（电路与系统专业论文）基于dsp的交通信号控制机的设计与实现.pdf

摘要 基于d s p 的交通信号控制机的设计与实现 史浩( 电路与系统) 导师：刘建 摘要 本信号机是参考s m x h j2 0 0 0 、s m x h j 3 等先进交通信号控制机的功能要 求，结合我国的交通现状和实际需求，自主研发的灵活配时的多路交通信号控 制机。目前实现了定时、多时段控制方式，预留了联网和智能化控制接口。这 里主要介绍信号机定时、多时段控制的具体实现。系统的设计主要围绕配时设 置展开，把国内外同类交通信号控制机功能要求整理，提出了以清道方案和相 位方案为信号机的基本方案库设置，在这个基础上增加日时设置、周时设置和 节假日设置，完成信号机的整体配时设置。 本文提出了基于d s p 的交通信号控制机的具体实现方法，给出了详细的硬 件、软件设计。首先提出系统的总体设计，介绍信号机基本相关知识，通过引 例把信号灯运行状况拆分成相位和清道两个过程，把各种实现方法组合起来形 成方案库，提出信号机的总体实现：然后以信号机主体功能为主线介绍上位机 实现各功能的方法，以各模块组成为中心介绍下位机的硬件设计，围绕信号机 程序编制的重点和难点介绍了下位机的固件设计，即d s p 程序；最后提出了以 u 盘文件方式进行配时设置，介绍了u 盘和文件系统识别的基本过程。 总之，清道方案和相位方案的提出，使得信号机的定时、多时段控制方式 更加简洁、灵活，更易于信号灯多方案控制程序的统一编制，提高信号机运行 的稳定性，同时使各方案的设定、修改都非常灵活，不需要修改程序就可以添 加新的控制方式，使信号机可以广泛应用在各种路口中。另外在系统的调试中 解决了很多关键性问题，比如串口通讯的稳定性、液晶屏刷新速率较慢、汉字 基于d s p 的交通信号控制机的设计与实现 和字符混合显示的页面管理、d s p 和时钟芯片d s l 2 8 8 7 的配接等。它们的解决 使信号机能更加稳定地为交通领域服务，同时也使信号机具有一定的可升级能 力。 关键词：数字信号处理；交通信号控制机；液晶屏； f p g a ；相位 i i d e s i g na n di m p l e m e n t o ft r a f f i cs i g n a lc o n t r o l l e rb a s e do nd s p c i r c u i ta n ds y s t e m ：s h ih a o d i r e c t e db y ：l i uj i a n a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to ft h i st r a f f i cs i g n a lc o n t r o l l e rt o o ks m x h j _ 2 0 0 0a n d s m x h j 3o p e r a t i o nh a n d b o o ka sr e f e r e n c e b e c a u s et h et r a f f i cs i g n a lc o n t r o l l e r w o r k e dm o s t l ya tt h em o d eo ft i m i n ga n dm u l t i p l ep h a s e s ，t i m ec o n f i g u r a t i o nw a s v e r yi m p o r t a n tf o rt h ed e s i g n o ft h i ss y s t e m t a k i n gt h ep h a s es c h e m e sa n d t r a n s i t i o ns c h e m e sa sb a s i cs c h e m es t o c k s ，a tt h es a m et i m e ，a d d i n gd a i l ys e t u p ， w e e ks e t u pa n dh o l i d a ys e t u pw e r ep u tf o r w a r di nt h i sp a p e r , a n dt h e yw e r et h ek e y t oa c h i e v et h et r a f f i cs i g n a lc o n t r o l l e rf u n c t i o n t h ei m p l e m e n tm e t h o do ft h et r a f f i cs i g n a lc o n t r o l l e rb a s e do nd s pw a s i n t r o d u c e di nt h i sp a p e r , m e a n w h i l e ，t h ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ew a sg i v e n f i r s t ，t h eh o l i s t i cd e s i g no ft h i ss y s t e mw a sb r o u g h tf o r w a r