基于ARM的六相位交通信號(hào)機(jī)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)信號(hào)機(jī)相位少，運(yùn)算性能低的缺陷，設(shè)計(jì)了以LM3S8962為控制核心的六相位交通信號(hào)機(jī)。在設(shè)計(jì)平面交叉口六相位模型的基礎(chǔ)上，給出信號(hào)機(jī)控制模式、信號(hào)配時(shí)參數(shù)。根據(jù)信號(hào)機(jī)功能要求及LM3S8962的資源特性，給出信號(hào)機(jī)的硬件設(shè)計(jì)方案。利用模塊化設(shè)計(jì)方法，完成各功能模塊軟件設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了系統(tǒng)整體測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的基于LM3S8962的六相位交通信號(hào)機(jī)功能完善、運(yùn)行穩(wěn)定，對(duì)于城市復(fù)雜平面交叉口，其控制效果優(yōu)于傳統(tǒng)信號(hào)機(jī)。
關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；交通信號(hào)機(jī)；六相位；LM3S8962

0 引言
    隨著我國(guó)城市化飛速發(fā)展，路面交通擁堵問題日益嚴(yán)重。交通信號(hào)機(jī)作為緩解交通擁堵問題的重要手段之一，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)來對(duì)待，這顯然忽視了沒有過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)間過長(zhǎng)，信號(hào)周期時(shí)長(zhǎng)不宜超過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。

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    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。[!--empirenews.page--]
    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10／100以太網(wǎng)控制器，包括完全集成的媒體訪問控制器(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。[!--empirenews.page--]
    軟件流程圖如圖4所示。

4 結(jié)語
    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)配時(shí)、軟硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)技術(shù)。該信號(hào)機(jī)改進(jìn)了傳統(tǒng)信號(hào)機(jī)的控制方式，能夠?qū)崿F(xiàn)高性能、多相位、多模式、聯(lián)網(wǎng)控制，系統(tǒng)可靠性高、操作簡(jiǎn)單、升級(jí)擴(kuò)充性好。測(cè)試表明，該六相位信號(hào)機(jī)能夠有效減少交叉口沖突點(diǎn)、減少車輛延誤、提高交叉口安全程度和服務(wù)水平、保護(hù)行人安全通行、車輛暢通運(yùn)行，其社會(huì)效益十分明顯。