信號機是一個典刑的嵌入式系統(tǒng),嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心來設計,對功能、性能、可靠性、成本、功耗、體積等有嚴格的要求,既要滿足智能交通系統(tǒng)對信號機智能化、多功能的要求,又要最大化信號機的性價比,因此本設計選擇基于arm核的32位嵌入式RISC處理器——AT91RM9200來完成智能交通信號機控制板的硬件設計,以達到使信號機在交通系統(tǒng)中成為收集與處理交通流量數(shù)據(jù)、通信聯(lián)網以及區(qū)域協(xié)調控制平臺的設計目標。
1 引言
目前我國的城市交通控制主要還是靠道路交通信號控制機(以下簡稱信號機)。國內的信號機主要分為兩類:一類采用8/16位單片機作為處理器,交通控制功能簡單、方案單一,以RS 232或RS485為通訊方式,難以與控制中心聯(lián)網以及實現(xiàn)區(qū)域交通協(xié)調控制等功能,不能適應現(xiàn)代化大路口交通控制的要求;另一類則是基于工控機或PC104,功能雖然強大,但由于工控機或PC104都是按通用計算機標準設計,并非專門針對信號機應用設計,該類信號機硬件結構復雜且很多功能并不需要,成本也高,國外的信號機(如西門子公司的2070和美國的EAGLE)開發(fā)起步早,水平高,已有各種自適應聯(lián)網型信號機產品,但一般不適用于中國混合交通的實際情況,且價格昂貴,操作不方便。
信號機是一個典刑的嵌入式系統(tǒng),嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心來設計,對功能、性能、可靠性、成本、功耗、體積等有嚴格的要求,既要滿足智能交通系統(tǒng)對信號機智能化、多功能的要求,又要最大化信號機的性價比,因此本設計選擇基于arm核的32位嵌入式RISC處理器——AT91RM9200來完成智能交通信號機控制板的硬件設計,以達到使信號機在交通系統(tǒng)中成為收集與處理交通流量數(shù)據(jù)、通信聯(lián)網以及區(qū)域協(xié)調控制平臺的設計目標。
2 信號機系統(tǒng)硬件設計
2.1 系統(tǒng)總體硬件結構
智能交通系統(tǒng)要求信號機可以向控制中心實時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,并能夠獨立執(zhí)行一些復雜的算法,可以根據(jù)交通流量變化實時條件路口信號燈的綠燈時間,因此考慮現(xiàn)有信號機的不足,根據(jù)信號機功能發(fā)展的趨勢和要求,本文設計的信號機控制板具有控制參數(shù)輸入、控制狀態(tài)輸出、控制參數(shù)保存、燈態(tài)輸出控制、交通流信息(主要是車流量)實時檢測與歷史數(shù)據(jù)存儲、多種燈態(tài)控制方案與算法模型存儲、支持以太網及與手持終端設備通訊等基本功能。整個系統(tǒng)硬件結構如圖1所示。
2.1.1 AT91RM9200微處理器介紹
嵌入式微處理器是整個嵌入式系統(tǒng)的核心,AT91RM9200是Atmel公司推出的基于當前流行的arm920T內核的一款32位RISC微控制器,工作在180MHz頻率下的運算速度可達200MIPS。專門針對系統(tǒng)控制、通訊領域的應用。AT91RM9200芯片的功能結構如圖2所示。
AT91RM9200集成了豐富的外圍功能模塊,滿足多種應用場合,豐富適合于實時控制,可以支持實時操作系統(tǒng)(RTOS),為需要多功能、低成本、低功耗的計算密集型應用提供了一個單芯片級的解決方案。AT91RM9200是一款性價比極高的微處理器,經過比較選擇AT91RM9200作為信號機控制板處理器。 [!--empirenews.page--]
2.1.2 控制板外圍模塊
控制板設計主要包括以下幾個部分:
(1)電源/晶振模塊:
控制主板使用12/5V兩套電源供電,AT91RM9200工作于3.3/1.8V兩種電壓,系統(tǒng)其他器件盡量選擇工作電壓為3.3V。
AT91RM9200使用12MHz/32.768kHz兩種晶振,主晶振12MHz經過芯片內倍頻處理分別為arm920T核與系統(tǒng)提供180MHz和60MHz的時鐘頻率。32.768kHz慢時鐘用于AT91RM9200的啟動。
(2)存儲器模塊。
(3)網絡模塊。
(4)串口模塊和GPS接口:
AT91RM9200提供4個USART,分別將他們分配給RS232和RS485??刂瓢迳项A留GPS接口位置,用于未來擴展信號機無線通訊功能,GPS使用RS232同AT91RM9200通信。
(5)RTC模塊:
信號機在通訊、干線或者區(qū)域協(xié)調控制中需要使用統(tǒng)一的時間來同步,因此設計RTC(實時時鐘)用來對時。RTC可以提供可編程的實時時鐘:年(含閏年)、月、日、時、分、秒、星期及一個鬧鐘中斷,并可以在掉電后使用備用電源工作。
(6)系統(tǒng)總線擴展模塊。
2.2 主要硬件模塊電路設計
下面詳細說明存儲單元、網絡和系統(tǒng)總線擴展模塊的硬件設計。
2.2.1 存儲器模塊
本文設計的信號機需要存放嵌入式操作系統(tǒng)及其文件系統(tǒng)、應用程序和其他在運行或系統(tǒng)掉電后需要保存的數(shù)據(jù);另外當系統(tǒng)啟動后,操作系統(tǒng)和程序運行還需要更大的空間。AT91RM9200內部集成的ROM和RAM的容量不能夠滿足信號機的要求,因此設計了外存儲單元來擴展存儲空間,由16MB和FLASH和64MB的SDRAM組成信號機的外存儲系統(tǒng)。
AT91RM9200的地址空間是4GB,他被劃分成16個256MB的區(qū)域;
區(qū)域0為內部存儲器空間;
區(qū)域1-8是給由EBI控制的外部設備(擴展的片外存儲器和外接的設備)使用的,片選信號為引腳NCS0-7;
區(qū)域15是AT91RM9200集成的片內外圍功能(包括系統(tǒng)和用戶外圍)使用的地址空間,當系統(tǒng)上電或重啟時,根據(jù)引腳BMS的電平狀態(tài),系統(tǒng)選擇是從內部ROM(BMS=1)還是從存儲區(qū)域1即NCS0片選區(qū)域(BMS=0)啟動。
(1)本設計選用1片8M×16b數(shù)據(jù)寬度的FLASH,共16MB,作為程序代碼存儲器和信號機運行時的永久數(shù)據(jù)存儲器。FLASH存儲器在系統(tǒng)中主要用于存放引導程序bootloader、操作系統(tǒng)內核鏡像和應用程序代碼等,系統(tǒng)上電或者復位后從FLASH中運行bootloader,由bootloader初始化硬件并將操作系統(tǒng)拷貝到SDRAM中去執(zhí)行。所以將FLASH存儲器分配到AT91RM9200的BANK0(存儲區(qū)域1)地址空間,即將AT91RM9200的NCSO連接到FLASH的片選端CE0。FLASH輸出使能端OE接AT91RM9200的NOE;寫使能端WE接AT91RM9200的NWE;模式選擇端BYTE上接高電平,使FLASH工作在16位數(shù)據(jù)模塊,16位模塊FLASH與AT91RM9200的基本連接如圖3所示。
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(2)為了提高系統(tǒng)運行的效果,系統(tǒng)啟動后將FLASH中代碼拷貝到SDRAM中,由SDRAM作系統(tǒng)程序運行場所。為了發(fā)揮AT91RM9200處理器32位數(shù)據(jù)處理性能,本設計選用2片4BANK×4M×16b(32MB)SDRAM,并聯(lián)組成32b的RAM,總共64MB空間,完全可以滿足嵌入式操作系統(tǒng)及各種復雜功能的運行要求。