d ，d i v i d e dt h es t a t eo f t r a f f i cs i g n a lc o n t r o l l e ri n t op h a s ea n dt r a n s i t i o n ；a n dt h e ne v e r yf u n c t i o no fp c s o f t w a r ea n dm o d u l eo ft r a f f i cs i g n a lc o n t r o l l e rw e r ei n t r o d u c e d ；a tl a s t ，a c o n f i g u r a t i o nm e t h o db yu s b w a sp u tf o r w a r d ，w h i c hm a d et h ec o n f i g u r a t i o nm o r e c o n v e n i e n t t h ep h a s es c h e m e sa n dt r a n s i t i o ns c h e m e sm a d et h et r a f f i cs i g n a lc o n t r o l l e r m o r ef l e x i b l eo nc o n t r o lm o d e ，a n dm a d et h et r a f f i cs i g n a lc o n t r o l l e rw o r k e dm o r e s t e a d i l y b e s i d e s ，m a n yk e yp r o b l e m sw e r es o l v e dd u r i n gt h es y s t e md e b u g g i n g ， s u c ha ss t a b i l i t yo fs e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，t h er e f r e s hs p e e do fl e ds c r e e n ，t h e m i x e dd i s p l a yo fc h i n e s ec h a r a c t e r sa n dc h a r a c t e r , t h ei n t e r f a c eo fd s pa n d d s l 2 8 8 7a n ds oo n a f t e rt h er e s o l u t i o no ft h e s ep r o b l e m s ，t h et r a f f i cs i g n a l i i i 基于d s p 的交通信号控制机的设计与实现 c o n t r o l l e rs e r v e db e t t e rf o rt r a f f i c ，a n da c q u i r e dt h ea b l i t yo f u p g r a d e k e yw o r d s ：d s p ；t r a f f i cs i g n a lc o n t r o l l e r ：l c ds c r e e n ：f p g a ：p h a s e 未经本论文作者的书面授权，依法收存和保管本论文书面版本、电 子版本的任何单位和个人，均不得对本论文的全部或部分内容进行任何 形式的复制、修改、发行、出租、改编等有碍作者著作权的商业性使用 ( 但纯学术性使用不在此限) 。否则，应承担侵权的法律责任。 长春光学精密机械与物理研究所 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指 导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本文完全意识到本声明的法律结果由本 人承担。 学位论文作者签名： 2 0 0 5 年月日 学位论文知识产权权属声明 本人郑重声明：所呈交学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。知识产权归属中国科学院长春光学 精密机械与物理研究所。长春光学精密机械与物理研究所享有以任何 方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离所后 发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名 单位仍然为长春光学精密机械与物理研究所。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 论文作者签名： 日期：年月日 导师签名： 日期：年月日 第l 章引言 第1 章引言 交通信号控制机简称信号机，对减轻交警工作强度和维护交通的安全畅通 起着举足轻重的作用。 1 1 研究目的 随着汽车交通运输的发展，交通拥挤、道路阻塞和交通事故频繁发生正越 来越严重地困扰着世界各大城市。汽车工业发展引发的道路交通不能满足需求 的种种交通问题越来越突出。