嵌入式交通信號燈

......嵌入式系統(tǒng)設計專題實踐交通燈控制系統(tǒng)專業(yè)：電子信息工程班級：電子1102班學生姓名：王石巖學號：1110910213指導教師：高華.....目錄HYPERLINK一、方案設計與論證3HYPERLINK1.1系統(tǒng)任務描述3HYPERLINK1.2系統(tǒng)方案設計4HYPERLINK1.3系統(tǒng)框圖5HYPERLINK二、硬件電路設計5HYPERLINK2.1K60P144M100SF2RM最小系統(tǒng)設計5HYPERLINK2.2數(shù)碼管顯示模塊設計7HYPERLINK2.3交通燈指示模塊設計8HYPERLINK三、系統(tǒng)軟件設計8HYPERLINK3.1系統(tǒng)軟件流程圖8HYPERLINK3.2500ms定時器子程序設計9HYPERLINK3.3計數(shù)顯示子程序設計10HYPERLINK四、系統(tǒng)調(diào)試12HYPERLINK4.1硬件調(diào)試11HYPERLINK4.2軟件調(diào)試11HYPERLINK4.3綜合調(diào)試12HYPERLINK五、總結12HYPERLINK六、心得體會12HYPERLINK七、附錄13HYPERLINK7.1系統(tǒng)實物圖13HYPERLINK7.2程序代碼14HYPERLINK7.3參考文獻19摘要當前伴隨著信息化社會的快速發(fā)展,國家不斷走向繁榮昌盛。與此同時,快節(jié)奏也成為當代人們在各大城市的主要特征。當今社會上汽車越來越多,為了減少城市交通阻塞和維持良好穩(wěn)定的交通次序、加強對道路的管理力度。因此合理設計交通燈控制系統(tǒng)對維護道路安全和社會交通次序有著不可替代的作用。本文主要闡述交通燈控制系統(tǒng)的設計原理和過程,采用飛思卡爾K60作為系統(tǒng)的控制芯片,對系統(tǒng)的軟件和硬件進行模塊化設計,最終實現(xiàn)了基于飛思卡爾K60芯片的交通燈控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)用紅、黃、綠三種顏色的發(fā)光二極管來代替三種實際中的交通燈,在控制器的驅(qū)動下來形象化的演示實際中交通燈的運行模式和工作過程。最終該系統(tǒng)實現(xiàn)了對車輛直行、左轉(zhuǎn)、停止等待等基本功能。能夠有效地對城市中的車輛產(chǎn)生明確的指導和控制。關鍵詞：交通燈K60P144M100SF2RM數(shù)碼管定時顯示一、方案設計與論證系統(tǒng)任務描述本次設計中根據(jù)實際需要,結合嵌入式系統(tǒng)的特點,完成對交通燈的控制系統(tǒng)設計。系統(tǒng)功能包括實現(xiàn)對車輛的直行,左拐、停止等待等功能?；陲w思卡爾K60P144M100SF2RM控制器,實現(xiàn)對車輛進行指導控制。本系統(tǒng)中主要由控制器最小系統(tǒng)、數(shù)碼管顯示模塊、交通燈模塊等相關模塊構成。系統(tǒng)任務包括三個環(huán)節(jié)。假設十字路口南北方向為主干車道,東西方向為支干道。狀態(tài)一：南北方向、東西方向均設有紅、黃、綠三個指示燈。首先南北方向綠燈亮一分鐘、東西方向紅燈亮一分鐘。此時處于向北方向的車輛處于綠燈狀態(tài),可以直行通過十字路口,而處于向東方向的車輛由于是紅燈等待則不能前行,需在線外等待向東方向的綠燈來臨才能前行。狀態(tài)二：一分鐘之后,北方向的綠燈變?yōu)辄S燈亮,且亮十秒鐘。而在向東方向的紅燈還沒轉(zhuǎn)變狀態(tài),紅燈此時會連續(xù)閃爍10秒鐘,作為東西方向?qū)⒆兂删G燈通行狀態(tài)的提示。與此同時,向西方向的左轉(zhuǎn)指示燈會變亮,也是亮10秒鐘,車輛可以左轉(zhuǎn)。狀態(tài)三：10秒鐘過后,北方向的黃燈滅,紅燈亮60秒,處于主干道上的車輛不能直行通過。與此同時東方向的紅燈會滅,綠燈亮60秒,處于干道上的車輛可以直行。向北方向的車輛不能左轉(zhuǎn)。左轉(zhuǎn)指示燈會熄滅。狀態(tài)三執(zhí)行完畢重新進入狀態(tài)一開始執(zhí)行,整過過程在K60控制器上電以后就進入工作狀態(tài),無需人工干預。