車輛檢測控制單元的ARM設(shè)計

由于交通需求的不斷增加，有越來越多的環(huán)形感應(yīng)線圈檢測器用于交通檢測。這些埋設(shè)在道路表面下的線圈可以檢測到車輛通過時的電磁變化進(jìn)而精確地算出交通流量。交通流量是交通統(tǒng)計和交通規(guī)劃的基本數(shù)據(jù)，通過這些檢測結(jié)果可以用來計算占用率（表征交通密度），在使用雙線圈模式時還可以提供速度、車輛行駛方向、車型分類等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對于交通管理和統(tǒng)計是極為重要的。通常高速公路車輛檢測系統(tǒng)由多通道環(huán)形檢測單元LD4和控制單元CCU組成，本文采用PHILIPS公司最新推出的arm7內(nèi)核微處理器LPC2114設(shè)計實現(xiàn)了車輛檢測系統(tǒng)控制單元部分，并且和5個LD4環(huán)形檢測器一起構(gòu)成10通道高速公路車輛檢測系統(tǒng)。
　　
　　LPC2114和電子硬盤連線示意圖
　　
　　主程序流程圖
　　總體方案設(shè)計
　　本文設(shè)計的控制板系統(tǒng)原理框圖如圖2所示，以LPC2114為核心控制單元，該芯片是一種支持實時仿真和跟蹤的16/32位基于arm7TDMI-S內(nèi)核的CPU。內(nèi)部集成了4路10位A/D轉(zhuǎn)換器，兩個32位定時器、一個實時時鐘和看門狗，多個串行接口，包括兩個工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的UART、高速和兩個SPI總線接口，外部多達(dá)46個與TTL電平兼容的通用I/O口，非常適用于作為主控單元。CPLD EPM7128作為微處理器的擴(kuò)展輸入/輸出，通過光電耦合和LD4標(biāo)準(zhǔn)定義總線相連，該標(biāo)準(zhǔn)定義的總線基于RS-485總線通信協(xié)議。LD4和控制板通過標(biāo)準(zhǔn)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，控制板每隔10秒掃描并發(fā)送一次請求數(shù)據(jù)的命令，相應(yīng)LD4通道返回請求數(shù)據(jù)或者無效信息，arm處理器對獲得的各通道數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的統(tǒng)計運(yùn)算處理。每隔用戶設(shè)定的間隔時間就將統(tǒng)計數(shù)據(jù)存儲于靜態(tài)RAM，供中心站定時獲取，同時，以分鐘為單位將統(tