基于LM3S8962為控制核心的六相位交通信號(hào)機(jī)設(shè)計(jì)

引言

隨著我國(guó)城市化飛速發(fā)展，路面交通擁堵問(wèn)題日益嚴(yán)重。交通信號(hào)機(jī)作為緩解交通擁堵問(wèn)題的重要手段之一，其核心控制器主要包括兩類：一類是單片機(jī)控制器，這類控制器基于8／16位單片機(jī)，功能簡(jiǎn)單，控制方式單一；另一類采用工控機(jī)作控制器，功能強(qiáng)大，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜且多冗余，成本高。相位控制方面，傳統(tǒng)的信號(hào)機(jī)主要為兩相位和四相位信號(hào)控制。兩相位控制時(shí)，直行方向和左轉(zhuǎn)方向同時(shí)放行，左轉(zhuǎn)車輛與對(duì)向直行車輛形成沖突，極易造成交通事故；四相位控制時(shí)，將右轉(zhuǎn)方向作為常通狀態(tài)來(lái)對(duì)待，這顯然忽視了沒(méi)有過(guò)街天橋或地下通道的情況下行人安全通行的要求。

針對(duì)上述傳統(tǒng)信號(hào)機(jī)的缺陷，本文提出了一種基于ARM芯片LM3S8962的六相位交通信號(hào)機(jī)的系統(tǒng)控制方案及其軟硬件設(shè)計(jì)方法。

1 六相位信號(hào)機(jī)控制方案

信號(hào)機(jī)的控制方案是相位設(shè)置、相序設(shè)置、信號(hào)配時(shí)的有序集合，是信號(hào)機(jī)運(yùn)行的數(shù)據(jù)源，因此對(duì)信號(hào)機(jī)控制方案的研究異常重要。

1．1 平面交叉口六相位模型

本文對(duì)左轉(zhuǎn)方向、右轉(zhuǎn)方向分別加以考慮，將十字路口的信號(hào)相位分為6個(gè)相位，如圖1所示。其中，相位1，3，4，6用于機(jī)動(dòng)車，相位2，5用于機(jī)動(dòng)車、非機(jī)動(dòng)車和行人。從該模型中可以看出，僅1，4相位放行時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)分流點(diǎn)，其余各相位放行時(shí)不產(chǎn)生任何接觸點(diǎn)，較之傳統(tǒng)的兩相位、四相位控制模型大幅減少了交通接觸點(diǎn)，因此，能夠更有效地降低事故隱患。

1．2 控制模式與信號(hào)配時(shí)

本文采用對(duì)交通流時(shí)間分割的方法，按照設(shè)定的通行相序?yàn)槊恳幌辔环峙湟欢ǖ耐ㄐ袝r(shí)間，在一次通行周期中，各個(gè)相位的通行對(duì)象均會(huì)得到一次通行權(quán)?？紤]到未來(lái)交通控制系統(tǒng)的要求，同時(shí)兼顧傳統(tǒng)信號(hào)機(jī)的控制方式，本文為信號(hào)機(jī)設(shè)計(jì)了多時(shí)段、定周期、手動(dòng)、黃閃四種控制模式。

信號(hào)配時(shí)方面，為了保證各方向的通行對(duì)象能夠安全地通過(guò)交叉口，每個(gè)方向的通行時(shí)間不能少于15 s，而為了避免各方向通行對(duì)象等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，信號(hào)周期時(shí)長(zhǎng)不宜超過(guò)200 s。表1給出六相位信號(hào)機(jī)的一種信號(hào)配時(shí)方案，通行相序?yàn)橄辔?至相位6，黃閃時(shí)長(zhǎng)3s。

由此得到信號(hào)周期時(shí)長(zhǎng)為192 s，各方向信號(hào)燈時(shí)長(zhǎng)如表2所示。實(shí)際控制中，應(yīng)根據(jù)各相位車流量情況對(duì)各相通行時(shí)間作適當(dāng)調(diào)整。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2．1 硬件總體設(shè)計(jì)

信號(hào)機(jī)作為一個(gè)典型的嵌入式系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)應(yīng)以應(yīng)用為中心，做到軟硬件可裁剪。本文選用LM3S8962作為主控芯片，根據(jù)信號(hào)機(jī)的功能要求，并結(jié)合LM3S8962的芯片特性，設(shè)計(jì)的信號(hào)機(jī)系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

2．2微處理器、存儲(chǔ)器模塊

嵌入式微處理器是整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的核心。LM3S8962是Luminary MICro公司的基于ARM Cortex-M3內(nèi)核具有32位RISC性能的微處理器，提供豐富的片上資源，包括256 KB FLASH，64 KB SRAM，4個(gè)32位通用定時(shí)器、同步串行接口(SSI)、10／100以太網(wǎng)控制器、6組共42個(gè)GPIO端口等，支持嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ，適合于關(guān)注成本的片上系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用。

LM3S8962具有256 KB FLASH空間，F(xiàn)LASH是一種不揮發(fā)性內(nèi)存，由一組可獨(dú)立擦除的1 KB區(qū)塊構(gòu)成。本系統(tǒng)軟件占用空間小，使用LM3S8 962自帶的FLASH存儲(chǔ)空間完全能夠滿足系統(tǒng)要求。因此，本文將μC／OS-Ⅱ系統(tǒng)內(nèi)核、控制軟件存放于第0～253區(qū)塊，控制參數(shù)存放于第254 255區(qū)塊。這樣能夠降低系統(tǒng)復(fù)雜度，提高數(shù)據(jù)訪問(wèn)速度。

2．3 信號(hào)燈、倒計(jì)時(shí)模塊

本文為信號(hào)機(jī)設(shè)計(jì)了6個(gè)相位機(jī)動(dòng)車及人行道共6×2×3+2×2×2=44路信號(hào)的控制。由LM3S8962的PB3-PB5，PB0-PB2，PC4-PC6，PD0-PD2，PE0-PE2，PF0／PF1／PG0這6組GPIO端口分別輸出1～6相位LED信號(hào)燈的控制信號(hào)。

本文采用8段LED數(shù)碼管作為信號(hào)機(jī)的倒計(jì)時(shí)顯示組件。6個(gè)相位及人行道均采用兩位數(shù)碼管，共6×2+4×2=20個(gè)兩位數(shù)碼管。利用LM3S89 62自帶的同步串行接口(SSI，對(duì)應(yīng)于PA2～PA5 GPIO端口)，配置SSI為主模式，使用Freeseale SPI幀格式，通過(guò)SSI每次向外發(fā)送16位數(shù)據(jù)(包括8位段碼和8位位碼)，再利用兩片級(jí)聯(lián)的74HC595芯片將16位串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為16位并行數(shù)據(jù)輸出，達(dá)到將段碼、位碼同時(shí)輸出的目的。

2．4 實(shí)時(shí)時(shí)鐘、以太網(wǎng)接口模塊

信號(hào)機(jī)執(zhí)行多時(shí)段控制模式時(shí)，需要根據(jù)實(shí)時(shí)時(shí)間執(zhí)行對(duì)應(yīng)時(shí)段的控制方案，并且為方便用戶校對(duì)，需要在液晶界面上顯示實(shí)時(shí)時(shí)間。本文選用DALLAS公司的時(shí)鐘芯片DS1302，該芯片能夠?qū)δ?、月、日、周、時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)，具有閏年補(bǔ)償功能。使用LM3S8962的3個(gè)GPIO端口PA0，PA1，PA6分別控制DS1302的RST復(fù)位線、I／O數(shù)據(jù)線、SCLK串行時(shí)鐘線，將命令或數(shù)據(jù)按每次1個(gè)字節(jié)或31個(gè)字節(jié)的觸發(fā)模式傳入時(shí)鐘寄存器或移出RAM寄存器，實(shí)現(xiàn)LM3S8962與DS1302之間的同步通信，從而為信號(hào)機(jī)提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘。

傳統(tǒng)的RS 232／RS 485串口，存在通信距離短、傳輸速率低等缺陷，不能滿足未來(lái)交通控制系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的要求，因此本文為信號(hào)機(jī)設(shè)計(jì)了10／100Mb／s以太網(wǎng)接口。LM3S8962自帶有10／10以太網(wǎng)控制器，包括完全集成的媒體訪問(wèn)控制器(MAC)和網(wǎng)絡(luò)物理(PHY)接口器件。為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)電平耦合與阻抗匹配，避免信號(hào)機(jī)系統(tǒng)與以太網(wǎng)之間相互干擾，本文在PHY和RJ 45接口之間連接網(wǎng)絡(luò)變壓器HR601680，將發(fā)送和接收信號(hào)線分別與PHY，RJ 45對(duì)應(yīng)連接。以太網(wǎng)接口如圖3所示。

2．5 綠沖突檢測(cè)模塊

綠沖突檢測(cè)是系統(tǒng)自檢的重要部分，檢測(cè)同一時(shí)刻6個(gè)相位是否有2個(gè)或2個(gè)以上沖突相位的綠燈信號(hào)同時(shí)被點(diǎn)亮的情況。本文利用8位數(shù)據(jù)并入串出芯片74HC165為信號(hào)機(jī)設(shè)計(jì)了綠沖突檢測(cè)電路，使用LM3S8962的3個(gè)GPIO端口PB7，PA4，PG1分別控制74HC165的并行數(shù)據(jù)加載、時(shí)鐘脈沖輸入和串行數(shù)據(jù)的讀取，74HC165的8個(gè)輸入端0分別接至6個(gè)相位及2路人行道的綠燈信號(hào)。LM3S8962根據(jù)讀取的綠燈信號(hào)狀態(tài)及綠沖突判斷規(guī)則判定是否發(fā)生綠沖突。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括設(shè)備驅(qū)動(dòng)、控制軟件以及網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議三部分。

