嵌入式交通燈設(shè)計(jì)

1、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)專題實(shí)踐交通燈控制系統(tǒng)專業(yè)：電子信息工程班級(jí)：電子1102姓名：XXX學(xué)號(hào)：XXXXXXXX同組人：XXX指導(dǎo)教師：XXX目錄一、方案設(shè)計(jì)與論證11.1系統(tǒng)任務(wù)描述11.2系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)41.3系統(tǒng)框圖4二、硬件電路設(shè)計(jì)42.1控制器最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)42.2數(shù)碼管顯示模塊設(shè)計(jì)62.3交通燈指示模塊設(shè)計(jì)8三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)83.1系統(tǒng)軟件流程圖83.2 500ms定時(shí)器子程序設(shè)計(jì)93.3 計(jì)數(shù)顯示子程序設(shè)計(jì)10四、系統(tǒng)調(diào)試114.1硬件調(diào)試114.2軟件調(diào)試114.3 綜合調(diào)試11五、結(jié)論12六、心得體會(huì)13 七、附錄157.1實(shí)物圖.157.1參考文獻(xiàn)167.2示例代碼16摘要隨著移動(dòng)設(shè)

2、備的流行和發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)成為一個(gè)熱點(diǎn)。它并不是最近出現(xiàn)的新技術(shù)，只是隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，微控制芯片功能越來(lái)越大，而嵌入微控制芯片的設(shè)備和系統(tǒng)越來(lái)越多，從而使得這種技術(shù)越來(lái)越引人注目。它對(duì)軟硬件的體積大小、成本、功耗和可靠性都提出了嚴(yán)格的要求。嵌入式系統(tǒng)的功能越來(lái)越強(qiáng)大，實(shí)現(xiàn)也越來(lái)越復(fù)雜，隨之出現(xiàn)的就是可靠性大大降低。最近的一種趨勢(shì)是一個(gè)功能強(qiáng)大的嵌入式系統(tǒng)通常需要一種操作系統(tǒng)來(lái)給予支持，這種操作系統(tǒng)是已經(jīng)成熟并且穩(wěn)定的，本文將介紹一種基于飛思卡爾K60P144M100SF2RM控制的交通信號(hào)燈的自動(dòng)指揮系統(tǒng)。交通信號(hào)燈控制方式很多。本系統(tǒng)采用嵌入式系統(tǒng)，本系統(tǒng)性能穩(wěn)定，功能

3、完善，實(shí)用性強(qiáng)。關(guān)鍵詞：交通燈 K60P144M100SF2RM 嵌入式系統(tǒng) 定時(shí)顯示 一、方案設(shè)計(jì)與論證1.1 系統(tǒng)任務(wù)描述本次設(shè)計(jì)中根據(jù)實(shí)際需要，結(jié)合嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)，完成對(duì)交通燈的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)功能包括實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的直行，左拐、停止等待等功能?；陲w思卡爾K60P144M100SF2RM控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛進(jìn)行指導(dǎo)控制。本系統(tǒng)中主要由控制器最小系統(tǒng)、數(shù)碼管顯示模塊、交通燈模塊等相關(guān)模塊構(gòu)成。系統(tǒng)任務(wù)包括三個(gè)環(huán)節(jié)。假設(shè)十字路口南北方向?yàn)橹鞲绍嚨?，東西方向?yàn)橹Ц傻馈?）完成交通燈的變化規(guī)律，就是一個(gè)十字路口分別為東西向和南北向，四個(gè)路口均有紅黃綠三燈和兩位LED數(shù)碼顯示管，及每個(gè)路口有一個(gè)人

4、行道交通燈。2）交通燈上電后進(jìn)入初始狀態(tài)即東西紅燈常亮60s，南北綠燈常亮60s，第一種狀態(tài)：南北綠燈亮通車，東西紅燈亮禁止通行，當(dāng)東西紅燈亮?xí)r，東西方向的人行道為綠燈，持續(xù)60s后轉(zhuǎn)第二個(gè)狀態(tài)：南北綠燈滅轉(zhuǎn)黃燈閃亮10次，延時(shí)10s,東西仍然紅燈，東西方向人行道仍為綠燈；10s后轉(zhuǎn)第三個(gè)狀態(tài)：東西綠燈亮通車60s，南北轉(zhuǎn)紅燈禁止通行60s，南北方向人行道為綠燈持續(xù)60s;60s后轉(zhuǎn)第四個(gè)狀態(tài)：東西綠燈滅轉(zhuǎn)黃燈閃亮10次，延時(shí)10s，南北仍然紅燈，南北方向人行道仍為綠燈。最后循環(huán)至第一種狀態(tài)。3）用4個(gè)兩位一體LED數(shù)碼管（各個(gè)方向均有1個(gè)兩位一體LED數(shù)碼管，分別表示個(gè)位和十位）顯示倒計(jì)時(shí)。

