一种公交优先控制器

1.一种公交优先控制器，采用模块化设计制造，其特征在于包括：
信号处理模块，用于完成路口公交车数据信息、定配时方案的接收存储，对数据进行公交优先算法运算处理和比对，发出信号灯相位控制指令功能；
触发和微控输出模块，用于根据信号处理模块的处理结果，控制继电器的通断时间和驱动继电器对外部信号控制机发出控制指令，控制路口信号灯相位运行时间，完成信号灯的相位切换；
接口模块，用于完成与外部的超高频RFID读写器的数据通信和与外部PC机进行数据交换，同时向信号处理模块传输被读写器接收并解调解码的车载电子标签信息；
显示模块，用于实时显示外部信号控制机当前的运行相位、相位运行时间、剩余时间、相位优先时间和在各相位等候的公交车数量信息；
电源模块，用于将外部DC12V的供电电源转换为DC5V、DC3.3V电源向控制器的各模块供电；
相位指示模块，用于当前外部信号控制机相位运行状态指示；
信号处理模块分别与触发和微控输出模块、相位指示模块、接口模块、显示模块连接，触发和微控输出模块与外部信号控制机连接，接口模块与外部的超高频RFID读写器连接；
所述信号处理模块由ARM7处理器和C51处理器组成，其中
ARM7处理器用于预先采集存储公交车载电子标签信息、路口相位信息，对路口公交车数进行识别统计和公交优先相位运算，以及
通过所述接口模块循环向路口各读写器发送寻址信息，同时接收路口各读写器传来的应答信息和解码的车载电子标签信息，其特征在于：
ARM7处理器接收到由路口各读写器解码的车载电子标签信息后与存储于FLASH中的标签信息进行逐条比较，给出公交优先相位信息，如果是无效卡或数据库中不存在此卡，则不给出优先相位信息，给出的公交优先相位信息通过另一串口传输至所述C51处理器；
所述C51处理器采用P89V51RD2芯片，用于处理ARM7处理器传来的公交优先相位信息，并与相关模块进行信息交换；
C51处理器根据所接收的公交优先相位信息，路口当前相位状态和C51处理器FLASH中存储的定配时方案进行公交优先算法运算；以及
根据公交优先算法运算结果，发出相位触发信号，控制所述触发和微控输出模块各相位继电器的通断时间，进而调整各相位红绿灯运行时间，且红绿灯运行时间由C51处理器的定时器计算得出。
2.根据权利要求1所述的公交优先控制器，其特征在于：所述触发和微控输出模块由继电器及相位切换驱动电路组成，用于执行信号处理模块的处理结果和控制指令，控制继电器的通断时间，驱动继电器对外部信号控制机发出控制指令，以此控制路口信号灯相位运行时间，完成信号灯的相位切换；
其中
相位切换驱动电路使用PNP三极管与C51处理器I/O口连接，采用灌电流模式；继电器使用驱动电流小，具有隔离功能的无触点电子开关的固态继电器，用以实现公交优先控制器控制端与外部信号控制机负载端的隔离。
3.根据权利要求1所述的公交优先控制器，其特征在于：所述接口模块由RS485接口芯片、RS232接口芯片和RS485接口防雷电路及接口选择组成；其中
RS485接口芯片用于与外部的超高频RFID读写器进行数据通信，芯片采用具有瞬变电压抑制功能的差分收发器SN75LBC184，内置有高能量瞬变噪声保护装置，用以提高抗数据同步传输电缆上的瞬变噪声的可靠性；
RS232接口芯片使用SP3232EB系列RS-232收发器，用于与外部PC机进行数据交换和对公交优先控制器先进行参数设置，该芯片电荷泵电源使用0.1µF电容器在3.3V电压下操作，具有低功耗关断模式下器件的驱动器输出和电荷泵被禁止功能。
4.根据权利要求3所述的公交优先控制器，其特征在于：所述RS485接口防雷电路采用初级和次级两级防雷电路结构，且带有PTC自恢复保险的限流保护电路；其中初级防雷电路由四个TED-485防雷管构成，分别提供线线间和线地间的防雷击过压保护；
次级防雷电路由两个瞬态TVS管组成，用于承受10/1000μs波脉冲功率600W的击穿电压，该电路用于吸收电路中感应出的尖峰电压，将电压箝位在安全范围内。

