基于ARM智能交通信號機控制板開發(fā)

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(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rs 232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(jié)構(gòu)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(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。

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(wǎng)以及區(qū)域協(xié)調(diào)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(jié)構(gòu)

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(wǎng)及與手持終端設備通訊等基本功能。整個系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)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(nèi)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(jié)構(gòu)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(jīng)過比較選擇at91rm9200作為信號機控制板處理器。

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(jīng)過芯片內(nèi)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(wǎng)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(diào)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(wǎng)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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。

（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(gòu)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(wǎng)模塊

傳統(tǒng)的rs 232和rs 485通信方式已經(jīng)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(wǎng)絡系統(tǒng)，實現(xiàn)信號機聯(lián)網(wǎng)的功能，也是智能交通發(fā)展的要求，at91rm9200芯片本身集成有網(wǎng)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(wǎng)絡參考模型中介于物體層和邏輯鏈路層之間的介質(zhì)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(wǎng)的通道。用intel的lxt972快速以太網(wǎng)phy傳輸控制芯片進行數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡收發(fā)。lxt972和at91rm9200網(wǎng)絡控制器通過介質(zhì)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(wǎng)絡隔離變壓器來連接，網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡模塊以標準rj45接口與以太網(wǎng)相連。其網(wǎng)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(qū)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(nèi)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(chǎn)生需要的多個時鐘頻率。

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(zhuǎn)換后，以兩線同步串行方式傳輸?shù)娇刂瓢宓腸pld，作“串/并”轉(zhuǎn)換后再發(fā)送給at91rm9200。在操作面板自己的cpld內(nèi)，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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)比較凌亂，難以維護或升級，功能也受限?；诠た貦C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(jīng)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(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)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(nèi)核體系結(jié)構(gòu)，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(nèi)核直接提供完善的網(wǎng)絡支持。

本文選擇功能和可靠性都很成熟的linux－2.4.19內(nèi)核版本以及針對at91rm9200體系結(jié)構(gòu)的補丁patch－2.4.19－rmk7。給標準內(nèi)核源代碼打上補丁后，該內(nèi)核就可應用于at91rm9200了。這就大大節(jié)省了產(chǎn)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(qū)動程序，并在編碼內(nèi)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(diào)試有兩種模式：

（1）和內(nèi)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(nèi)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(wǎng)口下載到目標板上執(zhí)行，用該方法調(diào)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(diào)試程序。將目標板（控制板）的調(diào)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(wǎng)線連接，并設置二者的ip在同一網(wǎng)段。在宿主機上打開nfs（網(wǎng)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(jié)果達到了預期的設計目標。

4 結(jié)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(wǎng)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(jié)構(gòu)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(jīng)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(wǎng)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。