与此同时，除了修建必要的道路网以外，针对交 通事故多发道路，紧迫需要建设一系列的交通安全设施，如信号机、道路标识、 交通指挥中心等，以改善道路的交通环境，提高交通的顺畅性，缓解交通拥挤 状况。信号机在这里起了非常重要的作用。 从我国目前交通状况来看，中小型路口占大多数，它们大都处于简单的信 号机控制，相位控制过程比较单一，不能有效地利用路口资源。另外，不易实 现联网控制，不能监控，可维护性差。长春市很多路口都处于这种状态，所以 有必要对现有的单一控制的信号机进行改造，使信号机要有更强的适应性，能 提供更多、更复杂的控制方案，以适应各种复杂的路口，适应现代化交通要求。 这样，如何使原有信号机从简单的单一路口扩展到各种复杂路口，如何使信号 机设置更加灵活方便，如何使信号机运行的更加稳定可靠等等，成为本论文研 究的重点。 1 2 研究方法 为了使交通灯的控制更加灵活，适合各种复杂的路口，实现最佳的交通流 量控制( 即在等时间内放行最多的车辆) ，同时系统又不过于复杂，这里采用了 与人们生活方式密切相关的时间作为控制依据。路口的繁忙情况与时间是密切 相关的，周一到周五工作，而周六、周日休息，平时与周末的车流量是不同的， 即使是同一天，早、中、晚车流量都是不同的。所以，路口交通灯的控制规律 应该随时段的不同而改变。使信号灯能按预设的参数在不同的日期、不同的时 段按要求有不同的配置输出，这就是定时、多时段控制，是信号机的基本控制 基于d s p 的交通信号控制机的设计与实现 方式。同时，为了使信号机由单一方案、单一路口控制转变成多方案、多路口 控制，信号机应该在保证交通正常运行情况下，能够灵活配置和设定各种配时 方案及配时库等信息，应采用较好的处理器，这里选用d s p 为核心处理器， 由它实现上面的要求。 “ 1 3 研究内容 本项目主要把s m x h j2 0 0 0 、s m x h j 一3 等先进信号机的基本要求进行整 理，以方案库方式设定相位输出，实现定时、多时段控制，实现以时间为依据， 灵活配时的4 8 路交通信号控制机，使它能够适应各种复杂的路口。 1 4 研究结果 目前已基本实现4 8 路交通信号控制机的功能，信号机工作稳定可靠，方案 库设置灵活，各种配时信息可通过键盘手动输入，也可通过p c 串口下载，人 机界面友好，操作简单方便，且具有权限保护功能；清道方案和相位方案的结 合使得设置夜间黄闪、全灭等一些特殊状态输出都非常容易：信号机具有很强 的适应性，基本实现了信号机的要求。研究结果如下： 1 清道方案和相位方案的提出是本信号机的核心控制，尤其是清道方 案设置，它使得信号机输出具有多样性，同时也使得人们更容易理解交通灯运 转的情况。另外，它们使得路口各种复杂设置都能调用同一个子程序，一方面 程序更加规范易读，另一方面也减少信号灯运转时出错的概率，使信号机的工 作更加稳定可靠。 2 信号机是以时间为核心依据控制的，而各个时间段采用的方案数 据，是长期观测该路口车辆的统计值，这使得原路口数据对信号机有一定的参 考价值。信号机需要准确的时间，所以时钟芯片提供的时间对信号机有非常重 要的意义。目前，在单机结构中，可以通过系统设置菜单进行校时，另外系统 在读取时间出错后，将按默认相位控制方案输出，以防止出现错误输出，同时 指示时间出错，以便维修：在将来的联网结构中，可以采用定期的网络校时， 使信号机运行的更加稳定可靠。 3 以u 盘文件格式为信号机配时，是信号机较新的配时方法，使信号 机在现场可以脱离p c 机进行配时，与键盘输入方式相比，更加方便。目前实 现了以p d r u s b d l 2 为接口芯片的上位机u 盘读取的实验。 4 信号机采用高速的数字信号处理器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作为核心控制 器，使得信号机有更强的处理能力，易于管理多方案设置，适合各种复杂路口。 5 信号机设计中，软件和硬件都留有余量，易于未来升级。 第2 章系统总体设计 第2 章系统总体设计 从结构上讲，信号机包括上位机设计和下位机设计两部分。上位机设计主 要为用户提供一个良好的人机交互界面，把各种配时信息通过串口下载到下位 机的非易失存储器中，以便下位机按配时信息及当前时间确定路口状态，另外， 上位机也提供系统一些控制信息的设定，如复位信号机、输出灯组有效及灯组 顺序设定等；下位机设计主要完成整个信号机的各路信号灯输出状态的控制， 保证路口按预先设定的配时方案运转。为使信号机可脱离上位机单独运行，下 位机提供键盘和液晶屏作为人机接口设备，方便现场信息的设定和修改。 2 。1 信号机相关内容 2 1 1 交通灯的运行实例 绿灯oo ；o 黄灯o oo 红灯o oo 囊囊囊 蜊糕蛾 o oo 北 o o o ： ：m o ooo o o 南 囊蚤囊 蠊板蚓oo ；o红灯 oo ；o黄灯 oo ；o绿灯 图2 - 1 平阳街路口( 南北向懈放大路) 交通灯情况 首先以一个路口为例简单介绍交通信号控制机的运行情况。图2 1 是长春 市主要路1 3 之一的平阳街与解放大路路1 3 交通灯分布情况，它的运行状态如表 基于d s p 的交通信号控制机的设计与嘉现 2 1 ，由手东西和南北分别是对称的，所以这里只给出西路口和北路口情况，从 表中可以看出这个路口有三种运行状态，南北直行、左转和东西直行。