摘  要: 为了解决高速公路出口存在的车辆驶出高速收费口耗时长、高速出口拥堵的问题，采用STC单片机STC11F32XE作为主要控制芯片，设计了一套高速公路快速放行提示系统。该系统由上位机、下位机和倒计时控制器3部分组成。其中，上位机通过地感线圈和车辆检测器获取车辆位置信息，控制语音模块给出语音提示，并由串口下发控制命令给下位机；下位机接收到控制命令后控制室外显示屏显示相应信息，同时与倒计时控制器通过并行通信方式控制倒计时屏计时。实际运行结果表明，本系统能达到提高高速公路放行速度的要求。该系统已在山西运城高速各路口安装使用。
关键词: 高速公路； 单片机； 提示系统； 通信协议

    高速公路的快速发展大大缩短了省际之间的时空距离，加快了区域间人员、商品、技术、信息的交流，有效降低了生产运输成本。同时,高速公路的速度和便利也已经走进了平常百姓的生活，正在改变着人们的时空观念和生活方式。但由于出口的限制，经常会在高速出口出现拥堵的现象[1]。其内在原因主要在两个方面，一是收费人员与驾驶员之间的交易时间过长，二是驾驶员没能事先准备好费用以及没有快速通过收费站的意识[2]。
    为了解决上述问题，设计了一套高速公路快速放行提示系统。该系统由传感器模块、上位机模块、下位机模块、语音模块和显示模块组成。地感线圈将采集到的车辆位置通过车辆检测器报告给上位机，上位机控制语音模块发出相应语音，同时将控制命令通过串口发送给下位机，下位机接收到控制命令后，控制显示模块显示相应信息，并通过并行通信方式控制倒计时控制器倒计时通行时间。
1 系统结构及安装
1.1系统结构
    高速公路快速放行提示系统按功能分为6个模块，系统结构如图1所示。第1模块是采集模块，由3个地感线圈和1个红外对射探测器组成。1#地感线圈用于判断车辆驶入；红外对射探测器用以判断车辆的类型；2#地感线圈用以确定倒计时的开始时间；3#地感线圈用以判断车辆是否驶出收费站。第2模块是上位机模块，该模块采集地感线圈和红外对射探测器的信息，并通过车辆检测器将线圈信号转换为电平信号，控制语音模块并发送串口命令。第3模块是下位机模块，用以接收上位机通过串口发送的命令，同时控制显示模块。第4模块是语音模块,与上位机集成在一起，控制音响发出语音信号。第5模块是倒计时控制器模块，与下位机模块集成在一起，通过并行通信控制显示模块倒计时。第6模块是显示模块，安装在显示屏背部，用以控制室外显示屏的显示信息。

    室外显示屏安装在车道的安全岛上，下位机与倒计时控制器集成在一起安装在显示屏背面，通过显示接口与显示屏相连接。1#地感线圈埋在距收费亭15 m左右，用以判断车辆是否驶入收费站；2#地感线圈埋在收费亭处，用以倒计时的开始判断；3#地感线圈埋在收费站出口处，用以判断车辆是否驶离收费站。
2 系统硬件设计
2.1上位机系统硬件
    上位机系统硬件设计如图3所示。1#地感线圈与车辆检测器1相连，用以感知车辆是否驶入收费站，并把感知到的信号送给车辆检测器1，车辆检测器1将采集到的模拟信号转变为电平信号传送给主控制器；2#地感线圈与车辆检测器2相连，用以感知车辆交费是否开始,并将感知到的信号送车辆检测器2，车辆检测器2将电平信号传送给主控制器；3#地感线圈用以感知车辆是否交费完成并驶离收费站，将感知到的信号送给车辆检测器3，车辆检测器3将电平信号传送给主控制器。电源模块设计时，由于语音模块采用12 V电源，而单片机采用5 V电源，因此采用12 V电源直接供电给语音模块，并将12 V电源通过三端稳压器7805给主控制器供电。为了保证ROM和RAM的容量，采用了STC系列单片机STC11F32XE[3]作为主控制器芯片，接收车辆检测器信号，并控制语音模块和进行串口通信。语音模块采用专用语音系统，事先将语音信号通过语音录制软件录入，主控制器通过I/O端口控制播放相应语音。串口通信模块采用RS232[4]实现与下位机的通信，用于控制室外显示屏信息。室内显示器安装在收费亭内，用于收费员观察倒计时时间。

