn)LAG3、flag3標(biāo)識3c車道、FLAG4、flag4標(biāo)識4c車道前后兩次的檢測結(jié)果)。若任一車道有車通過,則向流量統(tǒng)計(jì)及違章監(jiān)測任務(wù)發(fā)送信號。程序如下:

          void job2()_task_job2{

          while(1){

          讀取車輛檢測電路信息,通過判斷給flag1、flag2、flag3、flag4賦值;

          if(FLAG1-flag1==1||FLAG2-flag2==1||FLAG3-flag3==1||FLAG4-flag4=1) //若某一車道有車通過

          {

          記錄有車通過的車道;

          os_send_signal(job3);//向流量統(tǒng)計(jì)與違章監(jiān)測任務(wù)發(fā)出信號

          }

          FLAG1=flag1;FLAG2=flag2;FLAG3=flag3;FLAG4=flag4; //當(dāng)前標(biāo)識位成為前一標(biāo)識位

          各計(jì)數(shù)器恢復(fù)初值;

          os_wait(100ms);

          }

          }

          (3)流量統(tǒng)計(jì)與違章監(jiān)測任務(wù)

          在接收到任務(wù)2發(fā)來的信號后,根據(jù)其提供的車道記錄及該車道的當(dāng)前顯示情況,實(shí)現(xiàn)流量統(tǒng)計(jì)或違章監(jiān)測的功能。

          void job3()_task_job3{

          while(1){

          os_wait(K_SIG,0,0);

          if(1a||1b車道有車通過){

          if(當(dāng)前為紅燈)啟動數(shù)碼相機(jī)抓拍,并讀取實(shí)時(shí)時(shí)鐘當(dāng)前時(shí)間;

          else N1++; //在綠燈持續(xù)時(shí)間內(nèi)對通過車輛計(jì)數(shù)

          }

          else若當(dāng)前為紅燈,啟動數(shù)碼相機(jī)抓拍,并讀取時(shí)間。3c、4c違章監(jiān)測

          }

          }

          (4)顯示任務(wù)

          圖2 十字路口典型通行順序示意圖

          在外接的LED上分別顯示四個(gè)車道方向箭頭和人行橫道的紅綠燈,以及1a-1b車道剩余時(shí)間。最初的窗口時(shí)間由上位機(jī)給定。該顯示值每秒鐘刷新一次。

          Void job4()_task_job4{

          t1=T1; //T1為上位機(jī)給定綠燈窗口時(shí)間

          while(1){

          各路口方向箭頭、人行橫道紅綠燈顯示及1a、1b車道剩余時(shí)間(t1)顯示;

          os_wait(1000ms); //1s刷新

          t1--;

          if(t1==0)

          {os_create_task(job6); //若時(shí)間到,創(chuàng)建通信任務(wù)

          os_delete_task(job4);} //刪除顯示任務(wù)

          }

          }

          (5)看門狗復(fù)位任務(wù)

          定期對看門狗進(jìn)行復(fù)位,表明程序正常運(yùn)行。

          (6)通信任務(wù)

          當(dāng)時(shí)間到時(shí),根據(jù)當(dāng)前情況進(jìn)行紅綠燈顯示切換若1a、1b當(dāng)前為綠燈,則時(shí)間到后通知上位機(jī),并將統(tǒng)計(jì)的車流量經(jīng)串行口傳送給上位機(jī),由上位機(jī)觸發(fā)下一組綠燈顯示;右1a、1b當(dāng)前為紅燈,則時(shí)間到后等待上位機(jī)觸發(fā)信號。這樣由上位機(jī)統(tǒng)一調(diào)度,可以避免各下位機(jī)各自為政所造成的時(shí)間差。由于通信任務(wù)對時(shí)間特性的要求很高,所以應(yīng)將通信任務(wù)設(shè)為高優(yōu)先級。