圖1—1為系統(tǒng)的工作狀態(tài)圖：狀態(tài)二10秒狀態(tài)三60狀態(tài)二10秒狀態(tài)三60秒狀態(tài)一60秒：圖1—1系統(tǒng)的工作狀態(tài)圖圖1—2系統(tǒng)的工作方式圖1.2系統(tǒng)方案設計本系統(tǒng)基于K60P144M100SF2RM控制器設計的交通燈控制系統(tǒng)。設計過程主要采用自上向下的設計思路和模塊化設計的設計思想,對軟件和各個硬件模塊進行獨立設計,綜合調(diào)試。軟件包括顯示、定時器、GPIO、時鐘等設置。硬件電路包括由三極管驅(qū)動的數(shù)碼管顯示電路以及交通燈顯示電路。1.3系統(tǒng)框圖電源電源交交通燈指示模塊數(shù)碼管顯示計時模塊K60P144M100SF2RM數(shù)碼管顯示計時模塊K60P144M100SF2RM控制器最小系統(tǒng)圖1—3系統(tǒng)框圖二、硬件電路設計本系統(tǒng)中硬件系統(tǒng)包括K60P144M100SF2RM最小系統(tǒng)設計、數(shù)碼管顯示模塊、交通燈顯示模塊。采用模塊化設計的思想對以上模塊進行設計。2.1K60P144M100SF2RM最小系統(tǒng)設計Kinetis是低功耗可擴展和在工業(yè)上使用混合信號ARMCortex-M4系列MCU的最好的組合。Kinetis系列MCU結合了最新的低功耗革新技術和高性能,高精密混合信號功能與連通,人機界面,安全及外設廣泛。Kinetis

MCUs使用了飛思卡爾和ARM第三方合作伙伴的市場領先的捆綁模式。所有Kinetis系列都包涵強大的邏輯、通信和時序陣列和帶有伴隨著閃存大小和I/O數(shù)量的集成度等級的控制外圍部件。Kinetis產(chǎn)品組合內(nèi)核具有以下特點：ARMCortex-M4內(nèi)核帶DSP指令,性能可達1.25DMIPS/MHz<部分Kinetis系列提供浮點單元>；32通道的DMA可用于外設和存儲器數(shù)據(jù)傳輸并減少CPU干預；提供不同級別的CPU頻率50MHz、72MHz和100MHz〔部分Kinetis系列提供120MHz和150MHz>；10種低功耗操作模式用于優(yōu)化外設活動和喚醒時間以延長電池的壽命；行業(yè)領先的快速喚醒時間。正是由于K60控制器在性能上有較多的優(yōu)點和較低的功耗,因而適合用來開發(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：<1><2><3>圖2—1最小系統(tǒng)原理圖2.2數(shù)碼管顯示模塊設計數(shù)碼管分為七段和八段兩種。根據(jù)極性也可分為共陰和共陽兩種類別。其原理是根據(jù)發(fā)光二極管的組合成顯示0~9,還包括字母A,B,C,D,E,F等。共陰數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極<COM>的數(shù)碼管,共陰數(shù)碼管在應用時應將公共極COM接到地線GND上,當某一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時,相應字段就點亮,當某一字段的陽極為低電平時,相應字段就不亮。圖2—2數(shù)碼管工作原理圖分別對三個狀態(tài)進行計時,個位和十位分別用一個數(shù)碼管顯示,每次計時加一的時間是1s。以下是本模塊的原理圖：圖2—3數(shù)碼管顯示模塊原理圖其中由數(shù)碼管的位選端和段選端進行控制數(shù)碼管的顯示程序。根據(jù)PNP三極管的導通原理,當位選端為低電平時,三極管導通,根據(jù)共陽極編碼進行合理設置即可。此外用三極管驅(qū)動數(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交通燈指示模塊設計本模塊用紅、黃、綠三種顏色的發(fā)光二極管來代替實際中的交通指示燈。紅燈亮則表示車輛停止等待,黃燈亮則表示綠燈在向紅燈的跳變過程中允許已經(jīng)越過規(guī)定線的車輛繼續(xù)前行。綠燈則表示車輛可以直行通過。在此系統(tǒng)中,一共有7個指示燈。