基于ARM智能交通信號機控制板開發(fā)

      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(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

       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)構如圖2所示。{{分頁}}

       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。控制板上預留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。 {{分頁}}

       （1）本設計選用1片8M