【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 通過(guò)時(shí)，交通警察手動(dòng)控制給出緊急信號(hào)[3],交通燈信號(hào)的變換跳出原有正常順序坐下列變換：1．當(dāng)任意方向通行剩余時(shí)間多于10秒，將時(shí)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(hào)順序的下一個(gè)通行信號(hào)(跳過(guò)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(yǔ)和解釋信號(hào)狀態(tài)：在一個(gè)信號(hào)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(gè)狀態(tài)）。全紅狀態(tài)：所有信號(hào)燈的燈色均顯示為紅色的信號(hào)狀態(tài)（初始或復(fù)位后如此，也用于在緊急處理完成時(shí)短暫過(guò)度）。綠閃控制：綠燈信號(hào)以固定頻率閃爍的控制方式（以表明通行時(shí)間即將結(jié)束）。上面的術(shù)語(yǔ)[10]及解釋只是對(duì)于本文的設(shè)計(jì)所列，以方便描述，對(duì)于本論文所描述的信號(hào)燈控制系統(tǒng)，路口配時(shí)信息的來(lái)源，依靠在路口處的交警根據(jù)是否有重要車(chē)輛或突發(fā)情況來(lái)定。 交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 交通燈控制系統(tǒng)基本功能設(shè)置1．時(shí)間設(shè)置：以時(shí)間為變量控制交通燈的變換，以及狀態(tài)停留時(shí)間，和倒計(jì)時(shí)顯示。2．激活燈態(tài)設(shè)置：開(kāi)機(jī)后信號(hào)控制器立即執(zhí)行的燈色狀態(tài)(狀態(tài)：全紅，時(shí)間范圍:5~20秒)。3．綠燈結(jié)束：綠燈結(jié)束時(shí)的燈態(tài)(A：常態(tài)，B：綠閃)。4．紅黃過(guò)渡[9]：由紅燈變?yōu)榫G燈時(shí)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(guò)閃爍階段。6．交通燈控制系統(tǒng)自動(dòng)變換與手動(dòng)給出緊急信號(hào)。 燈組的設(shè)置燈組定義：東西方和南北方個(gè)為一大組，每組紅黃綠又個(gè)為單獨(dú)一個(gè)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?yàn)檫@是一個(gè)實(shí)際的交通燈控制系統(tǒng)。是不會(huì)出現(xiàn)東西南北都是綠色的等的。因此實(shí)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(shí)段設(shè)置根據(jù)設(shè)計(jì)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(jī)控制方法來(lái)解決此問(wèn)題，這種方法是將上面所說(shuō)狀態(tài)進(jìn)行編號(hào)，按順序產(chǎn)生這些狀態(tài)；狀態(tài)的延續(xù)時(shí)間則由程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)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(lái)實(shí)現(xiàn)。此設(shè)計(jì)的狀態(tài)機(jī)[3]如下：表 31 狀態(tài)機(jī)狀態(tài)編號(hào)信號(hào)燈狀態(tài)狀態(tài)定義保持時(shí)間（計(jì)數(shù)值，起始值，結(jié)束時(shí)間）計(jì)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?yàn)?—8 ，時(shí)間為112秒（計(jì)數(shù)值為448）沒(méi)4個(gè)計(jì)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(dāng)前計(jì)數(shù)值就可以確定當(dāng)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(shí)間，并可做相應(yīng)的處理，對(duì)于計(jì)數(shù)顯示，當(dāng)處于狀態(tài)*中時(shí)需要進(jìn)行倒計(jì)時(shí)，需要計(jì)算在此裝態(tài)中的計(jì)數(shù)值增量，根據(jù)增量判斷是否更新計(jì)數(shù)顯示。 硬件總體實(shí)現(xiàn)信號(hào)控制器的硬件結(jié)構(gòu)主要包括核心處理器DSP（TMC320VC5509）、復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD(XC95144)、顯示陣列及鍵盤(pán)、串行通訊接口MAX3232和燈模擬電路。PCMAX232CPLD(XC95144)DSPTMS320VC5509鍵盤(pán)電路存儲(chǔ)器信號(hào)燈電路和陣列顯示電路時(shí)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(fù)責(zé)控制、管理整個(gè)信號(hào)控制器的運(yùn)行，根據(jù)當(dāng)前時(shí)間及時(shí)段設(shè)置方案確定當(dāng)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(shí)鐘電路為DSP芯片提供的時(shí)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(shí)鐘電路，即在DSP芯片的X1和X2/CLKIN引腳之間接入一個(gè)晶體，用于啟動(dòng)內(nèi)部振蕩器。另一種方法是使用外部時(shí)鐘源的時(shí)鐘信號(hào)，即將外部時(shí)鐘源加到DSP芯片的X2/CLKIN引腳，而X1引腳懸空。本設(shè)計(jì)采用較為簡(jiǎn)便的方法（內(nèi)部的晶振器構(gòu)成時(shí)鐘電路）3．