摘  要: 為了解決高速公路出口存在的車輛駛出高速收費口耗時長、高速出口擁堵的問題，采用STC單片機STC11F32XE作為主要控制芯片，設計了一套高速公路快速放行提示系統(tǒng)。該系統(tǒng)由上位機、下位機和倒計時控制器3部分組成。其中，上位機通過地感線圈和車輛檢測器獲取車輛位置信息，控制語音模塊給出語音提示，并由串口下發(fā)控制命令給下位機；下位機接收到控制命令后控制室外顯示屏顯示相應信息，同時與倒計時控制器通過并行通信方式控制倒計時屏計時。實際運行結果表明，本系統(tǒng)能達到提高高速公路放行速度的要求。該系統(tǒng)已在山西運城高速各路口安裝使用。
關鍵詞: 高速公路； 單片機； 提示系統(tǒng)； 通信協(xié)議

    高速公路的快速發(fā)展大大縮短了省際之間的時空距離，加快了區(qū)域間人員、商品、技術、信息的交流，有效降低了生產(chǎn)運輸成本。同時,高速公路的速度和便利也已經(jīng)走進了平常百姓的生活，正在改變著人們的時空觀念和生活方式。但由于出口的限制，經(jīng)常會在高速出口出現(xiàn)擁堵的現(xiàn)象[1]。其內在原因主要在兩個方面，一是收費人員與駕駛員之間的交易時間過長，二是駕駛員沒能事先準備好費用以及沒有快速通過收費站的意識[2]。
    為了解決上述問題，設計了一套高速公路快速放行提示系統(tǒng)。該系統(tǒng)由傳感器模塊、上位機模塊、下位機模塊、語音模塊和顯示模塊組成。地感線圈將采集到的車輛位置通過車輛檢測器報告給上位機，上位機控制語音模塊發(fā)出相應語音，同時將控制命令通過串口發(fā)送給下位機，下位機接收到控制命令后，控制顯示模塊顯示相應信息，并通過并行通信方式控制倒計時控制器倒計時通行時間。
1 系統(tǒng)結構及安裝
1.1系統(tǒng)結構
    高速公路快速放行提示系統(tǒng)按功能分為6個模塊，系統(tǒng)結構如圖1所示。第1模塊是采集模塊，由3個地感線圈和1個紅外對射探測器組成。1#地感線圈用于判斷車輛駛入；紅外對射探測器用以判斷車輛的類型；2#地感線圈用以確定倒計時的開始時間；3#地感線圈用以判斷車輛是否駛出收費站。第2模塊是上位機模塊，該模塊采集地感線圈和紅外對射探測器的信息，并通過車輛檢測器將線圈信號轉換為電平信號，控制語音模塊并發(fā)送串口命令。第3模塊是下位機模塊，用以接收上位機通過串口發(fā)送的命令，同時控制顯示模塊。第4模塊是語音模塊,與上位機集成在一起，控制音響發(fā)出語音信號。第5模塊是倒計時控制器模塊，與下位機模塊集成在一起，通過并行通信控制顯示模塊倒計時。第6模塊是顯示模塊，安裝在顯示屏背部，用以控制室外顯示屏的顯示信息。

    室外顯示屏安裝在車道的安全島上，下位機與倒計時控制器集成在一起安裝在顯示屏背面，通過顯示接口與顯示屏相連接。1#地感線圈埋在距收費亭15 m左右，用以判斷車輛是否駛入收費站；2#地感線圈埋在收費亭處，用以倒計時的開始判斷；3#地感線圈埋在收費站出口處，用以判斷車輛是否駛離收費站。
2 系統(tǒng)硬件設計
2.1上位機系統(tǒng)硬件
    上位機系統(tǒng)硬件設計如圖3所示。1#地感線圈與車輛檢測器1相連，用以感知車輛是否駛入收費站，并把感知到的信號送給車輛檢測器1，車輛檢測器1將采集到的模擬信號轉變?yōu)殡娖叫盘杺魉徒o主控制器；2#地感線圈與車輛檢測器2相連，用以感知車輛交費是否開始,并將感知到的信號送車輛檢測器2，車輛檢測器2將電平信號傳送給主控制器；3#地感線圈用以感知車輛是否交費完成并駛離收費站，將感知到的信號送給車輛檢測器3，車輛檢測器3將電平信號傳送給主控制器。電源模塊設計時，由于語音模塊采用12 V電源，而單片機采用5 V電源，因此采用12 V電源直接供電給語音模塊，并將12 V電源通過三端穩(wěn)壓器7805給主控制器供電。為了保證ROM和RAM的容量，采用了STC系列單片機STC11F32XE[3]作為主控制器芯片，接收車輛檢測器信號，并控制語音模塊和進行串口通信。語音模塊采用專用語音系統(tǒng)，事先將語音信號通過語音錄制軟件錄入，主控制器通過I/O端口控制播放相應語音。串口通信模塊采用RS232[4]實現(xiàn)與下位機的通信，用于控制室外顯示屏信息。室內顯示器安裝在收費亭內，用于收費員觀察倒計時時間。

