基于DSP的交通信号控制机的研究.docx
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基于DSP的交通信号控制机的研究
毕业论文
学生姓名
张磊
学号
170602041
学院
物理与电气工程学院
专业
电子信息科学与技术
题目
基于DSP的交通信号控制机的研究
指导教师
杨裕翠硕士
2010
年
5
月
摘要：
随着交通量的快速增长和缺乏对高速道路的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用。
而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路耦合处交通状况的制约。
所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，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。
通过我所学的有关DSP的知识设计了一套交通灯控制电路的方案。
交通灯的控制系统主要由S12核心板、LED数码管、LED发光二极管组成。
关键词：
数字信号处理，交通信号控制机，液晶屏，FPGA，相位
Abstract:
Howusestheappropriatecontrolmethod,maximumlimitusesthegoodconsumptionlargeamountofmoneyconstructionthecityspeed-way,alleviatesbranchwithRamp,thecitysupportswiththeperipherallocalitytransportationstopsupthecondition,moreandmorebecomesthemainquestionwhichthetransportationmanagementandtheurbanplanningdepartmenturgentlyawaitstobesolved.IhavelearnedthroughtheknowledgeoftheDSPdesignasetoftrafficlightscontrolcircuitoftheprogramme.TrafficlightcontrolsystemmainlybytheS12coreboard,LEDdigitalcontrol,LEDlight-emittingdiodecomponents.
Keywords:
DSP，Trafficsignalcontroller，LCDScreen，FPGA，Phase
目录
1前言........................................................................................................................4
1.1研究目的............................................................................................................4
1.2研究方法...........................................................................................................4
1.3研究内容...........................................................................................................4
2系统总体设计........................................................................................................4
2.1信号机相关内容................................................................................................5
2.2基本方案库设定................................................................................................7
2.3信号机的基本设置要求....................................................................................8
2.4信号机总体实现..............................................................................................11
3固件设计..............................................................................................................15
3.1相位控制..........................................................................................................15
3.2时钟读取..........................................................................................................17
