CN101226689A - 道路交通信息采集的多传感器接入装置及其数据融合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明道路交通信息采集的多传感器接入装置，包括数字信号处理器DSP、复杂可编程逻辑器件CPLD、信号调理与变换电路、CAN通讯控制器和网络通讯控制器。道路交通信息采集的传感器信号通过电流电压变换电路、电压频率变换电路、电平变换电路接入CPLD。CPLD扩展了DSP信号接入数量，并具有信号处理功能。本发明还提供了多传感器数据融合处理的方法。本发明优点是：通过CAN通讯控制器实现现场总线级通讯，通过网络通讯控制器实现与交管中心计算机的大容量数据通讯，可接入现有道路交通信息采集所用传感器，简化了传感器布线和网络传输要求，达到了交通信息检测装置构成一体化和大范区检测的效果。
Description
技术领域
本发明涉及网络技术应用，特别涉及一种道路交通信息采集的多传感器接入装置及其数据融合方法。
背景技术
目前我国大中城市道路交通系统已部署了大量的交通信息传感器，如线圈、视频、微波、红外、超声、温湿度等传感器，已经初步满足了。
但是目前传感器部署方式相互独立，分属不同系统，无法直接进行数据交互，无法提供综合立体交通信息；传感器功能有限，无法直接获取区间交通参数和将气象信息引入交通信号控制。由于交通系统的各种应用要求多源交通信息，这种传感器部署方式的问题有：
(1)占用网络资源巨大，每种传感器都要配置单独的数据传输线，布线工作成为传感器部署的主要工作；
(2)现有传感器部署方式产生了海量异构数据，但现有传感器缺乏在线处理能力，这些数据都需要通过数据传输网络上传至交管中心，因此对于数据传输网络资源要求高；
(3)现有传感器部署方式产生的海量数据对后台系统的处理能力要求极高并导致面向全局综合应用的集成复杂性日益增加；
(4)现有传感器缺乏在线处理能力，智能交通系统的各种应用需要的交通状态信息又不能在线、实时、准确地获取。
造成这一问题的关键是没有传感器综合接入和在线融合装置，使各个交通传感器独立布署，通过各自通讯网络传输至交通管理中心。我国智能交通系统的发展迫切要求改变现有的交通状态信息采集的方式。
发明内容
本发明的目的是克服现有的技术存在的缺陷，提供一种在同一装置中对交通信息采集的多类型传感器进行动态可重构接入装置和自适应数据处理和融合方法，从而简化传感器布线、减轻了网络传输压力，实现交通信息系统构成一体化、大范区检测的道路交通信息采集的多传感器接入装置，并同时提供多源传感器数据融合处理的方法。
为达到上述目的，本发明提供的道路交通信息采集的多传感器接入装置，包括数字信号处理器DSP、与所述数字信号处理器DSP相连的网络通讯控制器、CAN通讯控制器和/或若干信号调理与变换电路，所述网络通讯控制器用于在所述数字信号处理器DSP控制下与通讯网络进行通讯，所述CAN通讯控制器用于与具有CAN接口的装置进行通讯，所述信号调理与变换电路用于把模拟量输出的传感器、开关量输出的传感器和脉冲序列输出的传感器数据采集入所述数字信号处理器DSP，还包括一个与所述数字信号处理器DSP连接的复杂可编程逻辑器件CPLD，所述复杂可编程逻辑器件CPLD包括读写控制模块、传感器通道选择模块、传感器信号处理模块、外围设备控制模块、矩阵键盘控制模块、LCD显示控制模块，其中：
所述读写控制模块，用于所述复杂可编程逻辑器件CPLD与所述数字信号处理器DSP之间数据交换时所用的地址总线、数据总线和控制总线的读写时序控制，根据数据线、地址线以及读写及片选控制信号完成所述CPLD与DSP之间的数据传输；
所述传感器通道选择模块，用于依据所述数字信号处理器DSP的指令进行传感器动态重构的通道切换；
所述传感器信号处理模块，用于对所述传感器输入数据进行自适应数据处理；
所述外围设备控制模块，用于扩展外围设备的地址译码和片选控制；
所述矩阵键盘控制模块，用于判断按键的键值并将所述键值通过数据线输入至所述数字信号处理器DSP；
所述LCD显示控制模块，用于LCD液晶显示器的时序控制，并向LCD显示器传递待显示的数据内容。
本发明道路交通信息采集的多传感器接入装置，其中所述CPLD包含的传感器信号处理模块包括定时器、计数器、结果寄存器和中断控制寄存器，其中：
所述定时器，用于以外部时钟信号作为时间基准产生自适应定时周期；
所述计数器，用于在所述自适应定时周期内记录传感器的进入脉冲数量；
所述结果寄存器，用于记录所述计数器的计数结果；
所述中断控制寄存器，用于存储发出中断的中断类型。
本发明道路交通信息采集的多传感器接入装置，其中所述CPLD包含的传感器通道选择模块包括通道选择控制寄存器和多路选择器，其中：
所述通道选择控制寄存器，用于存储从所述数字信号处理器DSP发出的可重构接入方式的数据；
所述多路选择器，用于根据所述通道选择控制寄存器的数据决定每一路的通断。
