基于S3C44B0X智能交通信號(hào)機(jī)的設(shè)計(jì)

1 引　言

目前，國(guó)內(nèi)的信號(hào)機(jī)主要分為兩類：一類采用8/16位單片機(jī)作為處理器，交通控制功能簡(jiǎn)單、方案單一，以RS232 或RS485 為通訊方式，難以與控制中心聯(lián)網(wǎng)以及實(shí)現(xiàn)區(qū)域交通協(xié)調(diào)控制，不能適應(yīng)現(xiàn)代化大路口交通控制的要求；另一類則是基于工控機(jī)或PC104，功能雖然強(qiáng)大，但由于工控機(jī)或PC104都是按通用計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，并非專門(mén)針對(duì)信號(hào)機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)，該類信號(hào)機(jī)硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜且許多功能并不需要，成本也高。國(guó)外的信號(hào)機(jī)(如西門(mén)子公司的2070 和美國(guó)的EAGLE) 開(kāi)發(fā)起步早，水平高，已有各種自適應(yīng)聯(lián)網(wǎng)型信號(hào)機(jī)產(chǎn)品，但一般不適用于中國(guó)混合交通的實(shí)際情況，且價(jià)格昂貴，操作不方便[1]。

信號(hào)機(jī)是一個(gè)典型的嵌入式系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心來(lái)設(shè)計(jì)，對(duì)功能、性能、可靠性、成本、功耗、體積等有嚴(yán)格要求，既要滿足智能交通系統(tǒng)對(duì)信號(hào)機(jī)智能化、多功能化的要求，又要最大化信號(hào)機(jī)的性價(jià)比，因此本文設(shè)計(jì)選擇基于ARM 核的32 位嵌入式RISC 處理器S3C44B0X來(lái)完成智能交通信號(hào)機(jī)硬件設(shè)計(jì)，以達(dá)到使信號(hào)機(jī)在交通控制系統(tǒng)中成為收集與處理交通流量數(shù)據(jù)、通信聯(lián)網(wǎng)以及區(qū)域協(xié)調(diào)控制平臺(tái)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2 信號(hào)機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2. 1 系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)

智能交通系統(tǒng)要求信號(hào)機(jī)向控制中心實(shí)時(shí)提供多種道路信息和車流量數(shù)據(jù)信息，接收控制中心的控制命令，獨(dú)立執(zhí)行一些復(fù)雜的算法，并可以根據(jù)交通流量的變化來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)整綠燈時(shí)間，因此考慮到現(xiàn)有信號(hào)機(jī)的不足,根據(jù)信號(hào)機(jī)功能發(fā)展的趨勢(shì)和要求，本文設(shè)計(jì)的信號(hào)機(jī)具有控制參數(shù)輸入、控制狀態(tài)輸出、控制參數(shù)保存、燈態(tài)輸出控制、車流量實(shí)時(shí)檢測(cè)與歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、多種燈態(tài)控制方案與算法模型存儲(chǔ)、交通指示牌控制、以太網(wǎng)及與手持終端設(shè)備通訊等基本功能。整個(gè)系統(tǒng)硬件框圖如圖1 所示。

2.2交通信號(hào)機(jī)主要硬件電路設(shè)計(jì)

2.2.1 S3C44B0X微處理器介紹[2]

S3C44B0X微處理器提供了豐富的內(nèi)置部件，包括：8KB cache，內(nèi)部SRAM，LCD控制器，帶自動(dòng)握手的2通道UART，4通道DMA，外部存儲(chǔ)器控制器，帶有PWM功能的5通道定時(shí)器，I/O端口，RTC，IIC總線接口，10位ADC，IIS總線接口，同步SIO接口和PLL倍頻器。

圖1 信號(hào)機(jī)硬件框圖 

2.2.2 最小系統(tǒng)模塊

最小系統(tǒng)包括電源模塊、RTC模塊和存儲(chǔ)器模塊。

（1）電源模塊

信號(hào)機(jī)采用12/5V電源供電，S3C44B0X工作于3.3V和2.5V，系統(tǒng)其他器件盡量選擇工作電壓為3.3V和5V。

（2）RTC（實(shí)時(shí)時(shí)鐘）模塊

信號(hào)機(jī)在通訊、干線或者區(qū)域協(xié)調(diào)控制中需要使用統(tǒng)一的時(shí)間來(lái)同步，因此設(shè)計(jì)RTC（實(shí)時(shí)時(shí)鐘）用來(lái)對(duì)時(shí)。S3C44B0X內(nèi)部集成RTC單元，它只需要外接一個(gè)32.768kHz的晶振就能工作。RTC提供可編程的實(shí)時(shí)時(shí)鐘：年、月、日、時(shí)、分、秒、毫秒、星期及定時(shí)報(bào)警和產(chǎn)生節(jié)拍，并可以在掉電后使用后備電源工作。