为了描 述方便，把这种状态( 各信号灯输出不变，车辆按某一方位通行) 称为一个相 位，可以看出，这个路口是一个三相位运行机制。把相位之间的过渡，如黄、 黄闪和绿闪等称为清道过程，相应把黄闪、绿闪时间等称为清道参数。 表格2 - 1 交通灯运行状态 阶段西路口北路口 倒计时运行相位 相位1红、红红、绿、绿绿6 6 秒北 jljl 西 东 1ri 1r 。南 清道l红、红红、黄、黄黄2 秒过渡 相位2红、红绿、红、红、绿1 5 秒 r ； 、 心；毒 四 _ p 1 ； 南 清道2 红、红 黄、红、红黄2 秒过渡 相位3绿、绿红、红、红、红4 0 秒 北： ；i 东 四 !i ； 南 清道3黄、灭红、红、红红4 秒过渡 第2 章系统总体设计 2 1 2 术语和定义 道路交通信号控制机( 简称信号机) ：能够改变道路交通信号顺序、调节 配时并能控制道路交通信号灯运行的装置。 信号相位：在一个信号周期内，同时获得通行权的一个或多个交通流的信 号显示状态。 全红状态：所有信号相位灯色均显示为红色的信号状态。 黄闪控制：黄灯信号以固定频率闪烁的控制方式。 多时段定时控制：根据交通流量变化情况，把一天的时间分成若干个控制 时段，随时间的推移，按预置的方案自动运行。 上面介绍的术语是从道路交通信号控制机中抽取出来的，对于本论文 所描述的信号机是一个多时段定时控制的信号机，路口配时信息的来源，依靠 在路口按时间进行观察，对车流量进行统计获得，路口原始数据对信号机的设 置有很高的参考价值。 2 2 基本方案库设定 从前面的叙述可以看出，对于路口交通灯的运行可以分解成不同的相位组 成，也就是说由不同的路口车量放行总体方位组成。比如上例该路口交通灯的 运行有3 个相位组成。对于相位之间是由清道组成的，所以决定交通灯运行状 态的基本单元应是相位方案和清道方案。为了使系统具有更加灵活的设置，这 里把它们做成库的形式，设置时只需要选择对应的方案库序号。 2 2 1 相位方案 设定路口车辆总体放行的方位及时间，例如：东西向通行，南北向停止， 持续1 0 秒。因为绿灯决定放行方位，所以这里相位均以绿灯为主，相位持续 时间是指绿灯持续亮的时间，包括绿闪时间，即相位延时= 绿灯持续亮时间+ 绿 闪时间。 2 2 2 清道方案 设定路1 3 相位间的灯输出状况，如黄闪、绿闪、闪灯频率等等。为了能实 现信号机的多种控制方式，比如夜间黄闪、四面全红等状态，清道方案提供了 多种设置参数。 本信号机中包括： 绿闪：绿灯闪动，表明绿行相位马上就要结束。 基于d s p 的交通信号控制机的设计与实现 黄，黄闪：清道时间，此时机动车辆不应再越过人行横道，在路口中间的人 或车辆应尽快到达对面，这也表明另一个方向的车辆即将被放行。 全红：全红主要是路口的一种的保护状态，用于处理一些特殊的情况。另 外也用作清道。 灭零：这是指交通灯全部熄灭，类似于l e d 数码管全灭状态。灭零方便信 号机的特殊方式设置，比如夜间全灭状态、人行灯过渡状态等。 红闪：红灯闪动，表明绿行相位马上就要开始。 红黄：在有些路口中，也用红黄作为清道指示，作用同黄灯。 人行灯提前量：主要针对人行信号灯的绿灯，在同向放行的机动车信号灯 仍是绿灯时( 即将结束) ，提前绿闪转变为红人行灯显示，提前量时间的设定， 尽可能地保证人能在另一方向开通时，都提早到达对面。 闪动频率：红、绿、黄灯每秒钟闪动的次数。 清道灯序按下列方式： 绿行相位结束一) 绿闪) 黄黄闪) 全红) 灭零 红行相位结束一) 红闪一) 红黄一) 全红) 灭零 2 2 3 方案库 通过对清道方案的设置，可以得到信号机各种运行效果。一般来讲，路口 有8 个相位( 即放行状态) 已经足够满足要求了。每个相位放行的方位及放行 的时间不同均会产生不同的效果。为了使信号机的设置更加灵活，这里把常用 的相位方案及清道方案形成库，需要的时候直接从库中调入，或者库中没有时， 也可添加库，把新的方案填写进去，库的引入极大方便了信号机的灵活配置： 系统相位方案库可提供5 6 种相位方案，清道方案库可提供5 1 种清道方案。 2 3 信号机的基本设置要求 2 3 1 信号机基本功能设置 1 时间设置 2 日期设置 3 操作密码设置：防止闲杂人员误操作信号机，( 出厂为默认值x x x x ， 可修改) 。 4 激活灯态设置：开机后信号机立即执行的灯色状态( 状态：a 、黄闪b 、 全红，时间范围：5 2 0 秒) 5 绿灯结束：绿灯结束时的灯态( a 、常态b 、绿闪) 6 红黄过渡：由红灯变为绿灯时的灯态( a 、常态b 、红黄同亮) 6 第2 章系统总体设计 7 常态：红灯直接转变为绿灯； 8 红黄同亮：红灯转为绿灯时，中间有红黄同亮过渡。 9 红灯结束：红灯结束时的灯态( a 、常态b 、红闪) 1 0 信号机自动与手动可切换。 2 3 2 灯组设置( 0 1 - 1 6 灯组) 灯组定义：每组红黄绿为单独一个灯组。 灯组0 1 ：( a 、有输出b 、无输出c 、有黄灯输出d 、无黄灯输e 、有提前 量f 、无提前量) 注：提前量主要针对人行信号灯的绿灯，设定为0 1 0 秒，在过渡时间 设置中可调。 灯组1 6 ：同上述灯组。 a ，b 为一组选择项。c ，d 为一组选择项。