【正文】 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。由于這種視覺結構，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。使信號燈能按預設的規(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的設計與實現(xiàn)。通過課程設計一方面可鞏固已學過的理論知識，更重要的是給了我一次獨立設計的實踐機會，培養(yǎng)了我設計能力和實際工作能力，提高了我的動手能力。通過這次設計實踐工作，會使我學到許許多多書本上沒有的東西，讓我養(yǎng)成嚴謹、活潑的工作作風。 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。使信號燈能按預設的規(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進行轉換。第2章 DSP芯片選擇 DSP的含義及其用途自從20世紀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、可重復性、可大規(guī)模集成，尤其是可編程性和易于實現(xiàn)自適應處理的特點，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構的一種微處理器，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，即信號處理速度應當大于信號更新(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轉換后的數(shù)字信號進行特定的處理。應當指出，并非所有的DSP系統(tǒng)都具有圖21模型中的部件。輸入A/D轉換數(shù)字信號處理D/A轉換平滑濾波混疊濾波圖 21 典型實時數(shù)字信號處理系統(tǒng)原理圖 DSP的基本硬件結構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。 存儲器和總線結構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構，即哈佛結構。哈佛結構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。馮諾依曼結構總線通用處理器核程序/數(shù)據(jù)存儲器總線程序存儲器數(shù)據(jù)存儲器DSP處理器核總線哈佛結構圖 22 兩種存儲結構在改進的哈佛結構的基礎上，大多數(shù)DSP芯片采用流水線技術，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DSP的特定處理要求，更多的尋址方式使DSP應用方便靈活。還增加了位碼倒序尋址、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知的。DSP處理器的地址生成單元利用這種訪問模式的可預知性，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。其設計步驟為：1．算法模擬階段，即根據(jù)應用系統(tǒng)目標確定系統(tǒng)性能指標。為了得到最佳系統(tǒng)性能，在這一步驟應當確定最佳處理方法。最終找到既能滿足設計需要，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，設計實時DSP系統(tǒng)。硬件設計主要根據(jù)系統(tǒng)要求設計DSP芯片外圍電路和其他電路(如轉換、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，才能進一步設計其外圍電路及系統(tǒng)的其他電路。不同的DSP應用系統(tǒng)由于應用場合和目的等不盡相同，對DSP芯片的選擇也是不同的。當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。設計需要規(guī)范確定設計目標算法研究與系統(tǒng)模擬實現(xiàn)定義系統(tǒng)性能指標DSP芯片選擇硬件設計硬件調(diào)試軟件編程軟件調(diào)試系統(tǒng)集成和測試圖 23 DSP系統(tǒng)設計流程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?shù)乃惴梢蕴岣?、保證運算精度，但要相應增加程序復雜度和運算量。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。其低功耗設計，比上一代C54XX器件功耗低30%左右；處理速度更快，雙核結構，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構以及芯片的一些特點，之后簡略介紹了DSP系統(tǒng)的設計流程以及對DSP芯片選擇所要關注的標準，最后綜合說明了本設計所選擇地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)一些控制信息的設定，如復位信號控制器、輸出燈組有效及燈組須序設定等；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，保證路口按預先設定的方案運轉。 交通燈控制系統(tǒng)的相關內(nèi)容 交通燈的運行實例實例如圖31所示：路口北路口西路口南路口東圖 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。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。而當有緊急情況時則做緊急情況處理：當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束）。 交通燈控制系統(tǒng)的設計要求 交通燈控制系統(tǒng)基本功能設置1．時間設置：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．綠燈結束：綠燈結束時的燈態(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。 階段設置與時段設置根據(jù)設計要求，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)。 硬件總體實現(xiàn)信號控制器的硬件結構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。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。本設計采用較為簡便的方法（內(nèi)部的晶振器構成時鐘電路）3．CPLD復雜可編程邏輯器件CPLD是基于SRAM(EPROM)實時編程技術、通過利用SRAM構成查找表(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。4．串行通訊接口信號控制器的各種參數(shù)可由PC機設定，并通過串口下載到DSP中。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。6．非易失存儲器為使用戶所設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)。 本章小結本章主要是基于DSP的交通等控制系統(tǒng)的總體方案設計。第4章 硬件部分的設計本設計的硬件主要由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。2．通訊模塊由于對設定參數(shù)無特殊要求，這里采用了比較常用的串口進行通訊。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。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。7．時鐘模塊由內(nèi)置晶振構成的時鐘電路