          Void job6()_task_job6_prority_1{

          if(綠燈時(shí)間間到){

          V1=N1*60/(2*T1); //N1表示1a、2b車道在T1時(shí)間內(nèi)通過的車輛總和,V1為該綠燈周期內(nèi)兩個(gè)車道平均每分鐘車流量

          將V1值傳送上位機(jī);

          N1清0;

          1a、1b、3c、2p轉(zhuǎn)紅色顯示;

          }

          if(紅燈時(shí)間到){

          os_wait(K_SIG,0,0); //等待上位機(jī)信號

          根據(jù)上位機(jī)計(jì)算數(shù)據(jù)更新T1;

          1a、1b、4c、2p轉(zhuǎn)綠色顯示;

          }

          os_create_task(job4); //創(chuàng)建顯示任務(wù)

          os_delete_task(job6); //刪除自身

          }

          2.2 上位機(jī)設(shè)計(jì)

          上位機(jī)主要完成人機(jī)交互的功能。它外接一個(gè)字符型LCD顯示器和鍵盤。LCD顯示器在睡眠狀態(tài)下顯示各路口的當(dāng)前綠燈窗口時(shí)間。當(dāng)有鍵盤響應(yīng)時(shí),作相應(yīng)的輔助顯示。

          本系統(tǒng)的鍵盤采用9按鍵輸入。當(dāng)主車道上有緊急車輛(如警車、消防車或急救車等)要求通行時(shí),可以按下此鍵。

          本系統(tǒng)設(shè)定了6種功能選項(xiàng):4個(gè)主車道的綠燈窗口時(shí)間調(diào)節(jié)選項(xiàng)、手動/自動操作模式切換選項(xiàng)以及違章記錄查詢選項(xiàng)。這6項(xiàng)功能,可以通過按功能鍵進(jìn)行切換。

          下面是上位機(jī)中多任務(wù)的分析與實(shí)現(xiàn)。

          (1)初始化任務(wù)

          初始化串行接口及各車道組合的綠燈窗口時(shí)間(20s),并開始其它任務(wù),最后刪除自身。

          (2)鍵盤掃描任務(wù)

          利用順序查詢的方式,定時(shí)對鍵盤進(jìn)行掃描,判斷是否有按鍵被按下。若有,則判斷是哪個(gè)鍵被按下,并向任務(wù)3發(fā)出信號。

          void job2_task_job2{

          while(1){

          掃描鍵盤;

          if(有鍵被按下){

          判斷是哪個(gè)鍵;

          os_send_signal(job3);

          }

          os_wait(10ms);

          }

          }

          (3)鍵盤處理任務(wù)

          若在初始情況下按下功能鍵,則進(jìn)入6個(gè)功能項(xiàng)。再次按下功能鍵,則在這6個(gè)功能項(xiàng)之間進(jìn)行切換;若按下的是確定鍵,則創(chuàng)建相應(yīng)功能項(xiàng)所定義的任務(wù)。在任何情況下按下緊急通行鍵,將創(chuàng)建緊急通行任務(wù)。

          (4)顯示任務(wù)

          當(dāng)鍵盤掃描任務(wù)在一定的時(shí)間內(nèi)沒有檢測到輸入信號時(shí),將LCD轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài),面板顯示各車道組合的當(dāng)前綠燈窗口時(shí)間。若該窗口時(shí)間由于任務(wù)5被更新,當(dāng)有按鍵被按下時(shí),則根據(jù)按鍵情況作相應(yīng)的輔助顯示。

          (5)時(shí)間自動調(diào)節(jié)任務(wù)

          在自動操作模式下,每隔10min,對各下位機(jī)上傳的各車道組合的車流量進(jìn)行分析,根據(jù)模糊算法確定各車道組合的最優(yōu)時(shí)間分配。

          分別用V1、V2、V3、V4表示1a-1b、2a-2b、3a-3b、4a-4b四個(gè)車道組合當(dāng)前每分鐘平衡車流量,t1、t2、t3、t4表示各自綠燈窗口時(shí)間,則綠燈時(shí)間分配如表1所列。