一种公交优先控制器\n技术领域\n[0001] 本发明涉及城市道路交通控制系统中用于控制道路信号的控制机，特别是一种用于城市交叉路口的公交优先控制器。\n背景技术\n[0002] 随着中国城镇机动车保有量的迅速增加，中国城市道路的交通拥堵情况也日趋严重，这种状况不仅给很多城市居民的出行带来诸多不便和困难，也对城市的发展带来瓶颈制约，目前已成为许多城市有待解决的重要问题，为避开或解决城市道路拥堵状况所带来的问题，很多地方提出“公交优先”的建议，即在城市发展和规划中,把公共交通建设和提高客运效率放在优先位置上给予考虑,让公共交通在拥堵的城市道路中能独畅其行。另一方面从我国人口密集、用地紧缺和生态环境保护的国情出发，优先发展高效的公共交通也是我国城市交通的主要发展方向，是解决城市交通问题的根本策略。\n[0003] “公交优先”包括两个方面，即对公共交通在通行“空间”和“时间”上给予优先。所谓“空间优先”是通过设立公交专用车道和线路来实现；所谓“时间优先”则体现在为公交车提供优先通行的控制信号。\n[0004] 目前的城市快速公交系统（BRT），是提高城市公共交通水平，解决城市道路拥堵的一种新的公交方式，它利用现代化公交技术配合智能交通和运营管理，开辟公交专用道路和建造新的公交车站，以轨道交通的运营服务方式，达到轻轨服务水准的一种城市客运系统，这种公共交通属“空间优先”模式，但该模式需要开辟公交专用车道和线路，它的投资和运营成本较高，在中小城市不容易实现，并且在城市普通道路上也不适于开辟这种公交优先专用通道；此外，在我国一些大城市的部分主干道路开辟有公交专用车道，它在缓解交通拥堵，提高公交运行效率方面确实取得一定效果，但是对于整个城市的公交系统而言效果仍不是十分理想，究其原因除了缺乏系统有效的公交专用通道规划及投资很大外，最主要的问题是在众多的普通交叉路口公交车辆仍无法优先通行，公交车辆在交叉路口的等待时间有时远大于路段延误时间，并在公交车整个运行时间中占了较大比重，因此在城市交叉路口不能实现公交优先，就很难实现真正意义的公交优先。\n[0005] 此外，在个别城市也曾试图利用GPS跟踪定位技术来解决城市公交车的公交优先技术问题，该方式把GPS技术与道路交叉口的信号控制机配合，在公交车到达交叉路口时，通过公交车、GPS卫星、红绿灯信号控制机间的信息交流处理，控制红绿灯的转变以部分实现公交优先，这是一种“时间优先”模式。\n[0006] GPS卫星定位技术虽然可用于跟踪定位车辆，但却存在GPS车载设备价格较贵，信号不稳定等问题，而交通系统如过于依赖GPS技术，一旦GPS瘫痪，则系统难以恢复到传统的管理方式，这必将给国民经济造成大的损失和负面影响，而GPS最主要问题是目前国内商用GPS系统的卫星信号源为国外控制，我国自主的高性能的GPS系统实现尚待时日，GPS在应用上必须结合GIS地理信息系统，在开发上不但增加了应用的成本，如果更新不及时，也会大大影响系统的准确性，此外GPS技术并不适合当车辆到达交叉路口时自动触发的应用，此技术缺陷限制了GPS在城市道路公交优先上的应用，且这一技术系统结构复杂，目前仅处于探索阶段。\n[0007] 由上可知，对很多城市而言，以“空间优先”来解决城市“公交优先”的技术问题，困难很大，且不容易实现；而GPS车辆跟踪定位技术受技术本身局限性限制，并不能技术上根本解决在城市道路实行公交优先的系统性技术问题，且该技术方案未形成可应用的成熟技术，因此如何在城市众多的公交车线路交叉口上采用以“时间优先”模式为主的公交优先技术方案，是很多城市需要解决的技术问题。\n发明内容\n[0008] 本发明是为解决上述技术问题而提出的一种公交优先控制器，这种控制器可在现有城市道路交通信号控制系统的工作基础上，与信号控制机匹配，实现公交车在城市道路中优先通行交叉口，减少公交车通过城市路口的运行时间，提高公交车的运行速度和效率。