（3）存儲(chǔ)器模塊

信號(hào)機(jī)需要存放引導(dǎo)程序、嵌入式操作系統(tǒng)及其文件系統(tǒng)、應(yīng)用程序和其他在運(yùn)行需要保存的數(shù)據(jù)，另外當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后，操作系統(tǒng)和程序運(yùn)行還需要更大的空間，因此設(shè)計(jì)了外存儲(chǔ)單元來(lái)擴(kuò)展存儲(chǔ)空間，存儲(chǔ)器模塊包括8MB的SDRAM 、2MB的NorFlash和16MB的NandFlash。圖2為存儲(chǔ)系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖

圖2  存儲(chǔ)系統(tǒng)模塊

SDRAM采用現(xiàn)代公司的HY57V641620，用于程序運(yùn)行，S3C44B0X芯片本身提供了SDRAM接口，我們只須對(duì)存儲(chǔ)器控制器相關(guān)的寄存器進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐渲茫籒orFlash采用SST公司的39VF160，主要用于存放引導(dǎo)程序Bootloader和操作系統(tǒng)µClinux內(nèi)核鏡像，系統(tǒng)上電或復(fù)位后從FlashROM中運(yùn)行Bootloader，由Bootloader初始化硬件并將µClinux拷貝到SDRAM中運(yùn)行；NandFlash采用三星公司的K9F2808，主要用于存放應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)，S3C44B0X沒(méi)有像支持SDRAM一樣提供NandFlash存儲(chǔ)器接口，讀寫(xiě)要靠軟件編程來(lái)完成。

2.2.3液晶顯示與鍵盤(pán)模塊

液晶顯示與鍵盤(pán)模塊用來(lái)手動(dòng)設(shè)置或者修改交通信號(hào)機(jī)的控制參數(shù)。S3C44B0X內(nèi)置LCD驅(qū)動(dòng)控制器，能自動(dòng)產(chǎn)生LCD驅(qū)動(dòng)控制所需的控制信號(hào)，因此S3C44B0X可以與諸如黑白灰度、STN型彩色等LCD直接連接，而不需要另外加LCD控制器；鍵盤(pán)模塊通過(guò)ZLG7290B擴(kuò)展一個(gè)4×4的鍵盤(pán)矩陣，ZLG7290B通過(guò)IIC串行總線與處理器進(jìn)行連接。

2.2.4以太網(wǎng)模塊

傳統(tǒng)的RS232和RS485通信方式已經(jīng)不適應(yīng)遠(yuǎn)距離、大信息量的數(shù)據(jù)傳輸，而充分利用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)機(jī)聯(lián)網(wǎng)，也是智能交通發(fā)展的要求。 S3C44B0X本身沒(méi)有集成網(wǎng)絡(luò)控制器，本文選用NE2000兼容的典型以太網(wǎng)控制器芯片RTL8019來(lái)擴(kuò)展以太網(wǎng)，圖3為以太網(wǎng)模塊。

圖3 以太網(wǎng)模塊

2.2.5 16C554模塊

將信號(hào)燈驅(qū)動(dòng)任務(wù)分解，每項(xiàng)任務(wù)由具有單片機(jī)的智能化小系統(tǒng)承擔(dān)，這些小系統(tǒng)與主控板通信，并由主控板協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)工作，至于通信形式，自然是串行總線[3]。本文采用TI公司的TL16C554擴(kuò)展4個(gè)串口，用于主控板與信號(hào)燈驅(qū)動(dòng)板、車流量檢測(cè)板、交通指示牌進(jìn)行通信。由于信號(hào)燈驅(qū)動(dòng)板和車流量檢測(cè)板是直接插在主控板上的，因機(jī)內(nèi)串行總線的長(zhǎng)度不大，一般在1米左右，故無(wú)須進(jìn)行RS232電平轉(zhuǎn)換即可用很高的波特率進(jìn)行串行通信。圖4為T(mén)L16C554模塊簡(jiǎn)圖。

圖4  TL16C554模塊

3 信號(hào)機(jī)控制軟件設(shè)計(jì)

信號(hào)機(jī)功能比較簡(jiǎn)單時(shí)并不需要使用操作系統(tǒng)，而只是運(yùn)行一個(gè)控制循環(huán)程序，利用中斷來(lái)處理發(fā)生的事件，這樣的程序結(jié)構(gòu)比較凌亂，難以維護(hù)和升級(jí)，功能也受限?，F(xiàn)代智能信號(hào)機(jī)功能發(fā)展需要同時(shí)運(yùn)行多個(gè)任務(wù)，如信號(hào)燈控制、通訊、車流量檢測(cè)等，這就需要對(duì)多任務(wù)進(jìn)行合理的調(diào)度，另外信號(hào)機(jī)接收和處理的信息、數(shù)據(jù)的增多，尤其是需要大量保存歷史車流量數(shù)據(jù)提供給信號(hào)燈控制模型計(jì)算和中心查詢使用，單靠表或數(shù)組來(lái)管理是復(fù)雜而低效的，因此文件管理也是必不可少的一項(xiàng)功能。