圖2—4交通燈指示模塊原理圖三、系統(tǒng)軟件設計3.1系統(tǒng)軟件流程圖在系統(tǒng)的軟件設計時,需要對系統(tǒng)時鐘進行設計,以滿足對本次系統(tǒng)的功能需求。還需對GPIO端口進行初始化設置,500ms定時延遲設置。然后需要考慮交通燈的三個工作狀態(tài),合理安排顯示與計數(shù)的時序關系。開始開始系統(tǒng)初始化程序系統(tǒng)初始化程序交通指示燈交替亮滅交通指示燈交替亮滅時鐘設置500ms500ms定時器設置計數(shù)結束？計數(shù)結束？ N計數(shù)程序計數(shù)程序數(shù)碼管顯示數(shù)碼管顯示 Y結束結束圖3—1系統(tǒng)軟件流程圖3.2500ms定時器子程序設計開始本模塊是將產(chǎn)生500ms定時器,讓在計數(shù)器計數(shù)時提供計時間隔,同時也可作為數(shù)碼管個位和十位的刷新時間,即每次數(shù)碼管顯示更新遞增一個數(shù)字經(jīng)過的時間是1s。以下是本模塊的子程序軟件流程圖：開始設置設置LPTMR定時器設置count_val設置count_val比較值觸發(fā)輸出觸發(fā)輸出1KHzLPO時鐘計數(shù)1KHzLPO時鐘計數(shù)清除標志位清除標志位ReachReachcount_v值？結束Y結束 N圖3—2定時器子程序軟件流程圖3.3計數(shù)顯示子程序設計計數(shù)顯示是在定時器運行前提下進行工作的。數(shù)碼管每刷新一個數(shù)時,時間是1s。這樣的好處是顯示與指示燈狀態(tài)同步起來。同時也能做到效果比較直觀。以下是此部分模塊的流程圖：開始開始dis_0=0dis_1=0dis_0=0dis_1=0dis_2=0初始化1000ms定時器1000ms定時器數(shù)碼管譯碼指示燈亮數(shù)碼管譯碼指示燈亮dis_0++dis_0++dis_0<60dis_0<60Y1000ms1000ms定時器數(shù)碼管譯碼指示燈亮1000ms數(shù)碼管譯碼指示燈亮1000ms定時器數(shù)碼管譯碼指示燈亮 N數(shù)碼管譯碼指示燈亮dis_2++dis_2++dis_2<60?dis_1++dis_2<60?dis_1++dis_1<10?Ydis_1<10?Y N結束結束N圖3—3計數(shù)顯示模塊流程圖四、系統(tǒng)調(diào)試4.1硬件調(diào)試在硬件調(diào)試時,K60最小系統(tǒng)的調(diào)試就是用集成Mini核心板進行調(diào)試,當系統(tǒng)上電后,將系統(tǒng)示例程序下載到開發(fā)板中,用一個示例LED等進行測試能否正常運行。在GPIO端口進行初始化后,應對端口進行合理設置。在對核心板程序下載成功后,在程序能正確運行時,可以根據(jù)共陽數(shù)碼管的特點進行測試,對顯示電路能否正常工作進行測試。驗看數(shù)碼管計數(shù)時是否與預想的一樣,若不一樣營及時修正程序。最終使結果出現(xiàn)與預期一樣。4.2軟件調(diào)試在軟件調(diào)試時,在IARforARM6.30版本平臺上進行編程下載,通過J—LinkJI進行下載到K60核心板中。在調(diào)試時可以用單步調(diào)試,全速運行,設置斷點等方式。與此同時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行。以下是IAR開發(fā)界面：圖4—1IAR開發(fā)界面圖4.3綜合調(diào)試在綜合調(diào)試時,首先應確保硬件和軟件都調(diào)試完畢,將程序下載到硬件系統(tǒng)中后,首先應注意以下事項;在上電之前應用數(shù)字萬用表檢測硬件電路的電源VCC和地是否導通,若導通,應及時檢查后確保不能讓電源和地短路；同時檢測電路是否有虛焊現(xiàn)象,應及時解決這些可能對結果造成不良影響的問題,然后才能上電。上電之后,觀看實驗效果,看數(shù)碼管刷新時間和交通指示燈亮滅是否和預期相同,若時序不符合要求,應及時調(diào)整硬件或者軟件。在與核心板連接線時,應避免與IO口短接,造成數(shù)碼管顯示亂碼或者顯示效果不佳。五、總結本次基于飛思卡爾K60P144M100SF2RM控制器設計的交通燈控制系統(tǒng),通過合理的軟件設計和硬件設計,實現(xiàn)了交通燈綠燈亮60秒,黃燈亮10秒,紅燈亮60秒,對南北主干道方向和東西支干道車輛進行直行和左轉(zhuǎn)控制。