\n[0009] 为实现上述目的，本发明提供的公交优先控制器采用模块化设计制造，它包括信号处理模块、触发和微控输出模块、接口模块、显示模块、电源模块和相位指示模块，其中[0010] 信号处理模块，用于完成路口公交车数据信息、定配时方案的接收存储和对数据进行公交优先算法运算处理和比对、发出信号灯相位控制指令等功能；\n[0011] 触发和微控输出模块，用于根据信号处理模块的处理结果，控制继电器的通断时间和驱动继电器对路口信号控制机发出控制指令，控制路口信号灯相位运行时间，完成信号灯的相位切换；\n[0012] 接口模块，用于完成与外部RFID读写器的数据通信和与外部PC机进行数据交换，同时向信号处理模块传输被读写器接收并解调解码的车载电子标签信息；\n[0013] 显示模块，用于实时显示外部信号控制机当前的运行相位、相位运行时间、剩余时间、相位优先时间和在各相位等候的公交车数量等信息；\n[0014] 电源模块，用于将外部DC12V的供电电源转换为DC5V、DC3.3V电源向控制器的各个模块供电；\n[0015] 相位指示模块，用于当前外部信号灯相位运行状态指示；\n[0016] 信号处理模块分别与触发和微控输出模块、相位指示模块、接口模块、显示模块连接，触发和微控输出模块与信号控制机连接，接口模块与外部的超高频RFID读写器连接。\n[0017] 使用本发明的交通信号控制系统是利用RFID射频信号，在公交车辆和交通信号灯控制系统间进行非接触式双向信息通讯，通过信息识别和处理，使交通信号控制机发出公交优先信号灯相位，这一过程中\n[0018] 由交通信号控制系统中的超高频RFID读写器通过收发天线向远距离移动中的公交车车载电子标签发射读取信号，对公交车进行自动识别和非接触性信息采集；\n[0019] 读写器的收发天线接收到从车载电子标签发送来的载波信号，经天线调节器传送回读写器，由读写器对接收到的信号进行解调解码，解码后的标签信息被传送到本发明的公交优先控制器进行信息处理；\n[0020] 由公交优先控制器中的信号处理模块实时处理路口各方向的公交车辆标签信息，同时进行公交优先算法运算和通行条件判断，给出是否给予公交优先通行权力的信息；\n[0021] 公交优先控制器同时根据运算结果和预先存储的定配时方案比对，得出公交优先信号相位数据，并对路口信号控制机发出相位控制指令，由信号控制机控制信号灯相位和调整相位运行时间，从而以“时间优先”方式在城市道路交叉口实现公交优先的目的。\n[0022] 在执行信号控制机的各定配时方案中，如执行公交优先模式，则信号控制机设置在全感应模式下，公交优先控制器的控制指令通过干接点输入至信号控制机，并与信号控制机实现同步，信号控制机在运行一个相序后就与公交优先控制器同步，此时信号控制机完全按照公交优先控制器的定配时模式工作，信号控制机只进行信号灯的驱动，公交优先控制器基本取代信号控制机的配时功能，信号灯各相位的运行时间和调整均通过控制器进行控制实施；当路口处于常规状态，不需要执行公交优先模式时，信号控制机则运行基本定配时模式，公交优先控制器不参与其工作过程，且相序循环状态不改变。\n[0023] 本发明所提供的公交优先控制器，可有效解决现有城市道路交叉口的信号控制系统难以实行公交优先模式的技术问题，实现城市公共交通在“时间”上的优先，由于本发明采用模块化设计制造，可与现有交叉口信号控制系统设备和上端控制软件实现整体融合，因此在城市道路交通信号控制系统使用具有建设成本低，见效快，技术方案容易实现，运行过程智能化，不需要大力改造现有交通信号控制系统的特点，因此在城市道路交通系统中具有广阔的应用前景和推广价值。\n附图说明\n[0024] 图1是本发明的公交优先控制器在交通信号控制系统中的关连示意图。\n[0025] 图2 是本发明的公交优先控制器一实施方式结构示意图。\n[0026] 图3 是图2中接口模块防雷电路的结构示意图。\n[0027] 图4 是本发明的公交优先控制器在公交优先信号控制系统的工作流程示意图。\n具体实施方式\n[0028] 下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明\n[0029] 在图1所示本发明公交优先控制器在交通信号控制系统应用的示意图中。