5、倒計(jì)時(shí)用于提醒駕駛員和行人信號(hào)燈發(fā)生變化的時(shí)間，以便他們?cè)凇巴Ｖ埂焙汀巴ㄐ小眱烧咦鞒龊线m的選擇。以下為系統(tǒng)的工作狀態(tài)圖：狀態(tài)210s狀態(tài)360s狀態(tài)160s圖1-1工作狀態(tài)圖下為本系統(tǒng)的工作方式圖圖1-2工作方式圖（1）圖1-2工作方式圖（2）1.2系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)本系統(tǒng)基于K60P144M100SF2RM控制器設(shè)計(jì)的交通燈控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)過(guò)程主要采用自上向下的設(shè)計(jì)思路和模塊化設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)思想，對(duì)軟件和各個(gè)硬件模塊進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)，綜合調(diào)試。軟件包括顯示、定時(shí)器、GPIO、時(shí)鐘等設(shè)置。硬件電路包括由三極管驅(qū)動(dòng)的數(shù)碼管顯示電路以及交通燈顯示電路。1.3系統(tǒng)框圖電源 交通燈指示模塊K60P144M100SF2

6、RM 控制器最小系統(tǒng)數(shù)碼管顯示計(jì)時(shí)模塊 圖1-3系統(tǒng)框圖二、硬件電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)中硬件系統(tǒng)包括K60P144M100SF2RM最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)、數(shù)碼管顯示模塊、交通燈顯示模塊。采用模塊化設(shè)計(jì)的思想對(duì)以上模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。2.1 K60P144M100SF2RM最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)Kinetis是低功耗可擴(kuò)展和在工業(yè)上使用混合信號(hào)ARM Cortex-M4系列的最好的組合。KinetisMCUs使用了飛思卡爾的新的90nm帶有獨(dú)特FlexMemory的薄膜存儲(chǔ)器（TFS）閃存技術(shù)。Kinetis系列MCU結(jié)合了最新的低功耗革新技術(shù)和高性能，高精密混合信號(hào)功能與連通，人機(jī)界面，安全及外設(shè)廣泛。KinetisMCUs

7、使用了飛思卡爾和ARM第三方合作伙伴的市場(chǎng)領(lǐng)先的捆綁模式。所有Kinetis系列都包涵強(qiáng)大的邏輯、通信和時(shí)序陣列和帶有伴隨著閃存大小和I/O數(shù)量的集成度等級(jí)的控制外圍部件。Kinetis 產(chǎn)品組合內(nèi)核具有以下特點(diǎn)：ARM Cortex-M4 內(nèi)核帶DSP 指令，性能可達(dá)1.25 DMIPS/MHz ( 部分Kinetis 系列提供浮點(diǎn)單元)；32 通道的DMA 可用于外設(shè)和存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)傳輸并減少CPU 干預(yù)；提供不同級(jí)別的CPU 頻率50 MHz、72 MHz 和100 MHz （部分Kinetis 系列提供120 MHz 和150 MHz )；10 種低功耗操作模式用于優(yōu)化外設(shè)活動(dòng)和喚醒時(shí)間以

8、延長(zhǎng)電池的壽命；行業(yè)領(lǐng)先的快速喚醒時(shí)間。正是由于K60控制器在性能上有較多的優(yōu)點(diǎn)和較低的功耗，因而適合用來(lái)開發(fā)交通燈控制系統(tǒng)。以下為本控制器的最小系統(tǒng)原理圖：圖2-1最小系統(tǒng)原理圖2.2數(shù)碼管顯示模塊設(shè)計(jì) LED顯示器采用發(fā)光二極管顯示字段。單片機(jī)糸統(tǒng)中經(jīng)常采用的是八段顯示器，即LED顯示器中有8個(gè)發(fā)光二極管，每段LED的筆畫分別稱為a、b、c、d、e、f、g，代表“a.b.c.d.e.f.g.”七個(gè)字段和一個(gè)小數(shù)點(diǎn)“dp”。它有共陰和共陽(yáng)兩種結(jié)構(gòu)。七段LED的陽(yáng)極連在一起稱為共陽(yáng)極接法，而陰極接在一起的稱為共陰極接法。圖2-2數(shù)碼管圖2-2 七段LED的段代碼數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。

