基于DSP 的交通燈控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

周錦榮，馮翰輝，王輝，何安玲

（漳州師范學(xué)院物理與電子信息工程系，漳州363000）

隨著交通運(yùn)輸行業(yè)的快速發(fā)展，智能化交通問題已成為人們密切關(guān)注的問題和相關(guān)行業(yè)人員的研究熱點(diǎn)，DSP 技術(shù)也廣泛應(yīng)用到視頻交通、安防檢測(cè)等各領(lǐng)域[1]。本次設(shè)計(jì)以國內(nèi)常用的倒計(jì)時(shí)式的單個(gè)十字路口交通燈為例，結(jié)合北京瑞泰創(chuàng)新科技有限責(zé)任公司所生產(chǎn)的ICETEK5416A 實(shí)驗(yàn)箱資源，以TI公司的TMS320VC5416DSP 高速處理器為控制核心[2-3]，設(shè)計(jì)一個(gè)單路口（十字路口）的智能交通燈控制系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)中，利用軟件設(shè)計(jì)模擬（C 語言產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)模擬路面車輛數(shù)）路面車輛狀況，以測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行的正確性以及合理性；并用LED 點(diǎn)陣顯示各種通行狀態(tài)切換的倒計(jì)時(shí)間，用液晶顯示來模擬路況監(jiān)控，同時(shí)使用按鍵中斷模擬突發(fā)情況（如救護(hù)車通過時(shí)，均亮紅燈），使系統(tǒng)能提示更多的交通信息，以達(dá)到控制的及時(shí)性和準(zhǔn)確性。

1 系統(tǒng)硬件電路總體設(shè)計(jì)框圖

在整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中通過CPLD 作為DSP 的接口，如圖2 所示。由于CPLD 為可編程邏輯器件，靈活性大，可以充分利用DSP 來擴(kuò)展IO 空間。外擴(kuò)的Flash 存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)執(zhí)行程序，在上電時(shí)DSP 自動(dòng)對(duì)其進(jìn)行加載。

圖1 中，交通燈控制線為：ERED、EYELLOW、EGREEN、WRED、WYELLOW、WGREEN、SRED、SYELLOW、SGREEN、NRED、NYELLOW、NGREEN；LCD 控 制 線 為 ：LCD_RS、LCD_RW、LCD_E、LCD_CS1、LCD_CS2。以下主要單元電路中出現(xiàn)的標(biāo)號(hào)均為與CPLD 或DSP 的接口標(biāo)號(hào)，DSP 通過IO 空間的尋址對(duì)以下各單元電路進(jìn)行操作。

2 主要單元電路設(shè)計(jì)

2.1 交通燈電路

單路口路面示意圖如圖2 所示。單路口交通燈采用共陰極接法，用與CPLD 兼容的3.3 V 供電，如圖3 電路所示?，F(xiàn)今所用的LED 亮度均較高，在1 mA 的電流下就已經(jīng)有相當(dāng)?shù)牧炼?，所以可以采? K 的限流電阻，這樣不僅亮度達(dá)到要求，而且電流較小，有效減小系統(tǒng)功耗，同時(shí)1 mA 的灌電流可以由CPLD 直接驅(qū)動(dòng)，無需額外的接口電路。

2.2 倒計(jì)時(shí)電路

設(shè)計(jì)中以8*8 點(diǎn)陣屏作為倒計(jì)時(shí)的顯示屏，為使點(diǎn)陣亮度均勻，在程序設(shè)計(jì)中采用動(dòng)態(tài)顯示的方式，若要每個(gè)點(diǎn)看起來有1 mA 的亮度，則選中點(diǎn)亮的那一段共需8 mA 的電流，CPLD 或DSP 均無法提供。因此，采用兩片76LS245 進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，該芯片的拉電流可到15 mA，灌電流可到24 mA，符合要求。在5 V 供電情況下，采用330 Ω的限流電阻每段能夠達(dá)到接近2 mA 的電流，使點(diǎn)陣達(dá)到一個(gè)適中的亮度。電路如圖4 所示。

2.3 液晶顯示和鍵盤接口電路

圖5 中，電路由于液晶是5 V 器件，在與CPLD 接口時(shí)需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，因此采用兩片74LS245 分別對(duì)液晶的控制線以及數(shù)據(jù)線進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。采用PS2接口與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中配套的標(biāo)準(zhǔn)鍵盤模塊進(jìn)行通信。

