智能汽車道閘控制系統(tǒng)的研發(fā)

1、智能汽車道閘控制系統(tǒng)的研發(fā)1、設(shè)計要求設(shè)計的智能汽車道閘控制系統(tǒng)就是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在實際生活中的一個應(yīng)用, 能夠?qū)M出車輛自動辨別以及自動控制汽車道閘, 很好地解決了人為操作所帶來的問題。2、設(shè)計作用與目的當今社會飛速發(fā)展 , 車輛越來越多 , 對車輛有效、安全的管理卻逐漸成為一個越來越成為人們關(guān)注的話題。汽車道閘工作方式簡單, 卻能有效的管理車輛進出 , 現(xiàn)在被越來越多小區(qū)、停車產(chǎn)、公司等都選作為管理車輛進出的一個平臺。但人為的辨別和控制有時卻很難做到安全、高效 , 偶爾的失誤 , 卻可能會給人們的安全帶來隱患。3、設(shè)計方案本系統(tǒng)以 ARM Cortex-M3 為內(nèi)核、主頻達50MHz的 32

2、位微處理器LM3S6965的硬件平臺為基礎(chǔ) , 利用其自身所攜帶的串口模塊、同步串行接口模塊、以及以太網(wǎng)模塊 , 主要用于實現(xiàn)對車輛的識別、道鬧的控制、來往記錄的保存、數(shù)據(jù)的及時更新和來往車輛信息顯示等功能。4、系統(tǒng)硬件設(shè)計4.1 智能道閘控制系統(tǒng)的硬件組成智能道鬧控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要包括ARM嵌入式基本系統(tǒng)、無線通信激勵的設(shè)計、無線通信模塊、串口232 模塊、時鐘模塊和TCP/IP 通信模塊的硬件設(shè)計等。為了實現(xiàn)以上各模塊的功能, 以及高性能、低價格、設(shè)計方便等要求。本文采用在 ARM嵌入式基本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上架構(gòu)硬件平臺, 對各個模塊的硬件電路進行獨立設(shè)計。利用LM3S6965內(nèi)置通用異步收

3、發(fā)器 (UART)模塊配合 RS232收發(fā)電路 , 實現(xiàn) RS232通信 ; 同時利用 LM3S6965內(nèi)置以太網(wǎng)控制器模塊配合自帶隔離變壓的 RJ45 網(wǎng)絡(luò)接口構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)通信電路; 外設(shè)時鐘芯片 , 并通過相關(guān)軟件設(shè)計 ,實現(xiàn)系統(tǒng)時鐘的實時性。利用PIC16F690單片機、高速 MOSFET驅(qū)動器及125KHz天線組成無線通信的激勵源。CC2530擁有 RF內(nèi)核控制模擬無線電模塊和休眠功能 , 配合外圍的喚醒電路 , 可完成低功耗、長距離無線通信的要求。系統(tǒng)組成如圖 3-1 所示。圖 3-1 能道閘控制系統(tǒng)組成4.2 、微處理器 LIVI3S6965 介紹在設(shè)計主控制系統(tǒng)時 , 根據(jù)控制任務(wù)的

4、復(fù)雜程度和可靠性、穩(wěn)定性、精度等指標要求選擇一種性價比合理的嵌入式芯片, 所以本文選用了LM3S6965這款基于 ARMCortex-M3內(nèi)核的芯片作為主控制器。、 LM3S6965的主要特點LM3S6965款基于 ARM Cortex-M3 的微控制器。 ARM Cortex-M3處理器是從 ARM7處理器系列中移植過來 , 為高性能、低成本、低功耗的平臺提供一個滿足小存儲要求解決方案、簡化管腳數(shù)、以及低功耗三方面要求的內(nèi)核, 與此同時 ,它還提供出色的計算性能和優(yōu)越的系統(tǒng)中斷響應(yīng)能力。LM3S6965它包括所有的 16 位 Thumb指令集和基本的 32 位 Thumb-2指令集架構(gòu) ,C

5、ortex-M3 處理器不能執(zhí)行 ARM指令集。 Thumb-2在 Thumb指令集架構(gòu) (ISA) 上進行了大量的改進 , 它與 Thumb相比 , 具有更高的代碼密度并提供 16/32 位指令的更高性能。非常適用于那些對存儲器有限制或者需要較高代碼密度的大批量生產(chǎn)的應(yīng)用。LM3S6965內(nèi)部包含了技術(shù)需求中常用的接口。LM3S6965主要特點如下 :(1)32位 ARM Cortex TM-M3 v7M 架構(gòu) ;(2)50MHz 操作頻率 ;(3) 含有 256KBFlash 和 64KB SRAM內(nèi)部存儲器 ;(4)lO/lOOMbps 以太網(wǎng)控制器 , 由完全集成的媒體訪問控制(MAC

6、)和網(wǎng)絡(luò)物理(PHY)接口器件組成 ;(5)4 個通用定時器模塊 , 每個提供 2 個 16 位定時器 ;(6) 看門狗定時器 ;(7) 通用 DMA控制器 ;(8)2 個內(nèi)部集成電路 (I2C) 模塊、 1 個同步串行端口 (SPI/SSP) 模塊以及 3 個通用異步收發(fā) (UART)模塊 ;(9)1 個正交編碼接口 (QEI) 、模數(shù)轉(zhuǎn)化器、模擬比較器以及脈寬調(diào)試器(PWM)。的內(nèi)部結(jié)構(gòu)LM3S6965一款基于 ARM Cortex-M3 的微控制器 , 該微控制器包念了lO/lOOMbps 以太網(wǎng)控制器、 3 個 UART、4 路模擬輸入通道、 1 個同步串行端口(SPI/SSP) 、

7、2 個 I2C 接口、 1 個 QEI 接口和 6 個脈寬調(diào)試輸出端口。4. 3 主控制器的硬件設(shè)計4.3.1 、 LM3S6965基本系統(tǒng)設(shè)計LM3S6965包括有 4 個時鐘源可供使用 , 它們分別為主振蕩器、內(nèi)部振蕩器、內(nèi)部 30KHz振蕩器和外部實時振蕩器。內(nèi)部振蕩器頻率是12MHz±30%,在上電復(fù)位過程中和上電復(fù)位之后使用的時鐘源, 軟件以后可切換為另一種可用的時鐘源。主振蕩器在1 MHz?8.192MHz的頻率下操作 , 本系統(tǒng)使用外部 6MHz的晶振 ,微處理器的工作頻率可通過內(nèi)部PLL 單元提高。內(nèi)部30KHZ振蕩器與內(nèi)部振蕩器類似 , 它提供 30KHz±

8、; 30%的工作頻率 , 主要用在深度睡眠的節(jié)電模式中。外部實時振蕩器是提供一個低頻率、精確的時鐘基準, 是休眠模塊的一部分。LM3S6965有5 個復(fù)位源 :RESET管腳復(fù)位、看門狗復(fù)位、上電復(fù)位(POR)、內(nèi)部掉電復(fù)位(BOR)和軟件啟動復(fù)位。任何復(fù)位源可使芯片復(fù)位有效, 一旦操作電壓到達一個可使用的級別, 則啟動喚醒定時器。復(fù)位將保持有效直至外部的復(fù)位被撤除 , 振蕩器開始運行。當計數(shù)經(jīng)過了固定的時鐘個數(shù)后,Flash 控制器已完成其初始化。本次設(shè)計采用了上電復(fù)位和手動復(fù)位相結(jié)合的方案, 基本系統(tǒng)如圖3-3 所示。主要標明 LM3S6%5的各種類型電源和地線管腳的連接方式。需要注意的是

9、, 對于不同類型的電源和地 , 處理方式應(yīng)有所不同 , 具體描述如表 3-1 所示。圖 3-3 中主要標明 LM3S6965內(nèi)部各類外設(shè)接口與具體功能電路間的引腳連接, 包括 SPI通信、調(diào)試接口、 UART通信、以太網(wǎng)通信、 LCD接口、按鍵等功能電路。表 3-1 LM3S6965 電源 / 地管腳描述管腳VDD描述數(shù)字電源和地。為IO 口提供3.3V 數(shù)字供電電壓和0V 數(shù)字地GNDVDDAGNDAVDD25LDO模擬屯源和地。它們應(yīng)當與LM3S6965的數(shù)字電源電壓相同 , 但為了降低噪聲和出錯兒率 , 該電源應(yīng)當與 LM3S6965的數(shù)字電源隔離。內(nèi)核電源電壓低壓差穩(wěn)壓器輸出電壓。它可