如圖4為用2片SDRAM并聯(lián)構建32位SDRAM存儲系統(tǒng)的簡圖,其中一片作為高16位,另一片作為低16位,他們的數(shù)據(jù)線分別接AT91RM9200數(shù)據(jù)總線的D[16..31]和D[0..15]。SDRAM是被分配到AT91RM9200的BANK1(存儲區(qū)域2)地址空間的,即將AT91RM9200的NCS1端分別接到2片DSRAM的CS片選端。因為SDRAM的第10位地址線A10還有給SDRAM預充電的作用,所以AT91RM9200提供給SDRAM專用的地址線——SDA10,來代替通用地址線MA10,并且因為32位數(shù)據(jù)讀寫是4字節(jié)對齊的,所以AT91RM9200的地址線MA[2..11,13,14]接SDRAM地址線A[0..9,11,12]。
2.2.2 10/100 Mb/s以太網模塊
傳統(tǒng)的RS 232和RS 485通信方式已經不適應遠距離、大信息量的數(shù)據(jù)傳輸,而充分利用現(xiàn)有發(fā)達的網絡系統(tǒng),實現(xiàn)信號機聯(lián)網的功能,也是智能交通發(fā)展的要求,AT91RM9200芯片本身集成有網絡控制器件和28B的FIFOs棧和專用數(shù)據(jù)控制器(DMA)的接收和發(fā)送通道,硬件實現(xiàn)了OSI網絡參考模型中介于物體層和邏輯鏈路層之間的介質訪問MAC子層,但是沒有提供物理層接口,因此需要外接一個物體層傳輸控制器來提供接入以太網的通道。用Intel的LXT972快速以太網PHY傳輸控制芯片進行數(shù)據(jù)的網絡收發(fā)。
LXT972和AT91RM9200網絡控制器通過介質無關接口(MII)可以很方便地連接。在LXT972和RJ45接口之間需要用網絡隔離變壓器來連接,網絡隔離變壓器起信號傳輸、阻抗匹配、波形修復、雜波抑制以及高電壓隔離等作用,以保護系統(tǒng)的安全。LXT972的RX+/RX-、TX+/TX-接到網絡隔離變壓器上,再由變壓器引出相應信號連接到RJ45接口上,網絡模塊以標準RJ45接口與以太網相連。其網絡模塊連接方式如圖5所示。
2.2.3 系統(tǒng)總線擴展模塊
考慮到信號機的體積、靠靠性及提高信號機的模塊化程度,方便設備的升級、擴展、控制板上并不直接實現(xiàn)控制參數(shù)輸入、車流量檢測等功能,信號機從控制板引出數(shù)據(jù)總線、地址總線和必要的控制信號,設計統(tǒng)一的系統(tǒng)總線,控制板通過總線來操作各個功能板,如信號燈驅動板、車輛檢測板以及操作面板的鍵盤輸入和LED顯示輸出,控制板和各個功能板都卡裝在插槽接口。
由于信號機的系統(tǒng)總線設計使用ISA總線標準,因此總線時序同ARM的讀寫時序不同,所以首先需要對arm時序和ISA時序做轉化。底板總線需要的數(shù)據(jù)、地址、讀寫等控制信號等都先由CPLD進行時序轉換后再發(fā)送到總線上去。底板總線使用16位數(shù)據(jù)總線,7位地址總線,分配給底板總線的地址空間是AT91RM9200的BANK2區(qū)(存儲區(qū)域3),片選信號端NCS2。對底板總線的讀寫操作由AT91RM9200的EBI(外部總線接口)來控制,嵌入式操作系統(tǒng)以I/O內存的方式來對他們進行管理。AT91RM9200的可編程時鐘輸出端PCK0用來給底板總線提供時鐘信號,由CPLD對他進行分頻處理,產生需要的多個時鐘頻率。 [!--empirenews.page--]
信號機使用操作面板的小鍵盤進行參數(shù)設置和方案設定,并用LED模塊顯示信號燈閃爍。操作面板的鍵盤、LED設計采用“串行”操作,即面板的鍵盤信號先進行“并/串”轉換后,以兩線同步串行方式傳輸?shù)娇刂瓢宓腃PLD,作“串/并”轉換后再發(fā)送給AT91RM9200。