公交优先控制器101用数据传输接口分别与系统的超高频RFID读写器102和路口信号控制机104连接，读写器102又与交通信号控制系统的天线103连接，车载电子标签105被安装在公交车上，信号控制机104则直接控制红绿灯的相位运行时间。\n[0030] 工作中，由安装在路口各方向的超高频RFID读写器102通过天线103发送一定频率的射频信号，当公交车载电子标签105进入天线103工作区域时将该公交车ID信息通过车载电子标签105内置天线发送出去；天线103接收到从车载电子标签105发送来的载波信号，经它的天线调节器传送到读写器102，读写器102对接收到的信号进行解调和解码，然后传送到公交优先控制器101进行相关的信息处理，公交优先控制器101根据公交优先算法逻辑运算判断该标签的车辆相位信息，针对公交车在路口的不同情况做出公交优先的处理和控制，并发出指令信号控制路口信号控制机104动作，使之调整各相位红绿灯运行时间。\n[0031] 参照图2所示本发明的公交优先控制器一实施方式的结构示意图，控制器按模块化设计制作，它由信号处理模块201、触发和微控输出模块202、接口模块203、显示模块\n204、电源模块205和相位指示模块206组成。\n[0032] 信号处理模块201为嵌入式核心模块，它由ARM7处理器2011和C51处理器2012组成，两处理器独立运算，互不干扰，信号处理模块201用于完成公交车数据信息的接收存储、对数据信息进行公交优先运算处理和比对，发出控制指令信号等工作。\n[0033] ARM7处理器2011为RISC 架构的微处理芯片，芯片工作在32位模式，128位宽度的存储器接口，其独有的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下稳定运行，[0034] 在本发明中，ARM7处理器2011用于车载电子标签信息的采集、预先存储车载电子标签信息、路口相位信息，对路口公交车数进行识别统计和公交优先相位运算等。\n[0035] 各路口相位信息、公交车载电子标签信息预先通过设置软件写入ARM7处理器\n2011的FLASH数据库中，相位信息与标签信息、读写器地址信息实行绑定，数据写入通过接口模块203中的RS232接口与PC通信，RS232接口与RS485接口共用ARM7处理器2011的一个串口，通过选择开关进行选择 。\n[0036] ARM7处理器2011通过接口模块203的RS485接口循环向路口各读写器发送寻址信息，同时接收路口各读写器传来的应答信息和解码的车载电子标签信息，它与路口各读写器通信时采用主从通信模式。\n[0037] ARM7处理器2011接收到由路口各读写器解码的车载电子标签信息后与存于FLASH中的标签信息进行逐条比较，最后给出公交优先相位信息，如果是无效卡或数据库中不存在此卡，则不给出优先相位信息，给出的公交优先相位信息通过另一串口传输至C51处理器2012。\n[0038] 在信号处理模块中，RAM7处理器2011与C51处理器2012的数据通信采用中断方式的串口通信模式，用以保证信息传输的实时性。\n[0039] C51处理器2012采用P89V51RD2芯片，芯片基于80C51内核，该处理器用于处理ARM7处理器传送来的公交优先相位信息，并与相关模块进行信息交换；\n[0040] C51处理器2012根据所接收的公交优先相位信息，路口当前相位状态和C51处理器FLASH中存储的定配时方案进行公交优先算法运算；并且\n[0041] 根据公交优先算法运算结果，发出相位触发信号，控制触发和微控输出模块各相位继电器的通断时间，进而调整各相位红绿灯运行时间，且红绿灯运行时间由C51处理器的定时器计算得出。\n[0042] C51处理器2012进行公交优先算法运算时需要有关路口各种定配时的数据信息，它包括相位配置数量、过渡时间设置，各个相位的绿灯时间设置（包括正常通行时间、最小通行时间、最大通行时间、公交优先扩展时间）等，这些信息都预先写入C51处理器的FLASH中，数据写入由PC的设置软件进行。