e ，f 为一组选择项 注：从a ，b 到e ，f 逐级优先。 可反复修改灯组号，进行灯组的a 、b 、c 、d 、e 、f 项的设定。每设置完 一个灯组后，均通过保存按扭进行数据保存。 2 3 3 阶段设置 设置每个灯组的绿灯显示。可分为l 8 个阶段，并按l 一8 的顺序执行。可 反复修改阶段号，进行下述灯组a 、b 可选项的定义。每设置完一个阶段后， 均通过保存按扭进行数据保存。 灯组0 l ：( a ：绿灯。b ：红灯) 灯组1 6 ：( a ：绿灯。b ：红灯) 2 3 4 方案设置 此项用于设置每天信号机所执行的运行方案，其中可填写方案编号 ( 0 1 - 3 0 ) ：设置此方案所执行的阶段号( 1 - 8 ) ；以及所执行的时间( 0 - 2 5 5 秒) 。 ( 上限可设置3 0 套方案，并可按时间段执行，设置固定方案：3 1 黄闪，3 2 关 闭所有信号灯输出) 。 方案编号：0 l ( 可任意填写，超出3 0 的进行错误提示) 执行阶段号：1 ( 可任意填写，超出8 的进行错误提示) 执行此阶段的时间：0 2 5 5 ( 可任意填写，超出2 5 5 的进行提示) 输入完成后按保存按扭。 执行阶段号：2 基于d s p 的交通信号控制机的设计与实现 执行此阶段的时间：0 - - - 2 5 5 ( 可任意填写) 输入完成后按保存按扭。 填写阶段号时按现场实际使用的顺序进行填写并设定，若需要的阶段数已 经满足现场使用，则在执行阶段号处填写0 ，以达到周期循环的目的，其流程 如图2 2 ，可通过反复修改执行阶段号的值，来设置当前方案的放行方式和放 行时间。最后按保存按扭进行数据保存。 2 3 5 时段设置 图2 2 填写阶段号流程 根据全天路e l 的放行经验配置的时间区间，定义在此时段需要执行的方案 号，如表2 2 所示。 每一个时段的终止时间均为下一时段的起始时间，其中第0 1 时段的起始时 间默认为o o ：o o 。 表2 - 2 时段配置 时段编号起始终止执行方案号说明 o l 0 0 ：o o0 0 ：0 0 o l 设定的第1 套方案 0 20 0 ：o o0 0 ：0 00 2 设定的第2 套方案 0 30 0 ：o o0 0 ：0 03 1 黄灯闪烁方案 1 60 0 ：0 00 0 ：0 03 2关闭信号灯方案 注：信号机时段从0 1 1 6 按序执行。若下级时段的开始时间为0 0 循环至0 1 时段开始执行。 2 3 6 过渡时间设置 激活灯态时间：o 2 0 秒可调；( 开机灯态所保持的时间，若为o 秒，则信 号机开机即为正常放行阶段灯态，起始阶段为第一阶段) 。 全红时间：0 1 0 秒可调：绿灯转换为黄灯至红灯时，其它信号灯所保持红 灯的时间，若为0 秒，则同时转换。 黄灯过渡时间：o 1 0 秒可调；( 绿灯转换为红灯时，中间黄灯的点亮保持 时间) 。 红灯闪烁时间：o 1 0 秒可调；( 红灯结束时所执行的闪烁时间，若红灯结 束项定义为常态时或此项定义为0 秒时，不执行此项) 。 第2 章系统总体设计 红黄过渡时间：0 1 0 秒可调；( 红灯结束时所执行的红、黄同亮的时间， 若红黄过渡定义为常态或此项定义为0 秒时，不执行此项) 。 红闪频率：1 。3 次；( 执行红灯闪烁的闪灯频率，i 3 次秒可调) 。 黄闪频率：l 3 次：( 执行黄灯闪烁的闪灯频率，1 3 次秒可调) 。 绿闪频率：1 3 次；( 执行绿灯闪烁的闪灯频率，1 3 次秒可调) 。 2 4信号机总体实现 信号机最基本的功能是使交通灯按预定的要求输出，为简化设计，把信号 机的基本要求进行整理，以方案库方式设定相位输出，最终实现定时、多时段 控制。信号机工作时，应根据当前时段信息，由所设定的方案号从库中找出对 应的相位方案和清道方案，最终决定当前灯态输出。从功能上讲，上位机和下 位机都应完成信号机基本的设定要求。主要包括： 方案库管理：包括方案库( 相位方案和清道方案) 的添加、修改和删除等 操作。 配时设置：包括节假日、法定假日和周时方案设置；每天的时段方案设置 等。 系统设置：包括开机设置、时间设定、输出灯组设置、手动设置等整机相 关的设置。 当前状态：包括当前信号机运行的相位方案号、清道方案号、运行的相位 号等信号机当前运行的状态信息，通过它们可以考察信号机运行的正确性，对 排除系统错误也有一定的帮助。 。 2 4 1 上位机实现 上位机软件主要是为用户提供一个读取、修改信号机各种设置的界面。系 统的各种配时设置形成一个文件，方便信号机配时信息的设置和修改。软件启 动后，自动打开上一次存储的文件，界面显示文件中的配时方案设置，通过菜 单可以切换到其它设置。各种设置均通过串口下载到下位机。上位机实时读取 并显示下位机的时间。用户可根据显示的时间决定是否给下位机实时时钟校时。 上位机将设置的参数通过串口下载到下位机，下位机收到数据处理后并不 马上运行新的设置，而是通知上位机设置是否成功，下位机运行新设置时会通 知上位机设置生效，上位机将接收到的各种回复以对话框的形式通知用户。 基于d s p 的交通信号控制机的设计与实现 2 4 2 下位机实现 2 4 2 1 硬件实现 信号机的硬件结构主要包括核心处理器d s p 、实时时钟d s l 2 8 8 7 、可编程 逻辑器件f p g a 、液晶屏显示及键盘、串行通讯接口m a x 3 2 3 2 和灯驱动电路。 