嵌入式Linux是一款優(yōu)秀的嵌入式操作系統(tǒng)，它采用微內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)，這使得內(nèi)核小巧而可靠，易于ROM固化，可模塊化擴(kuò)展，支持多種文件系統(tǒng)，并直接提供完善的網(wǎng)絡(luò)支持。本文選用µClinux作為嵌入式操作系統(tǒng)，µClinux是專門(mén)針對(duì)沒(méi)有MMU的CPU，為嵌入式系統(tǒng)做了許多小型化的工作，目前支持包括S3C44B0X等微處理器。µClinux采用一種平板式（Flat）的內(nèi)存模型來(lái)去除對(duì)MMU的依賴，改變了用戶程序的加載方式，開(kāi)發(fā)了運(yùn)行于µClinux的C函數(shù)庫(kù)（µCLibc）。 µClinux內(nèi)核可完成進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)、設(shè)備控制、網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)等功能，內(nèi)核采用模塊化設(shè)計(jì)，許多功能塊可以獨(dú)立的加上和卸下，我們?cè)谠O(shè)計(jì)內(nèi)核時(shí)把這些內(nèi)核模塊作為可選的選項(xiàng)，可以在編譯系統(tǒng)內(nèi)核時(shí)指定，對(duì)內(nèi)核重新編譯時(shí)，選擇嵌入式設(shè)備所需要的功能模塊，刪除冗余的功能模塊，通過(guò)對(duì)內(nèi)核的重新配置，可以使系統(tǒng)運(yùn)行所需要的內(nèi)核顯著減小，從而縮減資源使用量，使系統(tǒng)運(yùn)行所需硬件資源顯著減少[4]。

交通信號(hào)機(jī)應(yīng)用軟件由3個(gè)通信協(xié)議模塊和5個(gè)算法模塊構(gòu)成。3個(gè)通信協(xié)議模塊是：控制中心通訊協(xié)議、串口通信協(xié)議和IIC通訊協(xié)議。5個(gè)算法模塊：定時(shí)控制、感應(yīng)控制、多時(shí)段控制、黃閃控制和綠波帶控制。圖5是基于µClinux的交通信號(hào)機(jī)的軟件工作流程。

圖5  µClinux的工作流程

如果是8019中斷，系統(tǒng)調(diào)用控制中心的通訊協(xié)議，獲得控制中心的控制信息；如果是IIC中斷，系統(tǒng)調(diào)用IIC通訊協(xié)議，獲得手動(dòng)修改的控制信息；如果是串口中斷，系統(tǒng)再查詢是16C554的哪個(gè)串口中斷，然后調(diào)用相應(yīng)的協(xié)議，如果是關(guān)于車流量檢測(cè)的，就給車流量檢測(cè)板發(fā)出控制指令，如果是信號(hào)燈控制板，就給紅綠燈控制器發(fā)出控制指令，或者給交通指示牌發(fā)出相應(yīng)的控制信息，不管什么中斷發(fā)生，都要調(diào)用正在運(yùn)行的算法重新計(jì)算參數(shù)。

4．結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了基于S3C44B0X微處理器的智能交通信號(hào)機(jī)的硬件設(shè)計(jì)以及µClinux軟件平臺(tái)。該設(shè)計(jì)方案改進(jìn)了原信號(hào)機(jī)功能，增加了網(wǎng)絡(luò)通訊功能，并保存了過(guò)去的串口通信以保持兼容。整個(gè)開(kāi)發(fā)板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的串行接口與原信號(hào)機(jī)主板一樣，可以直接在現(xiàn)在的信號(hào)機(jī)上使用，而不用整個(gè)修改已經(jīng)開(kāi)發(fā)成熟的信號(hào)機(jī)，簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)工作。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：在兼容原來(lái)信號(hào)機(jī)功能的基礎(chǔ)上，將嵌入式處理器和嵌入式操作系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)應(yīng)用于信號(hào)機(jī)上。

參考文獻(xiàn)：
[1] 許榮.基于ARM智能交通信號(hào)機(jī)控制板開(kāi)發(fā)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2006,7:138-141
[2] 胥靜.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)實(shí)例詳解—基于ARM的應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2005,1
[3] 石松泉,尚文剛.可重構(gòu)交通信號(hào)控制機(jī)的設(shè)計(jì)[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2005,6（22）:214-220
[4] 李巖,榮盤(pán)祥.基于S3C44B0X嵌入式µClinux系統(tǒng)原理及應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005,1
[5] 尹耕欽,唐緒偉.城市交通信號(hào)燈模擬控制系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2005,10-1:68-87