該鍵盤模塊中，存在一塊單片機(jī)進(jìn)行鍵盤的掃描及編碼，并將編碼信息通過串口發(fā)送到PS2 接口。因此，程序設(shè)計(jì)中只需讀取相應(yīng)IO 空間數(shù)據(jù)，就可以根據(jù)編碼，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的按鍵值，進(jìn)行按鍵操作。由于在IO 空間上和液晶控制模塊進(jìn)行了復(fù)用，所以在硬件連接上二者共用一塊74LS245（PS2 也為5 V器件），電路如圖5 所示，鍵盤可作為緊急情況（如救護(hù)車通過）發(fā)生時(shí)的應(yīng)急處理裝置。

2.4 外擴(kuò)Flash 電路

外擴(kuò)Flash 電路如圖6 所示，設(shè)計(jì)中使用TI 公司生產(chǎn)的AM29LV800 作為DSP 的外擴(kuò)Flash，工作電源為3.3V 與DSP 兼容，該芯片支持8 位和16 位操作，存儲(chǔ)空間大小為：1M*8-bit/512K*16-bit。在8位模式下，該存儲(chǔ)器內(nèi)部分為19 個(gè)扇形存儲(chǔ)區(qū)，可以對(duì)每個(gè)存儲(chǔ)區(qū)獨(dú)立尋址，且對(duì)其中一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)操作時(shí)，不影響其它存儲(chǔ)區(qū)的內(nèi)容。在此模式下，數(shù)據(jù)最高位引腳DQ15/A-1 作為地址線的最低有效位使用。本次采用的就是8 位模式，所以DQ15/A-1 要接A0。

由于5416 內(nèi)部有16K*16-bit 的ROM 程序存儲(chǔ)空間[4]，所以外擴(kuò)的存儲(chǔ)器容量需與其對(duì)應(yīng)，因此外擴(kuò)的Flash 選擇從地址8 000 h 開始，通過A0～A13可以得到對(duì)外部32 K 的尋址能力，32 K*8-bit 與5416 內(nèi)部ROM 存儲(chǔ)空間相匹配。

2.5 系統(tǒng)電源電路

實(shí)驗(yàn)箱DSP 系統(tǒng)為雙電源供電芯片，IO 電源為3.3 V，而內(nèi)核工作電源則為1.8 V（也可為1.6 V，本設(shè)計(jì)采用該電壓）。因此，選用TI 公司專門為DSP 供電而設(shè)計(jì)的電平轉(zhuǎn)換芯片TPS767D301。該芯片可以設(shè)置為一路（OUT2）輸出固定 3.3 V，另一路（OUT1）輸出可調(diào)（范圍為1.5 V 到5.5 V），每一路均可最大輸出1 A 的電流，足以滿足系統(tǒng)需求。如圖7 所示，該電路即為這種輸出模式，另一路輸出電壓公式為V=Vref*（1+R1/R2），其中Vref 為芯片內(nèi)部產(chǎn)生的一個(gè)基準(zhǔn)電壓1.183 4 V。該芯片要求輸入電壓范圍為2.7～10 V，圖中輸入電壓VCC 采用5 V，符合要求。

3 總結(jié)

本次設(shè)計(jì)充分利用了ICETEK5416A 實(shí)驗(yàn)箱的資源，著重闡述通過DSP 芯片設(shè)計(jì)的單路口（十字路口）的交通燈控制系統(tǒng)的硬件方法。利用C 語言編程和TI 公司的CCS 軟件調(diào)試和測(cè)試結(jié)果表明該硬件電路能對(duì)隨機(jī)產(chǎn)生的車輛信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)比較，并根據(jù)路況的監(jiān)測(cè)結(jié)果調(diào)整路口交通燈的倒計(jì)時(shí)時(shí)間，控制具實(shí)效性和準(zhǔn)確性。 在后續(xù)研究中，也可將該電路原理擴(kuò)展到多路口協(xié)調(diào)的交通控制系統(tǒng)，以期達(dá)到交通控制智能化的目的。同時(shí)，這次的硬件設(shè)計(jì)結(jié)果也能為他人學(xué)習(xí)北京瑞泰創(chuàng)新科技有限責(zé)任公司所生產(chǎn)的ICETEK5416A實(shí)驗(yàn)箱的教學(xué)內(nèi)容提供參考。

［1］ 高丙坤，陶東升，王健，等.基于ARM 和DSP 的嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，21（2）：59-62.

［2］ Texas Instruments Inc.TMS320VC5416 Fixed-Point Digital Signal Processor Data Manual［EB/OL］.http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tms320vc5416.pdf.

［3］ 李琳，黃操軍，李愛傳，等.基于TMS320VC5416 的精確頻率測(cè)量技術(shù)研究［J］.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào).2007，19（4）：85-88.

［4］ 陳金鷹.DSP 技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.