图2 3 为硬件结构框图。 一 p cl l j m a x 3 2 3 2d s l 2 8 8 7 d s p ( t m $ 3 2 0 l f 2 4 0 7 ) 液晶屏显示 及键盘电路 f p g a ( e p l k 3 0 q c 2 0 8 ) 存储器l 灯驱动电路 图2 3 硬件结构框图 1 核心处理器d s p ： 本系统以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作为核心处理器，它负责控制、管理整个信号 机的运行，根据从d s l 2 8 8 7 读回的当前时间及时段设置方案确定当前的相位方 案和清道方案，从而控制路口的交通灯按照配时要求指示路口的放行状况。 2 实时时钟d s l 2 8 8 7 ： 时钟芯片d s l 2 8 8 7 内置晶振和电池口】，无掉电停走问题，可准确提供时间。 由于d s p 端口操作时，地址线和数据线的独立性【1 1 ，使其不能直接访问 d s l 2 8 8 7 ，这里采用f p g a 进行时序转换，以i n t e l 总线时序提供访问接口。 3 f p g a ： 现场可编程门阵列f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 是基于s r a m ( 或 e p r o m ) 实时编程技术、通过利用s r a m 构成查找表( l o o ku pt a b l e 简写为 l u t ) 来实现数字逻辑功能的大规模集成可编程逻辑器件 3 1 。主要负责各种时 序转换和片选译码。 时序转换包括： d s l 2 8 8 7 的时序转换。 灯驱动电路s p i 总线接口的生成。 非易失存储器a t 2 8 b v 6 4 读写时序的产生。 第2 章系统总体设计 片选译码主要为程序存储器、外部静态r a m 、非易失存储器、实时时钟 和灯驱动电路等提供片选地址。 4 串行通讯接口： 一 信号机的各种参数可由p c 机设定，并通过串口下载到d s p 中。由于d s p 的逻辑电平为3 3 v ，所以采用m a x 3 2 3 2 作为电平转换芯片，把r s 2 3 2 电平转 换成3 3 v 逻辑电平。为了实现较远距离的通讯，系统同时提供了r s 4 8 5 接口。 5 液晶屏显示及键盘电路： 为了在无p c 机的情况下，仍能实现信号机的现场配时，前端信号机提供 了键盘和液晶屏显示电路作为人机接1 2 1 。由于信号机的配时信息量较大，所以 采用2 4 0 1 2 8 点阵的液晶屏，由d s p 以i o 端口方式进行访问：键盘电路采用 普通的2 5 键触摸键盘，d s p 以扫描方式进行键值读取。 6 非易失存储器： 为使用户所设定的配时信息掉电后不丢失，这里采用非易失存储器 a t 2 8 b v 6 4 存储信号机的各种参数。由于d s p 的速度较快，所以存储器的读写 时序由f p g a 配合d s p 完成。 7 灯驱动电路： 由于f p g a 的驱动能力较弱，所以需要外加驱动芯片。同时，为了使硬件 结构简单，这里采用具有锁存功能的串行移位芯片t p i c 6 8 5 9 5 作为驱动芯片， f p g a 以s p i 总线方式与其进行通讯。6 8 5 9 5 的输出先经光耦进行强弱电隔离， 再经过三级管放大之后驱动可控硅，控制信号灯的运行。此硬件结构避免了市 电干扰导致信号机复位问题的发生，使信号机工作的更加稳定、可靠。 2 4 2 2 固件实现 为了让信号机适合各种复杂的路口，其参数的设置应该方便、灵活。固件 设计主要是实现信号机的各种功能。下面，我们从功能和结构两部分来讨论信 号机的固件设计。 信号机固件从功能上可以分成：系统设置、配时方案库设置、配时方案设 定和当前运行状态四部分。 1 系统设置： 主要包括修改系统时间、设定系统开机状态( 黄闪或全红) 、手动设置方便 特殊情况路口设定等。 2 配时方案库设置： 主要包括相位方案库设置和清道方案库设置。这两部分设置是整个系统路 口控制的核心。 3 配时方案设定主要包括节假日设定、周时设定和日时设定。 我们把天分成若干时段，根据车流量选择各时段的相位方案号和清道方 基于d s p 的交通信号控制机的设计与实现 案号，这样就构成了一天的配时设定，称为日配时设定，简称日时设定。将各 种日时设定形成方案库，以方便每天的设置。 对于周时设置和节假日设置，都是选择日时方案号。当节假日有效时，按 节假日设定的日时方案执行。当节假日无效时，按周- n 周日所设定的日时方 案执行。 4 当前运行状态： 用户可以通过液晶显示屏察看信号机当前运行的各种状态，如当前时段号， 当前执行的日时方案号，当前执行的相位方案号、清道方案号等等。 信号机下位机固件从结构上包括d s p 软件和f p g a 软件两部分。d s p 在 c c 2 0 0 0 平台上，用c 语言开发【4 j ；f p g a 在m a xp l u si i 平台上用a h d l 语 言开发。 图2 4 下位机程序工作流程图 下位机软件控制整个系统的运行，并且通过串口中断与上位机通讯，接受 上位机的各种设置，或返回信号机当前的各种状态。