9、在本系統(tǒng)中采用兩個(gè)共陽(yáng)數(shù)碼管進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示。分別對(duì)三個(gè)狀態(tài)進(jìn)行計(jì)時(shí)，個(gè)位和十位分別用一個(gè)數(shù)碼管顯示，每次計(jì)時(shí)加一的時(shí)間是1s。以下是本模塊的原理圖：圖2-3四位共陽(yáng)數(shù)碼管其中由數(shù)碼管的位選端和段選端進(jìn)行控制數(shù)碼管的顯示程序。根據(jù)PNP三極管的導(dǎo)通原理，當(dāng)位選端為低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，根據(jù)共陽(yáng)極編碼進(jìn)行合理設(shè)置即可。此外用三極管驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的原因是三極管顯示更明亮一些。用數(shù)碼管顯示效果比較直觀。2.3交通燈指示模塊 由南向北和由北向南車道各用一組紅、綠、黃三色的指示燈，指揮車輛通行。綠燈是通行信號(hào)，面對(duì)綠燈的車輛可以直行，紅燈是禁止通行信號(hào)，面對(duì)紅燈的車輛必須在路口的停車線后停車。黃燈是警告信號(hào)，面

10、對(duì)黃燈的車輛不能越過(guò)停車線，但車輛已十分接近停車線而不能安全停車時(shí)可以繼續(xù)行進(jìn)。三、軟件設(shè)計(jì) 3.1軟件系統(tǒng)流程圖 在系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行設(shè)計(jì)，以滿足對(duì)本次系統(tǒng)的功能需求。還需對(duì)GPIO端口進(jìn)行初始化設(shè)置，500ms定時(shí)延遲設(shè)置。然后需要考慮交通燈的三個(gè)工作狀態(tài)，合理安排顯示與計(jì)數(shù)的時(shí)序關(guān)系。開始 數(shù)碼管顯示 計(jì)數(shù)程序500ms定時(shí)器設(shè)置時(shí)鐘設(shè)置系統(tǒng)初始化程序 交通指示燈交替亮滅計(jì)數(shù)結(jié)束？NY Y結(jié)束圖3-1軟件系統(tǒng)流程圖3.2 500ms定時(shí)器子程序設(shè)計(jì)本模塊是將產(chǎn)生500ms定時(shí)器，讓在計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)時(shí)提供計(jì)時(shí)間隔，同時(shí)也可作為數(shù)碼管個(gè)位和十位的刷新時(shí)間，即每次數(shù)碼管顯示更新遞

11、增一個(gè)數(shù)字經(jīng)過(guò)的時(shí)間是1s。以下是本模塊的子程序軟件流程圖：開始設(shè)置LPTMR定時(shí)器設(shè)置count_val比較值1KHz LPO時(shí)鐘計(jì)數(shù)到達(dá)count_val值？NY 觸發(fā)輸出清除標(biāo)志位結(jié)束圖3-2 定時(shí)器流程圖3.3 計(jì)數(shù)顯示子程序設(shè)計(jì) 計(jì)數(shù)顯示是在定時(shí)器運(yùn)行前提下進(jìn)行工作的。數(shù)碼管每刷新一個(gè)數(shù)時(shí)，時(shí)間是1s。這樣的好處是顯示與指示燈狀態(tài)同步起來(lái)。同時(shí)也能做到效果比較直觀。以下是此部分模塊的流程圖：dis_110 ?dis_260?dis_2+數(shù)碼管譯碼指示燈亮1000ms定時(shí)器dis_060dis_0+ 1000ms定時(shí)器指示燈亮1000ms定時(shí)器dis_0=0 dis_1=0dis_2=

12、0初始化開始數(shù)碼管譯碼指示燈亮dis_1+圖3-3計(jì)數(shù)器四、系統(tǒng)調(diào)試4.1硬件調(diào)試 在硬件調(diào)試時(shí)，K60最小系統(tǒng)的調(diào)試就是用集成Mini核心板進(jìn)行調(diào)試，當(dāng)系統(tǒng)上電后，將系統(tǒng)示例程序下載到開發(fā)板中，用一個(gè)示例LED等進(jìn)行測(cè)試能否正常運(yùn)行。在GPIO端口進(jìn)行初始化后，應(yīng)對(duì)端口進(jìn)行合理設(shè)置。在對(duì)核心板程序下載成功后，在程序能正確運(yùn)行時(shí)，可以根據(jù)共陽(yáng)數(shù)碼管的特點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，對(duì)顯示電路能否正常工作進(jìn)行測(cè)試。驗(yàn)看數(shù)碼管計(jì)數(shù)時(shí)是否與預(yù)想的一樣，若不一樣營(yíng)及時(shí)修正程序。最終使結(jié)果出現(xiàn)與預(yù)期一樣。4.2軟件調(diào)試 在軟件調(diào)試時(shí)，在IAR for ARM 6.30版本平臺(tái)上進(jìn)行編程下載，通過(guò)JLinkJI進(jìn)行下載到K