          表1 綠燈時(shí)間分配表

          Vi(i=1~4)Vi≤555i≤1010Vi≤1515Vi≤20Vi>20
          ti/S1520253035

          不難理解,每一組合的紅燈窗口時(shí)間等于其它三個(gè)組合的綠燈窗口時(shí)間之和。為了避免某一組車道等待的時(shí)間過長,當(dāng)有兩個(gè)以上的車道組合的每分鐘平衡車流量都大于15時(shí),將它們的綠燈時(shí)間都定為30s。這樣,最長的等待時(shí)間不超過90s。

          (6)時(shí)間手動調(diào)節(jié)任務(wù)

          每按一下“+鍵”,將當(dāng)前車道組合的綠燈窗口時(shí)間加1,按“-鍵”則減1。當(dāng)按確定鍵后,則當(dāng)前設(shè)定時(shí)間被保存到變量Ti中。

          (7)手動/自動切換任務(wù)

          當(dāng)切換到自動操作模式時(shí),創(chuàng)建任務(wù)5,并發(fā)出信號使任務(wù)3中“主車道綠燈窗口時(shí)間調(diào)節(jié)”功能項(xiàng)不可選。當(dāng)切換到手動操作模式時(shí),刪除任務(wù)5,并解除時(shí)間調(diào)節(jié)功能項(xiàng)的限制。

          (8)違章查詢?nèi)蝿?wù)

          讀取各個(gè)位機(jī)的違章記錄,包括違章車道和違章時(shí)間,并在LCD上顯示出來。違章車輛的圖像信息可由數(shù)碼相機(jī)獲取。

          (9)緊急通行任務(wù)

          當(dāng)緊急通告鍵被按下時(shí),該任務(wù)被創(chuàng)建。任務(wù)首先保存當(dāng)前各車道組合的綠燈窗口時(shí)間,然后強(qiáng)制有緊急情況的車道組合綠燈顯示、其它車道組合紅燈顯示,以保障緊一輛順序通行。延時(shí)10s后,恢復(fù)以前的順序顯示。由于該任務(wù)時(shí)間特性要求很高,所以應(yīng)將其優(yōu)先級設(shè)為2,高于通信任務(wù)。最后刪除自身。

          (10)看門狗復(fù)位任務(wù)

          定期對看門狗進(jìn)行復(fù)位,表明程序正常運(yùn)行。

          (11)通信任務(wù)

          當(dāng)某一下位機(jī)因綠燈時(shí)間到而觸發(fā)串行口中斷后,該取該下位機(jī)的當(dāng)前車流量Vi,并觸發(fā)控制下一車道組合的下位機(jī)進(jìn)行綠燈顯示;同時(shí),將更新的綠燈窗口時(shí)間ti(i=1~4)賦給各下位機(jī),從而實(shí)現(xiàn)對車流量的動態(tài)調(diào)節(jié)。由于該任務(wù)時(shí)間特性要求較高,將其優(yōu)先級設(shè)為1。

          結(jié)語

          本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,操作方便;既可現(xiàn)場控制,又可遠(yuǎn)程控制;擁有手動和自動兩種控制模式,具有一定的智能性;能根據(jù)現(xiàn)場狀況,合理地調(diào)節(jié)車流,對優(yōu)化城市交通具有一定的意義。

          另外,利用RTX51實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)提供的系統(tǒng)特征,可以簡化多任務(wù)程序設(shè)計(jì),滿足多個(gè)任務(wù)的時(shí)間特性要求,可完成前后臺編程難以完成的編程任務(wù)。同時(shí)實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng),可以將各任務(wù)進(jìn)行細(xì)分包裝,使各任務(wù)保持相對獨(dú)立;能有效改善程序結(jié)構(gòu),便于模塊化處理,使程序的可讀性、可維護(hù)性和可移植性都得到進(jìn)一步的提高。



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