10、以被用來給控制器的大部份內(nèi)部邏輯提供電源。在設(shè)計時 , 需與 VDD25管腳相違 , 輸出電壓在 2.25V2.75V 之內(nèi) , 可通過 LDO功率控制器調(diào)節(jié)VCCPHY以太網(wǎng) PHY電壓和低GNDPHYVBATRTC外設(shè) 3.3V 供電電壓 , 由3.3V電源及外置電池供電3. 3. 2 人機交互模塊設(shè)計a、LCD液晶顯示LM1095R液晶顯示模塊同LM3S6965的硬件連接如圖3-3 、圖 3-4 所示。圖 3-4 液晶顯示模塊與 LM3S6965硬件迎接圖LM1095R是一款 192X 128 點陣中文 / 圖形液晶顯示模塊 , 內(nèi)置 RA8803控制器。模塊不僅可以顯示單一的文本 ,

11、還能顯示圖形。在文本模式下能夠?qū)崿F(xiàn)大小字體的混編 ( 最大字體為 64X64), 在連續(xù)輸入數(shù)據(jù)時 , 模塊能夠自動調(diào)節(jié)行距。使顯示畫面更加美觀 , 大大節(jié)省用戶的開發(fā)是時間。他的主要特點有 :(1) 單電源供電 , 內(nèi)置升壓電路；(2) 白色 LED背光；(3) 高對比度 ,FSTN型 LCD屏；(4) 雙圖層內(nèi)存 (2X9.6K 顯示存儲器 ) ；(5) 內(nèi)嵌簡體中文字庫 (7602 個漢字 ) ；(6) 可自定義 16 個字符。LM1095R液晶顯示器的結(jié)構(gòu)框圖如圖3-5, 管腳功能如表 3-2 所示。圖 3-5LM1095R結(jié)構(gòu)框圖表 3-2 LM1095R 管腳描述管腳VoutV0V

12、DDVSS/CSRS/WR/RDDB0 DB7/RSTVBLA描述電壓調(diào)節(jié)輸出管腳液晶參考電壓管腳數(shù)字電壓 5V 管腳數(shù)字電源地片選信號管腳，低電平時，使能數(shù)據(jù)傳輸總線寄存器選擇管腳寫入使能管腳、低電平有效讀出使能管腳、低電平有效數(shù)據(jù)傳輸總線復(fù)位管腳背光供電管腳b、按鍵設(shè)計鍵盤模塊采用了5 個獨立按鍵來實現(xiàn)其功能, 鍵盤操作是依據(jù)按鍵按下時引起信號的電平變化來判斷具體哪個按鍵按下 , 然后執(zhí)行相應(yīng)的操作。這 5 個按鍵設(shè)計如圖 3 七所示。tu 按鍵設(shè)計按鍵功能如表 3-3 所示按鍵功能描述KEY1 (ENTER鍵)進入菜單KEY2 (UP鍵)向上移動光標KEY3 (RIGHT鍵)向右移動光標

13、KEY4 (DO鍵)確認或修改參數(shù)KEY5 (ESC鍵)返回上級菜單或跳出菜單3. 3. 3 網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)計LM3S6965內(nèi)置以太網(wǎng)控制器。以太網(wǎng)控制器由一個完全集成的媒體訪問控制器 (MAC)和網(wǎng)絡(luò)物理 (PHY)接口器件組成 I9, 完全支持 10BASE-T和 100BASE-TX標準 , 只需要一個雙路 1:1 隔離變壓器 2" 】就能與線路相連。網(wǎng)絡(luò)通信模塊框圖如圖 3-7 所示。圖 3-7 網(wǎng)絡(luò)通信模塊框圖以太網(wǎng)控制器中的物理層 (PHY)主要包括擾碼器、解擾器、集成的編碼解碼器、全功能自協(xié)商功能和雙速時鐘恢復(fù)。發(fā)送器包含一個線路驅(qū)動器和一個片內(nèi)脈沖整形器。接收器有一個自

14、適應(yīng)均衡器和一個校準時鐘及恢復(fù)數(shù)據(jù)所需的基線恢復(fù)電路。 PHY 有一個片內(nèi)晶體振蕩器 , 這個振蕩器也可由一個外部振蕩器驅(qū)動。當由外振蕩器驅(qū)動時 ,XTALNPHY和 XTALPPHY管腳之間應(yīng)接一個 25MHz的晶體。同時 ,LM3S6965為 PHY配置了 2 個 LED信號 , 用來指示以太網(wǎng)控制器操作的各種狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)通信模塊的設(shè)計如圖 3-3 、3-8 所示。圖 3-8 網(wǎng)絡(luò)通信模塊設(shè)計3. 3. 5 數(shù)據(jù)存數(shù)模塊硬件設(shè)計數(shù)據(jù)存數(shù)模塊包括兩部分: 時鐘電路設(shè)計和SD卡接口設(shè)計1、時鐘模塊電路設(shè)計時鐘模塊現(xiàn)在越來越多得被應(yīng)用到各種電路設(shè)計中 , 它能提供給系統(tǒng)準確的實時時鐘。 DS130

15、2是 DALLAS公司推出的一款高性能、低功耗的涓流充電時鐘芯片 , 內(nèi)含有一個實時時鐘 / 日歷和 31 字節(jié)靜態(tài) RAM,它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進行計時 , 且具有閏年補償功能。時鐘模塊電路設(shè)計如圖 3-10 所示DS1302具有雙電源管腳 , 供主電源和備份電源供電, 同時提供了對后備電源進行涓細電流充電的能力。如圖 3-10 所示 ,3V 為 DS1302的后備電源 , 由 3V 的紐扣電池供電 , 防止其主電源掉電時 , 內(nèi)部數(shù)據(jù)丟失。 DS1302與單片機之間能簡單地采用同步串行的方式進行通信 , 僅需用到 3 根信號線 :(1) RES ( 復(fù)位 / 片選線 ),(

16、2)I/O (數(shù)據(jù)線 ),(3) SCLK (串行時鐘 ) 。DS1302管腳的功能如表3-5 所示。表 3-5DS1302管腳功能引腳號引腳名稱引腳功能1VCC2主電源2、3X1，X2振蕩源 , 外接 32.768KHZ晶振4GND地線5RES復(fù)位 / 片選線6I/O串行數(shù)據(jù)輸入 / 輸出端 ( 雙向 )7SCLK串行時鐘輸入端8VCC1后備電源2、SD卡與 LM3S6965硬件接口設(shè)計SD卡(Secure Digital Memory Card)是一種基于半導(dǎo)體快閃記憶器的新一代記憶設(shè)備 , 重量只有 2 克, 但卻擁有高記憶容量、快速數(shù)據(jù)傳輸率、極大的移動靈活性以及很好的安全性。目前在嵌

17、入式系統(tǒng)中已取得越來越廣泛的應(yīng)用。對 SD卡進行軟硬件設(shè)計首先要選擇 SD卡的總線模式。 SD卡有兩種總線模式 : SD總線模式和 SPI 總線模式 23 。本設(shè)計采用 SPI 模式。SD卡引腳共有 9 個。在 SPI 模式下 ,SD 卡 1-7 號引腳依次為片選引腳 SSEL, 數(shù)據(jù)輸入 MOSI,電源地 , 電源引腳 VDD,時鐘信號 SCK,電源地 , 數(shù)據(jù)輸出 MISO,8 腳與 9 腳在 SPI 模式下保留。根據(jù) SPI 總線通信的協(xié)議規(guī)定 , 要求 SPI 總線在空閑時應(yīng)置于高電平狀態(tài) , 因此 SSEL、MISO、MOSI、SCK引腳應(yīng)外接 10K 上拉電阻。SD卡與 LM3S6

18、965的硬件接口如圖3-11 所示。其他接口及電路1、道閘控制開關(guān)電路系統(tǒng)控制道閘 關(guān)的電路設(shè)計如圖 3-12 所示 , 其中 Y1 為道閘的開啟管腳 ,Y2 為關(guān)閉管腳 ,COM1和 COM2為道閘的公共信號管腳。 ULN2803是一款反向輸出型芯片。當系統(tǒng)上電穩(wěn)定后 ,ULN2803芯片的兩個輸入管腳為低電平 , 則對應(yīng)的輸出管腳為高電平 , 繼電器不閉合。當 ULN2803芯片的兩個管腳為高電平時 , 繼電器閉合 ,Yl 、 Y2管腳分別與其對應(yīng)的公共信號管腳連接 , 則系統(tǒng)控制道閘開關(guān)。2、JTAG接口電路JTAG接口電路 , 如圖 3-13 所示。單片機通過 JTAG與主機的并口連接

19、 , 先把程序下載到 FLASH內(nèi), 再進行調(diào)試 , 這樣就更為方便地調(diào)試程序 , 節(jié)省了時間的同時也降低了成本。3.4 無線通信的硬件設(shè)計3. 4. 1 無線通信激勵源硬件設(shè)計無線通信模塊主要包括無線通信激勵源 , 無線通信發(fā)送標簽和無線通信接收標簽。無線通信激勵源的作用是通過天線 , 不斷向外發(fā)送 125KHZ頻率的載波信號 , 使放置在車輛上的無線通信發(fā)送標簽從睡眠狀態(tài)轉(zhuǎn)化為正常工作狀態(tài)。1、PIC16F690 介紹PIC16F690有許多功能 24, 旨在最大限度地提高系統(tǒng)可靠性, 通過減少外部元件將成本降至最低 , 并提供省電工作模式和代碼保護功能。有兩個定時器提供必要的上電延時。一

20、個是振蕩器起振定時器(OST), 旨在確保芯片在晶振達到穩(wěn)定之前始終處于復(fù)位狀態(tài)。另一個是上電延時定時器(PWRT) ' 僅在上電時提供 64 ms ( 標稱值 ) 的固定延時 , 用來確保器件在供電電壓穩(wěn)定之前處于復(fù)位狀態(tài)。還有當器件發(fā)生欠壓時使器件復(fù)位的電路 , 該電路可使用上電延時定時器 ,提供至少 64ms的復(fù)位延時。有了這三種片上功能, 絕大多數(shù)應(yīng)用就無需再外接復(fù)位電路了。PIC16F690包含的技術(shù)特點如下 :(1) 高性能的 CPU,僅需學(xué)習(xí) 35 條指令 ;(2) 精準的內(nèi)部振蕩器 ;(3) 節(jié)能休眠模式、寬電壓工作范圍 (2.0V 5.5V) 、工業(yè)級和擴展級溫度范圍

21、 ;(4) 增強型 USART模塊一支持 RS485、 RS-232 和 LIN2.0,I2C;(5)17 個 I/O 引腳和 1 個只用作輸入的引腳 ;(6)2 個模擬比較模塊 ,A/D 轉(zhuǎn)換器 ;(7)3 個時鐘定時器 ;(8) 增強型 PWM模塊。PIC16F690的硬件設(shè)計如圖3-14 所示圖 3-14 PIC16F690 硬件電路設(shè)計PIC16F690采用內(nèi)部晶振 , 頻率為 8MHz。圖中 SW3為 PIC16F690的復(fù)位按鍵 , 管腳 5 是向外輸 125KHZ的 PWM載波信息。2、激勵源硬件設(shè)計125KHZ載波信號生成設(shè)計如圖 3-15 所示。為了增加無線喚醒覆蓋范圍 ,

22、圖 3-15 設(shè)計了 3 路無線信號發(fā)生電路 , 在實際現(xiàn)場中分別負責 3 塊喚醒區(qū)域 , 確保車上無線通信模塊能被喚醒。圖 3-15 125KHz 載波生成設(shè)計PIC16F690管腳產(chǎn)生 125KHz的載波信號 , 即喚醒信號 ,SN74AC08是與門芯片 ,CS_OUTPUT 是A信號中斷開關(guān)信號。當PIC16F690向外發(fā)送 125KHz的載波信號時 ,CS_OUTPUT_信A號置高。當該次喚醒信號發(fā)送完畢 , CS_OUTPUT_A信號置低 ,當下次發(fā)送喚醒信號時。CS_OUTPUT信A號再次置高。喚醒信號通過高速MOSFET驅(qū)動器 TC4422,將信號放大。3. 4. 2 無線通信模塊硬件設(shè)計無線通信模塊分為兩部分, 一個稱為無線通信發(fā)送標簽, 一個稱為無線通信接收標簽。根據(jù)任務(wù)需要 , 需選擇一款滿足低功耗、可靠性高、穩(wěn)定性好、精度精確等要求 ,