基于ARM的新型智能交通信号灯系统设计

目前，国内交通信号灯普遍采用定周期程控技术，即主要靠经验和以往统计数据确定红绿灯亮灭时间。要实现道路交通的智能化，就要引入变周期交通信号灯控制技术，实时检测路口的交通流量以及拥塞量等数据，根据规则动态地调节信号灯，获得更加满意的通行率。

普遍交通信号灯

本文提出了一种具有分布式特征的交通信号灯控制系统设计方案，它利用RFID技术提高路况信息的收集精度，利用电流环远距离传输方式，并且应用人工智能理论使得系统具有更强的自适应性和可扩充性。

1系统功能与整体结构设计

从功能特点来看，智能交通信号灯系统应具有时间固定模式、时间设定模式、时间感应模式、现场遥控模式、远程控制模式等信号控制模式；可以进行日期、时间设定、分时段时间设定、感应参数设定、周期时间、相位差和绿信比等参数设定；可以进行系统自检、绿冲突检测、灯故障检测、线路故障检测；具有强大的输入/输出功能，可实现对路口的不同相位灯控输出和检测功能。此外，系统提供友好的人机界面，用户可通过手动开关、键盘或遥控器对信号机进行设定和控制。

信号机是整个系统的核心。它由LCD屏、控制板、灯组驱动板、开关电源、按钮板等共5种功能模块插件板，以及配电板、接线端子排等组成。本系统选择基于ARM核的32位嵌入式RISC处理器AT91RM9200作为信号机控制板处理器，可以满足信号机智能化的要求，使信号机在系统中成为收集与处理交通流量数据、通信联网以及区域协调控制的平台。

智能交通信号灯系统结构图如图1所示。

图1交通信号灯系统结构图

信号灯采用发光二极管，即LED技术，发光功率大，抗震能力强，省电又稳定。系统内各组件，包括信号灯都由外部供电，并配有UPS.信号灯控制器对各种信号灯不提供工作电压，仅进行信号传递，完全实现弱电控制。信号灯亮度的控制采用脉宽调制的原理，将电压全波整流，经电阻分压，由光耦将其转成有一定占空比的方波，当电源电压升高时，占空比会减小，抑制LED亮度的提高，当电源电压降低时，占空比会增大，限制LED亮度的降低，从而实现了LED亮度的自动控制。

信号灯远距离通信控制可以采用电流环信号传输方式加以实现。这种远距离通信控制电路简单、成本低、抗干扰能力强。它是由电流环传输串行移位的3种信号--数据D、时钟CLK、锁存STR，交通灯则将控制器发来的串行信息转换为并行输出，准确实现位控制，不同的信号灯就可以在连线上采取并联方式，这样，一个线路输出的负载能力足以控制十几个信号灯，可以满足各种交通路口的需要。

智能交通信号灯系统既是一个独立的系统，又是整个地区智能信号灯系统的一部分。通过信息共享，可以实现交通信号的联动控制，进行有效的交通预测和疏导。当路口车流相对均匀稳定时，地区内的信号灯协调运作，可以实现"绿波带"控制。

以下给出地区交通信号灯联动系统结构图，如图2所示。

图2地区交通信号灯联动系统结构图

系统硬件设计

2.1信号机主控端模块

主控制机采用处理器AT91RM9200，它是基于ARM的ARM920T内核，集成了丰富的外围功能模块，非常适合于实时控制，且支持实时操作系统，运算速度高。

信号机采用12/5V电源供电，AT91RM9200工作于3.3V和2.5V，系统内其它器件选择工作电压为3.3V和5V.

信号机在系统内部通讯和区域协调控制中需要时间同步，因此设计RTC（实时时钟）用来对时。AT91RM9200内部集成RTC单元，只需要外接晶振就能工作，十分方便。

信号机主控端需要存放引导程序、嵌入式操作系统及其文件系统和应用程序，还有其它在运行过程中需要保存的数据，所以要通过外存储单元来扩展存储空间，包括SDRAM、NorFlash和NandFlash.NorFlash主要用于存放引导程序Bootloader和操作系统linux内核镜像，系统上电或复位后从FlashROM中运行Bootloader，由Bootloader初始化硬件并将linux拷贝到SDRAM中运行。

NandFlash主要用于存放应用程序和数据。

为方便人机界面的操作，AT91RM9200内置LCD（液晶显示器）驱动控制器，能自动产生LCD驱动控制信号，可以与LCD直接连接。键盘模块通过ZLG7290B扩展一个4×4的键盘矩阵，ZLG7290B通过IIC串行总线与处理器进行连接。

考虑到信号机的体积，也为了方便设备的升级、扩展，从信号机控制板引出数据总线、地址总线和必要的控制信号，设计统一的系统总线，通过总线来调度控制各个功能板块，如车流信息采集板块、信号灯控制器板块、红外线接收板块、故障检测板块等。这些板块与相应的功能模块一一对应，以插槽接口与信号机控制板相连。

2.2车流量信息采集模块

射频识别，即RFID（Radio Frequency IDentification），俗称电子标签，它是一种非接触式的自动识别技术，通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，工作过程无需人工干预，可应用于各种恶劣环境。一套RFID设备包括射频标签，天线和读写器三个部分。天线和读写器安置在路边，当带有射频标签的车辆通过该路段时，读写器会通过天线接收返回载有RFID信息的射频调制信号，经处理后传给信号机主控端，完成路况数据的信息采集。有关数据也经由本地信号机向上位机--地区信号灯系统控制端发送。车流信息在信号机主控端内经过建模计算，可以获得当前信号灯所需的周期时间。

2.3紧急干预模块

在系统中加载遥控电路，以支持用红外遥控器作紧急干预。采用8通道红外发射/接收专用集成电路BA5104/BA5204，它能发射6个持续信号2个单次信号，串行口接入方便，且价格低，稳定性强。红外接收端与信号机控制板总线相连，可以将遥控器按键信号传递至信号机主控端进行中断处理，且优先级最高。

2.4故障检测模块

交通信号灯工作环境较为复杂，可能存在各种难以预测的电源、电磁干扰及信号机自身的随机性障碍。为了保证系统的可靠运行，除了采用软件对策外，专门引入了硬件看门狗复位电路MAX708CPA该器件具有μP复位、掉电监测、手动复位等功能，可以起到较好的保护作用。此外，利用含有电压检测与电流检测的故障检测电路，对信号灯控制器和信号灯作出实时检测，将返回的TTL电平信号传递至信号机主控板，信号机系统可以根据不同的结果选择继续执行，或者向上报警，甚至自行关机。