基于ARM的車輛檢測(cè)系統(tǒng)控制單元設(shè)計(jì)

摘  要：本文介紹了利用ARM7內(nèi)核微處理器LPC2114設(shè)計(jì)的高速公路車輛檢測(cè)系統(tǒng)控制單元，著重分析了大容量Flash存儲(chǔ)單元的設(shè)計(jì)和ARM開發(fā)相關(guān)注意事項(xiàng)，給出了系統(tǒng)原理框圖、單元電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)思想。
關(guān)鍵詞：ARM微處理器；LPC2114；Flash存儲(chǔ)；車輛檢測(cè)系統(tǒng)

引言
    由于交通需求的不斷增加，有越來越多的環(huán)形感應(yīng)線圈檢測(cè)器用于交通檢測(cè)。這些埋設(shè)在道路表面下的線圈可以檢測(cè)到車輛通過時(shí)的電磁變化進(jìn)而精確地算出交通流量。交通流量是交通統(tǒng)計(jì)和交通規(guī)劃的基本數(shù)據(jù)，通過這些檢測(cè)結(jié)果可以用來計(jì)算占用率(表征交通密度)，在使用雙線圈模式時(shí)還可以提供速度、車輛行駛方向、車型分類等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對(duì)于交通管理和統(tǒng)計(jì)是極為重要的。通常高速公路車輛檢測(cè)系統(tǒng)由多通道環(huán)形檢測(cè)單元LD4和控制單元CCU組成，本文采用PHILIPS公司最新推出的ARM7內(nèi)核微處理器LPC2114設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了車輛檢測(cè)系統(tǒng)控制單元部分，并且和5個(gè)LD4環(huán)形檢測(cè)器一起構(gòu)成10通道高速公路車輛檢測(cè)系統(tǒng)，其原理框圖如圖1所示。

圖1 車輛檢測(cè)系統(tǒng)原理框圖

圖2 控制板系統(tǒng)原理框圖

圖3 LPC2114和電子硬盤連線示意圖圖

圖4  主程序流程圖

總體方案設(shè)計(jì)
    本文設(shè)計(jì)的控制板系統(tǒng)原理框圖如圖2所示，以LPC2114為核心控制單元，該芯片是一種支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16/32位基于ARM7TDMI-S 內(nèi)核的CPU。內(nèi)部集成了4路10 位A/D轉(zhuǎn)換器，兩個(gè)32位定時(shí)器、一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘和看門狗，多個(gè)串行接口，包括兩個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的UART、高速和兩個(gè)SPI總線接口，外部多達(dá)46個(gè)與TTL電平兼容的通用I/O口，非常適用于作為主控單元。CPLD EPM7128作為微處理器的擴(kuò)展輸入/輸出，通過光電耦合和LD4標(biāo)準(zhǔn)定義總線相連，該標(biāo)準(zhǔn)定義的總線基于RS-485總線通信協(xié)議。LD4和控制板通過標(biāo)準(zhǔn)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，控制板每隔10秒掃描并發(fā)送一次請(qǐng)求數(shù)據(jù)的命令，相應(yīng)LD4通道返回請(qǐng)求數(shù)據(jù)或者無效信息，ARM處理器對(duì)獲得的各通道數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)運(yùn)算處理。每隔用戶設(shè)定的間隔時(shí)間就將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于靜態(tài)RAM，供中心站定時(shí)獲取，同時(shí)，以分鐘為單位將統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)備份至Flash電子硬盤中。中心站可以通過請(qǐng)求備份數(shù)據(jù)命令獲取相應(yīng)時(shí)間段的數(shù)據(jù)，并存入數(shù)據(jù)庫。中心站和控制板采用RS-232串口方式通信，利用調(diào)制解調(diào)器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。為了解決大容量存儲(chǔ)問題，系統(tǒng)使用了三星公司提供的K9F2808來作為電子硬盤，16MB的容量能夠存儲(chǔ)11天備份數(shù)據(jù)，并且該電子硬盤能夠靈活升級(jí)。

LPC2114與電子硬盤的接口實(shí)現(xiàn)
     為了防止傳輸及中心站故障等問題而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，系統(tǒng)要求對(duì)一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中需要考慮大容量存儲(chǔ)問題。