3.3串口编程..........................................................................................................18
3.4按键和液晶屏汉字显示..................................................................................19
4信号机的U盘配时..............................................................................................26
5总结和展望..........................................................................................................30
结论.........................................................................................................................32
参考文献.................................................................................................................33
致谢.........................................................................................................................34
1前言
交通信号控制机简称信号机，对减轻交警工作强度和维护交通的安全畅通起着举足轻重的作用。
1.1研究目的
随着汽车交通运输的发展，交通拥挤、道路阻塞和交通事故频繁发生正越来越严重地困扰着世界各大城市。
汽车工业发展引发的道路交通不能满足需求的种种交通问题越来越突出。
与此同时，除了修建必要的道路网以外，针对交通事故多发道路，紧迫需要建设一系列的交通安全设施，如信号机、道路标识、交通指挥中心等，以改善道路的交通环境，提高交通的顺畅性，缓解交通拥挤状况。
信号机在这里起了非常重要的作用。
从我国目前交通状况来看，中小型路口占大多数，它们大都处于简单的信号机控制，相位控制过程比较单一，不能有效地利用路口资源。
另外，不易实现联网控制，不能监控，可维护性差。
淮安很多路口都处于这种状态，所以有必要对现有的单一控制的信号机进行改造，使信号机要有更强的适应性，能提供更多、更复杂的控制方案，以适应各种复杂的路口，适应现代化交通要求。
1.2研究方法
为了使交通灯的控制更加灵活，适合各种复杂的路口，实现最佳的交通流量控制（即在等时间内放行最多的车辆），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。
路口的繁忙情与时间是密切相关的，周一到周五工作，而周六、周日休息，平时与周末的车流量是不同的，即使是同一天，早、中、晚车流量都是不同的。
所以，路口交通灯的控制规律应该随时段的不同而改变。
使信号灯能按预设的参数在不同的时期、不同的时段按要求有不同的配置输出，这就是定时、多时段控制，是信号机的基本控制方式。
同时，为了使信号机由单一方案、单一路口控制转变成多方案、多路口控制，信号机应该在保证交通正常运行情况下，能够灵活配置和设定各种配时方案及配时库等信息，应采用较好的处理器，这里选用DSP为核心处理器
（1），由它实现上面的要求。
1.3研究内容
本项目主要把SMXHJ2000,SMXHJ-3等先进信号机的基本要求进行整理，以方案库方式设定相位输出，实现定时、多时段控制，实现以时间为依据，灵活配时的48路交通信号控制机，使它能够适应各种复杂的路口。
2系统总体设计
从结构上讲，信号机包括上位机设计和下位机设计两部分。
上位机设计主要为用户提供一个良好的人机交互界面，把各种配时信息通过串口下载到下位机的非易失存储器中，以便下位机按配时信息及当前时间确定路口状态，另外，上位机也提供系统一些控制信息的设定，如复位信号机、输出灯组有效及灯组顺序设定等;下位机设计主要完成整个信号机的各路信号灯输出状态的控制，保证路口按预先设定的配时方案运转。
为使信号机可脱离上位机单独运行，下位机提供键盘和液晶屏作为人机接口设备，方便现场信息的设定和修改。
2.1信号机相关内容
2.1.1交通灯的运行实例
图2-1淮安市长江西路交通灯情况
首先以一个路口为例简单介绍交通信号控制机的运行情况。
图2-1是淮安市主要路口之一的长江西路与淮海南路路口交通灯分布情况，它的运行状态如表2-1，由于东西和南北分别是对称的，所以这里只给出西路口和北路口情况，从表中可以看出这个路口有二种运行状态，南北直行、左转和东西直行。
为了描述方便，把这种状态（各信号灯输出不变，车辆按某一方位通行）称为一个相位，可以看出，这个路口是一个二相位运行机制。
把相位之间的过渡，如黄、黄闪和绿闪等称为清道过程，相应把黄闪、绿闪时间等称为清道参数。
表格2-1交通灯运行状态
阶段
西路口
北路口
倒计时
运行相位
相位1
红，红
红，绿，绿
绿66秒
清道1
红，红
红，黄，黄
黄2秒
过渡
相位2
红，红
绿，红，红
绿15秒
清道2
红，红
黄，红，红
黄2秒
过渡
相位3
绿，绿
红，红，红
红40秒
清道3
黄，灭
红，红，红
红4秒
过渡
2.1.2术语和定义
道路交通信号控制机（简称信号机）：
能够改变道路交通信号顺序、调节配时并能控制道路交通信号灯运行的装置。
信号相位：
在一个信号周期内，同时获得通行权的一个或多个交通流的信号显示状态。
全红状态：