本发明道路交通信息采集的多传感器接入装置，其中电流输出传感器的信号经电流电压变换电路、电压频率变换电路输入所述CPLD，电压输出传感器的信号经电压频率变换电路将信号输入所述CPLD，开关量输出传感器的信号经电平变换电路输入所述CPLD；所述CPLD还连接有键盘电路和液晶显示电路。
本发明道路交通信息采集的多传感器接入装置，所述网络通讯控制器由以太网控制器、隔离变压器、RJ45接口构成，所述网络通讯控制器使用NTCIP协议进行网络通讯；所述数字信号处理器DSP还包括一个eCAN控制模块，所述CAN通讯控制器由eCAN控制模块、光耦隔离器，CAN控制器接口构成，所述CAN通讯控制器使用CAN协议进行与带CAN接口的装置进行数据通讯或者与带CAN接口的传感器进行数据采集。
为达到上述目的，本发明提供的用于多传感器接入装置的数据传输方法，该方法将传感器输入信号经CLPD和/或CAN通讯控制器和/或信号调理电路接入所述数字信号处理器DSP，并由网络通讯控制器将处理的数据网络传输至交管中心计算机，该方法执行如下步骤：
步骤1，装置初始化，包括DSP初始化、网络通讯控制器初始化、CAN控制器初始化、外围芯片初始化；
步骤2，所述DSP通过所述网络通讯控制器接收交管中心计算机发送的命令，解析该命令，是否进行传感器数据采集，如果是，则转入下一步；否则，向交管中心计算机发送查询消息或者等待；
步骤3，如果交管中心计算机的命令是指示CAN总线进行数据传输，则启动所述CAN通讯控制器进行数据传输；如果是进行直接数据采集，则启动所述复杂可编程逻辑器件CPLD和所述信号调理电路采集数据；
步骤4，DSP接收并暂存CPLD处理后的数据、DSP接收并暂存CAN总线的数据、DSP暂存直接输入至DSP的数据，检查存储器容量是否已满，如果是则清理内存，并转入步骤6；否则继续操作；
步骤5，进行多源数据融合处理，并存储融合结果；
步骤6，依照交管中心计算机的命令通过所述网络通讯控制器向交管中心计算机进行数据传输；
步骤7，返回到步骤2，等待下一次数据采集处理。
本发明所述的数据融合方法，其中所述传感器为线圈传感器，所述数字信号处理器DSP数据处理的步骤如下：
步骤1：读取采样时间值、采样地点、时段值k、采样周期Ti；
步骤2：在第k时段的n个相应时刻读入线圈传感器检测的流量数据Qi i＝1，…，n，计算第k时段的平均流量Qk；
步骤4：计算时间占有率Oi i＝1，…，n，计算第k时段的平均时间占有率Ok；
步骤5：存储第k时段平均流量、平均占有率、采集地点、采集时段；
步骤6：k＝k+1，转入步骤1。
本发明所述的数据融合方法，其中所述传感器为线圈传感器和带CAN接口的地磁传感器，所述数字信号处理器DSP执行多源数据融合处理，步骤如下：
步骤1：初始化路段参数，设置流率μ、读取时段值k、时段T、采样周期Ti、绿灯时间gk、容差δ；
步骤2：从线圈数据读取第k时段的平均流量和占有率数据
(1)在第k时段的n个相应时刻读入线圈传感器检测的流量数据检测的流量数据；Qi i＝1，…，n；计算第k时段的平均流量Qk；
(2)计算时间占有率Oi i＝1，…，n；计算第k时段的平均时间占有率Ok；
(3)存储第k时段平均流量、平均占有率、采集时段；
步骤3：从线圈数据估计路段的排队时间，其方法为：
(1)从线圈传感器读取第k时段线圈流量数据Qk和占有率数据Ok；
(2)计算第k时段平均车辆驶入率λk、驶出率μk；
(3)采用分段时齐Markov排队模型估计排队时间，计算排队时间为Tq(k)；
步骤4：从带CAN接口的地磁式传感器得到平均排队长度，其方法为
(1)在第k时段n个相应时刻，在第i个采样周期从CAN接口读入带CAN接口的m个地磁传感器采集在第i个采样周期的车辆数据D1(i)，D2(i)，…，Dm(i)，其中i＝1，2，…，n；规定靠近路口的地磁传感器编号为m，距离路口最远的地磁传感器编号为1；
(2)计算第i个采样周期的排队长度，从第m个数据Dm(i)开始，向D1(i)方向搜索，搜索到第一个Dj(i)＝0的数据，则排队长度为从第j个地磁传感器到路口的长度l(i)；
(3)计算第k时段的平均排队长度Lk；
步骤5：从线圈传感器和带CAN接口的地磁式传感器得到流量在路段的分布：
(1)在第k时段，第i个采样周期从线圈传感器中读取流量数据，其中i＝1，2，…，n，计算其流量均值和方差，
第k时段流量均值为Qk，
第k时段流量标准差SQ(k)，
在第k时段，第i个采样周期从m个地磁传感器中读取车辆数据，其中i＝1，2，…，n，计算每一个地磁传感器检测的流量均值和方差；
(2)由线圈传感器和m个地磁传感器构成整个路段的流量分布
第k时段流量在路段的分布[Qk，D1 k，…，Dm k]
第k时段流量标准差在路段的分布[SQ，SD1，…，SDm]，
步骤6，若计算未结束则k＝k+1，转入步骤1；否则转入步骤7；
步骤7，结束并返回。
本发明所述的数据融合方法，其中所述CAN通讯控制器执行如下步骤：
A、发送流程
步骤1，初始化所述DSP及其eCAN模块，包括：
(1)使能CAN模块时钟，