2.2 系統(tǒng)下位機硬件設計
    系統(tǒng)下位機硬件設計如圖4所示。為了設計方便將下位機與倒計時控制器集成在一起，并且下位機主控制器和倒計時控制器均采用STC單片機STC11F32XE作為控制芯片。上位機通過串口按照通信協(xié)議發(fā)送通信命令，下位機主控制器接收到命令后, 將預先存儲在EEPROM中的顯示信息通過顯示接口1和顯示接口2傳送給室外顯示屏；同時，倒計時控制器通過并行通信方式控制倒計時控制器倒計時，并通過顯示接口3控制室外顯示屏同時顯示倒計時時間。

3 通信協(xié)議設計
    上位機與下位機主控制器之間的通信是本設計中的關鍵點之一，為了實現(xiàn)上位機與下位機的可靠通信，設計了通信協(xié)議。通信協(xié)議格式[5-6]和內容如表1所示。

    在1#地感線圈觸發(fā)時，上位機發(fā)送命令1，下位機主控制器通過串口接收到命令并校驗正確后，控制室外顯示屏顯示相應信息。在2#地感線圈觸發(fā)時，根據(jù)紅外對射探測器判斷車輛類型，如果是大型車，則上位機發(fā)送命令2，下位機主控制器通過串口接收到命令并校驗正確后，控制室外顯示屏顯示相應信息和45 s倒計時；如果是小型車，則上位機發(fā)送命令3，下位機主控制器通過串口接收到命令并校驗正確后，控制室外顯示屏顯示相應信息和30 s倒計時。在3#地感線圈觸發(fā)時，上位機發(fā)送命令4，下位機主控制器通過串口接收到命令并校驗正確后，控制室外顯示屏顯示相應信息。在收費站長時間沒有車輛通過(一般設置為5 min)，即1#地感線圈長時間不觸發(fā)時，上位機發(fā)送命令5顯示待機信息，同時控制器處于待機狀態(tài)。在需要清除顯示屏信息時，上位機發(fā)送命令6，下位機主控制器通過串口接收到命令并校驗正確后，清除室外顯示屏。為了保證上位機與下位機之間通信可靠，選擇應答方式，在下位機收到命令后，返回命令7，若上位機未接收到返回命令，則從新發(fā)送。
    下位機中主控制器與倒計時控制器之間采用并行通信的方式，主要目的是通過倒計時控制器來控制倒計時顯示。并行通信的方式是直接將下位機主控制器與倒計時控制器的4個I/O口相連，為了保證通信的可靠性，采用了應答的方式。由下位機主控制器3個I/O口發(fā)送信號，接收到信號后，通過第4 I/O口應答。
4 系統(tǒng)軟件設計
    上位機程序設計流程圖如圖5所示。初始化串口和定時器，判斷1#地感線圈是否觸發(fā)，如果觸發(fā)則發(fā)送串口命令1同時開啟定時器，當定時時間到，則發(fā)送串口命令5(或6)顯示待機信息(或清屏)；判斷紅外對射探測器信號以確定車輛的類型，同時判斷2#地感線圈是否觸發(fā)，若觸發(fā)則發(fā)送串口命令2(或3);判斷3#地感線圈是否觸發(fā),若觸發(fā)則發(fā)送串口命令4。

    下位機程序設計流程圖如圖6所示。下位機通過串口中斷接收到上位機發(fā)送的命令后，根據(jù)不同的命令顯示相應信息。例如，當接收到串口命令1時，下位機控制其I/O端口顯示1#地感線圈的信息。若接收到其他串口命令時，程序流程與上述流程相同。

    本系統(tǒng)采用3片STC單片機STC11F32XE作為主控制器設計了一套快速放行提示系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有自動識別客/貨車類型、車輛駛入收費站提醒、車輛駛入和駛出時實現(xiàn)問候和告別、記錄車輛的通過時間、實現(xiàn)車輛流量統(tǒng)計、采用倒計時的方式提醒司機快速通過車道等特點。
    本系統(tǒng)已在山西運城高速各路口安裝使用，經(jīng)過近半年來的實際測試和運行，系統(tǒng)工作可靠，對司乘人員與收費人員的密切配合和適時溝通起到了一定的積極作用，減輕了收費人員的工作量，特別是對夜間突然到訪車輛實現(xiàn)提前提醒，有效提升了通行速度，提高了服務水平，增加了司乘人員對收費人員的滿意度。
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