所有信号相位灯色均显示为红色的信号状态。
黄闪控制：
黄灯信号以固定频率闪烁的控制方式。
多时段定时控制：
根据交通流量变化情况，把一天的时间分成若干个控制时段，随时间的推移，按预置的方案自动运行。
上面介绍的术语是从《道路交通信号控制机》中抽取出来的，对于本论文所描述的信号机是一个多时段定时控制的信号机，路口配时信息的来源，依靠在路口按时间进行观察，对车流量进行统计获得，路口原始数据对信号机的设置有很高的参考价值。
2.2基本方案库设定
从前面的叙述可以看出，对于路口交通灯的运行可以分解成不同的相位组成，也就是说由不同的路口车量放行总体方位组成。
比如上例该路口交通灯的运行有3个相位组成。
对于相位之间是由清道组成的，所以决定交通灯运行状态的基本单元应是相位方案和清道方案。
为了使系统具有更加灵活的设置，这里把它们做成库的形式，设置时只需要选择对应的方案库序号。
2.2.1相位方案
设定路口车辆总体放行的方位及时间，例如:
东西向通行，南北向停止，持续10秒。
因为绿灯决定放行方位，所以这里相位均以绿灯为主，相位持续时间是指绿灯持续亮的时间，包括绿闪时间，即相位延时=绿灯持续亮时间+绿闪时间。
2.2.2清道方案
设定路口相位间的灯输出状况，如黄闪、绿闪、闪灯频率等等。
为了能实现信号机的多种控制方式，比如夜间黄闪、四面全红等状态，清道方案提供了多种设置参数。
本信号机中包括：
绿闪：
绿灯闪动，表明绿行相位马上就要结束。
黄/黄闪：
清道时间，此时机动车辆不应再越过人行横道，在路口中间的人或车辆应尽快到达对面，这也表明另一个方向的车辆即将被放行。
全红：
全红主要是路口的一种的保护状态，用于处理一些特殊的情况。
另外也用作清道。
灭零：
这是指交通灯全部熄灭，类似于LED数码管全灭状态。
灭零方便信号机的特殊方式设置，比如夜间全灭状态、人行灯过渡状态等。
红闪：
红灯闪动，表明绿行相位马上就要开始。
红黄：
在有些路口中，也用红黄作为清道指示，作用同黄灯。
人行灯提前量：
主要针对人行信号灯的绿灯，在同向放行的机动车信号灯仍是绿灯时（即将结束），提前绿闪转变为红人行灯显示，提前量时间的设定，尽可能地保证人能在另一方向开通时，都提早到达对面。
闪动频率:
红、绿、黄灯每秒钟闪动的次数。
清道灯序按下列方式:
绿行相位结束--->绿闪--->黄/黄闪---->全红---->火零
红行相位结束--->红闪--->红黄---->全红---->火零
2.2.3方案库
通过对清道方案的设置，可以得到信号机各种运行效果。
一般来讲，路口有8个相位（即放行状态）已经足够满足要求了。
每个相位放行的方位及放行的时间不同均会产生不同的效果。
为了使信号机的设置更加灵活，这里把常用的相位方案及清道方案形成库，需要的时候直接从库中调入，或者库中没有时，也可添加库，把新的方案填写进去，库的引入极大方便了信号机的灵活配置。
系统相位方案库可提供5种相位方案，清道方案库可提供51种清道方案。
2.3信号机的基本设置要求
2.3.1信号机基本功能设置
1时间设置
2日期设置
3操作密码设置：
防止闲杂人员误操作信号机（出厂为默认值XXXX,可修改）
4激活灯态设置：
开机后信号机立即执行的灯色状态（状态:
A,黄闪B,全红，时间范围:
5~20秒）
5绿灯结束：
绿灯结束时的灯态（A、常态B,绿闪）
6红黄过渡：
由红灯变为绿灯时的灯态（A、常态B、红黄同亮）
7常态：
红灯直接转变为绿灯
8红黄同亮：
红灯转为绿灯时，中间有红黄同亮过渡
9红灯结束：
红灯结束时的灯态（A、常态B、红闪）
10信号机自动与手动切换
2.3.2灯组设置（01-16灯组）
灯组定义：
每组红黄绿为单独一个灯组。
灯组01：
（A、有输出B、无输出c、有黄灯输出D、无黄灯输出E、有提前量F、无提前量）
注：
提前量-----主要针对人行信号灯的绿灯，设定为0-10秒在过渡时间设置中可调。
……
灯组16：
同上述灯组。
A，B为一组选择项。
C，D为一组选择项。
E，F为一组选择项。
注:
从A,B到E,F逐级优先。
可反复修改灯组号，进行灯组的A，B，C，D，E，F项的设定。
每设置完一个灯组后，均通过保存按扭进行数据保存。
2.3.3阶段设置
设置每个灯组的绿灯显示。
可分为1-8个阶段，并按1-8的顺序执行。
可反复修改阶段号，进行下述灯组A,B可选项的定义。
每设置完一个阶段后，均通过保存按扭进行数据保存。
灯组01：
（A:
绿灯。
B:
红灯）
灯组16：
（A:
绿灯。
B:
红灯）
2.3.4方案设置
此项用于设置每天信号机所执行的运行方案，其中可填写方案编号（01-30）；设置此方案所执行的阶段号（1-8）；以及所执行的时间（0~255秒）。
（上限可设置30套方案，并可按时间段执行，设置固定方案：
31黄闪，32关闭所有信号灯输出）。
方案编号：
O1（可任意填写，超出30的进行错误提示）
执行阶段号：
1（可任意填写，超出8的进行错误提示）
执行此阶段的时间：
0~255（可任意填写，超出255的进行提示）
输入完成后按保存按扭。
执行阶段号：
2
执行此阶段的时间：
0~255（可任意填写）
输入完成后按保存按扭。
填写阶段号时按现场实际使用的顺序进行填写并设定若需要的阶段数已经满足现场使用，则在执行阶段号处填写0，以达到周期循环的目的，其流程如图2-2，可通过反复修改执行阶段号的值，来设置当前方案的放行方式和放行时间。
最后按保存按扭进行数据保存。
4
3
2
1
图2-2填写阶段号流程
2.3.5时段设置
根据全天路口的放行经验配置的时间区间，定义在此时段需要执行的方案号，如表2-2所示。
表2-2时段配置
时段编号
起始
终止
执行方案号
说明
01
00:
00
00:
00
01
设定的第一套方案
02
00:
00
00:
00
02
设定的第二套方案
03
00:
00
00:
00
31
黄灯闪烁方案
..........
