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基于DSP的交通灯控制系统的设计学士学位论文
基于DSP的交通灯控制系统的设计
摘要
当今时代是一个自动化时代，随着汽车业与交通运输事业的快速发展，大中城市的道路交通的控制也问题日益突出，然而增加道路以及对车辆运行的限制已不是解决该问题最经济有效的办法。
如何在现有道路交通设施的条件下更好的解决交通问题才是我们目前需要考虑的。
道路交通灯的控制和很多行业的设备都与计算机密切相关。
因此，一个好的交道路通灯控制系统，将会给道路拥挤、车辆违章控制等方面给予技术革新。
随着大规模集成电路及计算机技术的迅速发展，以及人工智能在控制技术方面的广泛深入运用，智能交通灯控制设备有了很大的发展，是目前交通灯控制系统发展的主流方向。
本文介绍了一个智能交通灯控制系统的设计。
该智能交通灯控制系统可以实现的功能主要有：
对某市区的主要交通路口进行控制；使各路口有固定的工作周期，并且在道路拥挤时中控中心能够改变交通灯的变换周期。
该设计以DSPTMS320VC5509为路口控制核心，以单个路口控制为研究对象，与PC机之间的的通信采用MAX232进行转换。
作为整个交通网络最小研究单元的单个交叉路口，对于单个路口的控制方法的研究是整个交通灯控制网路的研究基础，具有非常重要的意义。
关键词 交通灯；DSP；CPLD
DesignofIntegratedControlSystemofLightsBasedonDSP
Abstract
TheageisanautomaticagenowadaysandWiththerapiddevelopmentofautomobileandtrafficmanagement,theheavytrafficprobleminthebigsitiesbecomesmoreandmoreserious,andthesolutionbyincreasingnewroadandconstrainingthevehicleisnotthemosteconomicalandeffectivemeasures.Howtosolvetrafficproblemsinexistingconditionisworthconsidering.
Transportationlightcontrolandthedevicesinmanyprofessionsiscloselyrelatedwithcomputers.Therefore,agoodtransportationlightcontrolsystem,willgivetechniqueinnovationhustlefortheroad,theillegalcontroletc.Alongwiththetechnicalquickdevelopmentofthelargescaleintegration,thecomputertechknowledge,andthewideuseoftheartificialintelligenceinthecontrolsystem,theintelligencecontrolequipmenthaveaverybigdevelopment,whichistheessentialdirectioninthemodernscienceandtechnologydevelopment.
Thisarticleintroducesadesignofanintelligencetransportationlightsystem.Theintelligence'stransportationlightcontrolsystemcancarryoutofthesefunctions:
Carryonthemaintransportationstreetcornersofsomedowntown;Eachstreetcornercontainafixedworkperiod,andcontrolcentercanchangeitsperiodwhenthetrafficisheavy.
ThedesignusestheintersectioncontrolTMS320VC5509byDSPcore,withasingleintersectioncontrolastheresearchobject,andthecommunicationsbetweenPCsbyusingMAX232conversion.Astheminimumsingleintersectioninthetrafficnetworkresearchunit，asingleintersectioncontrolmethodisthetrafficcontrolnetworkresearchfoundation,whichhastheextremelyvitalsignificance.