(2)设置CANTX和CANRX作为CAN通讯引脚，
(3)配置位时间配置寄存器CANBTC，
(4)配置接收屏蔽寄存器CANGAM，
(5)配置主控寄存器CANMC，
(6)清除消息控制寄存器MSGCTRLn的所有位；
步骤2配置发送邮箱，包括：
(1)清除发送请求置位寄存器CANTRS中相应的位；
(2)清除邮箱使能寄存器CANME中相应的位，屏蔽邮箱；
(3)装载邮箱的消息标志符寄存器MSGID；
(4)写数据长度到消息控制区寄存器MSGCTRL的数据长度代码DLC区；
(5)设置邮箱使能寄存器CANME中相应的位使能邮箱。
步骤3发送消息，包括：
(1)写消息到相应的发送邮箱的数据区；
(2)在发送请求寄存器CANTRS中设置相应的标志位启动消息发送；
(3)等待发送响应寄存器CANTA中相应的邮箱发送响应标志位置位；
(4)成功发送或者中止发送后，模块将发送请求置位寄存器CANTRS的相应为复位；步骤4发送结束，返回调用处；
B、接收流程
步骤1初始化所述DSP及其eCAN模块，包括：
(1)使能CAN模块时钟，
(2)设置CANTX和CANRX作为CAN通讯引脚，
(3)配置位时间配置寄存器CANBTC，
(4)配置接收屏蔽寄存器CANGAM，
(5)配置主控寄存器CANMC；
(6)清除消息控制寄存器MSGCTRLn的所有位；
步骤2配置接收邮箱，包括：
(1)清除邮箱使能寄存器CANME中的相应位，屏蔽邮箱；
(2)写标志符到相应的消息标志寄存器MSGID；
(3)如果消息标志寄存器MSGID的接收屏蔽寄存器使能位AME置1，则相应的接收屏蔽必须进行配置；
(4)设置邮箱方向寄存器CANMD，将相应的邮箱配置位接收邮箱；
(5)如果邮箱中数据受保护，需要对覆盖控制寄存器CANOPC进行配置；
(6)设置邮箱使能寄存器CANME中的相应位，使能邮箱；
步骤3接收消息
查询相应的邮箱对应的接收消息挂起寄存器CANRMP中的相应位RMPx是否置1，如果是则表明邮箱接受数据完成，否则接收尚未完成，继续查询；
步骤4接收结束，返回调用处。
本发明所述的数据融合方法，其中所述网络通讯控制器执行如下步骤：
步骤1初始化所述DSP和以太网络控制器；
步骤2检测是否有来自网络的数据，如果有则步骤3，否则步骤6；
步骤3判断是否是UDP用户数据报协议，否则步骤4；若是则转入UDP处理程序；完成后转入步骤5；
步骤4判断是否是TCP传输控制协议，否则步骤6；若是则程序转入TCP处理程序，完成后转入步骤5；
步骤5将处理后的数据送入所述DSP进行处理，完成后转入步骤2；
步骤6DSP是否有需要发送的数据，若有则转入步骤7，否则转入步骤2；
步骤7如果有且选择UDP协议，则按照UDP协议处理，将数据发送到交管中心计算机；然后转入步骤2，否则转入步骤8；
步骤8是否为TCP协议，若是则按照TCP协议处理，将数据发送到交管中心计算机，发送后转入步骤2，否则转入步骤2。
本发明道路交通信息采集的多传感器接入装置及其数据融合方法的优点在于：
1具有接入多类型传感器和多源数据融合功能：接入装置能够接入覆盖目前道路交通信息采集常用的模拟量输出、开关量输出和脉冲数据量输出的传感器如线圈、微波、超声、红外、视频传感器等等，避免了目前每使用一类传感器，都需要独立部署相关传输与处理系统的问题。装置具有的多源数据融合功能能够满足智能交通系统对综合立体交通信息的需求，避免传输原始海量数据，减轻了后台系统处理的压力。
2具有底层现场总线通讯和上层数据网络通讯的功能：使本装置构成的系统扩展性好、大大简化传感器布线和对网络传输的要求，本装置符合现有通讯规范，可以直接接入到现有系统中，改造费用很少。
下面结合实施例参照附图进行详细说明，以求对本发明的目的、特征和优点得到更深入的理解。
附图说明
图1为本发明道路交通信息采集的多传感器接入装置的方框图；
图2为本发明道路交通信息采集的多传感器接入装置中CPLD结构的方框图；
图3为本发明道路交通信息采集的多传感器接入装置中CAN通讯控制器方框图；
图4为本发明道路交通信息采集的多传感器接入装置中网络通讯控制器方框图；
图5为本发明道路交通信息采集的多传感器接入装置中CAN通讯控制器的电路原理图；
图6为本发明道路交通信息采集的多传感器接入装置中电流电压变换电路的电路原理；
图7为本发明道路交通信息采集的多传感器接入装置中电压调理电路原理图；
图8为本发明道路交通信息采集的多传感器接入装置中电平变换电路原理图；
图9为本发明道路交通信息采集的多传感器接入装置中电压频率变换电路原理图；
图10为本发明道路交通信息采集的多传感器接入装置中网络通讯控制器的电路原理图；
图11为本发明道路交通信息采集的多传感器接入装置中DSP的电路原理图；
图12为本发明道路交通信息采集的多传感器接入装置中CPLD的电路原理图；
图13为本发明道路交通信息采集的多传感器接入装置数据传输流程图；
图14为本发明道路交通信息采集的多传感器接入与融合装置中CAN通讯控制器进行数据接收的流程图；