用紅、綠、黃LED發(fā)光二極管代替實際中的交通指示燈,用數(shù)碼管對亮滅時間進行計時,使結果直觀。六、心得體會本次關于嵌入式系統(tǒng)設計專題實踐,通過用基于Cortex-M4內(nèi)核的K60P144M100SF2RM控制器,我對嵌入式系統(tǒng)設計有了進一步的認識。在本次系統(tǒng)設計過程中,主要采用的是模塊化設計的思想和自頂向下的設計原則,將功能細化,每一功能對應一個功能子程序。在軟件設計時我進一步體會到了畫流程圖的重要性。面對一個系統(tǒng)設計時,我們首先應該將功能劃分和細化,每一部分可以畫一些單個的子程序流程圖,這樣在軟件設計時可以會在思緒上要清晰一些。調(diào)試步驟則采用硬件和軟件分開調(diào)試,最后再綜合調(diào)試的方案。在軟件調(diào)試時,我們首先將程序編譯通過后,經(jīng)過J-Link下載到核心板中,然后可以在線仿真和調(diào)試。在調(diào)試時,除了首先全速運行程序外,如果運行結果不太理想,這時我們可以采用單步調(diào)試,設置斷點等方式進行調(diào)試。還有需要注意的是,在燒寫程序時,不能直接從核心板上拔下J-Link,應斷電后小心取下。關于軟件調(diào)試和軟件編寫在本次實踐中我的感悟還是挺多的。在硬件調(diào)試時,一開始在程序正常運行時數(shù)碼管始終效果不明顯,后來分析得知是驅(qū)動電流不大造成數(shù)碼管顯示比較暗的。最后的解決辦法是在數(shù)碼管的位選端加了三極管進行放大,最終數(shù)碼管顯示的效果才會直觀,明亮。在測試LED燈的好壞時,我由于沒有考慮到發(fā)光二極管的導通電壓,以為這個直徑較大的發(fā)光二極管應該在3.3V電壓時是不會擊穿的。因而也為了簡易就沒有加上限流電阻。最后在測試時,在接上3.3V電壓時,紅色和黃色的LED發(fā)光二極管都在瞬間被擊穿,只有綠燈能夠正常導通發(fā)光。所幸的是核心板有短路保護模式,不然結果是比較嚴重的。最終我還是都接上了330歐姆的限流電阻,才解決這個問題。這些都是我在不了解元器件的前提下所犯的錯誤。通過此次實踐,也讓我吸取了這一點教訓。在實驗之前,應對元器件有了基本的了解才能去利用它們進行設計。通過這次交通燈的實驗,我學會并了解了一些嵌入式與單片機的相同和不同之處,更讓我感到了嵌入式的強大。以往在單片機的學習和課程設計中,一些知識點并不會顯的十分復雜,而現(xiàn)在的嵌入式系涉及到了更多的知識和復雜的理論。因為嵌入式不僅僅是一個高級的一些的單片機,而是涉及到了系統(tǒng)的概念,從功能上還是應用、實時、穩(wěn)定上都要優(yōu)于單片機。另外,從做交通燈的實驗中,學習和鞏固了以前的編程知識,還有對天一些電路的分析,數(shù)電模電的知識等。更重要的是在這次實驗中,得到了動手能力和思維方式的鍛煉。做為一名自動化專業(yè)的學生,動手能力和思維方式的鍛煉是成為得要的,特別在以后遇到問題時要有解決問題的能力。七、附錄7.1系統(tǒng)實物圖·〔1〔2〔3圖7—1系統(tǒng)實物圖7.2程序代碼：voidmain<void>{//intm=0;//printf<"TWR-K60N512GPIOExample!\n">;//uinti=0;/*Turnonallportclocks*/SIM_SCGC5=SIM_SCGC5_PORTA_MASK|SIM_SCGC5_PORTB_MASK|SIM_SCGC5_PORTC_MASK|SIM_SCGC5_PORTD_MASK|SIM_SCGC5_PORTE_MASK;/*EnableGPIOAandGPIOEinterruptsinNVIC*///enable_irq<87>;//GPIOAVectoris103.IRQ#is103-16=87//enable_irq<91>;//GPIOEVectoris107.IRQ#is107-16=91/*InitializeGPIOonTWR-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_0<62;dis_0++>{if<dis_0<=60>{gpio_set