CPLD復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD是基于SRAM(EPROM)實(shí)時(shí)編程技術(shù)、通過(guò)利用SRAM構(gòu)成查找表(Look Up Table簡(jiǎn)寫(xiě)為L(zhǎng)UT)來(lái)實(shí)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(fù)責(zé)各種時(shí)序轉(zhuǎn)換和片選譯碼。4．串行通訊接口信號(hào)控制器的各種參數(shù)可由PC機(jī)設(shè)定，并通過(guò)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(pán)電路為了在無(wú)PC機(jī)的情況下，仍能實(shí)現(xiàn)信號(hào)控制器的現(xiàn)場(chǎng)配時(shí)，即交通警察可以根據(jù)路口狀態(tài)改變信號(hào)燈的變換。本設(shè)計(jì)提供了鍵盤(pán)和陣列顯示電路作為人機(jī)接口。6．非易失存儲(chǔ)器為使用戶(hù)所設(shè)定的配時(shí)信息掉電后不丟失，這里采用非易失存儲(chǔ)器AM29LV800[3]存儲(chǔ)信號(hào)控制器的各種參數(shù)。由于DSP的速度較快，所以存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)時(shí)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(jì)。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(jì)方案、硬件設(shè)計(jì)方案和軟件設(shè)計(jì)，更細(xì)致的問(wèn)題，諸如與DSP相關(guān)部分的設(shè)計(jì)將在以下章節(jié)中逐一進(jìn)行討論。第4章 硬件部分的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)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(pán)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(gè)部份組成：開(kāi)關(guān)電源電源和復(fù)位模塊TPS73HD301MAX708SCUA中央處理器DSP：TMS320VC5509CPLD：XC95144鍵盤(pán)及陣列顯示器模塊存儲(chǔ)器模塊為能記憶配置信息，采用非易失EPROM：AM29LV800時(shí)鐘模塊由內(nèi)部時(shí)鐘提供基準(zhǔn)時(shí)間PC機(jī)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(fù)位模塊為整個(gè)信號(hào)控制器提供電源，并且在系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)進(jìn)行復(fù)位，對(duì)系統(tǒng)起到保護(hù)作用。2．通訊模塊由于對(duì)設(shè)定參數(shù)無(wú)特殊要求，這里采用了比較常用的串口進(jìn)行通訊。波特率設(shè)定為9600bps，無(wú)奇偶校驗(yàn)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(shí)序由CPLD提供。4．儲(chǔ)存器模塊為能記憶配置信息，這里采用了EPROMAM29LV800。5．鍵盤(pán)及陣列顯示模塊提供人機(jī)接口，方便車(chē)輛了解狀態(tài)時(shí)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(hào)燈，模擬信號(hào)燈的狀態(tài)輸出。7．時(shí)鐘模塊由內(nèi)置晶振構(gòu)成的時(shí)鐘電路為系統(tǒng)提供時(shí)間基準(zhǔn)。 硬件各模塊的具體設(shè)計(jì) 復(fù)位電路設(shè)計(jì)在系統(tǒng)上電過(guò)程中，如果電源電壓還沒(méi)有穩(wěn)定，這時(shí)DSP進(jìn)入工作狀態(tài)可能造成不可預(yù)知的后果，甚至引起硬件損壞，解決這個(gè)問(wèn)題的方法是DSP在上電過(guò)程中保持復(fù)位狀態(tài)，因此有必要在系統(tǒng)中加入上電復(fù)位電路。上電復(fù)位電路的作用是保證上電可靠，并在用戶(hù)需要時(shí)實(shí)現(xiàn)手工復(fù)位。下面給出采用MAX708S[4]構(gòu)建的DSP復(fù)位電路，該復(fù)位電路可以提供低輸入電壓保護(hù)、復(fù)位時(shí)間延遲和手工復(fù)位等功能。圖 32 復(fù)位電路圖中DSPRET為DSP復(fù)位信號(hào)，INT為DSP低電壓報(bào)警信號(hào)，復(fù)位電路將向DSP發(fā)出低電壓中斷信號(hào)。 電源電路設(shè)計(jì)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(hào)不同而采用不同的電壓。 V兩種電平，我們可以采用一個(gè)TPS73HD301[3]來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)應(yīng)的電路連線如圖33所示：圖 33 電源電路 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)為DSP芯片提供的時(shí)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(shí)鐘電路，即在DSP芯片的X1和X2/CLKIN引腳之間接入一個(gè)晶體，用于啟動(dòng)內(nèi)部振蕩器。另一種方法是使用外部時(shí)鐘源的時(shí)鐘信號(hào)，即將外部時(shí)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(shí)鐘源可以采用頻率穩(wěn)定的晶體振蕩器，使用方便，價(jià)格便宜，但是設(shè)計(jì)較為繁瑣，而且本設(shè)計(jì)采用前一種方法完全可以很好的實(shí)現(xiàn)功能，并且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(shí)鐘電路，其連接方式如圖34所示：圖 34 使用外部時(shí)鐘源為了實(shí)現(xiàn)DSP系統(tǒng)實(shí)時(shí)處理信號(hào)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(shì)必要求時(shí)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(shí)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(hào)的頻率是輸入信號(hào)的頻率乘上一個(gè)倍數(shù)，正是PLL[1]把外部基準(zhǔn)頻率變成多種頻率提供給不同的具體系統(tǒng)，以滿(mǎn)足各種應(yīng)用的需要。