Keywords trafficlights;DigitalSignalProcessing;CPLD
摘要……
Abstract
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第1章绪论
1.1本课题的研究背景
随着社会经济的快速发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。
人、车、路三者之间的协调已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。
城市交通控制系统城市交通数据检测，交通灯信号控制与交通疏导的计算机综合管理系统，他是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。
如何采用适合的控制方法，最大限度的利用好耗费巨资修建的城市道路，缓解主干道与匝道，市区同周边城区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。
而DSP是伴随着微电子学，数字信号处理技术和计算机技术等学科的发展而产生的，是体现这三个学科综合科研成果的器件。
由于他的特殊的结构设计，可以把数字信号处理中的一些理论和算法实时实现，并逐步进入控制市场，因而在计算机应用领域中得到了广泛的应用。
本文提出了基于DSP的交通灯综合控制系统的设计。
1.2交通灯的发展
19世纪初，在英国中部的约克城，红、绿装分别代表女性的不同身份。
其中，着红装的女人表示我已结婚，而着绿装的女人则是未婚者。
后来，英国伦敦议会大厦前经常发生马车轧人的事故，于是人们受到红绿装启发，1868年12月10日，信号灯家族的第一个成员就在伦敦议会大厦的广场上诞生了，由当时英国机械师德·哈特设计、制造的灯柱高7米，身上挂着一盏红、绿两色的提灯--煤气交通信号灯，这是城市街道的第一盏信号灯。
在灯的脚下，一名手持长杆的警察随心所欲地牵动皮带转换提灯的颜色。
后来在信号灯的中心装上煤气灯罩，它的前面有两块红、绿玻璃交替遮挡。
不幸的是只面世23天的煤气灯突然爆炸自灭，使一位正在值勤的警察也因此断送了性命。
从此，城市的交通信号灯被取缔了。
直到1914年，在美国的克利夫兰市才率先恢复了红绿灯，不过，这时已是“电气信号灯”。
稍后又在纽约和芝加哥等城市，相继重新出现了交通信号灯。
随着各种交通工具的发展和交通指挥的需要，第一盏名副其实的三色灯（红、黄、绿三种标志）于1918年诞生。
它是三色圆形四面投影器，被安装在纽约市五号街的一座高塔上，由于它的诞生，使城市交通大为改善。
黄色信号灯的发明者是我国的胡汝鼎，他怀着“科学救国”的抱负到美国深造，在大发明家爱迪生为董事长的美国通用电器公司任职员。
一天，他站在繁华的十字路口等待绿灯信号，当他看到红灯而正要过去时，一辆转弯的汽车呼地一声擦身而过，吓了他一身冷汗。
回到宿舍，他反复琢磨，终于想到在红、绿灯中间再加上一个黄色信号灯，提醒人们注意危险。
他的建议立即得到有关方面的肯定。
于是红、黄、绿三色信号灯即以一个完整的指挥信号家族，遍及全世界陆、海、空交通领域了。
中国最早的马路红绿灯，是于1928年出现在上海的英租界。
从最早的手牵皮带到20世纪50年代的电气控制，从采用计算机控制到现代化的电子定时监控，交通信号灯在科学化、自动化上不断地更新、发展和完善。
交通指挥灯是非裔美国人加莱特在1923年发明的。
此前，铁路交通已经使用自动转换的灯光信号有一段时间了。
但是由于火车是按固定的时刻表以单列方式运行的，而且火车要停下来不是很容易，因此铁路上使用的信号只有一种命令，通行。
公路交通的红绿灯则不一样，它的职责在很大程度上是要告诉汽车司机把车辆停下来。
开车的人谁也不愿意看到停车信号。
美国夏威夷大学心理学家詹姆斯指出，人有一种将刹车和油门与自尊相互联系的倾向。
他说：
驾车者看到黄灯亮时，心里便暗暗作好加速的准备。
如果此时红灯亮了，马上就会产生一种失望的感觉。
他把交叉路口称作“心理动力区”。
如果他的理论成立的话，这个区域在佛罗伊德心理学理论中应该是属于超我（superego）而非本能（id）的范畴。
新式的红绿灯能将闯红灯的人拍照下来。
犯事的司机不久就会收到罚款单。
有的红绿灯还具备监测车辆行驶速度的功能。
最早的交通灯出现于一八六八年英国伦敦。
那时的交通灯只有红、绿两色，经改良后，再增加一盏黄色的灯，红灯表示停止，黄灯表示准备，绿灯则表示通行。
其实,用这三色来作交通讯号和人的视觉机能结构和心理反应有关。
我们的视网膜含有杆状和三种锥状感光细胞，。
杆状细胞对黄色的光特别敏感，三种锥状细胞则分别对红光、绿光及蓝光最敏感。