图15为本发明道路交通信息采集的多传感器接入与融合装置中CAN通讯控制器进行数据发送的流程图；
图16为本发明道路交通信息采集的多传感器接入与融合装置中网络通讯控制器进行数据发送的流程图。
具体实施方式
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：以数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)和可编程逻辑器件CPLD(Complex Programmable Logic Device)为核心，还包括CAN(Controller Area Network，CAN)通讯控制器、网络通讯控制器和信号调理与变换电路。
本发明道路交通信息采集的多传感器接入与融合装置能够接入多类型异构传感器，如输出为电流信号的模拟量传感器、输出为电压信号的模拟量传感器、输出为电平信号的开关量传感器、输出为脉冲序列的数字传感器；同时该装置还具有CAN通讯接口，可以接入通过现场总线传输的传感器数据和接入带有CAN接口的传感器。
本发明多传感器接入与融合装置利用DSP的处理能力，能够嵌入数据融合算法，实现多源异构传感器在线融合。
下面以实施例对本发明多传感器接入与融合装置进行详细说明。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：参见图1，将现有传感器接入至CPLD和DSP，并对其进行融合处理，将处理结果通过网络通讯控制器传输至交管中心计算机。交通信息采集的传感器如带CAN接口的传感器则经过本装置的CAN通讯控制器将数据输入DSP中；若不带CAN接口的传感器如线圈、视频、微波、红外、超声、温湿度等，可经过信号调理与变换电路进入CPLD或者DSP。
其中，DSP部分：参见图11，DSP接收交管中心计算机指令下，对接入的传感器信息进行融合处理，并将所处理的数据传输至交管中心计算机。DSP采用芯片型号为TMS320F2812。
CPLD部分：参见图12，CPLD采用芯片型号为EPM1270T144C5N。CPLD部分设有5个功能模块，分别为读写控制模块、传感器通道选择模块、传感器信号处理模块、外围设备控制模块、矩阵键盘控制模块、LCD显示控制模块。
●读写控制模块，用于CPLD与DSP之间数据交换时地址总线、数据总线和控制总线的读写时序控制。传感器通道选择模块，根据DSP的指令进行传感器动态重构的通道切换。所谓动态重构的通道切换是指所有道路交通信息采集传感器已经接入至本装置的前提条件下，通过CPLD，在DSP指令下，动态接通或切断传感器接入至CPLD的通道的方法。
●传感器信号处理模块，用于对传感器输入数据进行自适应数据处理。所谓自适应数据处理，是根据对传感器输入信号的计数结果动态改变计数周期，已满足计数精度的要求。
●外围设备控制模块，用于扩展外围设备的地址译码和片选控制。
●矩阵键盘控制模块，用于判断按键的键值并将键值通过数据线输入至DSP。
●LCD显示控制模块，用于LCD的时序控制，并向LCD显示器传递待显示的数据内容。
在接入现有传感器时，电流输出传感器经电流电压变换电路、电压频率变换电路将信号接入到CPLD，电压输出传感器经电压频率变换电路将信号接入到CPLD，开关量输出传感器经电平变换电路将信号接入到CPLD，CPLD输出端连接至DSP；CPLD还连接有键盘电路，液晶显示电路，负责键盘读取和液晶显示的控制。CPLD部分与DSP的连接为：数据总线D8～D15，地址总线A0～A18，控制线XZCS2，XWE，XRD。
CAN通讯控制器：用于将带CAN接口的传感器的数据输入到网络节点中，或者与具有CAN接口的装置进行通讯。参见图3和图5，CAN通讯控制器采用型号为TMS320F2812的芯片，由DSP中的eCAN控制模块、光耦隔离器、CAN控制器接口构成。eCAN模块和CAN控制器接口之间通过若干光耦相连接。光耦隔离器采用型号为6N137的芯片。总线驱动器采用型号为PAC82C250的芯片。CAN通讯控制器与DSP的连接为：进入DSP的信号是CANRXA，从DSP发出信号是CANTXA。
网络通讯控制器：用于与交管中心计算机进行数据和指令交互，参见图4和图10，包括以太网控制器、隔离变压器和RJ45接口。以太网控制器采用芯片型号为CS8900A。隔离变压器型号为HR601627。与DSP的连接为：数据总线D0～D15，地址线CSA1～3，控制线xzcs0and1、XRD、XWE。网络通讯控制器使用NTCIP总线协议进行网络通讯。
信号调理与变换电路：参见图6，电流输出的传感器信号调理与变换电路包括电流电压转换电路和电压频率变换电路。参见图7，电压输出的传感器信号调理与变换电路包括电压频率转换电路。参见图8，开关量输出的传感器信号调理与变换电路包括光耦与电平变换电路。