程序流程图如图2 - 4 所示。 系统初始化主要完成的工作包括： 1 设置信号机默认相位。 2 定时器中断初始化。 3 串口中断初始化。 第2 章系统总体设计 4 实时时钟初始化。 5 液晶屏初始化。 下位机程序运行过程中，由串c i 中断与p c 机通讯。用户可将设置的各种 参数通过串d t 载到下位机中，也可通过串口读取下位机的设置及运行状态。 2 8 小结 本章从平阳街路口引例出发，把信号机基本要求进行整理，提出了相位方 案和清道方案相结合的控制方式，它构成整个信号机控制的核心。进一步把两 者不同的实现形式和时段相结合形成各种库，以库的形式对信号机配时加以管 理，使信号机设定更加灵活方便。在这个基础上，总体概括了信号机的上位机 和下位机的实现。 基于d s p 的交通信号控制机的设计与实现 第3 章上位机软件设计 当交通信号控制器需要配置的信息量很大时，采用液晶屏和键盘进行配置 时将会很麻烦，如果在上位机将信息编辑完后，通过串口下载到信号机就方便 多了。上位机软件主要是为用户提供一个编辑信号机配置信息的平台，同时富 还可以读取信号机各种设置，程序将编辑后的各种配时设置形成一个文件，方 便了信号机配置信息的编辑。 3 1 系统设置 系统设置完成信号机的一些基本设置，主要包括以下几点 1 ：开机及时间设定 2 ：输出灯组设置 3 ：手动设置 4 ：下位机复位 3 1 1 开机及时间设定 图3 1 开机及时间设置 开机及时间设定界面如图3 1 所示。开机设置主要设置信号机开机时的信 第4 章下住机设计 号灯状态。包括选择全红还是黄闪及闪动时间设定。时间设定为信号机校时。 a ：开机有全红和黄闪两种选择，按要求设定。选中时间设定的复选框，时 间设定即可激活，设定后按确定按钮回到主界面。 。 b ：点击下载开机设置及下载时间。开机设置可通过复位信号机察看是否正 确，而下载时间可通过主界面下面的时钟是否走动检查。 c ：设定开机设置后，会有生效对话框，如图3 2 。 3 1 2 输出灯组设定 图3 - 2 下位机回复 输出灯组设定可方便映射灯的位置，同时设置输出有效标志，有效时对应 灯组工作，无效时对应灯组不工作，即常灭。按方向“北西南东”顺序把信号 灯依次排成1 1 6 组灯组，一个灯组包括绿黄红三盏灯，这样就有3 + 1 6 = 4 8 盏灯。 原排序为： 北 p 西 p 南 p 东 p 1 6 灯组 可按要求映射，方便硬件连接，如图3 3 。 图3 3 输出灯组设置 设置步骤：首先点击输出灯组设置菜单，出现输出灯组设置对话框：然后 设定，接着点击存储按钮，存入到系统中；最后回到主界面点击下载灯组设置。 3 1 3 手动设置 手动设置用于路口特殊控制，即不按时间控制路口状态，而是手动强行设 定路口状态。 3 1 4 下位机复位 为保证相位运行的完整性，所设定的大多数参数都需要等下一个周期相位 开始时才能成效，这需要等待一段时间。为了立即看到设置结果，可复位下位 机。上位机设定界面如图3 4 ，下位机复位按钮位于右下方。 图3 4 上位机时段设置界面 6 第4 章下住机设计 3 2 配时方案库设置 方案库设置设定配时数据库，主要包括相位方案库和清道方案库，界面如 图3 5 所示。 3 2 1 相位方案库 相位方案主要设定路口车辆放行总体的方位及时间，例如：东西向通行， 南北向停止，持续l o 秒。点击图3 5 中的修改相位方案按钮，将弹出相位方 案对话框，如图3 - 6 所示。 图3 - 5 相位方案库界面 在相位方案库中通过复选框来设置相位1 到相位8 的绿行相位。每一相位 由北、西、南、东依次排成l 一1 6 组灯组，图3 - 6 设定的是行人专用相位( 三相 位) ，相位控制如表3 1 ，示意图如图3 7 。 基于d s p 的交通信号控制机的设计与实现 图3 - 6 相位方案库 表3 1 相位控制 行人保护北西 南东 三相位 一f p一+ 一pf pf p 相位10l0oooo oo1oo0o 0o 相位2 旬o0o o1o 00 ooooloo 相位3 o oo1 oool0 o010o o1 相位1 相位2相位3 图3 7 行人专用相位 按照以上说明，添加并修改各个方案库信息后，点击下载相位方案，把信 第4 章下位机设计 息下载到下位机，下位机成功接收到设置后，上位机会显示图3 8 所示对话框， 失败后显示图3 - 9 所示对话框，下位机新设置生效时会通知上位机，如图3 - 1 0 所示。 图3 - 8 相位设置成功 图3 - 9 设置失败 图3 1 0 设置生效 3 2 2 清道方案库 相位之间的路目过渡状态称为清道。清道方案设定路口相位间的灯输出状 况，如黄闪、绿闪、闪灯频率等等。界面如图3 - l l 所示。 墨! 里翌竺奎里堡兰苎型垫竺堡兰量壅墨 图3 一1 1 清道方案界面 在界面中点击“修改清道方案”按钮出现清道方案库界面，如图3 1 2 所示。 i 、清道运行状态按下列方式： 绿行相位结束一) 绿闪一) 黄黄闪) 全红) 灭零 红行相位结束一) 红闪一) 红黄) 全红) 灭零 绿闪、黄黄闪、全红、红闪、红黄等前面的复选框表示是否闪动，如果不 存在黄黄闪状态则应把相应的时间写为o 秒，其它去掉复选框选项即可。 