【正文】 稍后又在紐約和芝加哥等城市，相繼重新出現(xiàn)了交通信號燈。它是三色圓形四面投影器，被安裝在紐約市五號街的一座高塔上，由于它的誕生，使城市交通大為改善。一天， 他站在繁華的十字路口等待綠燈信號，當(dāng)他看到紅燈而正要過去時，一輛轉(zhuǎn)彎的汽車呼地一聲擦身而過，嚇了他一身冷汗。他的建議立即得到有關(guān)方面的肯 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 定。 中國最早的馬路紅綠燈，是于 1928 年出現(xiàn)在上海的英租界。 交通 指揮燈是非裔美國人加萊特在 1923 年發(fā)明的。但是由于火車是按固定的時刻表以單列方式運行的，而且火車要停下來不是很容易，因此鐵路上使用的信號只有一種命令 ，通行。 開車的人誰也不愿意看到停車信號。他說：駕車者看到黃燈亮?xí)r，心里便暗暗作好加速的準(zhǔn)備。他把交叉路口稱作 “心理動力區(qū) ”。 新式的紅綠燈能將闖紅燈的人拍照下來。有的紅綠燈還具備監(jiān)測車輛行駛速度的功能。那時的交通燈只有紅、綠兩色，經(jīng)改良后，再增加一盞黃色的燈，紅燈表示停止，黃燈表示準(zhǔn)備，綠燈則表示通行。 我們的視網(wǎng)膜含有桿狀和三種錐狀感光細胞。由于這種視覺結(jié)構(gòu)，人最容易分辨紅色與綠色。所以，交通燈用什么顏色也是有大學(xué)問的呀！ 顏色也有活動 (activity)的含意，要表達熱或劇烈的話，最強是紅色，其次是黃色。因此，人們常以紅色代表危險，黃色代表警覺，綠色代表安全。所以我們用紅色表示禁止。路口的無緊急情況時，以時間為依據(jù)控制信號燈 ，使其 按照正常順序運行，而當(dāng)有緊急情況時則按照緊急處理規(guī)則改變信號燈的狀態(tài)變換。使信號燈能按預(yù)設(shè)的規(guī)律在不同情況下按要求有不同 的配置輸出，這就是交通燈信號控制器的基于 DSP 的設(shè)計與實現(xiàn)。通過課程設(shè)計一方面可鞏固已學(xué)過的理論知識，更重要的是給 了我 一次獨立設(shè)計的實踐機會，培養(yǎng) 了我 設(shè)計能力和實際工作能力，提高了 我 的 動手 能力。通過這次設(shè)計實踐工作，會使我學(xué)到許許多多書本上沒有的東西，讓我養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)、活潑的工作作風(fēng) 。 論文研究內(nèi)容 本文介紹 了一個智能交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計。 其詳細功能是在 路口的無緊急情況時，以時間為依據(jù)控制信號燈，使其按照正常順序運行，而當(dāng)有緊急情況時則按照緊急處理規(guī)則改變信號燈的狀態(tài)變換。使信號燈能按預(yù)設(shè)的規(guī)律在不同情況下按要求有不同的配置輸出，這就是交通燈信號控制器的基于 DSP 的設(shè)計與實現(xiàn)。研究對象為 單個路口控制，與 PC 機之間的的通信采用 MAX232 進行轉(zhuǎn)換。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 第 2章 DSP 芯片選擇 DSP的含義及其用途 自從 20 世紀(jì) 80 年代初期第一片數(shù)字信號處理器 (Digital Signal Processor)問世以來， DSP 就以數(shù)字器件特有的穩(wěn)定性、可重復(fù)性、可大規(guī)模集成，尤其是可編程性和易于實現(xiàn)自 適應(yīng)處理的特點，給數(shù)字信號處理的發(fā)展帶來巨大的機遇，使得信號處理手段更加靈活，功能更加強大。DSP 處理器是一類針對數(shù)字信號處理領(lǐng)域進行了優(yōu)化的微處理器。用 DSP 開發(fā)的產(chǎn)品其成本和風(fēng)險也比定制的 IC產(chǎn)品相對要低，特別是對于批量比較 少 的產(chǎn)品，如果用定制 IC 來實現(xiàn)開發(fā)成本將難以忍受。 DSP 有兩種解釋：其一是 Digital Signal Processing 的縮寫，即數(shù)字信號處理；其二是 Digital Signal Processor 即數(shù)字信號處理器的意思。后者數(shù)字信號處理器是用來完成數(shù)字信號處理要求的具有特殊結(jié)構(gòu)的一種微處理器，即我們經(jīng)常所說的 DSP 器件。實時信號處理是指系統(tǒng)必須在有限的時間內(nèi)隨外部輸入信號完成指定的處理功能，即信號處理速度應(yīng)當(dāng)大于信號更新 (傳輸 )速度。輸入信號可能是人的語音信號、傳真機信號或在數(shù)字鏈路中傳輸?shù)囊曨l圖像信號。數(shù)字信號處理一般是用DSP 芯片及其內(nèi)部運行的實時處理軟件對 A／ D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進行特定的處理。應(yīng)當(dāng)指出，并非所有的 DSP 系統(tǒng)都具有圖 21 模型中的部件。 