PLL鎖定模式的時(shí)鐘具體設(shè)計(jì)請(qǐng)參考第五章第二節(jié)。 JTAG電路設(shè)計(jì)JTAG接口是DSP的調(diào)試接口，用戶(hù)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(guò)該接口可以查看DSP的存儲(chǔ)器、寄存器等的內(nèi)容，如果DSP連接了非易失存儲(chǔ)器，如Flash存儲(chǔ)器，還可以通過(guò)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，但需要一些外圍電路作為補(bǔ)充如上面所描述的時(shí)鐘電路、電源電路、JTAG電路，此外為了使系統(tǒng)功能更加強(qiáng)大還要外加輔助存儲(chǔ)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(jì)本文設(shè)計(jì)所選用的CPLD是Xilinx公司的XC95144芯片，它有144個(gè)宏單元，3200個(gè)可用邏輯門(mén)，100個(gè)輸入輸出引腳(81個(gè)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?xún)?nèi)，它的輸入寄存器建立時(shí)間非常短，而且能夠提供多個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘，具有可編程的速度／功率控制。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)所需的邏輯控制信號(hào)數(shù)目的分析，調(diào)試硬件時(shí)更改邏輯控制信號(hào)。按照邏輯系統(tǒng)所需的邏輯控制信號(hào)數(shù)目的分析，調(diào)試硬件時(shí)更改邏輯控制信號(hào)。按照邏輯關(guān)系，編寫(xiě)出邏輯控制方程，通過(guò)JTAG接口的在線動(dòng)態(tài)可編程用專(zhuān)用電纜下載后，即可實(shí)現(xiàn)邏輯控制。本設(shè)計(jì)中CPLD主要完成的功能有：對(duì)非易失存儲(chǔ)器Flash的控制、顯示陣列和信號(hào)燈模擬電路的控制，此外還和配合MAX232實(shí)現(xiàn)DSP與PC機(jī)之間的通訊[12]。它于這些電路的連接如圖37所示：其中MAX232實(shí)現(xiàn)電平邏輯轉(zhuǎn)換后通過(guò)8250升級(jí)串口（該串口受CPLD的控制）將數(shù)據(jù)送入總線驅(qū)動(dòng)器中，之后由總線驅(qū)動(dòng)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(jì)的主體部分是由DSP和CPLD組成，DSP主要完成對(duì)系統(tǒng)的控制，而CPLD則是配合DSP完成對(duì)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(jì)，對(duì)幾個(gè)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(jì)，包括電源電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路及JTAG接口電路等都進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)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(jì) CCS 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境DSP 芯片的開(kāi)發(fā)工具可以分為代碼生成工具和代碼調(diào)試工具兩類(lèi)。代碼生成工具的作用是將C語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言或兩者的混合語(yǔ)言編寫(xiě)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(duì)DSP程序及目標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，使之能夠達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。CCS(Code Composer Studio)代碼調(diào)試器是一種針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)TMS320 調(diào)試接口的集成開(kāi)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(shí)時(shí)分析工具，并支持設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的整個(gè)流程。它具有完全集成的開(kāi)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(tái)編輯，可對(duì)C語(yǔ)言源文件和DSP匯編語(yǔ)言文件的目標(biāo)管理，文件探針在算法中通過(guò)文件提取或加入信號(hào)和數(shù)據(jù)，并可以在后臺(tái)執(zhí)行DOS程序，具有強(qiáng)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(diǎn)觀察信號(hào)的圖形窗口探針和狀態(tài)觀察窗口。CCS可以進(jìn)行DSP/BIOS設(shè)置，這樣就可以設(shè)置全局運(yùn)行參數(shù)，并可以作為可視化編輯器，創(chuàng)建和設(shè)置目標(biāo)程序DSP/BIOS API所調(diào)用的運(yùn)行對(duì)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(jìn)行硬件仿真和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，控制程序運(yùn)行并監(jiān)控程序活動(dòng)，