【文章內(nèi)容簡介】 通過時，交通警察手動控制給出緊急信號[3],交通燈信號的變換跳出原有正常順序坐下列變換：1．當任意方向通行剩余時間多于10秒，將時間改成10秒。2．正常變換到四面紅燈(20秒)。3．直接返回正常信號順序的下一個通行信號(跳過閃爍綠燈、黃燈狀態(tài))。在緊急情況處理完畢后再回到正常順序。 術(shù)語和解釋信號狀態(tài)：在一個信號周期內(nèi)，東西、南北所顯示的交通燈的狀態(tài)（即紅黃綠中的一個狀態(tài)）。全紅狀態(tài)：所有信號燈的燈色均顯示為紅色的信號狀態(tài)（初始或復位后如此，也用于在緊急處理完成時短暫過度）。綠閃控制：綠燈信號以固定頻率閃爍的控制方式（以表明通行時間即將結(jié)束）。上面的術(shù)語[10]及解釋只是對于本文的設(shè)計所列，以方便描述，對于本論文所描述的信號燈控制系統(tǒng)，路口配時信息的來源，依靠在路口處的交警根據(jù)是否有重要車輛或突發(fā)情況來定。 交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計要求 交通燈控制系統(tǒng)基本功能設(shè)置1．時間設(shè)置：以時間為變量控制交通燈的變換，以及狀態(tài)停留時間，和倒計時顯示。2．激活燈態(tài)設(shè)置：開機后信號控制器立即執(zhí)行的燈色狀態(tài)(狀態(tài)：全紅，時間范圍:5~20秒)。3．綠燈結(jié)束：綠燈結(jié)束時的燈態(tài)(A：常態(tài)，B：綠閃)。4．紅黃過渡[9]：由紅燈變?yōu)榫G燈時的燈態(tài)(A：常態(tài)，B：紅黃同亮)。5．常態(tài)：燈態(tài)之間直接變換不經(jīng)過閃爍階段。6．交通燈控制系統(tǒng)自動變換與手動給出緊急信號。 燈組的設(shè)置燈組定義：東西方和南北方個為一大組，每組紅黃綠又個為單獨一個燈組。所以共形成下列6組。1．東西紅 2．東西黃 3．東西綠 4．南北紅 5．南北黃 6．南北綠但是他們所組成的狀態(tài)組合不是任意的因為這是一個實際的交通燈控制系統(tǒng)。是不會出現(xiàn)東西南北都是綠色的等的。因此實際可能的交通燈組合狀態(tài)只有下列狀態(tài)：1. 南北方向綠燈亮， 東西方向紅燈亮。2. 南北方向綠燈閃爍， 東西方向紅燈亮。3. 南北方向黃燈亮， 東西方向紅燈亮。4. 南北方向紅燈亮， 東西方向黃燈亮。5. 南北方向紅燈亮， 東西方向綠燈亮。6. 南北方向紅燈亮， 東西方向綠燈閃爍。7. 南北方向紅燈亮， 東兩方向黃燈亮。8. 南北方向紅燈亮， 東兩方向紅燈亮。 階段設(shè)置與時段設(shè)置根據(jù)設(shè)計要求，由于控制是有不同的各種狀態(tài)按順序發(fā)生的，我們可以采用狀態(tài)機控制方法來解決此問題，這種方法是將上面所說狀態(tài)進行編號，按順序產(chǎn)生這些狀態(tài)；狀態(tài)的延續(xù)時間則由程序來實現(xiàn)。對于突發(fā)情況，可以采用在正常順序中插入特殊控制序列方法來實現(xiàn)。此設(shè)計的狀態(tài)機[3]如下：表 31 狀態(tài)機狀態(tài)編號信號燈狀態(tài)狀態(tài)定義保持時間（計數(shù)值，起始值，結(jié)束時間）計數(shù)顯示1南北綠， 東西紅statusNSGreenEWRed20s(160,0,159)2002南北綠閃，東西紅statusNSFlashEWRed6s(24,160,183)03南北黃， 東西紅statusNSYellowEWRed4s(16,184,199)204南北紅， 東西黃statusNSRedEWYellow4s (16,200,215)205南北紅， 東西綠statusNSRedEWGreen20s(160,216,375)2016南北紅, 東西綠閃statusNSRedEWFlash6s (24,376,399)07南北紅， 東西黃statusNSRedEWYellow4s(16,400,415)208南北黃， 東西紅statusNSYellowEWRed4s(16,416,431)20*南北紅， 東西紅statusNSRedEWRed20s(160,0,159)201其中，正常順序為1—8 ，時間為112秒（計數(shù)值為448）沒4個計數(shù)值為1秒，狀態(tài)“*”則是非順序狀態(tài)。