技术创新
中文核心期刊《微计算机信息》（嵌入式与ＳＯＣ）２００７年第２３卷第１０－２期单片机开发与应用 １引言
随着经济发展，汽车数量急剧增加，城市道路日渐拥挤，交
通拥塞已成为一个国际性的问题。因此，设计可靠、安全、便捷
的多功能交通灯控制系统有极大的现实必要性。通常情况下， 交通信号灯控制主要有两个缺陷：１、车道放行车辆时，时间设定
相同且固定，十字路口经常出现主车道车辆多，放行时间短，车
流无法在规定时间内通过，而副车道车辆少，放行时间明显过
sim卡复制器
长；２、未考虑急车强通（譬如，消防车执行紧急任务时，两车道都
应等待消防车通过）。由于交通信号灯控制系统缺乏有效的应
急措施，导致十字路口交通受阻，造成不必要的经济损失。
本系统利用单片机ＡＴ８９Ｃ５１，借助ＣＡＮ总线作为现场通信 总线实现智能交通信号灯控制系统设计，实现了根据区域车流、
红外遥控以及ＰＣ机进行十字路口交通信号灯智能控制，并在
软、硬件方面采取一些改进措施，实现了根据十字路口车流、红
外遥控进行交通信号灯智能控制，使交通信号灯现场控制灵
活、有效。从一定程度上解决了交通路口堵塞、车辆停车等待时
间不合理、急车强通等问题。系统具有结构简单、可靠性高、成
本低、实时性好、安装维护方便等优点，有广泛的应用前景。
２设计方案与系统结构
本智能交通信号灯控制系统硬件主要由车流信息检测电
路、键盘时间设置电路、红外遥控发射／接收电路、单片机控制
器、ＣＡＮ总线控制器、ＣＡＮ总线收发器、光电隔离芯片、单片机
并行接口、看门狗电路等电路组成。本系统设置与上位ＰＣ机相
连的上位节点为主节点，各路口信号灯控制装置为底层节点，共放大器的放大
同构成区域交通信号灯控制系统。系统原理框图如图１所示。
图１系统原理框图
系统利用红外遥控装置实现各十字路口现场信号灯控制，
红外发射器发射出的编码信号经接收器接收后送入单片机控制
器，控制信号灯红绿变换、等待时间、急车强通。另外，车流检测
装置安放在各十字路口东西、南北道路方向实时检测车道车流
信息。并将检测到的信息输至单片机进行处理，通过单片机编
程技术实现信号灯绿、红切换及等待时间设定。此外，ＰＣ机通过
折流板除雾器
通讯串口与节点上的单片机控制器进行通信，实现数据信息在
ＣＡＮ总线上的发送与接收。ＰＣ机负责网络上所有信号灯控制
装置的集中管理功能；同时向各信号灯控制器下传工作模式控
制信息。
３系统设计
毛刷制作３．１红外遥控发射电路
由于系统需实现十字路口不同方向信号灯变化。假设两方基于单片机交通灯智能控制系统研究
ＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＴｒａｆｆｉｃＳｉｇｎａｌＬｉｇｈｔＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄＯｎＭｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ
（１．郑州航空工业管理学院；２．咸阳师范学院物理系应用电子技术教研室）温欣玲１张玉叶２
ＷＥＮＸＩＮＬＩＮＧＺＨＡＮＧＹＵＹＥ
玻璃夹胶机
摘要：介绍了一种基于单片机借助ＣＡＮ总线技术设计的分布式区域交通信号灯智能控制系统。系统采用ＡＴ８９Ｃ５１作为核心控制器，红外接收器接收来自发射器的红外信号，经解调后输入单片机进行处理，单片机与ＣＡＮ总线控制器构成ＣＡＮ总线通信系统进行数据传输，实现了根据车流信息、遥控、ＰＣ机控制的系统设计。文章详细介绍了系统总体方案及部分硬件设计方案。
关键词：交通信号；ＡＴ８９Ｃ５１；ＣＡＮ总线；智能控制
中图分类号：ＴＰ２１２文献识别码：Ａ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄａｒｅａｔｒａｆｆｉｃｓｉｇｎａｌｌｉｇｈｔｓｃｏｎｔｒｏｌｂａｓｅｄｏｎｓｉｎｇｌｅ－ｃｈｉｐｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｔｈｒｏｕｇｈＣＡＮＢＵＳｉｓｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．ＷｉｔｈｔｈｅｃｏｒｅｏｆＡＴ８９Ｃ５１，ｉｎｆｒａｒｅｄｒｅｃｅｉｖｅｒｒｅｃｅｉｖｅｓｔｈｅｉｎｆｒａｒｅｄｓｉｇｎａｌｃｏｍｉｎｇｆｒｏｍｌａｕｎｃｈｅｒ．Ｔｈｅｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌｉｓｔｒｅａｔｅｄｂｙｓｉｎｇｌｅ－ｃｈｉｐｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．Ｔｈｅｓｉｎｇｌｅ－ｃｈｉｐｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｃｏｎｔｒｏｌｓｔｈｅＣＡＮＢＵＳｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｔｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅＣＡＮＢＵＳｃｏｍ－ｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｔｏｔｒａｎｓｍｉｔｔｈｅｄａｔａ．Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｔｏｒｏｆｄｉｓｔｒｉｂｕ
ｔｅｄｔｒａｆｆｉｃｓｉｇｎａｌｌｉｇｈｔｓｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｂｙｔｈｒｅｅｃｏｎｔｒｏｌｓｔｙｌｅｓｏｆＶｅｈｉｃｌｅｆｌｕｘ，ｒｅｍｏｔｅａｎｄＰＣ．Ｔｈｅｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｏｔａｌｓｃｈｅｍｅａｎｄｈａｒｄｗａｒｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｉｎｄｅｔａｉｌ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｔｒａｆｆｉｃｓｉｇｎａｌ，ＡＴ８９Ｃ５１，ＣＡＮＢＵＳ，Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌ
文章编号：１００８－０５７０（２００７）１０－２－００９０－０２
温欣玲：讲师硕士
基金项目：河南省自然科学基金项目（２００７５１０２１）
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单片机开发与应用
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向为东西、南北方向。则需实现东西、南北两个方向信号灯的选定、时间增减、急车强通等功能。红外遥控发射电路原理框图如图２所示。
图２红外遥控发射原理框图
红外遥控发射器与外接陶瓷谐振器、电容器组成振荡电路，分频产生一定脉冲宽度的载频信号。输出编码信号，经达林顿管放大后，驱动红外线发射二极管向外发射。
３．２红外遥控接收电路
红外接收、解调模块接收来自发射器的红外信号，经内部集成电路放大、解调后，由输出端输出编码脉冲信号，经三极管反相放大后，送至接收器，由接收器解调模块进行译码。当发射器相应键按下时，接收器输出高电平信号，通过或非门接入单片机控制器的外中断，申请中断，由中断服务程序检测键按下状态，从而完成相应的中断服务。红外接收器与单片机控制器接口电路如图３所示。 图３红外接收原理框图
蒸汽吹灰器３．３ＣＡＮ总线节点接口电路
各路口交通信号灯控制器与上位机的通讯都通过各自的
ＣＡＮ总线接口模块完成。总线系统节点硬件电路原理框图如图４所示。
图４ＣＡＮ总线节点接口原理框图
单片机控制器负责ＣＡＮ总线控制器初始化，控制实现数据的接收和发送等通信任务。ＣＡＮ总线收发器与ＣＡＮ总线接口部分采用了一定的安全和抗干扰措施。为增强ＣＡＮ总线节点的抗干扰能力，ＣＡＮ控制器不直接与ＣＡＮ收发器相连，而是通过加接高速光电隔离器芯片，实现总线上各节点间的电气隔离。但是，光耦电路所采用的ＶＣＣ和ＶＤＤ电源必须完全隔离，否则采用光耦电路就失去了意义，可采用小功率电源隔离模块或不大于５Ｖ隔离输出开关电源模块实现。
３．４看门狗电路
由于单片机控制器自身抗干扰能力较差，尤其在一些条件比较恶劣、噪声大的场合，常会出现单片机因受外界干扰轻者导致系统内部数据出错，重者将严重影响程序的运行而死机，造成系统不能正常工作。设置看门狗是为了防止单片机死机、提高单片机系统抗干扰性的一种重要途径。考虑系统可靠性设计，满足苛刻环境下的正常运行，本设计中采用硬件看门狗电路。电路原理框图如图５所示。
