基于ARM智能交通信號機(jī)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(jī)（以下簡稱信號機(jī)）。國內(nèi)的信號機(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(shí)現(xiàn)區(qū)域交通協(xié)調(diào)控制等功能，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都是按通用計算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，并非專門針對信號機(jī)應(yīng)用設(shè)計，該類信號機(jī)硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜且很多功能并不需要，成本也高，國外的信號機(jī)（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(jī)產(chǎn)品，但一般不適用于中國混合交通的實(shí)際情況，且價格昂貴，操作不方便。

　　信號機(jī)是一個典刑的嵌入式系統(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)格的要求，既要滿足智能交通系統(tǒng)對信號機(jī)智能化、多功能的要求，又要最大化信號機(jī)的性價比，因此本設(shè)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(jī)控制板的硬件設(shè)計，以達(dá)到使信號機(jī)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(shè)計目標(biāo)。

2 信號機(jī)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(jī)可以向控制中心實(shí)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(dú)立執(zhí)行一些復(fù)雜的算法，可以根據(jù)交通流量變化實(shí)時條件路口信號燈的綠燈時間，因此考慮現(xiàn)有信號機(jī)的不足，根據(jù)信號機(jī)功能發(fā)展的趨勢和要求，本文設(shè)計的信號機(jī)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(shí)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(shè)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(dāng)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(yùn)算速度可達(dá)200MIPS。專門針對系統(tǒng)控制、通訊領(lǐng)域的應(yīng)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(yīng)用場合，豐富適合于實(shí)時控制，可以支持實(shí)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(yīng)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(jī)控制板處理器。

2.1.2 控制板外圍模塊

　　控制板設(shè)計主要包括以下幾個部分：

　?。?）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(luò)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(yù)留GPS接口位置，用于未來擴(kuò)展信號機(jī)無線通訊功能，GPS使用RS232同AT91RM9200通信。

　　（5）RTC模塊：

　　信號機(jī)在通訊、干線或者區(qū)域協(xié)調(diào)控制中需要使用統(tǒng)一的時間來同步，因此設(shè)計RTC（實(shí)時時鐘）用來對時。RTC可以提供可編程的實(shí)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。

　?。?）系統(tǒng)總線擴(kuò)展模塊。

2.2 主要硬件模塊電路設(shè)計

　　下面詳細(xì)說明存儲單元、網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)總線擴(kuò)展模塊的硬件設(shè)計。

2.2.1 存儲器模塊

　　本文設(shè)計的信號機(jī)需要存放嵌入式操作系統(tǒng)及其文件系統(tǒng)、應(yīng)用程序和其他在運(yùn)行或系統(tǒng)掉電后需要保存的數(shù)據(jù)；另外當(dāng)系統(tǒng)啟動后，操作系統(tǒng)和程序運(yùn)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(jī)的要求，因此設(shè)計了外存儲單元來擴(kuò)展存儲空間，由16MB和FLASH和64MB的SDRAM組成信號機(jī)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(shè)備（擴(kuò)展的片外存儲器和外接的設(shè)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(dāng)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。

　?。?）本設(shè)計選用1片8M