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潘国安（1962－）
男，浙江绍兴人，交通科技工程师，学士，（绍兴市交通警察支队，浙江 绍兴 312000），现任绍兴市交通警察支队副支队长
基金项目：国家863计划项目(2007AA11Z216)
摘要：基于环形线圈车辆检测器基本的工作原理，针对传统的采用倍频技术的检测产品灵敏度不高的缺点，提出全新的采用周期整定技术的感应式车辆检测器设计原理，在确保检测精度的情况下，提高了系统的稳定性。完成了车辆检测卡的软硬件设计，并详细描述了该检测卡的构成及软硬件实现。设计了一种基于车辆检测器提供的车辆等待长度信息的，相序可变的单路口多相位交通信号灯全感应控制策略，实际应用表明该全感应控制算法十分有效。
关键词：车辆检测器；智能交通系统；全感应控制；环形线圈
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
交通是城市经济活动的命脉，对城市经济发展、人民生活水平的提高起着十分重要的作用。车辆检测器是交通控制系统的信息采集设备，为交通控制器的各种控制算法提供实时的交通数据。各式车辆检测器之中，环形线圈车辆检测器具有检测参数精确度高、适应性强、可靠性高、漏检率低、使用寿命长、性能价格比高等诸多优点，仍然是目前用于交通控制系统最广泛、效果也较好的一种车辆交通信息检测设备[1][2][3]。
传统的环形线圈式车辆检测器通过对线圈振荡频率的采样进行检测，而在实际中，由于车辆行驶速度的原因，系统还来不及有足够的时间对脉冲进行采集，下一辆车就已经通过线圈了，因此直接对频率的测量往往需要使用倍频技术。
本文设计一种全新的车辆检测卡，采用CPLD对振荡周期进行整定计数的方法。CPLD利用钟振的工作频率脉冲作为对振荡周期t计数的参考脉冲，可极大提高系统的检测精度，检测卡可在同样的时间内对同一路线圈做更多次的检测，减小漏检率。并根据车辆检测卡提供的车辆排队长度的信息，设计了一种基于相序优化的全感应交通控制策略，在实际应用中有效改善了交通状况。
2 硬件设计
感应式车辆检测卡采用欧洲标准卡式接口设计，埋设在路面下的感应线圈通过接线端子直接连入检测卡内的振荡电路，检测卡通过对振荡电路振荡周期的捕获和比较判断车辆的通过情况，每块车辆检测卡可同时对四路电感线圈进行检测，检测卡输出的车辆存在电平信号将通过隔离光耦经由底板上的自定义总线发送至检测器处理器模块对信号进行相关的统计计算，得出相应的交通流数据。
检测卡的整体结构如图1所示。其中振荡器采用电容三点式振荡电路，这种电路的特点是，由于反馈电压从电容(C2)两端取出，对高次谐波阻抗小，因而可将高次谐波滤除，可以获得较好的输出波形，非常适合检测电路的需要。两位拨码开关用来设置电容器的大小，为振荡电路提供4组不同的振荡频率，方便用户在不同的环境下选择最适合检测的振荡频率，同时将4路线圈振荡器设置成不同频率可有效防止不同路线圈之间的耦合。隔离变压器将线圈与内部电路隔离，与气体放电管一起用来防止线圈与馈线感应产生的高压电涌。
图1 车辆检测卡结构图
振荡器的正弦信号经整形分频后送入CPLD进行计数。与传统的环形线圈式车辆检测卡通过对线圈振荡频率的采样然后倍频进行检测不同本设计利用CPLD对振荡周期进行整定计数的方法，不仅确保了检测精度的要求，同时提高了系统在恶劣工作环境下的稳定性。
CPLD选用Lattice公司生产的Lc4256v芯片，该芯片具有高速率、低功耗的特点，可支持1.8v，2.5v，3.3v多种接口电压，特别的是，当I/O组的供电电压为3.3v时，输入引脚可以被安全的拉高至5.5v，因此非常适合混合电压系统的设计。为了处理的方便，CPLD仅对周期的高电平信号进行计数，计数结果存入19位寄存器，提出中断请求，微控制器响应中断，读取数值后，再进行下一轮计数。
由CD4040送来的分频信号送入到Lc4256v中，Lc4256v的供电电压为3.3V，但由于其特殊的多电平标准支持能力，可直接接受0—5vTTL电平信号的输入，为了处理的方便，Lc4256v仅对周期的高电平信号进行计数，计数结果存入19位寄存器，提出中断请求，微控制器响应中断，读取数值后，再进行下一轮计数。
由于振荡周期是不断送入到CPLD中的，而微控制器要同时对4路线圈进行检测，因此，当CPLD中某路线圈振荡周期的高电平信号计数值尚未被微控制器处理时，由于下一个周期信号的到来，此时需要CPLD保持住寄存器中的原计数值，直到微控制器读取后方可再次计数，这样就需要对CPLD对周期信号的计数进行相应时序的控制。
处理器单元采用台湾华邦公司生产的一款8位微控制器W78E52B，体系结构与标准8051完全兼容，W78E52B独特的4个外部中断设计非常适合系统要响应4路周期计数值处理的需要，EMI减小模式也提高了系统的稳定性和可靠性，其最高40M的工作频率也完全满足系统对微控制器处理速度的要求。当CPLD对一路线圈振荡周期的采集结束时，向W78E52B提出中断请求，若此时W78E52B空闲，则响应中断，读取周期记数值进行相关判断后撤消中断请求，对该路振荡周期的计数再重新开始；若W78E52B正在处理其他路的计数结果，则中断请求继续保留，计数寄存器保留原计数值停止新一轮的计数，直到中断被响应为止。
3 软件设计
