王年超， 李志軍， 吳力普
?。ū狈焦I(yè)大學 現(xiàn)場總線及自動化重點實驗室，北京 100144）
摘要：設計了一種基于AVR的城市道路交通模擬沙盤系統(tǒng)，沙盤系統(tǒng)整體機械結(jié)構(gòu)采用立式導軌的結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)包括LED燈驅(qū)動和顯示模塊、通信模塊、MEGA16最小系統(tǒng)控制模塊。完成整體PCB設計、軟件的設計，使用PC通過RS485通信協(xié)議實現(xiàn)城市道路交通的模擬。此沙盤系統(tǒng)為研究城市道路交通模擬提供了平臺，具有很好的實用價值。
關(guān)鍵詞：AVR單片機；道路交通沙盤；RS485通信協(xié)議
0引言
面對當今世界全球化、信息化發(fā)展趨勢，傳統(tǒng)的交通技術(shù)和手段已不適應經(jīng)濟社會發(fā)展的要求。智能交通系統(tǒng)是交通事業(yè)發(fā)展的必然選擇，是交通事業(yè)的一場革命。通過先進的信息技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)、傳感技術(shù)、計算器技術(shù)和系統(tǒng)綜合技術(shù)有效地集成和應用，使人、車、路之間的相互作用關(guān)系以新的方式呈現(xiàn)，從而實現(xiàn)實時、準確、高效、安全、節(jié)能的目標。交通安全、交通堵塞及環(huán)境污染是困擾當今國際交通領(lǐng)域的三大難題，本文針對交通堵塞問題對城市道路交通的車輛流量進行模擬，根據(jù)實際的城市道路實現(xiàn)模擬沙盤仿真，對實際城市道路的道路承載能力進行模擬。
1系統(tǒng)總體設計
1.1總體設計方案
該城市道路模擬沙盤系統(tǒng)主要完成道路車輛流量的顯示和路口紅綠燈的變化，整個沙盤包含6個路口，最后實現(xiàn)一個動態(tài)的整體顯示?？刂瓢鍍?nèi)核采用ATmega16單片機，通信協(xié)議采用RS485，是一對多通信。單片機內(nèi)部EEPROM存儲控制板地址，高效率地利用片內(nèi)資源和減少硬件的不必要設計。系統(tǒng)整體設計方案［1］如圖1所示。
1.2平面圖模型設計
該城市道路模擬沙盤系統(tǒng)平面圖如圖2所示，沙盤總共有6個路口，寬路車輛是雙向運行即兩個路口之間的路段，窄路車輛是單向運行即單個路口的路段［2］。路口紅綠燈用紅色和綠色發(fā)光LED模擬指示，道路上車流量使用一排連續(xù)排列的LED燈指示，車流量越多LED指示燈亮的個數(shù)越多。其中硬件包括LED燈驅(qū)動模塊、通信模塊、LED燈顯示模塊、MEGA16最小系統(tǒng)控制模塊。
2硬件模塊的設計
2.1控制模塊
圖3和圖4是ATmega16單片機接線電路和最小系統(tǒng)所需的復位電路以及外部晶振電路。復位電路：啟動后讓單片機從初始狀態(tài)執(zhí)行程序；振蕩電路：單片機是一種時序電路，必須施加脈沖信號才能工作。MEGA16內(nèi)部有RC震蕩電路，但相比外部的晶體震蕩電路還是不夠準確，另外它也可以使用外部晶振工作，兩者之間的切換通過熔絲位來選擇［3］。單片機內(nèi)部有一個時鐘產(chǎn)生電路，只要接上兩個電容和一個晶振即可正常工作。
2.2通信模塊
圖5RS485通信電路圖5所示是MAX485通信電路。采用單一電源+5 V工作，額定電流為300 μA，采用半雙工通信方式。它完成將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS485電平的功能。MAX485芯片的結(jié)構(gòu)和引腳都非常簡單,內(nèi)部含有一個驅(qū)動器和接收器。RO和DI端分別為接收器的輸出和驅(qū)動器的輸入端，與單片機連接時只需分別與單片機的RXD和TXD相連即可。RE和DE端分別為接收和發(fā)送的使能端，當RE為邏輯0時，器件處于接收狀態(tài)；當DE為邏輯1時，器件處于發(fā)送狀態(tài)，因為MAX485工作在半雙工狀態(tài)，所以只需用單片機的一個管腳控制這兩個引腳即可。A端和B端分別為接收和發(fā)送的差分信號端,當A引腳的電平高于B時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為1；當A的電平低于B端時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為0。在與單片機連接時接線非常簡單，只需要一個信號控制MAX485的接收和發(fā)送即可。