3．1 設(shè)備驅(qū)動(dòng)

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序作為系統(tǒng)軟件的基礎(chǔ)，是硬件設(shè)備的接口，應(yīng)用程序通過(guò)這個(gè)接口才能控制硬件設(shè)備的工作。本信號(hào)機(jī)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序包括：FLASH讀寫驅(qū)動(dòng)、SSI驅(qū)動(dòng)、以太網(wǎng)控制器驅(qū)動(dòng)、DS1302讀寫驅(qū)動(dòng)、74HC165驅(qū)動(dòng)等。

3．2 uIP協(xié)議

為了實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信，需要移植網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。uIP協(xié)議棧是為小型嵌入式微處理器設(shè)計(jì)的微型TCP／IP協(xié)議棧，提供必需的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。本文為信號(hào)機(jī)系統(tǒng)移植uIP0．9協(xié)議棧，將信號(hào)機(jī)系統(tǒng)配置為一個(gè)小型WEB服務(wù)器。應(yīng)用程序中監(jiān)聽80端口，從uip_conn結(jié)構(gòu)體中讀取當(dāng)前連接的相關(guān)信息，由uip_connected()判斷遠(yuǎn)程主機(jī)是否連接上本機(jī)，由uip_newdata()判斷是否接收到遠(yuǎn)程主機(jī)的新數(shù)據(jù)，由uip_send()向遠(yuǎn)程主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包。

3．3 軟件功能模塊

系統(tǒng)控制軟件是信號(hào)機(jī)軟件的核心，本文采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，將控制軟件按功能分為初始化、方案處理、秒時(shí)段處理、綠沖突檢測(cè)、按鍵處理、通信等5個(gè)模塊。

初始化包括硬件和軟件初始化，硬件初始化包括對(duì)片內(nèi)FLASH、DS1302芯片、液晶模塊、以太網(wǎng)接口等的測(cè)試，軟件初始化包括初始化信號(hào)機(jī)參數(shù)、清除標(biāo)志等。

方案處理從FLASH中讀取系統(tǒng)控制模式、工作時(shí)段、信號(hào)配時(shí)、通行相序等信號(hào)機(jī)的基本工作參數(shù)，并存入特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，供其他模塊調(diào)用。

秒時(shí)段處理由每秒中斷一次的定時(shí)器完成各相位燈色信號(hào)輸出、為各相倒計(jì)時(shí)時(shí)間計(jì)數(shù)、切換通行相位等任務(wù)。

綠沖突檢測(cè)由定時(shí)器每隔特定的時(shí)間完成檢測(cè)各相位是否發(fā)生綠燈信號(hào)沖突的任務(wù)。若發(fā)生綠沖突，進(jìn)行聲光報(bào)警并進(jìn)入黃閃控制。

按鍵處理由外部中斷服務(wù)程序完成查詢系統(tǒng)狀態(tài)、修改系統(tǒng)參數(shù)、更改系統(tǒng)工作模式等任務(wù)。

通信部分為信號(hào)機(jī)與監(jiān)控中心的以太網(wǎng)通信，完成接收監(jiān)控中心的控制命令、發(fā)送信號(hào)機(jī)狀態(tài)參數(shù)等任務(wù)。

3．4 軟件流程

信號(hào)機(jī)上電后，首先進(jìn)行初始化，如果初始化能夠正常完成，則進(jìn)入方案處理，從FLASH中取出各控制模式對(duì)應(yīng)的工作參數(shù)并存入特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，之后系統(tǒng)默認(rèn)進(jìn)入多時(shí)段控制模式，根據(jù)當(dāng)前時(shí)段的工作參數(shù)執(zhí)行對(duì)應(yīng)的控制。當(dāng)定時(shí)器產(chǎn)生1 s中斷時(shí)，進(jìn)入秒時(shí)段處理輸出燈色、倒計(jì)時(shí)信號(hào)。當(dāng)接收到按鍵請(qǐng)求時(shí)，進(jìn)入外部中斷處理程序響應(yīng)用戶請(qǐng)求。當(dāng)接收到遠(yuǎn)程主機(jī)命令或者發(fā)送數(shù)據(jù)給遠(yuǎn)程主機(jī)時(shí)，進(jìn)入通信處理模塊。信號(hào)機(jī)每隔一定的時(shí)間間隔進(jìn)入綠沖突檢測(cè)模塊，檢測(cè)綠燈沖突。

軟件流程圖如圖4所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了基于LM3S8962的六相位交通信號(hào)機(jī)相位模型、信號(hào)配