（电机与电器专业论文）交通状态获取的传感器网络复合节点的研制.pdf

j 匕塞交通太堂亟堂焦论塞曼墨i ! a bs t r a c t a b s l l ( a c t ： a i m i n ga tt h es w i t c h i n gi no fm u l t i p a t ha n dd i f f e r e n tt y p es e n s o r , t r a n s m i s s i o no f m a s sd a t aa n da c t u a l c e n t r a l i z a t i o nd e t e c t i v em o d ee x i s t e di nu r b a nr o a dt r a f i l e c o n d i t i o n s o b t a i n i n gt e c h n i c ，t a k i n gt h ec o n c e p to fd i s t r i b u t e dt r a f f i c c o n d i t i o n s o b t a i n i n gs y s t e m a s b a c k g r o u n d ，t a k i n g t h e r e q u i r e m e n t o fe l e m e n t a r yb a s i c d e v o l o p m e n tw o r ku n d e rl a b o r a t o r ye n v i r o n m e n ta sp r i n c i p l e ，t h er e s e a r c ho f t h i st h e s i s d e v e l o p e da s e n s o rn e t w o r kc o m p o u n dn o d ep r o t o t y p ef o rt r a f f i cc o n d i t i o n sd e t e c t i n g f o rs a t i s f y i n gt h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n to ft h ec o m p o u n dn o d eb yd i s t r i b u t e d t r a f f i cc o n d i t i o n so b t a i n i n gs y s t e m ，t h i st h e s i sw o r k e do nt h ed e v e l o p m e n tb yt h eu s eo f a d v a n c e de l e t r o n i cd e t e c t i n gt e c h n i c ，d s pt e c h n i c ，f i e l db u st e c h n i ca n dc p l d t e c h n i c f i r s t ，d e v e l o p e d a n d d e b u g g e d t h eh a r d w a r eo f c o m p o u n d n o d e p r o t o t y p e ，i n c l u d e m a i nc o n t r o l l o r c i r c u i t ，c p l d c i r c u i t ，s i g n a lc o n d i t i o n i n g c i r c u i t ，c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ec i r c u i t ，h u m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c ec i r c u i ta n dp o w e r s u p p l yc i r c u i t s e n c o n d ，r e a l i z e dt h ed e t e c t i n go ft r a f f i cc o n d i t i o n sb a s e do ne vc a p a n d a d cm o d u l eo nc h i po ft m s 3 2 0 f 2 812 ，i n c l u d e 仃a 伍cv o l u m e ，i n s t a n t a n e o u sv e h i c l e s p e e d ，a v e r a g ev e h i c l es p e e d ，t i m eo c c u p ya n de n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r e r e a l i z e d t h e r e a lt i m ed i s p l a yo fd e t e c t i n gr e s u l t sa n dc o n t e n ts w i t c hb yc p l da n dh u m a n c o m p u t e r i n t e r f a c ec i r c u i t t h i r d r e a l i z e dt h eb a s i cc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o no fc a nb u sb a s e do n e c a nc o n t r o l l o ro nc h i po f t m s 3 2 0 f 2 812 ，a n dd e s i g n e dt h ea p p l i c a t i o nl a y e rf u n c t i o n o fc a nb u sf o rt r a f f i cc o n d i t o n so b t a i n i n go fal i n k v e r i f i e dt h ed e t e c t i v ea n db a s i cc a nb u sc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n o ft h e c o m p o u n dn o d ep r o t o t y p eb ys u f f i c i e n te x p e r i m e n t s c o n n e c t e dt h ee q u i p m e n t st of o r m as e n s o rn e t w o r ka n dv e r i f i e dt h ea p p i l i c a t i o nl a y o u tf u n c t i o no fc a nb u sb yw a t c h i n g t h ep r o c e s so ft h ed a t ai n t e r c h a n g e r e c u r r i n gt h ee n t h e r n e tc o m m u n i c a t i o n gf u n c t i o n a n dh u m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c es o f t w a r ed e v e l o p e db ym yf e l l o w , r e a l i z e dt h ew h o l e p r o c e s so fd e t e c t i n g ，p r o c e s s i n g ，a n dt r a n s m i s s i o n ，f o r m e dac o m p l e t e dp r o t o t y p es y s t e m a n dd e m o n s t r a t i o nm o d l e ，l a y e dt h ef i r s ts t o n ef o rf u r t h e rd e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：s e n s o rn e t w o r k ，c o m p o u n dn o d e ，t r a f f i cs t a t ed e t e c t i v e ， c a n b u s ，p r o t o t y p es y s t e m c l a s s n 0 ：u 4 91t p 2 7 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： i 司弗 签字日期：川占年占月罗日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： f 虱本鹌 签字日期： 砷孑年占月尸日 致谢 本论文的工作是在我的导师张和生副教授的悉心指导下完成的，从论文的选 题、系统方案的设计、试验问题的解决等方面都凝聚着导师的大量心血。张和生 老师严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢 他这两年来对我热心的关怀和教诲，无论为人为学，都使我收获良多。至此论文 完成之际，向我的导师表示衷心的感谢和诚挚的敬意! 在实验室工作期间，同研究组的叶华、郑巨明、揭志熹、曹迅恺、付月辉、 王强、王金东、韦洁等同学无论在学习上还是生活上都给予了我巨大的关心和帮 助，让我体会到了共同克服困难后的喜悦和手足般的深厚情谊，他们都将是我生 命中最宝贵的财富。在本课题的研究过程中，还多次到了杨宁师兄和王苏敬博士 的指导和帮助，在此也一并向他们表示感谢。 在硕士学习期间，我得到了我的家人和朋友们无微不至的关心和支持，使我 能够专心完成学业，在此对他们的付出表示深深的谢意。 最后，再一次衷心感谢所有关心和帮助过我的老师、同学和家人们! 绪论 1 绪论 本章简要叙述了课题研究的项目背景与研究意义，介绍了交通状态获取技术 以及传感器网络技术的发展和现状，分析了我国目前的交通状态获取系统所面临 的问题，并引出了本课题对改进现有的交通状态获取方式可能起到的积极作用。 最后给出了本课题的主要工作内容及工作开展的技术路线。 1 1 课题的项目背景与研究意义 本课题的研究内容依托于“科技部国家8 6 3 计划 项目“交通状态获取的新 型传感器、传感器网络优化与融合”( 项目编号2 0 0 6 a a l1 2 2 3 1 ) 中的子课题“传感 器网络复合节点、组网设备及传感器融合系统”。 信息技术作为智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s i t s ) 的核心， 主要包括信息采集、信息处理、信息传输和信息利用。而交通状态的获取涉及了 其中信息采集、信息处理和信息传输三个环节，由此可见，交通状态的获取是i t s 中的首要问题【4 】。可靠有效的交通状态信息是进行交通流控制和诱导等交通管理的 重要前提，是制定交通安全管理策略、交通事故检测、交通事故致因分析等交通 安全保障措施的必要基础，是交通基础设施管理、监控和维护不可缺少的第一手 资料。因此交通状态获取是交通管理、交通安全保障和交通基础设施监控维护的 基础性重要问题。解决好交通状态信息的获取问题是实现和发展i t s 的关键。 要实现交通状态的获取，就要解决好信息采集、信息传输和信息处理这三个 关键环节的问题。“交通状态获取的新型传感器、传感器网络优化与融合”正是以 此为目的，通过研究智能化可组网的新型交通检测传感器、分层式的交通状态信 息传输网络以及区域交通状态信息的融合提取方法，利用先进的电子检测技术、 现场总线技术、以太网技术、微处理器及d s p 技术等，将交通检测传感器组成网 络，突破从单个物理传感器或单一类型传感器获取交通状态的方法，改而采用多 传感器从不同角度获取信息，形成一种分布式的交通状态获取系统。 1 2 国内外研究现状 1 交通状态获取技术 交通状态获取技术源自道路交通控制，从1 8 6 8 年出现最早的交通信号灯以来， 道路交通控制已经过1 0 0 多年的发展。早期的交通控制是凭肉眼观测道路交通状 北京交通人学硕十学位论文 况和手动控制信号灯。1 9 3 0 年代初先在美国和英国相继采用气动橡皮管作为车辆 检测器获取道路交通状态控制交通信号灯。随后，雷达、超声波、光电、地磁、 电磁、微波、红外传感器和环形线圈( 电感式传感器) 相继用于道路交通控制中。1 9 7 0 年代英国和澳大利亚开发出基于交通状态的自适应交通控制系统s c o o t ( s p l i t c y c l eo f f s e to p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e ) 和s c a t s ( s y d n e yc o o r d i n a t e da d a p t i v et r a f f i c s y s t e m ) 。进入1 9 8 0 年代，融合自动检测技术、数据通讯技术、自动控制技术、智 能信息处理与决策等技术的智能交通系统成为解决交通问题的最佳途径。在i t s 的建设中，先进的交通管理系统a t m s ( a d v a n c e dt r a f f i cm a n a g e m e n ts y s t e m ) 、先 进的出行者信息系统a t i s ( a d v a n c e dt r a v e l e ri n f o r m a t i o ns y s t e m ) 、先进的车辆管制 系统a v c s ( a d v a n c e dv e h i c l ec o n t r o ls y s t e m ) 等i t s 子系统都把交通状态获取作为 重要的基础性工作。进入2 1 世纪后，一些新技术的出现，如下一代互联网、无线 传感器网络、移动组网技术、智能车辆传感器技术等，为智能交通系统的快速发 展与广泛应用带来了新的活力和机遇，使得原本难以在大范围内获取的交通状态 信息得以实现。目前美国、欧盟和日本都在研究开发道路交通获取的相关技术和 产品。 目前我国的道路交通系统中已经布置了大量的各类交通状态检测传感器，如 环形线圈、地磁、微波、超声等。不同交通检测传感器的性能特点和可以提供的 交通参数有所不同，各种典型的固定式检测器的性能特点及其可以提供的实时动 态交通参数类型见表1 1 与表1 2 所示【6 1 。 表1 i 典型的固定型交通检测器的性能特点 检测器类型优点缺点 环形线技术成熟、应用灵活安装维修需刨开路面封闭车道、 地圈成本低、精度高易损坏、使道路寿命降低 埋安装时间比线陶短、 式 地磁检安装维修需刨开路面封闭车道、 测器 可用于线圈不适用的地方( 如桥 降低公路寿命、不易检测静l f ：车辆 面) 微波检 对恶劣天气不敏感、 检测器安装和调试精度要求较高、 可侧向检测多车道、 测器道路有铁质分隔带时检测精度下降 可检测静止车辆和车速 非 超声检体积小、易安装、 地 测器寿命长、可移动、 检测精度受环境和天气影响较大 埋 红外检可侧向检测多车道、 式 检测精度受环境和天气影响较大 测器可检测车速和静l 卜车辆 视频检可提供可视图像、多区域多车道恶劣天气或积水、阴影及昼夜变化会造成检测 测器 检测、可获得大量信息 误差、大型乍辆会遮挡小型t - 辆 2 绪论 表l - 2 同定型交通检测传感器所能提供的实时动态交通参数 检测器类型交通流量占有率瞬时车速 行程车速排队长度 行程时间 地 环形线圈 、，、，xxx 埋 式 地磁检测器 、， 、，xxx 非微波检测器 、，、，、，xxx 地 超卢检测器 x x xx 埋 红外检测器 、，、，xxx 式 视频检测器 、，、，x、，x 从表1 1 和表1 2 可见，各种类型的交通检测传感器有各自的性能特点，其检 测范围、适用条件、约束性和局限性以及可以提供的基本交通参数差异较大。单 独使用某一类检测器很难保证交通状态获取的可靠性，而且也很难得到全面准确 的道路交通状态信息。因此，为了有效获取某一路段、交叉口、道路区间以至全 路网的全时空交通状态信息，就必须通过大量的和各种类型的交通检测传感器的 综合运用。而目前我国道路系统中使用的各类交通检测传感器的部署相互独立， 分属不同系统，无法直接进行数据交互并提供综合立体的交通信息，例如视频监 控需要单独的光网络进行传输、环行线圈通过交通控制系统进行传输，雷达、红 外传感器都有自己一套传输装置。因此现有检测器多数还只是用于交通信号控制 以及简单的道路运行状态监视，并不能真正获取全时空的路网交通状态信息【5 j 。 2 传感器网络技术 传感器是信息系统的最前端，它将人们需要探知的各种非电量信息转化成可 测的电量信息，为人们认识和控制相应的对象提供条件和依据。传感器网络的发 展大致经历了模拟接口传感器、数字接口传感器和基于现场总线的智能传感器三 个阶段。早期的模拟传感器功能、结构比较简单，输出可用于电测量的传统信号， 如模拟电压或电流信号，功能单一。随着集成电路的发展，将模数转换技术集成 到传感器中，对传感器输出信号进行数字化处理再进行数字化传输，提高了传感 器的性能，产生了数字传感器。但是在现代的各种工业、农业、军事、交通等测 控应用场合中，被控对象的分布范围越来越大，而且需要进行大量现场信号的采 集、传递和处理，采用传统的传感器分布检测、电缆传输以及主控制器集中接入 和控制的方法已经在很多应用中显得力不从心了。2 0 世纪八十年代末至九十年代 初，为了适应工业测控应用的需求，提出了现场总线( f i e l d b u s ) 技术。现场总线 是连接智能化现场设备和主控系统之间全数字、开放式的双向通信网络。将现场 总线技术应用于智能传感器，大大减少了传感器与主控系统的连线，有效降低了 系统成本和复杂度，形成了基于现场总线的传感器网络。 引入现场总线技术后，使测控现场中布设的每一个传感器都成为了网络中的 3 北京交通人学硕士学位论文 一个节点，形成了分布于较大区域的传感器网络，实现了使用不同的传感器协作 的监控不同位置或不同对象的运行状态和工作过程。现场总线技术一经产生便成 为了全球工业自动化技术的热点，受到了全世界的普遍关注。世界发达国家的自 动化公司都投入了巨大的人力、财力，全方位的进行技术和应用研究，并进行激 烈的市场争夺，自2 0 世纪九十年代以后，出现了群雄并起、百家争鸣的局面，目 前已开发出4 0 多种现场总线，其中最具影响力的包括c a n 总线、l o n w o r k s 、 p r o f i b u s 、f f 总线和h a r t 总线等。另外，将控制网络与数据网络相结合也是目前 研究的热点，通过将现场总线接入i n t e r n e t ，在一定条件下便可通过i n t e r n e t 监 视并控制这些生产系统和现场设备的运行状况和各种参数，通过网络实现被控对 象的远程监控。 1 3 课题的主要研究内容与技术路线 道路交通状态信息获取系统是一个大规模的全时空信息采集、处理和传输系 统。目前我国道路系统中使用的交通检测传感器种类多、数量大，这就不可避免 的造成了底层检测环节在检测处理方式和接口方式上的多样性和复杂性以及由此 产生的海量异构数据。而在信息传输和信息处理环节却依然使用着中央处理计算 机集中接入和控制的模式，并且各类传感器的部署相互独立，分属不同系统，无 法直接进行数据交互并提供综合立体的交通信息。可见，现有的交通状态信息获 取模式对数据传输网络资源压力巨大、对后台系统的处理能力要求极高并导致面 向全局综合应用的集成复杂性日益增加。 “交通状态获取的新型传感器、传感器网络优化与融合 的研究目的是通过 使用新型的网络化智能交通检测传感器、分层式的信息传输技术以及区域交通状 态信息获取技术实现一种新型的分布式交通状态获取方式。而传感器网络复合节 点的研制作为其中重要的基础性工作，是实现分布式交通状态获取系统的关键。 该复合节点可以通过现场总线形式综合接入多路及多种类的交通检测传感器，以 适应底层检测传感器的多源异构特性，同时也可以满足一些不具有组网能力的常 用传感器的接入。节点的数据处理单元可以分担部分交通管理控制中心的信息融 合功能，通过接入的多源传感器信息的在线融合得到区间交通状态信息，减少上 层数据传输网络中传输的数据量，直接支持部分i t s 子系统的数据需求，且对上 层网络具有统一的接口标准。因此，从i t s 各子系统用户和交通管理控制中心的 角度看，该复合节点就像一个多功能的虚拟传感器。 由于实际道路交通状态获取系统的实现是一个庞大的系统工程，需要长期分 步骤地加以实现和执行，而且实验室的实验条件有限，很难模拟实际的道路交通 4 绪论 运行状况。