這樣，只要根據(jù)當前計數(shù)值就可以確定當前的狀態(tài)，根據(jù)此狀態(tài)給出等組的狀態(tài)以及顯示時間，并可做相應的處理，對于計數(shù)顯示，當處于狀態(tài)*中時需要進行倒計時，需要計算在此裝態(tài)中的計數(shù)值增量，根據(jù)增量判斷是否更新計數(shù)顯示。 硬件總體實現(xiàn)信號控制器的硬件結(jié)構(gòu)主要包括核心處理器DSP（TMC320VC5509）、復雜可編程邏輯器件CPLD(XC95144)、顯示陣列及鍵盤、串行通訊接口MAX3232和燈模擬電路。PCMAX232CPLD(XC95144)DSPTMS320VC5509鍵盤電路存儲器信號燈電路和陣列顯示電路時鐘電路圖 23 硬件結(jié)構(gòu)框圖1．核心處理器DSP本系統(tǒng)以TMS320VC5509作為核心處理器，它負責控制、管理整個信號控制器的運行，根據(jù)當前時間及時段設(shè)置方案確定當前的狀態(tài)方案或處理方案，從而控制路口的交通燈按照先前配要求指示路口的放行狀況。2．時鐘電路為DSP芯片提供的時鐘一般有兩種方法：一種是利用DSP芯片內(nèi)部的晶振器構(gòu)成時鐘電路，即在DSP芯片的X1和X2/CLKIN引腳之間接入一個晶體，用于啟動內(nèi)部振蕩器。另一種方法是使用外部時鐘源的時鐘信號，即將外部時鐘源加到DSP芯片的X2/CLKIN引腳，而X1引腳懸空。本設(shè)計采用較為簡便的方法（內(nèi)部的晶振器構(gòu)成時鐘電路）3．CPLD復雜可編程邏輯器件CPLD是基于SRAM(EPROM)實時編程技術(shù)、通過利用SRAM構(gòu)成查找表(Look Up Table簡寫為LUT)來實現(xiàn)數(shù)字邏輯功能的大規(guī)模集成可編程邏輯器件。主要負責各種時序轉(zhuǎn)換和片選譯碼。4．串行通訊接口信號控制器的各種參數(shù)可由PC機設(shè)定，并通過串口下載到DSP中。，所以采用MAX3232作為電平轉(zhuǎn)換芯片。5．陣列顯示及鍵盤電路為了在無PC機的情況下，仍能實現(xiàn)信號控制器的現(xiàn)場配時，即交通警察可以根據(jù)路口狀態(tài)改變信號燈的變換。本設(shè)計提供了鍵盤和陣列顯示電路作為人機接口。6．非易失存儲器為使用戶所設(shè)定的配時信息掉電后不丟失，這里采用非易失存儲器AM29LV800[3]存儲信號控制器的各種參數(shù)。由于DSP的速度較快，所以存儲器的讀寫時序由CPLD配合DSP完成。 本章小結(jié)本章主要是基于DSP的交通等控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計。主要從系統(tǒng)的總體出發(fā)，分別介紹了系統(tǒng)總體設(shè)計方案、硬件設(shè)計方案和軟件設(shè)計，更細致的問題，諸如與DSP相關(guān)部分的設(shè)計將在以下章節(jié)中逐一進行討論。第4章 硬件部分的設(shè)計本設(shè)計的硬件主要由DSP和CPLD組成,其它各模塊由兩者共同控制鍵盤作為輸入，液晶屏及燈板作為輸出。 硬件組成硬件結(jié)構(gòu)圖如圖31所示,從圖可以看出,系統(tǒng)主要由以下幾個部份組成：開關(guān)電源電源和復位模塊TPS73HD301MAX708SCUA中央處理器DSP：TMS320VC5509CPLD：XC95144鍵盤及陣列顯示器模塊存儲器模塊為能記憶配置信息，采用非易失EPROM：AM29LV800時鐘模塊由內(nèi)部時鐘提供基準時間PC機通訊模塊RS232接口輸出燈模塊CPLD輸出，接入交通燈 圖 31 硬件結(jié)構(gòu)圖1．