    設(shè)定本系統(tǒng)每分鐘需要備份一次統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，根據(jù)環(huán)形檢測(cè)器LD4的數(shù)據(jù)格式，一次數(shù)據(jù)量為1026B，若采用靜態(tài)RAM作為存儲(chǔ)單元，需要多片大容量RAM級(jí)聯(lián)使用，價(jià)格昂貴，且存儲(chǔ)容量擴(kuò)展困難。若使用動(dòng)態(tài)RAM作為存儲(chǔ)單元，缺點(diǎn)在于控制困難，需要?jiǎng)討B(tài)RAM控制器輔助操作。Flash作為存儲(chǔ)器使用簡(jiǎn)單，容量大，盡管使用壽命有限，考慮到系統(tǒng)每1分鐘存儲(chǔ)1026B，就16MB容量而言，11天左右寫滿一次，那么一個(gè)月擦寫約3次，以此計(jì)算，一年擦寫約36次，而Flash壽命一般為擦寫10萬余次，所以本系統(tǒng)完全可以采用Flash作為電子硬盤用在車輛檢測(cè)系統(tǒng)中。另外，F(xiàn)lash還具有掉電非易失特性，更適合應(yīng)用于本系統(tǒng)。

    為了便于存儲(chǔ)容量的升級(jí)擴(kuò)展，本系統(tǒng)選用K9F2808作為存儲(chǔ)器。K9F2808為48腳表面封裝器件，芯片內(nèi)部有(16M+512K)×8 bit的存儲(chǔ)空間，可組成32768行，528列，其中后備的16列的列地址編碼為513~527，可進(jìn)行528字節(jié)為一頁的讀、寫和32頁為一塊的擦除操作。此外，K9F2808的特點(diǎn)還在于其命令、地址和數(shù)據(jù)信息均通過8條I/O總線傳輸，接口標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，易于存儲(chǔ)容量升級(jí)。

    圖3為L(zhǎng)PC2114和Flash電子硬盤之間的連線示意圖，由于LPC2114沒有外部總線，所以對(duì)Flash操作只能采用I/O操作方式。K9F2808各種操作具有共同特點(diǎn)，即在I/O端口首先發(fā)送操作命令字到命令寄存器，其后的連續(xù)3個(gè)周期發(fā)送需要操作單元的地址，順序?yàn)椋篈0~A7，A9~A16，A17~A23，其中A8由命令字確定。

    下面以頁編程操作為例，給出K9F2808的ARM驅(qū)動(dòng)程序(基于ADS1.2開發(fā)環(huán)境)，而頁讀以及塊擦除等方法與頁編程類似，只是讀是由#RE信號(hào)來鎖存數(shù)據(jù)，而擦除時(shí)只須送兩個(gè)周期的地址。

row_add為頁號(hào)，需要左移9位得到行地址。erase_flash( )——擦除Flash函數(shù)
write_command( )——寫命令函數(shù)
write_address( )——寫地址函數(shù)
write_data( )——寫數(shù)據(jù)函數(shù)
read_data( )——讀數(shù)據(jù)函數(shù)
void  flash_store(uint32 row_add, uint8 *buffer )
{ uint16 i;
 uint32 statue,address;
//變量定義
 IO0DIR |= 0x00ff0000;
//設(shè)定IO方向
 if((row_add== 0)|| ((row_add%32)==0))
 {address = row_add<<9;
 address &= 0x00fffe00;
 erase_flash(address);}
//擦除Flash
 write_command(0x80);
//寫命令80H
 address = row_add<<9;
 address &= 0x00fffe00;
 write_address(address);
//寫地址
 statue = IO0PIN;
//獲取狀態(tài)
 while((statue&fr_b)==0)
 {statue = IO0PIN;}
//忙，等待
 for(i=0;i<528;i++)
//寫528字節(jié)
 {write_data(*(buffer+i));}
//寫入數(shù)據(jù)
 write_command(0x10);
//寫命令10H
 statue = IO0PIN;
//獲取狀態(tài)
 while((statue&fr_b)==0)
 {statue = IO0PIN;}
//忙，等待
 write_command(0x70);   
//寫命令70H
 statue = read_data();        
//獲取狀態(tài)
 if(statue&0x01)
 {IO0SET |= errorled;}     
//操作失敗
}

LPC2114串口通信實(shí)現(xiàn)
    控制系統(tǒng)通過LPC2114的兩個(gè)UART實(shí)現(xiàn)和LD4以及中心站的數(shù)據(jù)交換，兩個(gè)UART具備觸發(fā)點(diǎn)可調(diào)的16B收發(fā)FIFO。其中，UART1比UART0增加了調(diào)制解調(diào)器接口。UART的基本操作方法和傳統(tǒng)51內(nèi)核單片機(jī)相似。

    首先，設(shè)置I/O連接到UART；然后設(shè)置串口波特率(如U0DLM、U0DLL)；接著設(shè)置串口工作模式(如U0LCR、U0FCR)；這時(shí)就可以通過寄存器U0THR和U0RBR發(fā)送/接收數(shù)據(jù)了，發(fā)送/接收模塊的狀態(tài)信息可以通過U0LSR寄存器讀取。