因此，本课题研制的节点装置定位于一种交通状态获取的传感器网络 复合节点的概念样机，旨在初步实现信息的采集、处理和传输，在实验室环境中 实现一种分布式的检测和通信系统模型，并验证复合节点及分布式交通状态获取 系统功能的正确性，为今后的工作打下基础。 本课题完成了节点样机的硬件设计和调试，在功能上侧重于底层传感器的接 入、检测以及现场总线级组网的实现，主要工作内容有以下几点： 复合节点概念样机的硬件设计和调试，包括控制电路、信息采集电路、通 信接口电路、人机接口电路以及电源电路等。 复合节点样机信息采集功能的实现，包括对交通流量、占有率、车速和温 度参数的检测，以及对检测结果的实时显示。 复合节点样机现场总线级数据传输功能的实现以及c a n 网络应用层功能 的原型设计。 实验室原型系统的搭建和模拟实验设计，将传感器组成网络并模拟区间道 路交通状态获取系统的运行情况，验证节点及系统功能的正确性。 本课题研究工作开展的技术路线如图1 1 所示。 系统 实现 功能 实现 硬件 实现 需求 提1 1 ： 原形系统搭建及交通状态获取模拟实验 传感器组网及基本 传感器复合节点的综 合接入 i i c a n 网络应 传感器复合节点 交通状态参数获取的数据上传 _ i j 层功能的实现 ji 信息采集功能的实现 现场级信息传输功能的实现 检测结果的实时显示 + c a n 网络戍用层协议设计 基本交通流参 数的检测 温度的检测 + 基于e c a n 模块的c a n 网络物理 基本动态交通参数的定义 层与数据链路层的功能实现 + 信息采集电路设计通信接口电路 土控制器 模拟量信息采集电路 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 e c a n 模块的c a n 总线通信接u 开关量言息采集电路 人机接u 电路 i 基于c s 8 9 0 0 的以太嘲通l l 数字脉冲序列采集电路l 电源电路l 信接u i + 1 分布式交通状态获取系统概念的提出、复合节点的功能定位 图l i 课题技术路线图 f i g u r e l - 1t e c h n o l o g yr o a d m a po f t h ep r o j e c t 5 北京交通人学硕十学位论文 2 复合节点的硬件设计 本章详细介绍了复合节点样机的硬件结构，包括控制电路、信息采集电路、 通信接口电路、c p l d 电路、人机接口电路以及电源电路。复合节点的各项功能均 基于其硬件条件和特点完成实现。 2 1 系统总体结构 道路交通系统中布设的大量不同种类的交通检测传感器在工作原理、接口方 式等方面差异较大，通过将其组网可以使交通管理控制中央计算机直接通过网络 以数据形式获取信息，从而避丌了底层检测环节的多源异构所带来的问题。然而 道路交通系统的庞大以及检测器数量的众多也带来了海量数据的处理和传输问 题，单纯使用以太网的形式必然会造成网络系统资源的紧张和中央计算机数据处 理的难度和复杂性。因此我们采用现场总线与以太网相结合的分层式网络系统结 构，充分发挥现场总线在区域网络控制和实时数据传输以及以太网在大范围内的 网络覆盖和大数据量的数据传输方面的优势，形成一种分布式的交通状态信息获 取方式。其总体系统结构如图2 1 所示。 图2 1 分布式交通状态获取系统结构示意图 f i g u r e 2 1a r c h i t e c t u r eo f d i s t r i b u t e dt r a f e cc o n d i t i o n so b t a i n i n gs y s t e m 交通状态获取的传感器网络复合节点在整个分布式交通状态获取系统中发挥 着关键性的作用。它一方面实现了现场总线和以太网之间的无缝连接，另一方面 6 复合市点的硬件设计 还能够在其综合接入的多传感器信息的基础上获取区域性的道路交通状态，分担 部分中央计算机的信息融合任务。 图2 1 中的智能传感器为“交通状态获取的新型传感器、传感器网络优化与融 合”项目中另一项子课题“新型交通状态获取传感器及其网络化”正在研制的具 有现场总线接入功能的新型传感器，同时该传感器还具有一定的数据处理功能， 可以提供一些基本交通状态参数。而目前道路交通系统中现有的传感器大多不具 备通信功能，为此一方面可以通过增加现场总线组网设备对部分现有传感器进行 改进，另一方面也需要为复合节点装置本身增加一定的常见传感器接入能力。 从上述复合节点在系统中的功能作用出发，研制了面向初期实验调试阶段的 复合节点装置概念样机。其中包括主控制电路，c a n 总线通信接口电路、以太网 通信接口电路，信息采集电路以及入机接口电路等模块。复合节点样机的总体硬 件结构如图2 2 所示。 模拟量聚集 开天量采集 = = = = = = = = = = = = = = = ：= 数字脉冲序列采集 以太网接口 以太网控制器 c s 8 9 0 0 a a d c e vj 。g p i o1 t m s 怒2 8 1 2 c a n 总线 接u i 认m l s 6 l l v 2 5 6 1 6 1 2 8 * 6 4 点阵 液品模块 c p l d e p m l 2 7 0 3 1 4 4 c 5 n 图2 2 复合节点样机硬件结构图 f i g u r e 2 2h a r d w a r ea r c h i t e c t u r eo fc o m p o u n dn o d ep r o t o t y p e 2 2 主控制电路 矩阵键盘 复合节点样机的主控电路为d s p 芯片及其相关的外围电路，包括时钟电路和 片外扩展存储器电路。 1 数字信号处理器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 7 北京交通人学硕士学位论文 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是美国t e x a si n s t r u m e n t s 公司生产的面向测控应用的3 2 位定点 型d s p 芯片，是目前最先进、功能最强大的数字信号处理器之一。它采用改进的哈 佛结构，程序存储器和数据存储器具有各自独立的总线结构，指令执行速度为 1 5 0 m i p s ，并支持c c + + 编程。另外，该d s p 具有丰富的片内外设资源，包括a d 转换模块、增强型c a n 总线控制器、事件管理器以及串行通信接口等，使其非常 适用于有大批量数据处理的测控场合。现将其主要性能特点总结如下： 高性能静态c m o s 技术，功耗低( 内核电压1 8 v ，i o 电压3 3 v ) ，编程电压 3 3 v 。 高性能的3 2 位c p u ，采用改进型的哈佛总线结构，统一的编址方式和强大 的寻址能力。 丰富的片内存储器资源，包括8 k x l 6 位的f l a s h 存储器，1 k x l 6 位的o t p 型只 读存储器，两块4 k x l 6 位的s a r a m ，一块8 k x l 6 位的s a r a m 和两块 1 k x l 6 的s a r a m 。 内部锁相环支持动态改变时钟倍频系数。 丰富的外部中断源，包括1 2 组每组8 个，共9 6 个外部中断。 1 6 通道的1 2 位a d c 。 丰富的串行通信接口设备，包括s p i 、s c i 及e c a n 。 5 6 个可编程、多用途的g p i o 引脚。 3 个3 2 位的c p u 定时器。 两个事件管理器模块( e v a ，e v b ) ，提供高效的电机控制方案。 2 时钟电路 f 2 8 1 2 的时钟信号采用一个外部有源晶体振荡器产生。选用有源外部晶振可以 有效降低噪声和提高系统的抗干扰能力，并保证足够的驱动能力。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片具有锁相环的功能，用来从一个较低频率的外部时钟获得较高的内部时钟频 率，倍频数可为0 5 5 倍，由编程实现。在这里使用3 0 m h z 的外部时钟，系统最高 工作频率可达15 0 m h z 。如图2 3 所示。 x 11 0 v 图2 3 时钟电路 f i g u r e2 - 3t h ec l o c kc i r c u i t 为满足f 2 8 1 2 芯片1 8 v 的内核工作电压，此处使用了一个1 8 v 的 以保证时钟电路可以提供不超过1 8 v 的适当时钟信号驱动电平。 3 片外扩展存储器 考虑到本装置在将来的应用中有可能会面临大数据量的实时动 据处理问题，故此处进行了外部存储区的扩展，以增加装置的数据 里选用了两片i s s i 公司生产的高速静态r a m 芯片i s 6 1 l v 2 5 6 1 6 2 5 6 k x l 6 位，共计5 1 2 k x l 6 位。该芯片为3 3 v 电源供电，高性能 够直接与f 2 8 1 2 连接并满足d s p 高速运行的要求。如图2 4 所示。 3 3 a 0l 1 a 12 l 。? ： 霾a3 4 a 4 5 a 5 i s a 6 9 a 7 2 0 a s 2 a 92 2 羹 i l ： l 。0 ： ll ： i ? ： ll ? 二 l 。f 二 雾a11 2 4 a 1 2 2 5 a3 26魏aal4 2 7 a 1 54 2 i _ ： i ：二 l n ： 。_ ： i ： 趟a7 4 4 习氍 li 。? z l l 3 3 1 2 3 4 v d d v d d g n d g n d i 0 0 l o l i 0 2 i 0 3 l ，0 4 i ，0 5 i 0 6 i 0 7 i 0 8 i ，0 9 i o l o i 0 1 1 i 0 1 2 i 0 1 3 i 0 1 4 i 0 1 5 l s 6 l l v 2 5 6 1 6 a l l oi o v 3 9 4 0 2 8 6 4 1 1 7 d o a 0 d d 3 u 31 稳压二极管， 态交通状态数 处理潜力。这 ，每片容量为 、低功耗，能 a l a 2 a 3 a 4 a 5 a 6 d 7a 7 d 8a 8 d l o d l l d 1 2 d 1 3 d 1 4 d 1 5 o v 3 3 x z c s 2l x r d x w e a 9 a l o a l l a 1 2 a 1 3 a 1 4 a 1 5 a 1 6 a 1 7 l l 3 3 1 2 3 4 a o a l a 2 a 3 a 4 a 5 a 6 a 7 a 8 a 9 a l o a i i a 1 2 a 1 3 a 1 4 a 1 5 a 1 6 a 1 7 v d d v d d g n d g n d i o o i o l i ，0 2 i 0 3 i 0 4 l ，0 5 i 0 6 f 0 7 i 0 8 i 0 9 i 0 1 0 i o l l i 0 1 2 i ，0 1 3 i 0 1 4 l 0 1 5 l b u b n c c e o e w e l s 6 l l v 2 5 6 1 6 a l 1 4l 图2 - 4 片外扩展r a m 电路 0 v f i g u r e2 - 4t h ec i r c u i to fe x t e r n a le x t e n d e dr a m 2 3 信息采集电路 d d 3 d 5 d 1 0 d 1 1 d 1 2 d 1 3 d 1 4 d 1 5 3 9 匹i o v 2 8 6 4 l 1 7 x z c s 22 x r d x w e 目前道路交通系统中所用的交通检测传感器类型较多，且大多数自身不具备 现场总线组网功能，而想在短时期内大范围的更换可组网的新型传感器或是大量 配置组网设备又是不现实的，所以要求复合节点本身最好也能具备一定的常用传 感器直接接入能力，故特地在复合节点装置中设计了传感器信号采集通道。而由 于本课题研制的复合节点装置是面向实验室环境下初步功能验证和调试用途的概 念样机，再加上实验条件有限，所以这里设计的采集电路并不是针对某一个或几 个特定传感器而言，而是面向模拟量输出、开关量输出和数字脉冲序列输出这三 9 789一mb一一：2一佑一”一如一引一弛一弱一弘一一弘 一2345一博一旧一加一纠一验一一m一药一拍一”一铊一钙一舛 789一旧一bm一一=2一捞一如一引一驼一弘一弘一”一强 一一咂 眦一旺一征一眦 北京交通大学硕十学位论文 种类型的传感器来设计的，这三种类型包含了目前道路交通信息采集常用的传感 器类型如线圈、微波、超声、红外等等，可以起到一定的模拟和功能验证作用。 复合节点样机中共设计了5 路信息采集电路，包括两路模拟量信号采集电路、两 路开关量数字采集电路和一路数字脉冲序列信号采集电路。 1 模拟量信号采集电路 模拟量信号采集电路分为模拟电流信号采集和模拟电压信号采集两种。模拟 电路信号采集电路如图2 5 所示。 7 图2 5 模拟电流信号采集电路 f i g u r e 2 5a n a l o gc u r r e n ts i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i t 电路中采用了集成运放芯片l m 3 2 4 ，前级的运放负责将电流信号转换为电压 信号并调整电压与电流间的比例关系；后级运放主要起到电压反相的作用。为适 应不同传感器的输出范围特性，此处使用了两个电位器r a 35 与r a l5 视情况而 对电路作适当调整。输出电压与输入电流之间的关系为： 虬埘= ( r 3 5 + r a 3 5 ) l ( 2 1 ) u o u t 输入至f 2 8 1 2 的a d c 模块，由于该模块要求的输入电压范围为啦3 3 v ， 所以在模拟量信号采集电路的输出端使用了一个稳压管，将信息采集电路的输出 电压钳位在0 到3 3 v 之间。 f 图2 6 模拟电压信号采集电路 f i g u r e 2 - 6a n a l o gv o l t a g es i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i t l o 复合二钙点的硬件设计 输出电压与输入电压间的关系为： u o u = 等喾竽( 2 - 2 ) 2 开关量信号采集电路 开关量信号的采集主要通过光藕隔离来实现。这里选用的光藕隔离芯片为 t o s h i b a 公司生产的高速光藕6 n 1 3 7 ，最快开关速度为1 0 m b i t s s 。其电路连接如 图2 7 所示。 3 3 v l8 i n cv c c if i r 2 4 = 5 = c 1 3 + l ，vr 2 1 5， 7l l l 一 v d de n 【j 3 6 c a p 2 i no u t d i n l45= 一- - - - c 1 1 5 n c g n d i u v 图2 7 开关量信号采集电路 f i g u r e 2 - 7d i g i t a ls w i t c hs i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i t 将输入信号接至6 n 1 3 7 的3 号管脚，输出管脚6 接上拉电阻。当输入信号为 高电平时，6 n 1 3 7 输入侧的发光二极管关断，输出侧的三极管也关断，此时输出 高电平；当输入信号为低电平时，输入侧的二极管发光，驱动输出侧的三极管导 通，并将光藕的输出拉低。可见，该电路实现的是输出与输入电平的正逻辑关系。 光藕输出的信号接至f 2 8 1 2 的捕获管脚，其高低电平的跳变沿会触发捕获单元产 生中断，并由该中断完成相应检测量的测量。光藕的输入侧采用与传感器相同的 1 2 v 供电电压，传感器的开关量输出也为o v 或1 2 v ；光藕的输出侧则采用与内部 控制电路匹配的3 3 v 供电电压，保证光藕的输出为o v 和3 3 v ，满足f 2 8 1 2 的i o 电压等级。可见，光藕在保证了内部和外部信号光电隔离的同时，也实现了电路 中电平等级的转换。 3 数字脉冲序列信号采集电路。 数字脉冲序列的信号采集电路也采用高速光藕6 n 13 7 实现光电隔离和电平转 换，6 n 13 7 的最高开关频率支持1 0 m b i t s s ，可以满足一般的数字脉冲序列信号采 集的速度要求，输出接至f 2 8 1 2 的g p i o 管脚。其电路连接基本与开关量信号采集 电路相同，此处不再赘述。 2 4 通信接口电路 本复合节点样机装置同时具有现场级的c a n 总线通信功能以及上层的以太网 北京交通大学硕十学位论文 通信功能。f 2 8 1 2 芯片中集成了c a n 总线控制器e c a n 模块，因此只需要增加c a n 总线驱动器部分。以太网接口电路采用了c s 8 9 0 0 a 以太网控制器以及1 0 b a s e t 通信接口。 2 4 1c a n 总线接口电路 1 9 9 3 年形成的国际标准i s 0 1 1 8 9 8 中对基于双绞线的c a n 总线的媒体介质给 出了建议，如图2 8 所示。 图2 8c a n 总线的媒体介质形式 f i g u r e 2 - 8m e s af o r mo fc a nb u s c a n 总线上的信号以差分电压形式传送，总线驱动可以采用单线上拉、单线 下拉或双线驱动，接收采用差分比较器。每个总线末端应接中段电阻r l ，以抑制 反射和产生差分电压。当图2 8 中的晶体管均被关闭时，v c a n h 和v c a n l 被固定于 平均电压电平，两者的差v d i f f 近似为零，此时称总线处于隐性状态。当成对的晶 体管中至少有一个被导通时，则产生流过终端电阻的电流，使v c a n h 与v c a n l 之 间产生大于最小阈值的电压差，此时称总线处于显性状态。由此可以看出，当总 线上的任一节点使其自身的晶体管导通时，都会将总线带入显性状态，并覆盖总 1 2 复合节点的硬件设计 线上的隐性状态，这也正是c a n 总线非破坏性总线仲裁机制的基础。总线上传输 数据的逻辑“0 ”与逻辑“l ”也是由总线的“显性 和“隐性”来表示的。如图 2 - 9 所示。 图2 9c a n 总线上的位电平表示 f i g u r e 2 9v o l t a g el e v e lo f t h eb i to nc a nb u s 一个c a n 总线节点设备应包括三个组成部分，即主控制器、c a n 总线控制 器和c a n 总线驱动器。如图2 1 0 所示。 图2 1 0c a n 总线节点设备的组成结构 f i g u r e 2 1 0s t r u c t u r eo f c a n n o d ee q u i p m e n t 主控制器是整个节点的控制中心，通过地址数据总线访问c a n 总线控制器来 实现对c a n 总线的访问。c a n 总线控制器实现c a n 协议的物理层和数据链路层 功能，通过对其适当的配置来控制c a n 总线的工作状态并实现数据的发送和接收。 c a n 总线驱动器实现了c a n 控制器和物理总线之间的接口，将总线上的差分电 压转变成表示逻辑“0 ”和逻辑“1 ”的高低电平。总线驱动器的性能决定了总线 接口、总线终端、总线长度和网络中的节点数量，是影响整个总线网络通信性能 的关键因素之一。 由于本课题设计的复合节点装置所采用的主控器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 中已集成了 c a n 总线控制器e c a n 模块，因此只需增加c a n 总线驱动器的相关电路就可实 现c a n 总线通信接口的功能。这里我们选用的是p h i l i p s 公司生产的较为常用的 c a n 总线收发器p c a 8 2 c 2 5 0 。该芯片完全符合i s 0 1 1 8 9 8 标准，最高速率达1 m b s ， 可以实现数据的差动发送和接收，且具有较强的抗干扰能力、过热保护能力和驱 动能力，最多可在总线上连接1 1 0 个节点。p c a 8 2 c 2 5 0 的内部结构如图2 1 1 所示。 北京交通人学硕十学位论文 图2 11c a n 总线驱动器p c a 8 2 c 2 5 0 内部结构图 f i g u r e 2 iis t r u c t u r eo fp c a 8 2 c 2 5 0 复合节点样机装置中的c a n 总线接口电路如图2 1 2 所示。 图2 1 2c a n 总线通信接口电路 f i g u r e 2 12c a nb u sc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ec i r c u i t 为增加复合节点硬件的抗干扰能力，在c a n 总线驱动器p c a 8 2 c 2 5 0 与f 2 8 1 2 的e c a n 模块之间加入了快速光藕6 n 1 3