图５看门狗原理框图
通过硬件看门狗电路设计，可有效防止运行程序进入“死循环”。保证系统不受恶劣天气及环境条件造
成的干扰。
３．５分布式检测控制系统
由于ＣＡＮ总线具有较强的抗干扰能力，通讯中没有地址的
概念及节点数不受限制等优点，已经被广泛应用于汽车、数控机床、仪器仪表、现场总线控制等领域。本设计将若干智能交通信号灯控制器、上位节点接口和ＰＣ机组成ＣＡＮ总线通信系统方便实现智能分布式区域信号灯实时监控、高速数据采集等。单片机控制器与ＰＣ机实现串行通信，设置ＣＡＮ总线控制器工作在Ｉｎｔｅｌ模式，由ＰＣ机发送数据写入单片机控制器，再通过控制信号由单片机将数据写入ＣＡＮ总线控制器并通过ＣＡＮ总线收发器发送。接收数据通过中断进行，ＣＡＮＢＵＳ数据经ＣＡＮ总线收发器接收并写入ＣＡＮ总线控制器。然后通过中断提请单片机读取数据上传ＰＣ机。
４实验分析
本系统单片机控制器选用ＭＳＣ－５１系列ＩｎｔｅｌＡＴ８９Ｃ５１芯片，红外遥控发射／接收器使用ＢＡ５１０４／ＢＡ５３０２设计。利用
ＭＡＸ６９２设计看门狗监控电路。总线通信接口中选取ＰＨＩＬＩＰＳ公司的ＳＪＡ１０００ＣＡ
Ｎ总线控制器及８２Ｃ２５０总线收发器。光耦合器采用６Ｎ１３７芯片。系统硬件电路利用ＰｒｏｔｅｌＤＸＰ设计并制板。
通过实验测试，按下红外遥控发射器按键Ｋ１－Ｋ６有效地控
制了东西、南北方向时间设定、急车强通，时间增、减。持续使
ＷＤＩ低电平时间＞１．６ｓ后，看门狗ＲＥＳＥＴ端产生２００ｍｓ负溢出脉冲信号使ＡＴ８９Ｃ５１复位，均有效地达到了系统设计要求。
为了提高系统通讯抗干扰性及可靠性，在总线收发器
８２Ｃ２５０的ＣＡＮＨ和ＣＡＮＬ引脚通过５Ω电阻与ＣＡＮ总线相
连，保护其免受过流冲击的影响；８２Ｃ２５０的ＣＡＮＨ和ＣＡＮＬ与地之间分别并联３０ｐＦ电容，滤除总线高频干扰并起到防电磁辐射的作用；总线两端接入１２０Ω终端电阻，匹配总线阻抗。此外，在ＣＡＮ总线输入端与地之间接防雷击管，当两输入端与地
之间出现瞬变干扰时，通过防雷击管放电起到保护总线的作用，避免了雷电天气对系统通讯的影响。这些部分虽然增加了节点的复杂度，但却有效保证了数据通信的稳定性和安全性。
５结语
交通信号灯智能控制系统为改善城市交通拥堵，提高道路的交通运输能力发挥了积极作。
（下转第４７页）
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嵌入式操作系统应用
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的嵌套中断就一直使用这个栈空间。在中断返回到第１次中断时，即ＯＳＩｎｔＮｅｓｔｉｎｇ为１时，中断服务程序再从中断嵌套栈切换回任务栈。这样就实现了中断任务的切换，减少了内存需求。
按上述设计，可设置中断嵌套栈ＯＳＩｎｔｅｒｒｕｐｔＳｔｋ，对中断服务程序做如下修改，这样就实现了中断嵌套栈和任务栈的双向切换。
（１）保存全部ＣＰＵ寄存器（２）直接将ＯＳＩｎｔＮｅｓｔｉｎｇ加１
增加：判断ＯＳＩｎｔＮｅｓｔｉｎｇ是否等于１，如果不是则转到（３）增加：将栈指针ＳＰ保存到ＯＳＴＣＢＣｕｒ－＞ＯＳＴＣＢＳｔｋＰｔｒ
增加：将ＳＰ指向ＯＳＩｎｔｅｒｒｕｐｔＳｔｋ的栈顶（注意栈增长的方向）（３）执行用户代码做中断服务（４）调用ＯＳＩｎｔＥｘｉｔ
增加：判断ＯＳＩｎｔＮｅｓｔｉｎｇ是否等于０，如果不是则转到（５）增加：从ＯＳＴＣＢＣｕｒ－＞ＯＳＴＣＢＳｔｋＰｔｒ中恢复栈指针ＳＰ（５）恢复所有ＣＰＵ寄存器（６）执行中断返回指令
５结束语
μＣ／ＯＳ＿Ⅱ中通过中断返回实现任务切换是其重要的工作
原理之一，利用Ｃ语言编程简捷方便，更容易被计算机程序设计者接受，通过中断能够增强系统的实时性，因此越来越受到实时嵌入式系统设计者的青睐，通过对任务调度机制和中断管理模式的分析以及任务栈的改进设计，可以使我们对μＣ／ＯＳ＿Ⅱ
的内核运行机制有更加清晰的认识。
本文作者创新点：本文通过对任务栈进行改进，把任务栈中空间不确定的中断嵌套时需要保存的上下文部分独立出来，单独设置一个中断嵌套栈ＯＳＩｎｔｅｒｒｕｐｔＳｔｋ，为所有任务中断嵌套时用，这样就节省了很多内存空间。