2.3LED顯示模塊
如圖6所示，單片機IO口輸出信號通過74HC154譯碼、74LS04反相器、4位IO口輸出驅(qū)動多位發(fā)光二極管，74HC573鎖存器實現(xiàn)IO口信號狀態(tài)的鎖定。顯示電路采用10個LED燈一組的顯示模塊，設計硬件時10個LED模塊總共100個LED,都接有上拉電阻，可以實現(xiàn)車流量模擬顯示［4］。
3系統(tǒng)軟件設計
3.1通信協(xié)議格式
對于城市道路交通模擬沙盤，軟件部分至關(guān)重要。本系統(tǒng)通過串口給控制器發(fā)送數(shù)據(jù)，通過程序中的協(xié)議規(guī)則處理接收數(shù)據(jù)［5］。通信協(xié)議格式如圖7、圖8及圖9所示。
協(xié)議的每一位均使用十六進制數(shù)，具體的協(xié)議規(guī)則如下:
?。?）顯示紅綠燈數(shù)據(jù)格式：發(fā)送A5F2001122AF。其中A5、AF分別為發(fā)送數(shù)據(jù)格式的起始數(shù)據(jù)位和終止數(shù)據(jù)位，07為控制器的地址，112211為紅綠燈要顯示的數(shù)據(jù)，0表示熄滅，1表示紅燈，2表示綠燈。
?。?）顯示燈條數(shù)據(jù)格式：發(fā)送A5F2000000AF。其中A5、AF分別為發(fā)送數(shù)據(jù)格式的起始數(shù)據(jù)位和終止數(shù)據(jù)位，F(xiàn)2為控制器的地址，0A141E為燈條要顯示的數(shù)據(jù)，燈條1顯示10個LED燈，燈條2顯示20個LED燈，燈條3顯示30個LED燈。
?。?）修改控制板數(shù)據(jù)格式：發(fā)送A5F2000000AE。此條數(shù)據(jù)只能一對一地發(fā)送。其中A5、AE分別為發(fā)送數(shù)據(jù)格式的起始數(shù)據(jù)位和終止數(shù)據(jù)位，F(xiàn)2為想要修改的地址，000000為無效數(shù)據(jù)位。
3.2工作流程
流程介紹：首先對ATmega16單片機的IO口進行初始化，設定IO口為輸出，然后對串口進行初始化，設定為中斷方式接收上位機發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，打開總中斷，程序開始進入while循環(huán)中接收數(shù)據(jù)并處理數(shù)據(jù)，中斷到來時將數(shù)據(jù)放入之前定義好的數(shù)組中，對數(shù)據(jù)格式進行判斷，數(shù)據(jù)格式有以下3種類型：
?。?）接收的數(shù)據(jù)為燈條顯示數(shù)據(jù)格式。判斷燈條數(shù)據(jù)格式是否正確，如果不正確則重新接收，若正確則將數(shù)據(jù)進行處理，去掉接收數(shù)據(jù)中多余的部分，包括數(shù)據(jù)頭、數(shù)據(jù)尾和圖6LED顯示模塊
地址數(shù)據(jù)。還有將接收的數(shù)據(jù)中地址數(shù)據(jù)與本控制板中EEPROM存入的地址數(shù)據(jù)進行比較，若一致則為本控制板的命令數(shù)據(jù)，最后將有用的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為八進制數(shù)據(jù)進行LED顯示。
?。?）接收的數(shù)據(jù)為紅綠燈顯示數(shù)據(jù)格式。判斷燈條數(shù)據(jù)格式是否正確，如果不正確則重新接收，若正確則將數(shù)據(jù)進行處理，去掉接收數(shù)據(jù)中多余的部分，包括數(shù)據(jù)頭、數(shù)據(jù)尾和地址數(shù)據(jù)。還有將接收的數(shù)據(jù)中地址數(shù)據(jù)與本控制板中EEPROM存入的地址數(shù)據(jù)進行比較，若一致則為本控制板的命令數(shù)據(jù)，最后將有用的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為八進制數(shù)據(jù)進行紅綠燈顯示。
?。?）接收的數(shù)據(jù)為修改地址數(shù)據(jù)指令。提取接收到的數(shù)據(jù)，將要修改的地址數(shù)據(jù)提取出來存入EEPROM中［67］。
系統(tǒng)工作流程圖如圖10所示。
33部分程序