\n[0043] 各种定配时方案的数据写入使用接口模块203中的RS232接口与PC通信，RS232接口通过电平转换连接到ARM7处理器2011的串口，写入的数据先缓存于ARM7处理器2011中，再通过程序命令转发到C51处理器2012。\n[0044] 触发和微控输出模块202主要由继电器及相位切换驱动电路组成。\n[0045] 触发和微控输出模块202用于执行信号处理模块201的处理结果和控制指令，控制继电器的通断时间，驱动继电器对路口信号控制机发出控制指令，以此控制路口信号灯相位运行时间，完成信号灯的相位切换。\n[0046] 其中相位切换驱动电路使用PNP三极管与C51处理器2012的I/O口连接，采用灌电流模式，以解决C51处理器I/O口驱动电流较小的情况；继电器采用驱动电流小，具有隔离功能的无触点电子开关的固态继电器，用以实现公交优先控制器控制端与信号控制机负载端的隔离。\n[0047] 本发明的公交优先控制器的触发和微控输出模块202有触发输出模式和微控输出模式两种公交优先输出方案，分别对应于结合信号控制机的优先方案和可选择自主的优先方案。\n[0048] 选择自主的优先方案时，触发和微控输出模块选择为微控输出模式，此时公交优先控制器基本取代信号控制机的配时功能，各相位的运行时间调整，通过信号处理模块进行公交优先算法运算实现，信号控制机只进行信号灯的驱动。要实行公交优先的，就按照算法结果进行调整相位运行时间，常规状态下不需要优先的，则运行基本配时模式，而相序循环状态不因此改变。\n[0049] 选择结合信号控制机的优先方案时，触发和微控输模块则采用触发输出模式，公交优先控制器只根据检测到的公交车数，统计出每个相位到达路口的公交车数量，并只输出路口各相位的公交车辆信息，公交优先相位由信号控制机进行计算优化和调整相位运行时间。\n[0050] 接口模块203主要由RS485接口芯片、RS232接口芯片和接口防雷电路2031及接口选择等组成，该模块用于完成与路口读写器的数据通信和与外部PC机进行数据交换，同时向信号处理模块201传输被读写器102解调和解码的车载电子标签信息。\n[0051] RS485接口芯片用于与外部超高频RFID读写器进行数据通讯，采用具有瞬变电压抑制功能的差分收发器SN75LBC184，芯片内置有高能量瞬变噪声保护装置，可用以提高抗数据同步传输电缆上的瞬变噪声的可靠性，该接口芯片为与读写器连接提供了可靠的低成本直连数据线接口。\n[0052] RS232接口芯片使用SP3232EB系列RS-232收发器件，用于与外部PC机进行数据交换，该芯片电荷泵电源只需要0.1µF电容器在3.3V电压下操作，这种电荷泵具有低功耗关断模式下器件的驱动器输出和电荷泵被禁止功能。\n[0053] RS232接口还用于对公交优先信号控制机预先进行参数设置，参数设置主要包括路口相位配置信息和车载电子标签配置信息，其中路口相位配置信息还包括：相位配置数量、过渡时间的设置，各个相位的绿灯时间设置（包括正常通行时间、最小通行时间、最大通行时间、公交优先扩展时间），读卡器相位配置等，车载电子标签配置信息包括标签ID号、标签对应的相位、公交线路、公交车牌等，标签可单张或批量写入信号处理模块的数据库。\n[0054] 由于公交优先控制器与超高频RFID读写器之间通信采用RS485接口，并且RS-485接口的网络拓扑采用终端匹配的总线型结构，该结构用一条总线将各个节点串接起来，处于室外的超高频RFID读写器在雷雨季节由雷电引发的瞬变干扰往往可导致传输线上的多个RS-485收发器件损坏，因此接口模块的防雷设计尤为重要。为此\n[0055] 本发明在接口模块203的RS-485接口设有防雷电路2031，该电路采用初级和次级两级防雷电路结构，且带有由PTC自恢复保险构成的限流保护电路，可实现对RS-485接口的整体防雷击和过压保护。