圖 21 典型實時數(shù)字信號處理系統(tǒng)原理圖 輸入 A/D 轉(zhuǎn)換 數(shù)字信號 處理 D/A 轉(zhuǎn)換 平滑濾波 混疊濾波 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 5 DSP的基本硬件結(jié)構(gòu)特點 世界上有許多生產(chǎn) DSP 的廠家，如 TI公司的一系列 TMS320C54X、TMS320C6000和 TMS320C55X， 以及 Motoroal公司的 DSP56200等。 存儲器和總線結(jié)構(gòu) DSP處理器有著更高的存儲器帶寬。為解決對存儲器帶寬的需求問題， DSP處理器發(fā)展了新的存儲器和總線結(jié)構(gòu)，即哈佛結(jié)構(gòu)。哈佛結(jié)構(gòu)最通常的方法就是使用多個存儲器，每個存儲器都有自己的總線，不同的 是 存儲器在一個周期內(nèi)可以同時讀寫。這樣的安排使得處理器可以同時獲取指令和數(shù)據(jù)。這種分離的程序和數(shù)據(jù)總線，可允許同時獲得來自程序存儲器的指令字和來自數(shù)據(jù)存儲器的操作數(shù)而互不干擾，這樣使得其可以同時對數(shù)據(jù)和程序進行尋址。 圖 22 兩種存儲結(jié)構(gòu) 在改進的哈佛結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，大多數(shù) DSP芯片采用流水線技術(shù)，即每條指令的執(zhí)行劃分為 取指、譯碼、取數(shù)、執(zhí)行等步驟 [2]，由片內(nèi)多個功能單元分別完成。 尋址方式 和傳統(tǒng)的微處理器相比， DSP提供了更多的尋址方式，以適應(yīng) DSP的特定處理要求，更多的尋址方式使 DSP應(yīng)用方便靈活。還增加了位碼倒序?qū)ぶ?、循環(huán)尋址等功能。在傳統(tǒng)的微處理器上，必須通過軟件編程的方法來實現(xiàn)，消耗大量的存儲空間和 CPU周期。 DSP算法中的存儲器訪問模式往往是可以預(yù)知的。 DSP處理器的地址生成單元利用這種訪問模式的可預(yù)知性，可以支持特殊的尋址模式，使得在處理一些算法時，處理器能夠有效的訪問數(shù)據(jù) 。循環(huán)尋址對于 FIFO緩沖的實現(xiàn)也是非常有用的。其設(shè)計步驟為： 1． 算法模擬階段，即根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)目標(biāo)確定系統(tǒng)性能指標(biāo)。為了得到最佳系統(tǒng)性能，在這一步驟應(yīng)當(dāng)確定最佳處理方法。最終找到既能滿足設(shè)計需要，運算量又盡可能少的實現(xiàn)算法。根據(jù)算法要求 (運算速度、運算精度要求、存儲器要求等 )選擇 DSP芯片，設(shè)計實時 DSP系統(tǒng)。硬件設(shè)計主要根據(jù)系統(tǒng)要求設(shè)計 DSP芯片外圍電路和其他電路 (如轉(zhuǎn)換、控制、存儲、輸出等電路 )[4]。如果系統(tǒng)運算量不大，可以采用高級語言 C和匯編語言混合編程。硬件調(diào)試一般采用硬件仿 真器進行。通過比較在 DSP所執(zhí)行的實時程序和模擬程序執(zhí)行情況來判斷軟件設(shè)計是否正確。調(diào)試階段完成后，實時程序被固化在 EPROM或者Flash里面。只有選定了 DSP芯片，才能進一步設(shè)計其外圍電路及系統(tǒng)的其他電路。不同的 DSP應(yīng)用系統(tǒng)由于應(yīng)用場合和目的等不盡相同，對 DSP芯片 的選擇也是不同的。當(dāng)算法確定后其運算量和限定地完成時間就確定了。 DSP的運算速度可以用下面幾種指標(biāo)來衡量： 指令周期：即執(zhí)行一條指令所需要的時間，以納秒為單位。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 圖 23 DSP系統(tǒng)設(shè)計流程 MAC時間 [2]：即執(zhí)行一次乘法累加運算的時間。 FFT執(zhí)行時間：即運行一個 N點 FFT程序所需時間。 MIPS／ MFLOPS：其含義是每秒百萬條指令和每秒百萬條浮點操作。 2． 運算精度。一般定點 DSP芯片的字長為 l 6位或 24位，浮點字長位 32位。雖然適當(dāng)?shù)乃惴梢蕴岣?、保證運算精度，但要相應(yīng)增加程序復(fù)雜度和運算量。 3． 片內(nèi)硬件資源。幾個重要的考慮因素為：片內(nèi) RAM和 ROM、外部存儲器擴展空間、總線接口、 DMA通道、定時器、中斷、串口，主機通信，通用端口和 JTAG口等。 4． 芯片價格。一般成熟 穩(wěn)定的比較適中。在選擇芯片時考慮到芯 片的資源的可用性以及性價比，根據(jù) TI公司資料，一款中高檔的數(shù)字信號處理器 TMS320VC5509可以滿足本課題的要求。方案確定后，選擇 DSP處理器的型號是非常重要的一個環(huán)節(jié)。因此本系統(tǒng)選擇了 TI公司的 TMS320VC5509芯片，主要是基于以下幾個方面考慮的 [7]。 2 ． 片 上硬 件資源 ： TMS320VC5509 片內(nèi) RAM 容 量為 128K16 位。 