多传感器接入与融合装置利用DSP自身的AD转换器、捕获单元可以直接接入传感器信号，利用DSP的eCAN模块构成的CAN通讯控制器可以接收带CAN接口的装置或者传感器的数据。由于DSP自身接入口有限，同时所要完成的融合算法、通讯控制等任务占用其很多资源，因此扩展CPLD来接入更多的传感器并进行数据处理，这样采用DSP+CPLD的核心结构实现了多类型、多通道、多组合方式的灵活可控的传感器信号接入方案，有效地解决了目前城市道路交通所用传感器种类多，数据量大、覆盖区域广的问题。
本装置的接入方式主要有以下三种：
(1)利用DSP器件的外设资源完成接入；
(2)利用CAN接口对具有CAN通信功能的传感器完成接入；
(3)利用CPLD进行接入扩展，并由CPLD完成一部分数据处理，减轻DSP压力。
另外本装置一方面可以通过键盘进行手动控制，另一方面还可以通过数据网络对装置实现远程监控和指令下发。
下面对本发明多类型异构传感器信息进行融合处理的方法进行详细说明如下。
参见图13，在这一方法的实施例中所述网络采集的传感器输入信号经CLPD和/或CAN通讯控制器和/或信号调理电路接入所述数字信号处理器DSP，并由网络通讯控制器将处理的数据网络传输至交管中心计算机，该方法的步骤是：
步骤1，装置初始化，包括DSP初始化、网络通讯控制器初始化、CAN控制器初始化、外围芯片初始化；
步骤2，所述DSP通过所述网络通讯控制器接收交管中心计算机发送的命令，解析该命令，是否进行传感器数据采集，如果是，则转入下一步；否则，向交管中心计算机发送查询消息或者等待；
步骤3，如果交管中心计算机的命令是指示CAN总线进行数据传输，则启动所述CAN通讯控制器进行数据传输；如果是进行直接数据采集，则启动所述复杂可编程逻辑器件CPLD和所述信号调理电路采集数据；
步骤4，DSP接收并暂存CPLD处理后的数据、DSP接收并暂存CAN总线的数据、DSP暂存直接输入至DSP的数据，检查存储器容量是否已满，如果是则清理内存，并转入步骤6；否则继续操作；
步骤5，进行多源数据融合处理，并存储融合结果；
步骤6，依照交管中心计算机的命令通过所述网络通讯控制器向交管中心计算机进行数据传输；
步骤7，返回到步骤2，等待下一次数据采集处理。
其中，如果传感器为线圈传感器，所述数字信号处理器DSP数据处理的步骤如下：
步骤1：读取采样时间值、采样地点、时段值k、采样周期Ti；
步骤2：在第k时段的n个相应时刻读入线圈传感器检测的流量数据Qi i＝1，…，n，计算第k时段的平均流量Qk；
步骤4：计算时间占有率Oi i＝1，…，n，计算第k时段的平均时间占有率Ok；
步骤5：存储第k时段平均流量、平均占有率、采集地点、采集时段；
步骤6：k＝k+1，转入步骤1。
如果传感器为线圈传感器和带CAN接口的地磁传感器，所述数字信号处理器DSP执行多源数据融合处理，步骤如下：
步骤1：初始化路段参数，设置流率μ、读取时段值k、时段T、采样周期Ti、绿灯时间gk、容差δ；
步骤2：从线圈数据读取第k时段的平均流量和占有率数据
(1)在第k时段的n个相应时刻读入线圈传感器检测的流量数据检测的流量数据；Qi i＝1，…，n；计算第k时段的平均流量Qk；
(2)计算时间占有率Oi i＝1，…，n；计算第k时段的平均时间占有率Ok；
(3)存储第k时段平均流量、平均占有率、采集时段；
步骤3：从线圈数据估计路段的排队时间，其方法为：
(1)从线圈传感器读取第k时段线圈流量数据Qk和占有率数据Ok；
(2)计算第k时段平均车辆驶入率λk、驶出率μk；
(3)采用分段时齐Markov排队模型估计排队时间，计算排队时间为Tq(k)；
步骤4：从带CAN接口的地磁式传感器得到平均排队长度，其方法为
(1)在第k时段n个相应时刻，在第i个采样周期从CAN接口读入带CAN接口的m个地磁传感器采集在第i个采样周期的车辆数据D1(i)，D2(i)，…，Dm(i)，其中i＝1，2，…，n；规定靠近路口的地磁传感器编号为m，距离路口最远的地磁传感器编号为1；
(2)计算第i个采样周期的排队长度，从第m个数据Dm(i)开始，向D1(i)方向搜索，搜索到第一个Dj(i)＝0的数据，则排队长度为从第j个地磁传感器到路口的长度l(i)；
(3)计算第k时段的平均排队长度Lk；
步骤5：从线圈传感器和带CAN接口的地磁式传感器得到流量在路段的分布：
(1)在第k时段，第i个采样周期从线圈传感器中读取流量数据，其中i＝1，2，…，n，计算其流量均值和方差，
第k时段流量均值为Qk，
第k时段流量标准差SQ(k)，
在第k时段，第i个采样周期从m个地磁传感器中读取车辆数据，其中i＝1，2，…，n，计算每一个地磁传感器检测的流量均值和方差；
(2)由线圈传感器和m个地磁传感器构成整个路段的流量分布
第k时段流量在路段的分布[Qk，D1 k，…，Dm k]
第k时段流量标准差在路段的分布[SQ，SD1，…，SDm]，
步骤6，若计算未结束则k＝k+1，转入步骤1：否则转入步骤7；
步骤7，结束并返回。
参见图14和图15，CAN通讯控制器进行数据传输的方法是：
A、发送流程