由于这种视觉结构，人最容易分辨红色与绿色。
虽然黄色与蓝色也容易分辨，但因为眼球，对蓝光敏感的感光细胞较少，所以分辨颜色，还是以红、绿色为佳。
所以，交通灯用什么颜色也是有大学问的呀！
颜色也有活动（activity）的含意，要表达热或剧烈的话，最强是红色，其次是黄色。
绿色则有较冷及平静的含意。
因此，人们常以红色代表危险，黄色代表警觉，绿色代表安全。
而且，由于红光的穿透力最强，其他颜色的光很容易被散射，在雾天里就不容易看见，而红光最不容易被散射，即使空气能见度比较低，也容易被看见，不会发生事故。
所以我们用红色表示禁止。
1.3本课题的研究目的和意义
为了使交通灯的控制更加灵活，适合各种突发情况，实现最佳的交通控制（即在有重要车辆时，改变信号灯的控制，以有利益重要车辆的快速通过），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。
路口的无紧急情况时，以时间为依据控制信号灯，使其按照正常顺序运行，而当有紧急情况时则按照紧急处理规则改变信号灯的状态变换。
所以，路口交通灯的控制规律是以是否有紧急情况而发生改变。
使信号灯能按预设的规律在不同情况下按要求有不同的配置输出，这就是交通灯信号控制器的基于DSP的设计与实现。
DSP是电子信息科学与技术专业的一门重要的专业课，该课程不但有较高的理论基础要求，而且实践性很强。
通过课程设计一方面可巩固已学过的理论知识，更重要的是给了我一次独立设计的实践机会，培养了我设计能力和实际工作能力，提高了我的动手能力。
本次毕业设计将是对我四年来学习的一次综合测试。
通过这次设计实践工作，会使我学到许许多多书本上没有的东西，让我养成严谨、活泼的工作作风。
这将是对所学知识进行的一次实践，使专业知识得到巩固和加深。
1.4论文研究内容
本文介绍了一个智能交通灯控制系统的设计。
该智能交通灯控制系统可以实现的功能主要有：
对某市区的主要交通路口进行控制；使各路口有固定的工作周期，并且在道路拥挤时中控中心能够改变交通灯的变换周期。
其详细功能是在路口的无紧急情况时，以时间为依据控制信号灯，使其按照正常顺序运行，而当有紧急情况时则按照紧急处理规则改变信号灯的状态变换。
所以，路口交通灯的控制规律是以是否有紧急情况而发生改变。
使信号灯能按预设的规律在不同情况下按要求有不同的配置输出，这就是交通灯信号控制器的基于DSP的设计与实现。
该设计以DSPTMS320VC5509为路口控制核心，配合CPLD实现对外部器件的控制。
研究对象为单个路口控制，与PC机之间的的通信采用MAX232进行转换。
作为整个交通网络最小研究单元的单个交叉路口，对于单个路口的控制方法的研究是整个交通灯控制网路的研究基础，所以本设计对于整个交通控制网络有着非常重要的意义。
第2章DSP芯片选择
2.1DSP的含义及其用途
自从20世纪80年代初期第一片数字信号处理器（DigitalSignalProcessor）问世以来，DSP就以数字器件特有的稳定性、可重复性、可大规模集成，尤其是可编程性和易于实现自适应处理的特点，给数字信号处理的发展带来巨大的机遇，使得信号处理手段更加灵活，功能更加强大。
近年来，DSP作为一种新型的微处理器在各种消费类、通信、医疗和工业产品中得到了非常广泛的应用。
DSP处理器是一类针对数字信号处理领域进行了优化的微处理器。
和普通的微处理器相比，它们具有特殊的硬件结构特别适合各类数字信号处理算法的实现，从而使得产品易于实现和维护。
用DSP开发的产品其成本和风险也比定制的IC产品相对要低，特别是对于批量比较少的产品，如果用定制IC来实现开发成本将难以忍受。
同时与其它类型的微处理器相比，DSP的指令执行周期速度快，DSP在速度、成本、功耗方面具有不可取代的优势。
DSP有两种解释：
其一是DigitalSignalProcessing的缩写，即数字信号处理；其二是DigitalSignalProcessor即数字信号处理器的意思。
前者数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数字的形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。
后者数字信号处理器是用来完成数字信号处理要求的具有特殊结构的一种微处理器，即我们经常所说的DSP器件。
数字信号处理的一个重要技术领域是实时数字信号处理。
实时信号处理是指系统必须在有限的时间内随外部输入信号完成指定的处理功能，即信号处理速度应当大于信号更新（传输）速度。
一个典型的实时信号处理系统如图2-1所示。