3． 接口能力： TMS320VC5509的 McBSP[13]串行口具有靈活的接口能力，可以通過 McBSP串行口與 各種工業(yè)級串行設(shè)備 實現(xiàn)無縫連接。 4． 開發(fā)工具： TI公司為用戶提供了方便的開發(fā)系統(tǒng)，如集成開發(fā)環(huán)境 CCS，它支持軟件的仿真，用戶可以在制作目標(biāo)板之前，利用 CCS開發(fā)系統(tǒng)進行算法仿真。 TMS320VC5509 介紹 TMS320VC5509 是 TI公司推出的定點數(shù)字信號處理器 C55系列中的一種，TMS320VC5509 通過增加累加 MAC單元，增強了 DSP的運算能力，而且性能更好，功耗更低，是目前 TMS320 家族中最省電的芯片。其低功耗設(shè)計，比上一代 C54XX器件功耗低 30%左右；處理速度更快，雙核結(jié)構(gòu)，處理速度 400MIPS；軟件程序兼容 C54XX DSP。實驗箱上帶有 IcETEK— cRT顯示控制模塊，實驗箱上有紅、黃、綠三種顏色十二只指示燈可供模擬交通燈用。 本章小結(jié) 本 章主要對 DSP做了一些簡介，首先介紹了 DSP的含義和基本的硬件結(jié)構(gòu)以及芯片的一些特點，之后簡略介紹了 DSP系統(tǒng)的設(shè)計流程以及對 DSP芯片選擇所要關(guān)注的標(biāo)準(zhǔn)，最后綜合說明了本設(shè)計所選擇地 DSP芯片，并且對所選的芯片做了簡要的介紹。上位機主要為用戶提供一個良好的人機交互界面，把各種配時信息通過串口下載到下位機的非易失存儲器中，以便下位機按配時信息確定路口狀態(tài)，另外，上位機也提供系統(tǒng)一些控制信息的設(shè)定，如復(fù)位信號控制器、輸出燈 組有效及燈組 須 序設(shè)定等；下位機主要完成整個信號控制器的各路信號燈輸出狀態(tài)的控制，保證路口按預(yù)先設(shè)定的方案運轉(zhuǎn)。 交通燈控制系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容 交通燈的運行實例 實例如圖 31 所示： 圖 31 交通燈實例 首先以一個路口為例簡單介紹交通燈信號控制的運行情況。 路口 北 路口 西 路口 南 路口 東 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 交通燈 分為紅黃綠三色，東、南、西、北各一組，用燈光信號實現(xiàn)對交通的控制：綠燈信號表示通行，黃燈表示警告，紅燈禁止通行，燈光閃爍表示信號即將改變。 交通 通控制信號順序如下： 1． 南北方向綠燈，東西紅燈 (20秒 )。 3． 南北方向黃燈。 5． 東西方向綠燈 (20秒 )。 7． 東兩方向黃燈。 而當(dāng)有緊急情況時則做緊急情況處理：當(dāng)重要車隊通過或 急救車通過時，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(dāng)任意方向通行剩余時間多于 10秒，將時間改成 10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) )。 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)）。 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）。 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。 3．綠燈結(jié)束：綠燈結(jié)束時的燈態(tài) (A：常態(tài)， B：綠閃 )。 5．常態(tài)：燈態(tài)之間直接變換不經(jīng)過閃爍階段。 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。 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)。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 。 3. 南北方向黃燈 亮， 東西 方向 紅燈 亮 。 5. 南北方向紅燈 亮， 東西方向綠燈 亮 。 7. 南北方向紅燈 亮， 東兩方向黃燈 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)。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 statusNSGreenEWRed 20s(160,0,159) 200 2 南北綠閃， 東西紅 statusNSFlashEWRed 6s(24,160,183) 0 3 南北黃， 東西紅 statusNSYellowEWRed 4s(16,184,199) 20 4 南北紅， 東西黃 statusNSRedEWYellow 4s (16,200,215) 20 5 南北紅， 東西綠 statusNSRedEWGreen 20s(160,216,375) 201 6 南北紅 , 東西綠閃 statusNSRedEWFlash 6s (24,376,399) 0 7 南北紅， 東西黃 sta