電源和復位模塊為整個信號控制器提供電源，并且在系統(tǒng)出現(xiàn)異常時進行復位，對系統(tǒng)起到保護作用。2．通訊模塊由于對設(shè)定參數(shù)無特殊要求，這里采用了比較常用的串口進行通訊。波特率設(shè)定為9600bps，無奇偶校驗位，數(shù)據(jù)位為8位。3．處理系統(tǒng)CPU采用TM320VC5509 作為芯片控制元件，地址分配及邏輯時序由CPLD提供。4．儲存器模塊為能記憶配置信息，這里采用了EPROMAM29LV800。5．鍵盤及陣列顯示模塊提供人機接口，方便車輛了解狀態(tài)時間，以及給交警控制路口狀態(tài)的按鍵接口。6．輸出燈模塊以發(fā)光二極管代替信號燈，模擬信號燈的狀態(tài)輸出。7．時鐘模塊由內(nèi)置晶振構(gòu)成的時鐘電路為系統(tǒng)提供時間基準。 硬件各模塊的具體設(shè)計 復位電路設(shè)計在系統(tǒng)上電過程中，如果電源電壓還沒有穩(wěn)定，這時DSP進入工作狀態(tài)可能造成不可預知的后果，甚至引起硬件損壞，解決這個問題的方法是DSP在上電過程中保持復位狀態(tài)，因此有必要在系統(tǒng)中加入上電復位電路。上電復位電路的作用是保證上電可靠，并在用戶需要時實現(xiàn)手工復位。下面給出采用MAX708S[4]構(gòu)建的DSP復位電路，該復位電路可以提供低輸入電壓保護、復位時間延遲和手工復位等功能。圖 32 復位電路圖中DSPRET為DSP復位信號，INT為DSP低電壓報警信號，復位電路將向DSP發(fā)出低電壓中斷信號。 電源電路設(shè)計C55x芯片電源包括內(nèi)核電源和外部接口電源，內(nèi)核則根據(jù)型號不同而采用不同的電壓。 V兩種電平，我們可以采用一個TPS73HD301[3]來實現(xiàn)。對應的電路連線如圖33所示：圖 33 電源電路 時鐘電路設(shè)計為DSP芯片提供的時鐘一般有兩種方法：一種是利用DSP芯片內(nèi)部的晶振器構(gòu)成時鐘電路，即在DSP芯片的X1和X2/CLKIN引腳之間接入一個晶體，用于啟動內(nèi)部振蕩器。另一種方法是使用外部時鐘源的時鐘信號，即將外部時鐘源加到DSP芯片的X2/CLKIN引腳，而X1引腳懸空。后一種方法中外部時鐘源可以采用頻率穩(wěn)定的晶體振蕩器，使用方便，價格便宜，但是設(shè)計較為繁瑣，而且本設(shè)計采用前一種方法完全可以很好的實現(xiàn)功能，并且設(shè)計簡單。因此本系統(tǒng)采用前一種方法，即使用內(nèi)部晶振器構(gòu)成時鐘電路，其連接方式如圖34所示：圖 34 使用外部時鐘源為了實現(xiàn)DSP系統(tǒng)實時處理信號的效果，希望系統(tǒng)頻率越快越好。傳統(tǒng)方式采用的2分頻或4分頻，勢必要求時鐘頻率很高，在這里采用了更加靈活的可編程鎖相環(huán)(PLL)，在此模式下輸出時鐘頻率可以由以下公式確定：輸出頻率/輸入頻率=PLL MULT/(PLL DIV+1)PLL具有倍頻和分頻的功能，其輸出信號的頻率是輸入信號的頻率乘上一個倍數(shù)，正是PLL[1]把外部基準頻率變成多種頻率提供給不同的具體系統(tǒng)，以滿足各種應用的需要。PLL鎖定模式的時鐘具體設(shè)計請參考第五章第二節(jié)。 JTAG電路設(shè)計JTAG接口是DSP的調(diào)試接口，用戶可以利用JTAG接口完成程序的下載、調(diào)試和調(diào)試信息輸出，通過該接口可以查看DSP的存儲器、寄存器等的內(nèi)容，如果DSP連接了非易失存儲器，如Flash存儲器，還可以通過JTAG接口[4]完成芯片的燒錄。JTAG接口的連接方法如圖35所示：圖 35 JTAG接口的連接方法 DSP與外圍電路的連接DSP作為主要芯片對系統(tǒng)進行控制，但需要一些外圍電路作為補充如上面所描述的時鐘電路、電源電路、JTAG電路，此外為了使系統(tǒng)功能更加強大還要外加輔助存儲器等等。