输入信号可能是人的语音信号、传真机信号或在数字链路中传输的视频图像信号。
输入信号在进行A／D采样时，根据奈奎斯特采样定理，采样频率至少是输入带限信号最高频率的2倍，在实际应用中一般为4倍以上。
数字信号处理一般是用DSP芯片及其内部运行的实时处理软件对A／D转换后的数字信号进行特定的处理。
最后，经过处理后的信号经过D／A转换、内插和平滑滤波得到连续的模拟信号。
应当指出，并非所有的DSP系统都具有图2-1模型中的部件。
例如CD和MP3播放器的输入信号本身就是数字信号。
图2-1典型实时数字信号处理系统原理图
2.2DSP的基本硬件结构特点
世界上有许多生产DSP的厂家，如TI公司的一系列TMS320C54X、TMS320C6000和TMS320C55X，以及Motoroal公司的DSP56200等。
各厂家生产的芯片的具体功能有所不同，但是一般而言DSP作为数字信号处理领域的专用微处理器，DSP芯片有一些共同的硬件结构，下面详细介绍DSP的通用硬件结构。
2.2.1存储器和总线结构
DSP处理器有着更高的存储器带宽。
20世纪80年代早期，通用微处理器通常都只有一条总线连到存储器，每个时钟周期只能访问一次存储器，即所谓的冯诺伊曼结构。
为解决对存储器带宽的需求问题，DSP处理器发展了新的存储器和总线结构，即哈佛结构。
哈佛结构允许在单周期可以进行多次存储器访问。
哈佛结构最通常的方法就是使用多个存储器，每个存储器都有自己的总线，不同的是存储器在一个周期内可以同时读写。
通常指令存在一个存储器中，数据存在另一个存储器中。
这样的安排使得处理器可以同时获取指令和数据。
即采用多总线结构，它在片内至少有四套总线：
程序地址总线、程序数据总线、数据的地址总线和数据的数据总线[2]。
这种分离的程序和数据总线，可允许同时获得来自程序存储器的指令字和来自数据存储器的操作数而互不干扰，这样使得其可以同时对数据和程序进行寻址。
图2-2给出了两种不同的结构。
图2-2两种存储结构
在改进的哈佛结构的基础上，大多数DSP芯片采用流水线技术，即每条指令的执行划分为取指、译码、取数、执行等步骤[2]，由片内多个功能单元分别完成。
则相当于多条指令并行执行，从而大大提高了运算速度。
2.2.2寻址方式
和传统的微处理器相比，DSP提供了更多的寻址方式，以适应DSP的特定处理要求，更多的寻址方式使DSP应用方便灵活。
以TI公司的C54X系列DSP为例，在它的间接寻址方式中，除了通常所使用的增量、减量和变址寻址功能。
还增加了位码倒序寻址、循环寻址等功能。
在FFT算法中，经常要用到位码倒序寻址。
在传统的微处理器上，必须通过软件编程的方法来实现，消耗大量的存储空间和CPU周期。
而在C54XDSP上，利用如下两条指令就可以向外设口（PA）输出整序后的FFT变换结果了：
RPT#15
PORTW*AR2十OB，PA；AR2中存放的是数据存储器中数据存放的基地址，
；ARO中存放的则是FFT长度的一半。
DSP算法中的存储器访问模式往往是可以预知的。
例如，对FIR滤波器中的每次采样，滤波系数的访问是从头到尾连续的，然后当处理下一次采样的时候，再从系数矢量的开始进行访问。
DSP处理器的地址生成单元利用这种访问模式的可预知性，可以支持特殊的寻址模式，使得在处理一些算法时，处理器能够有效的访问数据。
C54XDSP处理器支持“循环寻址”，这种寻址模式允许处理器访问一块连续存放的数据，然后再自动回到块的开始，这正是FIR滤波中访问系数的模式。
循环寻址对于FIFO缓冲的实现也是非常有用的。
2.3DSP系统的设计流程
使用DSP进行系统设计的一般流程如图2-3所示，包括硬件设计流程和软件开发步骤。
其设计步骤为：
1．算法模拟阶段，即根据应用系统目标确定系统性能指标。
首先应根据系统要求进行算法仿真和高级语言模拟实现。
为了得到最佳系统性能，在这一步骤应当确定最佳处理方法。
例如，为实现针对移动通信的视频显示，需要在给定的实现目标上作算法选择、模拟和实现。
最终找到既能满足设计需要，运算量又尽可能少的实现算法。
2．选择DSP芯片。
根据算法要求（运算速度、运算精度要求、存储器要求等）选择DSP芯片，设计实时DSP系统。
此阶段包括硬件设计和软件设计两个方面。
硬件设计主要根据系统要求设计DSP芯片外围电路和其他电路（如转换、控制、存储、输出等电路）[4]。
软件设计主要根据系统要求和所选的DSP芯片编写相应的DSP汇编软件。
如果系统运算量不大，可以采用高级语言C和汇编语言混合编程。
3．硬件和软件调试阶段。
硬件调试一般采用硬件仿真器进行。
软件调试一般借助DSP开发上具有如软件模拟器、DSP开发系统或仿真器等进行。