16
00:
00
00:
00
32
关闭信号灯方案
注：
信号机时段从01~16按序执行。
若下级时段的开始时间为00:
00，则循环至01时段开始执行。
每一个时段的终止时间均为下一时段的起始时间，其中第O1时段的起始时间默认为00:
00。
2.3.6过渡时间设置
激活灯态时间：
0—20秒可调;（开机灯态所保持的时间，若为0秒，则信号机开机即为正常放行阶段灯态，起始阶段为第一阶段）。
全红时间：
0—10秒可调；绿灯转换为黄灯至红灯时，其它信号灯所保持红灯的时间，若为0秒，则同时转换。
黄灯过渡时间：
0—10秒可调；（绿灯转换为红灯时，中间黄灯的点亮保持时间）。
红灯闪烁时间：
0—10秒可调；（红灯结束时所执行的闪烁时间，若红灯结束项定义为常态时或此项定义为0秒时，不执行此项）。
红黄过渡时间：
0—10秒可调；（红灯结束时所执行的红、黄同亮的时间，若红黄过渡定义为常态或此项定义为0秒时，不执行此项）。
红闪频率：
1-3次；（执行红灯闪烁的闪灯频率，1-3次/秒可调）。
黄闪频率：
1-3次；（执行黄灯闪烁的闪灯频率，1-3次/秒可调）。
绿闪频率：
1-3次；（执行绿灯闪烁的闪灯频率，1-3次/秒可调）。
2.4信号机总体实现
信号机最基本的功能是使交通灯按预定的要求输出，为简化设计，把信号机的基本要求进行整理，以方案库方式设定相位输出，最终实现定时、多时段控制。
信号机工作时，应根据当前时段信息，由所设定的方案号从库中找出对应的相位方案和清道方案，最终决定当前灯态输出。
从功能上讲，上位机和下位机都应完成信号机基本的设定要求。
主要包括：
方案库管理：
包括方案库（相位方案和清道方案）的添加、修改和删除等操作。
配时设置：
包括节假日、法定假日和周时方案设置，每天的时段方案设置等。
系统设置：
包括开机设置、时间设定、输出灯组设置、手动设置等整机相关的设置。
当前状态：
包括当前信号机运行的相位方案号、清道方案号、运行的相位号等信号机当前运行的状态信息，通过它们可以考察信号机运行的正确性，对排除系统错误也有一定的帮助。
2.4.1上位机实现
上位机软件主要是为用户提供一个读取、修改信号机各种设置的界面。
系统的各种配时设置形成一个文件，方便信号机配时信息的设置和修改。
软件启动后，自动打开上一次存储的文件，界面显示文件中的配时方案设置，通过菜单可以切换到其它设置。
各种设置均通过串口下载到下位机。
上位机实时读取并显示下位机的时间。
用户可根据显示的时间决定是否给下位机实时时钟校时。
上位机将设置的参数通过串口下载到下位机，下位机收到数据处理后并不马上运行新的设置，而是通知上位机设置是否成功，下位机运行新设置时会通知上位机设置生效，上位机将接收到的各种回复以对话框的形式通知用户。
2.4.2下位机实现
2.4.2.1硬件实现
信号机的硬件结构主要包括核心处理器DSP、实时时钟D512887、可编程逻辑器件FPGA、液晶屏显示及键盘、串行通讯接口MAX3232和灯驱动电路。
图2-3为硬件结构框图。
1核心处理器DSP：
本系统以TMS320LF2407作为核心处理器，它负责控制、管理整个信号机的运行，根据从DS12887读回的当前时间及时段设置方案确定当前的相位方案和清道方案，从而控制路口的交通灯按照配时要求指示路口的放行状况。
DS12887
MAX3232
PC
FPGA
（EP1K30QC208）
DSP
（TMS320LF2407）
灯驱动电路
存储器
液晶屏显示
及键盘电路
图2-3硬件结构框图
2实时时钟DS12887：
时钟芯片DS12887内置晶振和电池，无掉电停走问题，可准确提供时间。
由于DSP端口操作时，地址线和数据线的独立性，使其不能直接访问DS12887，这里采用FPGA进行时序转换，以INTEL总线时序提供访问接口。
3FPGA：
现场可编程门阵列FPGA（FieldProgrammableGateArray）是基于SRAM（或EPROM）实时编程技术、通过利用SRAM构成查找表（LookUpTable简写为LUT）来实现数字逻辑功能的大规模集成可编程逻辑器件。
主要负责各种时序转换和片选译码。
时序转换包括：
①DS12887的时序转换。
②灯驱动电路SPI总线接口的生成。
③非易失存储器AT28BV64读写时序的产生。
片选译码主要为程序存储器、外部静态RAM、非易失存储器、实时时钟和灯驱动电路等提供片选地址。
4串行通讯接口：
信号机的各种参数可由PC机设定，并通过串口下载到DSP中。
由于DSP的逻辑电平为3.3v,所以采用MAX3232作为电平转换芯片，把RS232电平转换成3.3v逻辑电平。
为了实现较远距离的通讯，系统同时提供了RS485接口。
5液晶屏显示及键盘电路：
为了在无PC机的情况下，仍能实现信号机的现场配时，前端信号机提供了键盘和液晶屏显示电路作为人机接口。
由于信号机的配时信息量较大，所以采用240X128点阵的液晶屏，由DSP以IO端口方式进行访问；键盘电路采用普通的25键触摸键盘，DSP以扫描方式进行键值读取。
6非易失存储器：
为使用户所设定的配时信息掉电后不丢失，这里采用非易失存储器AT28BV64存储信号机的各种参数。
由于DSP的速度较快，所以存储器的读写时序由FPGA配合DSP完成。
7灯驱
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