i i 、提前量： 主要针对人行信号灯的绿灯。 第4 章下住机设计 图3 1 2 清道方案库 按照以上说明，添加并修改各个清道方案库信息后，点击图3 1 1 中“下载 清道方案”按钮，把信息下载到下位机，下位机成功接收到后，会显示图3 1 3 对话框，下载失败和设置生效显示的对话框与相位设置相同。 3 3 配时设置 图3 1 3 清道设置成功 信号机的配时主要包括日时设置、周时设置和节假日设置。 3 3 1e t 时设置 日时设置界面如图3 - 4 所示，左侧树型结构显示时段数据库索引；中间以 表格形式显示当前选择的日时方案，每一个方案中最多有3 6 个时段，由于界面 基于d s p 的交通信号控制机的设计与实现 一次最多只能显示1 2 个方案，所以在表格左上方提供了滚动条，用于时段数据 的切换显示；右侧是各种功能按钮，包括添加方案、修改时段等等。点击“修 改时段”按钮将弹出图3 1 4 所示对话框，可添加、修改及删除当前方案的时段。 图3 1 4 修改时段 3 3 2 周时和节假日设置 图3 一1 5 周时、节假日方案设置 第4 章下住机设计 路口的车流量在不同时间是不同的，所以，我们按照各时段设置的不同， 提供2 0 组日时配置方案，周一至周日可以选择不同的日时方案，各个节假日也 可以选择不同的日时方案，当节假日有效时，周时设置无效，即节假日设置优 先执行。设置界面如图3 1 5 所示。 上位机进行的各种设置，包括相位方案库、清道方案库、日时设置( 时段 数据库) 、周时设置、节假日设置等等均可存储到上位机文件中，在主界面中选 择文件保存会弹出保存对话框，如图3 1 6 所示。在程序刚启动时将自动打开 上一次编辑的文件，方便用户的编辑。 3 4 小结 图3 - 1 6 信号机文件保存 信号机的各种配时信息主要是通过p c 串口下载到下位机非易失存储器中， p c 软件是信号机的重要组成部分。本章主要介绍上位机设置信号机各种信息的 具体操作过程，包括系统设置、配时方案库设置和配时设置。上位机友好的界 面，灵活方便的信息编辑和下载使得信号机能更好地完成多方案控制，满足各 种复杂路口的要求。 基于d s p 的交通信号控制机的设计与实现 第4 章下位机设计 4 1 硬件设计 下位机主要由d s p 和f p g a 组成，其它各模块由两者共同控制。键盘作为 输入，液晶屏及灯板作为输出。 4 1 1 硬件组成 图4 - 1 硬件结构图 2 4 第4 章下位机设计 硬件结构如图4 1 所示，从图可以看出，系统主要由以下几个部分组成： 1 电源和复位模块 为整机提供电源有+ 5 v ，+ 3 3 v ，+ 2 5 v 。t l 7 7 0 5 进行电压监视，在欠压时 使c p u 进行复位，对系统起到了保护作用。 2 通讯模块 由于对设定参数速度无特殊要求，这里采用了比较常用的串口进行通讯。 波特率设定为9 6 0 0 b p s ，无奇偶校验位，数据位为8 位。 3 处理系统 c p u 采用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作为核心控制元件，地址分配及时钟时序等由 f p g a 提供。 4 存储器模块 为能记忆配置信息，这里采用了非易失的e 2 p r o m a t 2 8 b v 6 4 。 5 键盘及液晶显示模块 键盘采用普通扫描方式，共用5 5 = 2 5 键，由于设定信息较多，液晶屏采 用2 4 0 1 2 8 的跃新达y x d 一2 4 0 1 2 8 v 1 l e d ，t 6 9 6 3 内核。 6 输出灯模块 f p g a 输出经光耦隔离，可控硅等驱动后，控制4 8 盏交通灯的状态。 7 时钟模块 由内置晶振和锂电的时钟芯片d s l 2 8 8 7 提供基准时间。 4 1 2 各模块具体工作情况 4 1 2 1 电源和复位模块 电源模块原理图如图4 2 所示，主要有以下组成部分： a t p s 7 3 3 3 芯片，把输入的+ 5 0 v 电压转换成3 3v 电压，供d s p 及f p g a 等使用。 、 b t p s 7 6 3 2 5 芯片，把输入的+ 5 ov 电压转换成2 5v 电压，为f p g a 等供 电。 c t l 7 7 0 5 ，进行电压监视及上电保护作用。在欠压时使c p u 进行复位。 当电压低于阀值电压2 5 1 0 1 7 8 = 4 4 5 v 左右时，开始启动延时，大约1 3 ( 1 0 “4 ) ( 2 2 1 0 “一6 ) = o 2 8 6 秒左右，即开始复位c p u ，使c p u 各管脚呈高 阻态，保护系统，避免较大的损失；在上电时，当电压高于3 6 v 左右时，t l 7 7 0 5 才开始有效，并使复位脚为复位状态，等待阀值电压的到来，当电压高于阀值 电压4 4 5 v 左右，同样开始延时o 2 8 6 秒左右系统复位完成。 在设计中t l 7 7 0 5 敏感输入脚为f p g a 的下载电缆c o n f i gd o n g 脚， c p u 必须在f p g a 配置结束之后c o n f i gd o n g 跳变成高电平时，才能复位， 基于d s p 的交通信号控制机的设计与实现 这样使系统更可靠地运行。 4 1 2 2 通讯模