基于S3C44B0X智能交通信號機的設(shè)計

1 引　言

目前，國內(nèi)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RS232 或RS485 為通訊方式，難以與控制中心聯(lián)網(wǎng)以及實現(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(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，并非專門針對信號機應(yīng)用設(shè)計，該類信號機硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜且許多功能并不需要，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(yīng)聯(lián)網(wǎng)型信號機產(chǎn)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[1]。

信號機是一個典型的嵌入式系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心來設(shè)計，對功能、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)對信號機智能化、多功能化的要求，又要最大化信號機的性價比，因此本文設(shè)計選擇基于ARM 核的32 位嵌入式RISC 處理器S3C44B0X來完成智能交通信號機硬件設(shè)計，以達(dá)到使信號機在交通控制系統(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)控制平臺的設(shè)計目標(biāo)。

2 信號機系統(tǒng)硬件設(shè)計

2. 1 系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)

智能交通系統(tǒng)要求信號機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，獨立執(zhí)行一些復(fù)雜的算法，并可以根據(jù)交通流量的變化來實時調(diào)整綠燈時間，因此考慮到現(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(shè)計的信號機具有控制參數(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、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。整個系統(tǒng)硬件框圖如圖1 所示。

2.2交通信號機主要硬件電路設(shè)計

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，帶自動握手的2通道UART，4通道DMA，外部存儲器控制器，帶有PWM功能的5通道定時器，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 信號機硬件框圖 

2.2.2 最小系統(tǒng)模塊

最小系統(tǒng)包括電源模塊、RTC模塊和存儲器模塊。

（1）電源模塊

信號機采用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（實時時鐘）模塊

信號機在通訊、干線或者區(qū)域協(xié)調(diào)控制中需要使用統(tǒng)一的時間來同步，因此設(shè)計RTC（實時時鐘）用來對時。S3C44B0X內(nèi)部集成RTC單元，它只需要外接一個32.768kHz的晶振就能工作。RTC提供可編程的實時時鐘：年、月、日、時、分、秒、毫秒、星期及定時報警和產(chǎn)生節(jié)拍，并可以在掉電后使用后備電源工作。

（3）存儲器模塊

信號機需要存放引導(dǎo)程序、嵌入式操作系統(tǒng)及其文件系統(tǒng)、應(yīng)用程序和其他在運行需要保存的數(shù)據(jù)，另外當(dāng)系統(tǒng)啟動后，操作系統(tǒng)和程序運行還需要更大的空間，因此設(shè)計了外存儲單元來擴展存儲空間，存儲器模塊包括8MB的SDRAM 、2MB的NorFlash和16MB的NandFlash。圖2為存儲系統(tǒng)的簡圖

圖2  存儲系統(tǒng)模塊

SDRAM采用現(xiàn)代公司的HY57V641620，用于程序運行，S3C44B0X芯片本身提供了SDRAM接口，我們只須對存儲器控制器相關(guān)的寄存器進行適當(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中運行Bootloader，由Bootloader初始化硬件并將µClinux拷貝到SDRAM中運行；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沒有像支持SDRAM一樣提供NandFlash存儲器接口，讀寫要靠軟件編程來完成。

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2.2.3液晶顯示與鍵盤模塊

液晶顯示與鍵盤模塊用來手動設(shè)置或者修改交通信號機的控制參數(shù)。S3C44B0X內(nèi)置LCD驅(qū)動控制器，能自動產(chǎn)生LCD驅(qū)動控制所需的控制信號，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；鍵盤模塊通過ZLG7290B擴展一個4×4的鍵盤矩陣，ZLG7290B通過IIC串行總線與處理器進行連接。

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)，實現(xiàn)信號機聯(lián)網(wǎng)，也是智能交通發(fā)展的要求。 S3C44B0X本身沒有集成網(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來擴展以太網(wǎng)，圖3為以太網(wǎng)模塊。

圖3 以太網(wǎng)模塊

2.2.5 16C554模塊

將信號燈驅(qū)動任務(wù)分解，每項任務(wù)由具有單片機的智能化小系統(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擴展4個串口，用于主控板與信號燈驅(qū)動板、車流量檢測板、交通指示牌進行通信。由于信號燈驅(qū)動板和車流量檢測板是直接插在主控板上的，因機內(nèi)串行總線的長度不大，一般在1米左右，故無須進行RS232電平轉(zhuǎn)換即可用很高的波特率進行串行通信。圖4為TL16C554模塊簡圖。

圖4  TL16C554模塊

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3 信號機控制軟件設(shè)計

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，這樣的程序結(jié)構(gòu)比較凌亂，難以維護和升級，功能也受限?，F(xiàn)代智能信號機功能發(fā)展需要同時運行多個任務(wù)，如信號燈控制、通訊、車流量檢測等，這就需要對多任務(wù)進行合理的調(diào)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)提供給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(fù)雜而低效的，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)，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是專門針對沒有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)存模型來去除對MMU的依賴，改變了用戶程序的加載方式，開發(fā)了運行于µClinux的C函數(shù)庫（µCLibc）。 µClinux內(nèi)核可完成進程管理、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)、設(shè)備控制、網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)等功能，內(nèi)核采用模塊化設(shè)計，許多功能塊可以獨立的加上和卸下，我們在設(shè)計內(nèi)核時把這些內(nèi)核模塊作為可選的選項，可以在編譯系統(tǒng)內(nèi)核時指定，對內(nèi)核重新編譯時，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，通過對內(nèi)核的重新配置，可以使系統(tǒng)運行所需要的內(nèi)核顯著減小，從而縮減資源使用量，使系統(tǒng)運行所需硬件資源顯著減少[4]。

交通信號機應(yīng)用軟件由3個通信協(xié)議模塊和5個算法模塊構(gòu)成。3個通信協(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個算法模塊：定時控制、感應(yīng)控制、多時段控制、黃閃控制和綠波帶控制。圖5是基于µClinux的交通信號機的軟件工作流程。

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)于車流量檢測的，就給車流量檢測板發(fā)出控制指令，如果是信號燈控制板，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)用正在運行的算法重新計算參數(shù)。

4．結(jié)束語

本文介紹了基于S3C44B0X微處理器的智能交通信號機的硬件設(shè)計以及µClinux軟件平臺。該設(shè)計方案改進了原信號機功能，增加了網(wǎng)絡(luò)通訊功能，并保存了過去的串口通信以保持兼容。整個開發(fā)板結(jié)構(gòu)設(shè)計的串行接口與原信號機主板一樣，可以直接在現(xiàn)在的信號機上使用，而不用整個修改已經(jīng)開發(fā)成熟的信號機，簡化了開發(fā)工作。

本文作者創(chuàng)新點：在兼容原來信號機功能的基礎(chǔ)上，將嵌入式處理器和嵌入式操作系統(tǒng)結(jié)合起來應(yīng)用于信號機上。

參考文獻(xiàn)：
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[2] 胥靜.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)實例詳解—基于ARM的應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2005,1
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[4] 李巖,榮盤祥.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.城市交通信號燈模擬控制系統(tǒng)[J].微計算機信息,2005,10-1:68-87