13、60核心板中。在調(diào)試時(shí)可以用單步調(diào)試，全速運(yùn)行，設(shè)置斷點(diǎn)等方式。與此同時(shí)觀看寄存器和變量的值在調(diào)試中常常發(fā)揮著重要作用。在修改和完善程序后，最終下載到核心板中運(yùn)行。圖4-1軟件編程界面4.3 綜合調(diào)試測(cè)試一開始，我們就發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)出現(xiàn)了兩個(gè)問(wèn)題：一是有一部分交通燈亮度不夠，所發(fā)出來(lái)的光非常的微弱以致于幾乎感覺不到它的亮度；二是數(shù)碼管不工作，沒(méi)有時(shí)間顯示。這與設(shè)計(jì)的要求完全不符。為了找出這個(gè)問(wèn)題和解決方法，我們查找了電路的輸出各部分的輸出電平。發(fā)現(xiàn)了一個(gè)現(xiàn)象，我們采用的數(shù)碼管是共陰極數(shù)碼。而控制數(shù)碼段顯示的P1口輸出的是高電平。經(jīng)多方查閱資料，解決第二個(gè)問(wèn)題可以有兩個(gè)解決方法。其一，將硬件電路作修

14、改，將數(shù)碼管換成共陽(yáng)極的數(shù)碼管。這樣數(shù)碼管就可以正常進(jìn)行時(shí)間顯示了。其二，修改程序，讓控制數(shù)碼管段碼的P1輸出的是低電平。若采用修改硬件電路的方法的話，硬件電路就得作變動(dòng)。已經(jīng)布好的線也必須有相應(yīng)的變動(dòng)，操作起來(lái)比較麻煩。所以，我們采用了第二種方法。修改了程序電路中的段碼代碼。再次調(diào)試，按照設(shè)計(jì)要求的指標(biāo)，系統(tǒng)數(shù)碼管電路部分基本能按照預(yù)先設(shè)定的要求來(lái)進(jìn)行倒計(jì)時(shí)的顯示。亮度要求也基本符合預(yù)先設(shè)想。接下來(lái)還有一個(gè)問(wèn)題有待解決，交通燈亮度不足，以致于部分交通燈只能勉強(qiáng)看得出來(lái)它在亮而已。這明顯不能滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)多方檢測(cè)，我們認(rèn)為這是由于LED燈驅(qū)動(dòng)能力不足引起的亮度弱問(wèn)題。若要修正這個(gè)問(wèn)題，那就得

15、為L(zhǎng)ED燈增加驅(qū)動(dòng)電路以提高電路的驅(qū)動(dòng)能力。要實(shí)現(xiàn)這一步驟必須對(duì)硬件電路進(jìn)行一定的改動(dòng)。LED燈的驅(qū)動(dòng)電路可以用集成電路電路芯片來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。在初步方案中我們考慮要用集成電路來(lái)完成。但是由于客觀方面的原因，將要參加工作離開學(xué)校沒(méi)有制作實(shí)物的環(huán)境條件。因此，這部分改進(jìn)只作了一個(gè)設(shè)想，并沒(méi)有時(shí)間去付諸實(shí)施。但基本問(wèn)題和解決問(wèn)題的原理我們還是有一定的了解。五、總結(jié)本次基于飛思卡爾K60P144M100SF2RM控制器設(shè)計(jì)的交通燈控制系統(tǒng)，通過(guò)合理的軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了交通燈綠燈亮60秒，黃燈亮10秒，紅燈亮60秒，對(duì)南北主干道方向和東西支干道車輛進(jìn)行直行和左轉(zhuǎn)控制。用紅、綠、黃LED發(fā)光二極管代