通过比较在DSP所执行的实时程序和模拟程序执行情况来判断软件设计是否正确。
4．集成和系统测试阶段。
调试阶段完成后，实时程序被固化在EPROM或者Flash里面。
2.4DSP芯片的选择标准
设计DSP应用系统，选择DSP芯片是非常重要的一个环节。
只有选定了DSP芯片，才能进一步设计其外围电路及系统的其他电路。
总的来说，DSP芯片的选择应根据实际的应用系统需要而确定。
不同的DSP应用系统由于应用场合和目的等不尽相同，对DSP芯片的选择也是不同的。
一般来说，选择DSP芯片时应考虑到如下诸多因素：
1．运算速度。
当算法确定后其运算量和限定地完成时间就确定了。
由此估算出所需DSP运算速度地下限。
DSP的运算速度可以用下面几种指标来衡量：
指令周期：
即执行一条指令所需要的时间，以纳秒为单位。
如果DSP芯片平
均在一个时钟周期内可以完成一条指令，则其指令周期等于DSP主频的倒数。
图2-3DSP系统设计流程
MAC时间[2]：
即执行一次乘法累加运算的时间。
大多数DSP芯片可以在一个指令周期内完成一次MAC运算。
FFT执行时间：
即运行一个N点FFT程序所需时间。
FFT是典型的数字信号处理算法，它可以作为综合衡量DSP运算能力的一个指标。
MIPS／MFLOPS：
其含义是每秒百万条指令和每秒百万条浮点操作。
则两个参数分别对应于定点DSP和浮点DSP芯片。
2．运算精度。
一般地浮点DSP精度高于定点DSP，但耗电量和价格也比定点DSP贵。
一般定点DSP芯片的字长为l6位或24位，浮点字长位32位。
累加器都为40位。
虽然适当的算法可以提高、保证运算精度，但要相应增加程序复杂度和运算量。
所以运算精度要求是个折中问题，需要在算法确定阶段予以认真考虑。
3．片内硬件资源。
通过对算法程序和应用目标的仔细分析可以大致判定对DSP芯片片内资源的要求。
几个重要的考虑因素为：
片内RAM和ROM、外部存储器扩展空间、总线接口、DMA通道、定时器、中断、串口，主机通信，通用端口和JTAG口等。
用户需要参考厂家推荐DSP芯片典型应用来考虑此项要求。
4．芯片价格。
芯片价格是DSP应用产品民用化的重要决定因素。
一般成熟
稳定的比较适中。
在本图像处理系统中，需要用到处理速度非常快的DSP芯片。
在选择芯片时考虑到芯片的资源的可用性以及性价比，根据TI公司资料，一款中高档的数字信号处理器TMS320VC5509可以满足本课题的要求。
2.5本系统所用DSP介绍
2.5.1DSP芯片选择原因
该系统选用DSP设计方案。
方案确定后，选择DSP处理器的型号是非常重要的一个环节。
应从芯片的运算速度、片上资源、功耗、开发工具以及价格封装等方面来考虑。
因此本系统选择了TI公司的TMS320VC5509芯片，主要是基于以下几个方面考虑的[7]。
1．运算速度：
TMS320VC5509的指令速度可以达到200MIPS，完全可以实现实时处理的要求。
2．片上硬件资源：
TMS320VC5509片内RAM容量为128K×16位。
TMS320VC5509片上外设也很丰富，有一个看门狗定时器、2个20位的定时器、6通道直接存储器存取控制器（DMA）、外部存储器接口（EMIF）等，可以满足该系统数据传输的要求。
3．接口能力：
TMS320VC5509的McBSP[13]串行口具有灵活的接口能力，可以通过McBSP串行口与各种工业级串行设备实现无缝连接。
TMS320VC5509的接口能方便地进行外围电路的设计，当使用低速的片外存储器时，可以自动插入等待周期，以解决速度的匹配。
4．开发工具：
TI公司为用户提供了方便的开发系统，如集成开发环境CCS，它支持软件的仿真，用户可以在制作目标板之前，利用CCS开发系统进行算法仿真。
TI公司还为用户提供了硬件平台，有各种类型的硬件仿真器，可对系统进行实时软硬件调试和硬件仿真。
2.5.2TMS320VC5509介绍
TMS320VC5509是TI公司推出的定点数字信号处理器C55系列中的一种，TMS320VC5509通过增加累加MAC单元，增强了DSP的运算能力，而且性能更好，功耗更低，是目前TMS320家族中最省电的芯片。
该片上的资源有16Mbitflash、196k*16bitSRAM、2500gateCPLD模版上留有JTAG插口，用户可以通过仿真器和CCS下载程序进行试验;其低功耗设计，比上一代C54XX器件功耗低30%左右；处理速度更快，双核结构，处理速度400MIPS；软件程序兼容C54XXDSP;片内存储空间128*1
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