步骤1，初始化所述DSP及其eCAN模块，包括：
(1)使能CAN模块时钟，
(2)设置CANTX和CANRX作为CAN通讯引脚，
(3)配置位时间配置寄存器CANBTC，
(4)配置接收屏蔽寄存器CANGAM，
(5)配置主控寄存器CANMC，
(6)清除消息控制寄存器MSGCTRLn的所有位；
步骤2配置发送邮箱，包括：
(1)清除发送请求置位寄存器CANTRS中相应的位；
(2)清除邮箱使能寄存器CANME中相应的位，屏蔽邮箱；
(3)装载邮箱的消息标志符寄存器MSGID；
(4)写数据长度到消息控制区寄存器MSGCTRL的数据长度代码DLC区；
(5)设置邮箱使能寄存器CANME中相应的位使能邮箱。
步骤3发送消息，包括：
(1)写消息到相应的发送邮箱的数据区；
(2)在发送请求寄存器CANTRS中设置相应的标志位启动消息发送；
(3)等待发送响应寄存器CANTA中相应的邮箱发送响应标志位置位；
(4)成功发送或者中止发送后，模块将发送请求置位寄存器CANTRS的相应为复位；
步骤4发送结束，返回调用处；
B、接收流程
步骤1初始化所述DSP及其eCAN模块，包括：
(1)使能CAN模块时钟，
(2)设置CANTX和CANRX作为CAN通讯引脚，
(3)配置位时间配置寄存器CANBTC，
(4)配置接收屏蔽寄存器CANGAM，
(5)配置主控寄存器CANMC；
(6)清除消息控制寄存器MSGCTRLn的所有位；
步骤2配置接收邮箱，包括：
(1)清除邮箱使能寄存器CANME中的相应位，屏蔽邮箱；
(2)写标志符到相应的消息标志寄存器MSGID；
(3)如果消息标志寄存器MSGID的接收屏蔽寄存器使能位AME置1，则相应的接收屏蔽必须进行配置；
(4)设置邮箱方向寄存器CANMD，将相应的邮箱配置位接收邮箱；
(5)如果邮箱中数据受保护，需要对覆盖控制寄存器CANOPC进行配置；
(6)设置邮箱使能寄存器CANME中的相应位，使能邮箱；
步骤3接收消息
查询相应的邮箱对应的接收消息挂起寄存器CANRMP中的相应位RMPx是否置1，如果是则表明邮箱接受数据完成，否则接收尚未完成，继续查询；
步骤4接收结束，返回调用处。
参见图16，网络通讯控制器进行数据传输执行如下步骤：
步骤1初始化所述DSP和以太网络控制器；
步骤2检测是否有来自网络的数据，如果有则步骤3，否则步骤6；
步骤3判断是否是UDP用户数据报协议，否则步骤4；若是则转入UDP处理程序；完成后转入步骤5；
步骤4判断是否是TCP传输控制协议，否则步骤6；若是则程序转入TCP处理程序，完成后转入步骤5；
步骤5将处理后的数据送入所述DSP进行处理，完成后转入步骤2；
步骤6DSP是否有需要发送的数据，若有则转入步骤7，否则转入步骤2；
步骤7如果有且选择UDP协议，则按照UDP协议处理，将数据发送到交管中心计算机；然后转入步骤2，否则转入步骤8；
本发明多传感器接入与融合装置及其数据处理的方法有以下技术效果：
1具有接入多类型传感器的功能：覆盖目前道路交通信息采集常用的模拟量输出、开关量输出和脉冲序列量输出的传感器如线圈、微波、超声、红外、视频传感器等等，避免了目前每使用一类传感器，都需要独立部署相关传输与处理系统的问题。
2具有在线进行多源数据融合的功能：能够满足智能交通系统对综合立体交通信息的需求，避免传输原始海量数据，减轻了后台系统处理的压力。
3具有底层现场总线通讯和上层数据网络通讯的功能：使本装置构成的系统扩展性好、大大简化传感器布线和对网络传输的要求，本装置符合现有通讯规范，可以直接接入到现有系统中，改造费用很少。
目前市场上还没有此类产品，该产品对交通信息采集传感器的接入、使用和部署方式有提升和推进的作用。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明涉及精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种道路交通信息采集的多传感器接入装置，包括数字信号处理器DSP、与所述数字信号处理器DSP相连的网络通讯控制器、CAN通讯控制器和/或若干信号调理与变换电路，所述网络通讯控制器用于在所述数字信号处理器DSP控制下与通讯网络进行通讯，所述CAN通讯控制器用于与具有CAN接口的装置进行通讯，所述信号调理与变换电路用于把模拟量输出的传感器、开关量输出的传感器和脉冲序列输出的传感器数据采集入所述数字信号处理器DSP，其特征在于：还包括一个与所述数字信号处理器DSP连接的复杂可编程逻辑器件CPLD，所述复杂可编程逻辑器件CPLD包括读写控制模块、传感器通道选择模块、传感器信号处理模块、外围设备控制模块、矩阵键盘控制模块、LCD显示控制模块，其中：
所述读写控制模块，用于所述复杂可编程逻辑器件CPLD与所述数字信号处理器DSP之间数据交换时所用的地址总线、数据总线和控制总线的读写时序控制，根据数据线、地址线以及读写及片选控制信号完成所述CPLD与DSP之间的数据传输；