参考文献
［１］ＬａｂｒｏｓｓｅＪｅａｎＪ．嵌入式实时操作系统μＣ／ＯＳ＿ＩＩ．邵贝贝等译．第２版．
［２］沈胜庆．嵌入式操作系统的内核研究［Ｊ］微计算机信息，２００６，２：７２－７４．
［３］毛德操，胡希明．嵌入式系统［Ｍ］．杭州：浙江大学出版社，２００３．［４］任哲．嵌入式实时操作系统μＣ／ＯＳ＿ＩＩ原理及应用．北京：北京航空航天大学出版社，２００５．
作者简介：毛德梅（１９７７－），女（汉族），安徽六安人，上海理工大学计算机工程学院硕士研究生，主要研究方向：嵌入式系统技术；何建忠（１９５６－），男（汉簇），上海人，上海理工大学计算机工程学院副教授，主要研究方向：计算机控制和智能化仪器仪表；汪明珠（１９７５－），男（汉簇），安徽六安人，皖西学院机械与电子工程系助教，硕士，主要研究方向：自动控制及自动化。
Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：ＭａｏＤｅｍｅｉ（１９７７－），ｆｅｍａｌｅ，Ｈａｎ，Ｌｕ’ａｎｏｆＡｎｈｕｉＰｒｏｖｉｎｃｅ，ＣｏｍｐｕｔｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｌｌｅｇｅ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｈａｎｇｈａｉｆｏｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｍａｓｔｅｒ，Ｒｅｓｅａｒｃｈａｒｅａ：ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｔｈｅｅｍｂｅｄｄｅｄｓｙｓｔｅｍ；Ｈｅ，Ｊｉａｎｚｈｏｎｇ（１９５６－），ｍａｌｅ，Ｈａｎ，ｓｈａｎｇ－ｈａｉ，ＣｏｍｐｕｔｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｌｌｅｇｅ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｈａｎｇｈａｉｆｏｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｓｓｏｃｉａｔｅｐｒｏｆｅｓｓｏｒ，Ｒｅｓｅａｒｃｈａｒｅａ：ｃｏｍ－ｐｕｔｅｒｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｉｚｅｄａｐｐａｒａｔｕｓ；Ｗａｎｇ，Ｍｉｎｇｚｈｕ
（１９７５－），ｍａｌｅ，Ｈａｎ，Ｌｕ’
ａｎｏｆＡｎｈｕｉＰｒｏｖｉｎｃｅ，ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＷｅｓｔＡｎｈｕｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ａｓｓｉｓｔａｎｔ，ｍａｓｔｅｒ，Ｒｅｓｅａｒｃｈａｒｅａ：ａｕｔｏｃｏｎｔｒｏｌａｎｄａｕｔｏｍａｔｉｏｎ．（２０００９３上海上海理工大学计算机工程学院）毛德梅
何建忠
（２３７０１２安徽六安皖西学院计算机科学与技术系）毛德梅（２３７０１２安徽六安皖西学院机械与电子工程系）汪明珠
（ＣｏｍｐｕｔｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｌｌｅｇｅ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｈａｎｇｈａｉｆｏｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００９３，Ｃｈｉｎａ）ＭａｏＤｅＭｅｉＨｅＪｉａｎＺｈｏｎｇ
（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＷｅｓｔＡｎ－
ｈｕｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌｕ’
ａｎ，Ａｎｈｕｉ２３７０１２，Ｃｈｉｎａ）ＭａｏＤｅＭｅｉ（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＷｅｓｔＡｎｈｕｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌｕ’ａｎ，Ａｎｈｕｉ２３７０１２，Ｃｈｉｎａ）ＷａｎｇＭｉｎｇＺｈｕ