2.2 系统下位机硬件设计
    系统下位机硬件设计如图4所示。为了设计方便将下位机与倒计时控制器集成在一起，并且下位机主控制器和倒计时控制器均采用STC单片机STC11F32XE作为控制芯片。上位机通过串口按照通信协议发送通信命令，下位机主控制器接收到命令后, 将预先存储在EEPROM中的显示信息通过显示接口1和显示接口2传送给室外显示屏；同时，倒计时控制器通过并行通信方式控制倒计时控制器倒计时，并通过显示接口3控制室外显示屏同时显示倒计时时间。

3 通信协议设计
    上位机与下位机主控制器之间的通信是本设计中的关键点之一，为了实现上位机与下位机的可靠通信，设计了通信协议。通信协议格式[5-6]和内容如表1所示。

    在1#地感线圈触发时，上位机发送命令1，下位机主控制器通过串口接收到命令并校验正确后，控制室外显示屏显示相应信息。在2#地感线圈触发时，根据红外对射探测器判断车辆类型，如果是大型车，则上位机发送命令2，下位机主控制器通过串口接收到命令并校验正确后，控制室外显示屏显示相应信息和45 s倒计时；如果是小型车，则上位机发送命令3，下位机主控制器通过串口接收到命令并校验正确后，控制室外显示屏显示相应信息和30 s倒计时。在3#地感线圈触发时，上位机发送命令4，下位机主控制器通过串口接收到命令并校验正确后，控制室外显示屏显示相应信息。在收费站长时间没有车辆通过(一般设置为5 min)，即1#地感线圈长时间不触发时，上位机发送命令5显示待机信息，同时控制器处于待机状态。在需要清除显示屏信息时，上位机发送命令6，下位机主控制器通过串口接收到命令并校验正确后，清除室外显示屏。为了保证上位机与下位机之间通信可靠，选择应答方式，在下位机收到命令后，返回命令7，若上位机未接收到返回命令，则从新发送。
    下位机中主控制器与倒计时控制器之间采用并行通信的方式，主要目的是通过倒计时控制器来控制倒计时显示。并行通信的方式是直接将下位机主控制器与倒计时控制器的4个I/O口相连，为了保证通信的可靠性，采用了应答的方式。由下位机主控制器3个I/O口发送信号，接收到信号后，通过第4 I/O口应答。
4 系统软件设计
    上位机程序设计流程图如图5所示。初始化串口和定时器，判断1#地感线圈是否触发，如果触发则发送串口命令1同时开启定时器，当定时时间到，则发送串口命令5(或6)显示待机信息(或清屏)；判断红外对射探测器信号以确定车辆的类型，同时判断2#地感线圈是否触发，若触发则发送串口命令2(或3);判断3#地感线圈是否触发,若触发则发送串口命令4。

    下位机程序设计流程图如图6所示。下位机通过串口中断接收到上位机发送的命令后，根据不同的命令显示相应信息。例如，当接收到串口命令1时，下位机控制其I/O端口显示1#地感线圈的信息。若接收到其他串口命令时，程序流程与上述流程相同。

    本系统采用3片STC单片机STC11F32XE作为主控制器设计了一套快速放行提示系统。该系统具有自动识别客/货车类型、车辆驶入收费站提醒、车辆驶入和驶出时实现问候和告别、记录车辆的通过时间、实现车辆流量统计、采用倒计时的方式提醒司机快速通过车道等特点。
    本系统已在山西运城高速各路口安装使用，经过近半年来的实际测试和运行，系统工作可靠，对司乘人员与收费人员的密切配合和适时沟通起到了一定的积极作用，减轻了收费人员的工作量，特别是对夜间突然到访车辆实现提前提醒，有效提升了通行速度，提高了服务水平，增加了司乘人员对收费人员的满意度。
参考文献
[1] 张欢.高速公路计重收费关键问题研究[D]. 长沙：中南大学,2010.
[2] 许岩石,肖江.道路交通安全与运输效率关系研究[J]. 北方交通, 2007(8):88-90.
[3] 丁向荣. STC系列增强型8051单片机原理与应用[M]. 北京:电子工业出版社，2011.
[4] 张伟,李文魁,陈永冰.基于GM814X的单片机串口扩展及其应用[J].电子技术应用, 2012,38(9):96-99.
[5] 李煊,丁为.常用设备串口通信协议及其应用[J].自动化仪表, 2011，32(10):82-86.
[6] 周红标,蒋鼎国,柯永斌,等. 基于STC单片机和LabVIEW的心音信号检测系统[J].电子技术应用,2012,38(1):31-33,37.