在操作面板自己的CPLD內,模塊“8279”的工作方式,采集鍵盤信號,同樣AT91RM9200發(fā)送給LED顯示的命令數(shù)據(jù)先在CPLD中實現(xiàn)“并/串”轉換,以兩線同步串行方式,傳輸給操作面板,由操作面板的CPLD處理后控制LED。這種方案大大減少控制主板與操作面板之間的聯(lián)線,模塊化程度更好。系統(tǒng)總線擴展模塊如圖6所示。
3 嵌入式Linux系統(tǒng)
信號機功能比較簡單時并不需要使用操作系統(tǒng),而只是運行一個控制循環(huán)程序,利用中斷來處理發(fā)生的事件,這樣程序結構比較凌亂,難以維護或升級,功能也受限。基于工控機或PC104的信號機上一般運行通用操作系統(tǒng),如Windows或DOS,前者功能雖然強大,卻過于龐大,不適合信號機這樣的嵌入式系統(tǒng),可靠性差、容易造成死機;后者則功能較弱,已經不適合信號機功能發(fā)展的要求。
智能信號機的功能發(fā)展需要同時運行多個任務,如信號燈控制、通訊、車流量檢測等等,這就要對多任務進行合理的調度;另外信號機接收和處理的信息、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)供信號燈控制模型計算和中心查詢使用,單靠表或數(shù)組來管理是復雜而效率低下的,因此文件管理也是必不可少的一項功能。
嵌入式Linux是一款優(yōu)秀的嵌入式操作系統(tǒng)。他采用微內核體系結構,這使得核心小巧而可靠,易于ROM固化,并可模塊化擴展;支持多種文件系統(tǒng),如EXT2,VFAT,NTFS等;內核直接提供完善的網絡支持。
本文選擇功能和可靠性都很成熟的Linux-2.4.19內核版本以及針對AT91RM9200體系結構的補丁patch-2.4.19-rmk7。給標準內核源代碼打上補丁后,該內核就可應用于AT91RM9200了。這就大大節(jié)省了產品開發(fā)時間,剩下的主要移植工作就是根據(jù)信號機的硬件功能編寫或者修改相應的驅動程序,并在編碼內核時選擇需要的功能,此處不再贅述。
Linux操作系統(tǒng)在開發(fā)板上為應用程序運行提供了一個強大的軟件平臺。
應用程序的開發(fā)調試有兩種模式:
(1)和內核一起編譯,在系統(tǒng)啟動后運行,這種方法修改程序比較麻煩,必須重新編碼內核,因此適合于簡單的嵌入式系統(tǒng)。
(2)在宿主機上的交叉編碼環(huán)境下進行編碼,生成目標板上可執(zhí)行的二進制文件,再通過串口和網口下載到目標板上執(zhí)行,用該方法調試程序方便靈活,更適合于復雜的系統(tǒng)。
本文采用第二種方法來調試程序。將目標板(控制板)的調試串口和宿主機(PC機)串口相連,然后宿主機上運行minicom作為目標板的控制臺。將宿主機和目標板用交叉網線連接,并設置二者的IP在同一網段。在宿主機上打開NFS(網絡文件系統(tǒng))服務;目標板mount宿主機的IP,如mount-o nolock 192.168.2.97://test,這樣從目標板文件系統(tǒng)的test文件夾就可以訪問到宿主機的根文件系統(tǒng),宿主機上編譯好的可執(zhí)行文件,直接可以從目標板上看到并運行。
測試表明信號機控制板的軟硬件系統(tǒng)都可以穩(wěn)定運行,各部分功能也正常工作,證明了設計結果達到了預期的設計目標。
4 結語
本文介紹了基于AT91RM9200微處理器的智能交通機控制板的硬件設計以及嵌入式Linux軟件平臺。該設計方法改進了原信號機功能,增加了網絡通信功能,并保留了過去的通信串口以保持兼容。整個開發(fā)板結構設計和總線接口信號都同原信號機主板一樣,可以直接在現(xiàn)在的信號機上使用,而不用整個修改已經開發(fā)成熟的信號機,簡化了開發(fā)工作。
嵌入式Linux系統(tǒng)也使硬件功能得到更好的管理和使用,并為信號機的軟件運行提供了一個強大的平臺,Linux系統(tǒng)下接入網絡和進行文件管理更加容易安全。在Linux基礎上可以更方便地開發(fā)更智能的信號燈控制算法以及其他功能。同時整個信號機系統(tǒng)的軟硬件可靠性也得到了提高。