    系統(tǒng)通過RS-485總線和LD4板卡通信，采用MAX3485作為RS-485總線控制器和LPC2114的UART1通信。MAX3485是3.3V供電的半雙工收發(fā)芯片，將差分RS-485總線信號(hào)轉(zhuǎn)換成ARM核能夠接受的串口信號(hào)。為了實(shí)現(xiàn)和PC機(jī)通信，系統(tǒng)采用3.3V工作電壓的MAX3232作為RS-232電平轉(zhuǎn)換芯片。

LPC2114設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
    LPC2114在開發(fā)的過程中有一些需要特殊注意的問題，總結(jié)如下：
(1)當(dāng)用戶程序?qū)懭隖lash后不能運(yùn)行時(shí)，首先，需要考慮中斷向量表是否正確，中斷向量表累加和必須為0。其次，需要考慮向量表的定位，向量表是否已經(jīng)定位在0x00000000地址。然后，需要考慮MEMMAP寄存器的設(shè)置是否正確，否則中斷無法執(zhí)行。此外，還需要考慮ISP硬件條件是否滿足，LPC2114的P0.14腳在#RESET為低時(shí)，該引腳線上的低電平將強(qiáng)制芯片進(jìn)入ISP狀態(tài)，硬件設(shè)計(jì)時(shí)必須在該引腳加10KW上拉電阻，否則，該引腳不穩(wěn)定，對(duì)設(shè)備啟動(dòng)將會(huì)有影響。

(2)LPC2114共有46個(gè)GPIO，這些I/O可以任意配置，但是個(gè)別引腳開漏輸出(P0.2、P0.3)，需加上拉電阻。另外，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器K9F2808狀態(tài)輸出引腳R/#B開漏輸出，需加10KW的上拉電阻。

(3)LPC2114芯片加密后，只能通過ISP對(duì)芯片全局擦除后才能恢復(fù)JTAG調(diào)試以及下載等功能。當(dāng)#RESET為低時(shí)，P1.26的低電平使P1.26~P1.31復(fù)位后作為調(diào)試端口，注意在P1.26引腳和地之間需接一個(gè)弱偏置電阻。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思想及注意事項(xiàng)
    車輛檢測(cè)系統(tǒng)ARM軟件采用分層設(shè)計(jì)思想，整個(gè)軟件由驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用軟件兩部分構(gòu)成。驅(qū)動(dòng)程序部分封裝了Flash操作、RS-485操作、實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)操作、RS-232操作和I/O等操作。應(yīng)用軟件分成基本函數(shù)庫和主程序。其中，主程序流程如圖4所示。

    在32位ARM核應(yīng)用系統(tǒng)中，為了進(jìn)行系統(tǒng)初始化，往往采用一個(gè)匯編文件作為啟動(dòng)代碼，來實(shí)現(xiàn)堆棧、中斷、系統(tǒng)變量、I/O初始化以及地址重映射等操作。開發(fā)平臺(tái)ADS的策略是不提供完整的啟動(dòng)代碼，不足部分需要開發(fā)人員自己編寫。

    系統(tǒng)設(shè)計(jì)的啟動(dòng)代碼包含中斷向量表、堆棧初始化以及相應(yīng)的中斷服務(wù)程序與C語言的接口。對(duì)LPC2114而言，為了使向量表中所有數(shù)據(jù)32位累加和為0 ，向量表中設(shè)置保留向量值，將中斷向量表中的32個(gè)字節(jié)數(shù)累加，其中，保留向量值不用累加，然后取累加值的補(bǔ)碼，這個(gè)補(bǔ)碼的低32位就是保留向量的值。該保留向量值將被BOOT裝載程序用作有效的用戶程序關(guān)鍵字。當(dāng)向量表中所有數(shù)據(jù)累加和為0時(shí)，且ISP外部硬件條件不滿足時(shí)，BOOT裝載程序?qū)?zhí)行用戶程序。

結(jié)語
    本文基于PHILIPS公司最新的ARM7內(nèi)核微處理器LPC2114實(shí)現(xiàn)了高速公路車輛檢測(cè)系統(tǒng)的控制單元部分的設(shè)計(jì)。LPC2114使用簡(jiǎn)單、開發(fā)容易、具有較高的性價(jià)比，非常適用于嵌入式系統(tǒng)中。目前本系統(tǒng)已經(jīng)推向市場(chǎng)，并取得了較好經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)
1周立功等. ARM微控制器基礎(chǔ)與實(shí)踐.北京航空航天大學(xué)出版社. 2003. 11
2馬忠梅等. ARM嵌入式處理器結(jié)構(gòu)與應(yīng)用基礎(chǔ).北京航空航天大學(xué)出版社.2002
3  Samsung datasheet. "K9F2808U0C Flash Memory"
4  SIEMENS. "Loop Detector LD4"