所述传感器通道选择模块，用于依据所述数字信号处理器DSP的指令进行传感器动态重构的通道切换；
所述传感器信号处理模块，用于对所述传感器输入数据进行自适应数据处理；
所述外围设备控制模块，用于扩展外围设备的地址译码和片选控制；
所述矩阵键盘控制模块，用于判断按键的键值并将所述键值通过数据线输入至所述数字信号处理器DSP；
所述LCD显示控制模块，用于LCD液晶显示器的时序控制，并向LCD显示器传递待显示的数据内容。
2.根据权利要求1所述的多传感器接入与融合装置，其特征在于：其中所述CPLD包含的传感器信号处理模块包括定时器、计数器、结果寄存器和中断控制寄存器，其中：
所述定时器，用于以外部时钟信号作为时间基准产生自适应定时周期；
所述计数器，用于在所述自适应定时周期内记录传感器输入的脉冲数量；
所述结果寄存器，用于记录所述计数器的计数结果；
所述中断控制寄存器，用于存储发出中断的中断类型。
3.根据权利要求2所述的多传感器接入与融合装置，其特征在于：其中所述CPLD包含的传感器通道选择模块包括通道选择控制寄存器和多路选择器，其中：
所述通道选择控制寄存器，用于存储从所述数字信号处理器DSP发出的可重构接入方式的数据；
所述多路选择器，用于根据所述通道选择控制寄存器的数据决定每一路的通断。
4.根据权利要求3所述的多传感器接入与融合装置，其特征在于：其中电流输出传感器的信号经电流电压变换电路、电压频率变换电路输入所述CPLD，电压输出传感器的信号经电压频率变换电路将信号输入所述CPLD，开关量输出传感器的信号经电平变换电路输入所述CPLD；所述CPLD还连接有键盘电路和液晶显示电路。
5.根据权利要求4所述的多传感器接入与融合装置，其特征在于：所述网络通讯控制器由以太网控制器、隔离变压器、RJ45接口构成，所述网络通讯控制器使用NTCIP协议进行网络通讯；所述数字信号处理器DSP还包括一个eCAN控制模块，所述CAN通讯控制器由eCAN控制模块、光耦隔离器，CAN控制器接口构成，所述CAN通讯控制器使用CAN协议进行与带CAN接口的装置进行数据通讯或者与带CAN接口的传感器进行数据采集。
6.采用权利要求1-5任一所述的多传感器接入装置的数据传输方法，该方法将传感器输入信号经CLPD和/或CAN通讯控制器和/或信号调理电路接入所述数字信号处理器DSP，并由网络通讯控制器将处理的数据网络传输至交管中心计算机，其特征在于：该方法执行如下步骤：
步骤1，装置初始化，包括DSP初始化、网络通讯控制器初始化、CAN控制器初始化、外围芯片初始化；
步骤2，所述DSP通过所述网络通讯控制器接收交管中心计算机发送的命令，解析该命令，是否进行传感器数据采集，如果是，则转入下一步；否则，向交管中心计算机发送查询消息或者等待；
步骤3，如果交管中心计算机的命令是指示CAN总线进行数据传输，则启动所述CAN通讯控制器进行数据传输；如果是进行直接数据采集，则启动所述复杂可编程逻辑器件CPLD和所述信号调理电路采集数据；
步骤4，DSP接收并暂存CPLD处理后的数据、DSP接收并暂存CAN总线的数据、DSP暂存直接输入至DSP的数据，检查存储器容量是否已满，如果是则清理内存，并转入步骤6；否则继续操作；
步骤5，进行多源数据融合处理，并存储融合结果；
步骤6，依照交管中心计算机的命令通过所述网络通讯控制器向交管中心计算机进行数据传输；
步骤7，返回到步骤2，等待下一次数据采集处理。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：其中所述传感器为线圈传感器，所述数字信号处理器DSP数据处理的步骤如下：
步骤1：读取采样时间值、采样地点、时段值k、采样周期Ti；
步骤2：在第k时段的n个相应时刻读入线圈传感器检测的流量数据Qi i＝1，…，n，计算第k时段的平均流量Qk；
步骤4：计算时间占有率Oi i＝1，…，n，计算第k时段的平均时间占有率Ok；
步骤5：存储第k时段平均流量、平均占有率、采集地点、采集时段；
步骤6：k＝k+1，转入步骤1。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：其中所述传感器为线圈传感器和带CAN接口的地磁传感器，所述数字信号处理器DSP执行多源数据融合处理，步骤如下：
步骤1：初始化路段参数，设置流率μ、读取时段值k、时段T、采样周期Ti、绿灯时间gk、容差δ；
步骤2：从线圈数据读取第k时段的平均流量和占有率数据
(1)在第k时段的n个相应时刻读入线圈传感器检测的流量数据检测的流量数据；Qi i＝1，…，n；计算第k时段的平均流量Qk；
(2)计算时间占有率Oi i＝1，…，n；计算第k时段的平均时间占有率Ok；
(3)存储第k时段平均流量、平均占有率、采集时段；
步骤3：从线圈数据估计路段的排队时间，其方法为：
(1)从线圈传感器读取第k时段线圈流量数据Qk和占有率数据Ok；
(2)计算第k时段平均车辆驶入率λk、驶出率μk；