16、替實(shí)際中的交通指示燈，用數(shù)碼管對(duì)亮滅時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)，使結(jié)果直觀。六、心得體會(huì)通過(guò)嵌入式課程設(shè)計(jì)，我不僅加深了對(duì)嵌入式理論的理解，將理論很好地應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中去，而且我還學(xué)會(huì)了如何去培養(yǎng)我們的創(chuàng)新精神，從而不斷地戰(zhàn)勝自己，超越自己。創(chuàng)新，是要我們學(xué)會(huì)將理論很好地聯(lián)系實(shí)際，并不斷地去開動(dòng)自己的大腦，從為人類造福的意愿出發(fā)，做自己力所能及的，別人卻沒(méi)想到的事。使之不斷地戰(zhàn)勝別人，超越前人。同時(shí)，更重要的是，我在這一設(shè)計(jì)過(guò)程中，學(xué)會(huì)了堅(jiān)持不懈，不輕易言棄。設(shè)計(jì)過(guò)程，也好比是我們?nèi)祟惓砷L(zhǎng)的歷程，常有一些不如意，也許這就是在對(duì)我們提出了挑戰(zhàn)，勇敢過(guò)，也戰(zhàn)勝了，勝利的鐘聲也就一定會(huì)為我們而敲響。7.1實(shí)物圖 (

17、1) (2) (3)7.2參考文獻(xiàn)1嵌入式系統(tǒng)原理與實(shí)踐ARM Cortex M4 Kinetis微控制器王宜懷著 電子工業(yè)出版社； 2MC9S12XS 單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開發(fā)王宜懷著 電子工業(yè)出版社；3付家才單片機(jī)控制工程實(shí)踐技術(shù)【】北京：化學(xué)工業(yè)出版社4單片機(jī)原理及應(yīng)用，李建忠著，西安，西安電子科技大學(xué)；5模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)，童詩(shī)白，華成英等著，北京，高等教育出版社；6C程序設(shè)計(jì)，譚浩強(qiáng)著，北京，清華大學(xué)出版社；7.3示例代碼：void main (void) /int m=0; /printf(TWR-K60N512 GPIO Example!n); / uint i=0; /* Tu

18、rn on all port clocks */ SIM_SCGC5 = SIM_SCGC5_PORTA_MASK | SIM_SCGC5_PORTB_MASK | SIM_SCGC5_PORTC_MASK | SIM_SCGC5_PORTD_MASK | SIM_SCGC5_PORTE_MASK; /* Enable GPIOA and GPIOE interrupts in NVIC */ /enable_irq(87); /GPIOA Vector is 103. IRQ# is 103-16=87 /enable_irq(91); /GPIOE Vector is 107. IRQ#

19、is 107-16=91 /* Initialize GPIO on TWR-K60N512 */ init_gpio(); gpio_set (PORTB, 21, 1); gpio_set (PORTB, 20, 1); gpio_set (PORTA, 17, 0); gpio_set (PORTA, 16, 0); gpio_set (PORTA, 15, 0); gpio_set (PORTA, 14, 0); gpio_set (PORTA, 13, 0); gpio_set (PORTA, 12, 0); data7(); while(1) for(dis_0 =0;dis_06

20、2;dis_0+) if(dis_060) gpio_set (PORTB, 21, 1); gpio_set (PORTB, 20, 1); gpio_set (PORTA, 17, 0); /gpio_set (PORTA, 13, 1); for(dis_1 =0;dis_112;dis_1+) if(dis_110) gpio_set (PORTB, 20,1); gpio_set (PORTB, 21,1); gpio_set (PORTA, 16, 0); gpio_set (PORTA, 15, 0); gpio_set (PORTA, 13, 0); for(dis_2=0;d

21、is_261;dis_2+) if(dis_2=60) gpio_set (PORTB, 20,1); gpio_set (PORTB, 21,1); gpio_set (PORTA, 14, 0); gpio_set (PORTA, 12, 0); /gpio_set (PORTA, 13, 0); /time_delay_ms(1000); void init_gpio() /Set PTA19 and PTE26 (connected to SW1 and SW2) for GPIO functionality, falling IRQ, / and to use internal pu

22、ll-ups. (pin defaults to input state) /PORTA_PCR19=PORT_PCR_MUX(1)|PORT_PCR_IRQC(0xA)|PORT_PCR_PE_MASK|PORT_PCR_PS_MASK; /PORTE_PCR26=PORT_PCR_MUX(1)|PORT_PCR_IRQC(0xA)|PORT_PCR_PE_MASK|PORT_PCR_PS_MASK; /Set PTB10, PTB21, PTB21, and PTB23 (connected to LEDs) for GPIO functionality/修改適合本電路板 PORTB_PCR20=(0|PORT_PCR_MUX(1); PORTB_PCR21=(0|PORT_PCR_MUX(1); /PORTB_PCR22=(0|PORT_PCR_MUX(1); /PORTB_PCR23=(0|PORT_PCR_MUX(1); PORTD_PCR0=(0|PORT_PCR