\n[0056] 在图3所示的接口模块防雷电路结构图中，初级防雷电路301由3011、3012、3013、\n3014四个TED-485防雷管构成，分别提供线线间和线地间的防雷击过压保护，TED-485防雷管具有反应速度快，寄生电容小（小于1pF）,耐浪涌能力强（大于300A@10/700us）的特性。\nTED-485防雷管的快速反应特性使雷击过电压被迅速泄放，而浪涌吸收能量大的特性可以保证泄放过程中防雷管自身不被损坏，泄放过程中产生的瞬态大电流会在电路中感应出一个尖峰电压，在数十伏到数百伏之间，脉宽在数十纳秒到数百纳秒之间，由于脉宽窄，该尖峰电压的能量并不大；\n[0057] 次级防雷电路303由两个瞬态TVS管3031、3032组成，它可以承受10/1000μs波脉冲功率600W的击穿电压，该电路的作用是吸收上述电路中感应出的尖峰电压，将电压可靠地箝位在安全范围内，对电路元件进行快速过电压保护。在初级防雷电路301和次级防雷电路303中设置带有防雷限流保护电路302，用以实现对电路的隔离。\n[0058] 对该电路用10/700us,4KV电压进行雷击模拟测试，雷击模拟信号经过保护电路后电压增量为8V，该电压限制在-7V到+12V的安全范围，实验证明该电路在防雷击的过程中形成了对RS485接口的整体防护。\n[0059] 显示模块204使用带触摸功能的中文液晶显示模块，该模块具备上、下、左、右整屏移动显示及整屏屏幕清除、光标显示、反白等操作功能。\n[0060] 显示模块用于实时显示当前信号控制机运行相位、相位运行时间、剩余时间、相位优先时间及在各相位等候的公交车数量等信息。\n[0061] 电源模块205使用DC12V，电流小于500mA的电源，电源经电源模块变换为DC5V、DC3.3V向控制器各模块供电，电源模块205采用电感和电容组合滤波电路，模拟电源与数字电源实行隔离设置，能有效地降低噪声，避免电源干扰，其中DC3.3V电源模块选用输出电流大，输出电压的精度和稳定性高的LDO芯片，芯片还具有电流限制和热保护功能。\n[0062] 相位指示模块206用于当前信号控制机相位运行状态指示，它由发光二极管和相位指示驱动电路构成，其中用于微控输出模式有4路相位状态指示，用于触发输出模式的有4路相位状态指示，相位指示模块206与C51处理器2012用I/O接口连接，由发光二极管指示C51处理器2012进行公交优先算法运算得出的公交优先相位信号。\n[0063] 按照图2所示本发明的公交优先控制器一实施方式结构图，相位指示模块206的相位状态指示与触发和微控输出模块202输出到信号控制机104的信号灯相位状态是一致的，即当触发和微控输出为相位1时，相位指示模块第1路二极管点亮，当触发和微控输出相位切换到相位2时，则相位指示模块第1路二极管熄灭，第2路二极管点亮，并依此循环运行。\n[0064] 图4所示为本发明的公交优先控制器在公交优先信号控制系统的工作流程，当公交车辆到达路口S401时，公交优先控制器判断本相位是否为绿灯时间段S402，如果为绿灯时间，则依照优先算法计算车辆能否通过路口S403，如果能通过路口，则公交优先控制器不做任何处理S404而结束操作S4011，如果不能通过路口，则按照优先算法计算给予延长绿灯时间S405，并控制信号灯相位，让公交车能顺利通过，如果经判断要延长到最大扩展时间S4010，则绿灯执行最大通行时间S4012，否则绿灯是处于公交车能顺利通过的时间，公交优先控制器不作优先操作而结束S4011；\n[0065] 如果路口为红灯等待时间段S406，公交优先控制器将查询绿灯所在相位的剩余时间S407，并比对配时方案的时间是否充裕S408，如果时间较长，大于控制器存储的定配时方案设置时间，则控制器按照优先算法给出该相位的减少时间，并发出相位控制指令减少绿灯时间S4013，同时判断下一个相位是否是本相位S4014，如果是本相位，则公交车可顺利通过，控制器的操控结束S4011；否则控制器按配时方案减少该相位绿灯执行时间S4015，并执行最小通行时间，直到本相位为止；如果绿灯所在相位的剩余时间不长，小于预设时间，则控制器不操作此相位绿灯时间S409，直接判断下一相位，直到本相位结束S4011为止。