(3)采用分段时齐Markov排队模型估计排队时间，计算排队时间为Tq(k)；
步骤4：从带CAN接口的地磁式传感器得到平均排队长度，其方法为
(1)在第k时段n个相应时刻，在第i个采样周期从CAN接口读入带CAN接口的m个地磁传感器采集在第i个采样周期的车辆数据D1(i)，D2(i)，…，Dm(i)i＝1，…，n；规定靠近路口的地磁传感器编号为m，距离路口最远的地磁传感器编号为1；
(2)计算第i个采样周期的排队长度，从第m个数据Dm(i)开始，向D1(i)方向搜索，搜索到第一个Dj(i)＝0的数据，则排队长度为从第j个地磁传感器到路口的长度l(i)；
(3)计算第k时段的平均排队长度Lk；
步骤5：从线圈传感器和带CAN接口的地磁式传感器得到流量在路段的分布：
(1)在第k时段，第i个采样周期从线圈传感器中读取流量数据，其中i＝1，2，…，n，计算其流量均值和方差，
第k时段流量均值为Qk，
第k时段流量标准差SQ(k)，
在第k时段，第i个采样周期从m个地磁传感器中读取车辆数据，其中i＝1，2，…，n，计算每一个地磁传感器检测的流量均值和方差；
(2)由线圈传感器和m个地磁传感器构成整个路段的流量分布
第k时段流量在路段的分布[Qk，D1 k，…，Dm k]
第k时段流量标准差在路段的分布[SQ，SD1，…，SDm]，
步骤6，若计算未结束则k＝k+1，转入步骤1；否则转入步骤7；
步骤7，结束并返回。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：其中所述CAN通讯控制器执行如下步骤：
A、发送流程
步骤1，初始化所述DSP及其eCAN模块，包括：
(1)使能CAN模块时钟，
(2)设置CANTX和CANRX作为CAN通讯引脚，
(3)配置位时间配置寄存器CANBTC，
(4)配置接收屏蔽寄存器CANGAM，
(5)配置主控寄存器CANMC，
(6)清除消息控制寄存器MSGCTRLn的所有位；
步骤2配置发送邮箱，包括：
(1)清除发送请求置位寄存器CANTRS中相应的位；
(2)清除邮箱使能寄存器CANME中相应的位，屏蔽邮箱；
(3)装载邮箱的消息标志符寄存器MSGID；
(4)写数据长度到消息控制区寄存器MSGCTRL的数据长度代码DLC区；
(5)设置邮箱使能寄存器CANME中相应的位使能邮箱。
步骤3发送消息，包括：
(1)写消息到相应的发送邮箱的数据区；
(2)在发送请求寄存器CANTRS中设置相应的标志位启动消息发送；
(3)等待发送响应寄存器CANTA中相应的邮箱发送响应标志位置位；
(4)成功发送或者中止发送后，模块将发送请求置位寄存器CANTRS的相应为复位；
步骤4发送结束，返回调用处；
B、接收流程
步骤1初始化所述DSP及其eCAN模块，包括：
(1)使能CAN模块时钟，
(2)设置CANTX和CANRX作为CAN通讯引脚，
(3)配置位时间配置寄存器CANBTC，
(4)配置接收屏蔽寄存器CANGAM，
(5)配置主控寄存器CANMC；
(6)清除消息控制寄存器MSGCTRLn的所有位；
步骤2配置接收邮箱，包括：
(1)清除邮箱使能寄存器CANME中的相应位，屏蔽邮箱；
(2)写标志符到相应的消息标志寄存器MSGID；
(3)如果消息标志寄存器MSGID的接收屏蔽寄存器使能位AME置1，则相应的接收屏蔽必须进行配置；
(4)设置邮箱方向寄存器CANMD，将相应的邮箱配置位接收邮箱；
(5)如果邮箱中数据受保护，需要对覆盖控制寄存器CANOPC进行配置；
(6)设置邮箱使能寄存器CANME中的相应位，使能邮箱；
步骤3接收消息
查询相应的邮箱对应的接收消息挂起寄存器CANRMP中的相应位RMPx是否置1，如果是则表明邮箱接受数据完成，否则接收尚未完成，继续查询；
步骤4接收结束，返回调用处。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：其中所述网络通讯控制器执行如下步骤：
步骤1初始化所述DSP和以太网络控制器；
步骤2检测是否有来自网络的数据，如果有则步骤3，否则步骤6；
步骤3判断是否是UDP用户数据报协议，否则步骤4；若是则转入UDP处理程序；完成后转入步骤5；
步骤4判断是否是TCP传输控制协议，否则步骤6；若是则程序转入TCP处理程序，完成后转入步骤5；
步骤5将处理后的数据送入所述DSP进行处理，完成后转入步骤2；
步骤6DSP是否有需要发送的数据，若有则转入步骤7，否则转入步骤2；
步骤7如果有且选择UDP协议，则按照UDP协议处理，将数据发送到交管中心计算机；然后转入步骤2，否则转入步骤8；
步骤8是否为TCP协议，若是则按照TCP协议处理，将数据发送到交管中心计算机，发送后转入步骤2，否则转入步骤2。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20091209 Termination date: 20140203 |