本系統(tǒng)的程序由以下幾部分組成：初始化子程序、判斷子程序、排序子程序、顯示子程序、關(guān)閉子程序。初始化子程序?qū)O口和串口進行初始化；顯示子程序和關(guān)閉子程序負責控制燈條及紅綠燈的顯示和關(guān)閉；判斷子程序?qū)邮盏臄?shù)據(jù)格式進行判斷，根據(jù)判斷條件執(zhí)行相應的程序；排序子程序?qū)﹀e誤的數(shù)據(jù)重新按照協(xié)議規(guī)則進行排序。主程序如下：
Int main()
{
Init_IO();//IO端口初始化子程序
Chushihua_usart()//串口初始化子程序
Deng_off();//熄滅所有的燈子程序
SREG|=0X80;//打開總中斷
Xieyi_2data［1］=eeprom_read_byte(0x0000);//啟動時讀取EEPROM地址0x0000的數(shù)據(jù)地址，與發(fā)送過來的數(shù)據(jù)地址相匹配
While(1)
{
Xieyi_paixu();//將收到的串口數(shù)據(jù) xieyi_3排序放在xieyi_1中
//判斷數(shù)據(jù)格式是否正確，并且進行顯示
If((xieyi_sign==0xFF)&&(xieyi_2data［1］==xieyi_1data［1］)&&(xieyi_2data［0］==xieyi_1data［0］&&(xieyi_2data［5］==xieyi_1data［5］))
{
//如果發(fā)送的數(shù)據(jù)有變化，顯示變換后的數(shù)據(jù)
If((xieyi_2data［2］!=xieyi_1data［2］)|(xieyi_2data［3］!=xieyi_1data［3］)|(xieyi_2data［4］!=xieyi_1data［4］))
{
Panduan_deng_data();//判斷并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進制
Display_deng_data();//顯示燈條
}
Xieyi_sign=0x00;//標志位清零，方便下次排序
}
//判斷數(shù)據(jù)地址格式是否正確，修改地址，把地址放在EEPROM中
If((xieyi_sign==0xFE)&&(xieyi_1data［0］==0xA5)&&(xieyi_1data［5］==0xAE))
{
Eeprom_write_byte(0x0000,xieyi_1data［1］);
//將修改的地址放在EEPROM地址0x0000中
Xieyi_2data［1］=xieyi_1data［1］;
Xieyi_sign=0x00;//標志位清零
}
}
}
4系統(tǒng)測試
測試使用其中一個路口作為測試對象，這個路口包含4個紅綠燈，10個燈條，每個燈條都有自己的控制器，都被設置了地址，通過串口連接232/485轉(zhuǎn)換器給沙盤發(fā)送數(shù)據(jù)：當發(fā)送A5260A141EAF時，對應26地址的3個燈條的LED燈依次亮10個燈、20個燈、30個燈，改變地址的值，相應的地址均能正確地顯示；當發(fā)送A521222122AF時，因為25是紅綠燈的控制地址，所以紅綠燈顯示相應的燈效果；修改地址一對一發(fā)送同樣正常運行。不僅能單個控制器進行發(fā)送，還可以多個同時發(fā)送，如：A521222122AFA5260 A141EAFA527 0A141EAFA5280A141EAFA5290A1 41EAF，運行結(jié)果如圖11所示。
5結(jié)論
隨著物質(zhì)生活的改善，城市的車輛也快速增長，合理可靠的交通控制不僅改善交通環(huán)境，還可以提高人們的生活質(zhì)圖11系統(tǒng)測試顯示圖
量，使人們生活更加美好?；贚ED的城市道路交通模擬沙盤設計提供了這樣一個平臺。本系統(tǒng)充分利用ATmega16單片機芯片，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。工控機作為仿真系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入，實現(xiàn)了模擬沙盤的動態(tài)運行。同時采用MAX485作為通信模塊，實現(xiàn)了一對多的通信。本文設計的沙盤系統(tǒng)可以對城市道路交通的車流量進行模擬，根據(jù)實際的城市道路實現(xiàn)模擬沙盤仿真，對城市道路的承載能力進行了模擬。
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