通讯地址：（２０００９３上海市军工路５１６号上海理工大学第八宿舍２２１寝室）毛德梅
（收稿日期：２００７．８．２３）（修稿日期：２００７．９．２５）
（上接第９１页）
本系统设计实现了十字路口信号灯自动化、智能化、人性化实时控制。通过系统功能扩展，系统亦可应用于其他控制领域，应用前景广阔。
本文创新点：
１、
本系统基于ＣＡＮ总线设计，各现场检测装置共同构成总线通信系统，方便实现多区域实时在线检测控制。同时，大大降低了系统材料、安装、维护等费用，减小布线复杂度；
２、
系统硬件看门狗电路有效防止程序运行死机，系统可靠性大大提高；另外，对ＣＡＮ总线通讯系统进行抗干扰设计，满足恶劣天气、环境（频闪、
雷电）等对系统的影响；３、
系统基于单片机技术，程序扩展能力强；另外，通过ＰＣ机方便实现控制方案上传下载。
项目经济效益：根据装置成本及市场价格定位，每套系统净利润＞１０万元。
参考文献
［１］胡光永．总线节点电路的设计与实现．［Ｊ］微计算机信息［Ｊ］．２００６，２２，１－２，１－２．．［２］ＳＪＡ１０００ＣＡＮＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．Ｐｒｏｄｕｃｔｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ．ＰｈｉｌｉｐｓＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ，２０００．
［３］ＰＣＡ８２Ｃ２５０ＣＡＮＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＩｎｔｅｒｆａｃｅ．ＰｒｏｄｕｃｔＳｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ．ＰｈｉｌｉｐｓＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ，２０００．
［４］饶运涛，邹继军，郑勇芸著．现场总线ＣＡＮ原理与应用技术［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社．２００３．６，１５４－１５５．
作者简介：温欣玲（１９７９￣），女（汉族），吉林通化人，郑州航院机电
工程系讲师，硕士，主要从事电子通讯与自动控制技术教学与科研工作。
Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：ＷｅｎＸｉｎ－Ｌｉｎｇ（１９７９￣），Ｆｅｍａｌｅ，Ｈｅｎａｎ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ，ＬｅｃｔｕｒｅｒｏｆｄｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＭａｃｈｉｎｅｒｙａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＺｈｅｎｇｚｈｏｕＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＭａｎａｇｅｍｅｎｔ，Ｍａｓｔｅｒ，Ｍａｉｎｌｙｅｎ
ｇａｇｅｄｉｎｔｅａｃｈｉｎｇａｎｄｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇｏｎｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎａｎｄａｕｔｏｍａｔｉｃｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．
（４５００１５河南郑州郑州航空工业管理学院机电工程系）温欣玲（７１２０００陕西咸阳咸阳师范学院物理系应用电子技术教研室）张玉叶
通讯地址：（４５００１５河南郑州郑州航空工业管理学院机电工程系）温欣玲
（收稿日期：２００７．９．２３）（修稿日期：２００７．１０．２５）
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