<PORTA,17,1>;gpio_set<PORTA,16,1>;data7<>;//time_delay_ms<1000>;gpio_set<PORTB,20,0>;//time_delay_ms<1000>;Gpio_set_Pin<PORT_D,dis_code[dis_0%10]>;//gpio_set<PORTB,20,1>;time_delay_ms<500>;//data7<>;//delay<>;gpio_set<PORTB,20,1>;data7<>;gpio_set<PORTB,21,0>;Gpio_set_Pin<PORT_D,dis_code[dis_0/10]>;//time_delay_ms<100>;//data7<>;//delay<>;time_delay_ms<500>;data7<>;gpio_set<PORTB,21,1>;//time_delay_ms<1000>;}if<dis_0>60>{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_1<12;dis_1++>{if<dis_1<=10>{gpio_set<PORTA,15,1>;gpio_set<PORTA,13,1>;data7<>;//time_delay_ms<1000>;gpio_set<PORTB,20,0>;//time_delay_ms<1000>;Gpio_set_Pin<PORT_D,dis_code[dis_1]>;//gpio_set<PORTB,20,1>;time_delay_ms<500>;gpio_set<PORTA,16,1>;//delay<>;time_delay_ms<500>;gpio_set<PORTA,16,0>;//data7<>;//delay<>;///io_set<PORTB,20,1>;//data7<>;//gpio_set<PORTB,21,0>;//Gpio_set_Pin<PORT_D,dis_code[dis_1/10]>;//time_delay_ms<100>;//data7<>;//delay<>;//time_delay_ms<500>;//data7<>;//gpio_set<PORTB,21,1>;//time_delay_ms<1000>;}if<dis_1>10>{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;dis_2<61;dis_2++>{if<dis_2<60>{gpio_set<PORTA,14,1>;gpio_set<PORTA,12,1>;data7<>;//time_delay_ms<1000>;gpio_set<PORTB,20,0>;//time_delay_ms<1000>;Gpio_set_Pin<PORT_D,dis_code[dis_2%10]>;//gpio_set<PORTB,20,1>;time_delay_ms<500>;//data7<>;//delay<>;gpio_set<PORTB,20,1>;data7<>;gpio_set<PORTB,21,0>;Gpio_set_Pin<PORT_D,dis_code[dis_2/10]>;//time_delay_ms<100>;//data7<>;//delay<>;time_delay_ms<500>;data7<>;gpio_set<PORTB,21,1>;}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>;}}}}}}}voidinit_gpio<>{//SetPTA19andPTE26<connectedtoSW1andSW2>forGPIOfunctionality,fallingIRQ,//andtouseinternalpull-ups.<pindefaultstoinputstate>//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;//SetPTB10,PTB21,PTB21,andPTB23<connectedtoLED's>forGPIOfunctionality//修改適合本電路板PORTB_PCR20=<0