程序采用C语言编写。系统上电后，程序先进行初始化，设置内部看门狗、定时器等特殊寄存器，读入灵敏度和存在时间以设定各状态标志及全局变量，并开启中断，进入循环等待状态。每一路检测线圈对应一路中断，CPLD计数完毕后将向微控制器提出请求，进入中断后的检测卡的软件流程如图2所示。
图2 检测卡车辆检测软件流程
微控制器读取CPLD计数值后首先判断是否出现外部线圈断路，确定线圈正常接入后将实时周期与本底周期进行比较判断，当有车存在时，实时周期t变小，若t值连续落在灵敏度对应的区间次数达到设定值，则可判断有车存在直至t值超出该区间为止。
本底周期的获取对于判断至关重要，由于外界温度、环境的影响，实际的本底周期是连续变化的，因此需要在软件设计中不断调整本底周期。调整的方式可以分为向上矫正和向下矫正。
向上矫正方式是指，当外界环境影响使本底周期变大时，与有车存在致使实时周期变小明显不同，因此可将矫正方式定为若读取的周期值连续大于本底周期次数大于设定值，则将缓冲区中连续存入的周期数值中值滤波后重新设定为新的本底周期。
向下矫正方式为强制矫正，由于若外界环境影响使本底周期变小，效果将与车辆存在时一样，只在变化率上有所不同，外界环境的影响造成的本底周期漂移要略快一些。设计时，使用存在时间的限制来强制矫正，若由于实际本底周期变小而造成系统连续判定有车，则当有车存在时间达到设定值时，强制判断为无车，并重新设定本底周期。具体实现时由定时器T0不断自行计数，当主程序流程判定有车后，再继续判断有车持续时间是否超出存在时间。定时器溢出中断时，由定时器中断对有车通道对应的计时变量进行处理，如图3所示。
图3 检测卡存在时间统计软件流程
4 控制算法
本文着重介绍一种基于车辆检测卡提供的车辆等待长度信息的相序优化的全感应控制方式。
典型的单交叉路口有东南西北四个方向,每个方向均有右行、直行和左行三股车流，在每条入口道上设置两个车辆检测检测器构成一个检测区，一个用于检测该道的车辆离开数设在停车线处，一个用于检测车辆到达数，检测器对路口各个相位车辆通过信息进行实时检测，送入控制器计算车辆等待长度为感应控制提供必要的数据。
在基于相序优化的全感应控制方式中，相序是可变的，它能根据当前各红灯相位的交通状况，选择交通要求最为紧急的相位作为候选绿灯相位。车辆检测器就相当于实际交通控制中交警的“耳目”，它将来自单交叉口各车道的车辆通过信号通过并口送入交通控制器，控制器再根据交通流模型，通过计算车辆到达和离开检测区的数据得出放行相位和其余相位的排队车辆长度，再由控制决策算法考虑放行相位是继续延长绿时及绿时延长时间，还是将通行权转移至下个最紧急的相位，最后控制交通信号灯指示车辆通行，依次按相位循环控制，构成完整的交通控制闭环系统。
基于相序优化的交通信号全感应控制的软件流程图如图4所示。
变量定义：
i：当前绿灯相位；
ti,veh：相位i的车头时距；
ti,add：相位i的延续绿灯时间；
：相位i的最大绿灯时间；
：相位i的最小绿灯时间；
：相位i的绿灯延续时间；
qi：相位i的车流量，单位：辆/小时；
：相位i的红灯延续时间，单位：小时；
M：相序中的相位数目；
vi：相位i的在红灯延续时间到达的车辆数（估计值），单位：辆；
Vi：相位i的在红灯延续时间到达的车辆数的阀值。
图4 基于相序优化的交通信号全感应控制软件流程
5 结束语
本文设计的车辆检测卡及基于相序优化的交通信号全感应控制策略在杭州滨江区等的一些地方得到了实际的应用。这些交叉口以前采用的是多时段多方案定时控制或简单的感应控制。实际应用表明，本文提出的基于车辆排队长度的全感应控制策略能够有效改善交通状况。今后的研究方向是基于车辆检测信息的交通网络自适应控制。
其它作者：
许卫明(1972-)，男，浙江绍兴人，交通科技工程师，学士，现任绍兴市交通警察支队科技科科长，研究方向为智能交通。
参考文献
[1] 李诚. 环形线圈车辆传感器的研究[J]. 西安公路交通大学学报，1995. 15(2)，56-59.
[2] 林凌，韩晓斌，丁茹，李刚，洪权. 微型感应线圈车辆传感器[J]. 传感技术学报，2006, 19(4): 994-996.
[3] 刘智勇，智能交通控制理论及其应用[M]. 科学出版社，2003.
[4] Pappis C P, Mamdani E H. A Fuzzy logic controller for a traffic junction[J]. IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, 1977, 7(10): 707-717.
[5] Mohamed B T, Mohamed S K, Murali A. A two-stage fuzzy logic controller for traffic signals[J]. Transportation Research, 1999, Part C 7: 353-367.
[6] Kashani H R, Saridis G N. Intelligent control for urban traffic systems[J]. Automatica, 1983, 19(2): 191-197.
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