DSP（TMS320VC5509）的外圍電路連線如圖36所示： CPLD及相關(guān)電路設(shè)計本文設(shè)計所選用的CPLD是Xilinx公司的XC95144芯片，它有144個宏單元，3200個可用邏輯門，100個輸入輸出引腳(81個可用I／O引腳)。這一基于EEPROM的器件能夠提供組合和傳輸延遲在15 ns以內(nèi)，它的輸入寄存器建立時間非常短，而且能夠提供多個系統(tǒng)時鐘，具有可編程的速度／功率控制。通過對系統(tǒng)所需的邏輯控制信號數(shù)目的分析，調(diào)試硬件時更改邏輯控制信號。按照邏輯系統(tǒng)所需的邏輯控制信號數(shù)目的分析，調(diào)試硬件時更改邏輯控制信號。按照邏輯關(guān)系，編寫出邏輯控制方程，通過JTAG接口的在線動態(tài)可編程用專用電纜下載后，即可實現(xiàn)邏輯控制。本設(shè)計中CPLD主要完成的功能有：對非易失存儲器Flash的控制、顯示陣列和信號燈模擬電路的控制，此外還和配合MAX232實現(xiàn)DSP與PC機之間的通訊[12]。它于這些電路的連接如圖37所示：其中MAX232實現(xiàn)電平邏輯轉(zhuǎn)換后通過8250升級串口（該串口受CPLD的控制）將數(shù)據(jù)送入總線驅(qū)動器中，之后由總線驅(qū)動器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入到DSP芯片中。 DSP與CPLD之間的連接本設(shè)計的主體部分是由DSP和CPLD組成，DSP主要完成對系統(tǒng)的控制，而CPLD則是配合DSP完成對外圍設(shè)備的選擇以及邏輯轉(zhuǎn)換等等，他們共同組成本系統(tǒng)的核心。DSP與CPLD之間的連接圖如圖38所示： 本章小結(jié)本章主要討論了基于DSP的交通等控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計，對幾個主要部分的硬件電路，包括TMS320VC540XC95144和它們之間的接口電路以及DSP硬件系統(tǒng)的基本設(shè)計，包括電源電路、復位電路、時鐘電路及JTAG接口電路等都進行了詳細的設(shè)計和分析。圖 36 DSP的外圍電路圖 37 CPLD的外圍電路連接圖 38 DSP與CPLD之間的連接圖第5章 軟件部分的設(shè)計 CCS 集成開發(fā)環(huán)境DSP 芯片的開發(fā)工具可以分為代碼生成工具和代碼調(diào)試工具兩類。代碼生成工具的作用是將C語言、匯編語言或兩者的混合語言編寫的DSP 源代碼程序編譯、匯編并鏈接成可執(zhí)行的DSP代碼，它包括C編譯器、匯編器和鏈接器。代碼調(diào)試工具的作用是對DSP程序及目標系統(tǒng)進行調(diào)試，使之能夠達到設(shè)計目標。CCS(Code Composer Studio)代碼調(diào)試器是一種針對標準TMS320 調(diào)試接口的集成開發(fā)環(huán)境IDE(Integrated Development Environment )，由 TI公司推出，包含源代碼編輯工具、代碼調(diào)試工具、可執(zhí)行代碼生成工具和實時分析工具，并支持設(shè)計和開發(fā)的整個流程。它具有完全集成的開發(fā)環(huán)境，高度集成的源代碼編輯器，支持編輯和調(diào)試的后臺編輯，可對C語言源文件和DSP匯編語言文件的目標管理，文件探針在算法中通過文件提取或加入信號和數(shù)據(jù)，并可以在后臺執(zhí)行DOS程序，具有強大的圖形分析功能，方便的代數(shù)分解窗口，有在任何算法點觀察信號的圖形窗口探針和狀態(tài)觀察窗口。CCS可以進行DSP/BIOS設(shè)置，這樣就可以設(shè)置全局運行參數(shù)，并可以作為可視化編輯器，創(chuàng)建和設(shè)置目標程序DSP/BIOS API所調(diào)用的運行對性屬性，包括硬件中斷、軟件中斷、文件流、I/O通道和事件日志等；CCS可以進行硬件仿真和實時數(shù)據(jù)交換，控制程序運行并監(jiān)控程序活動，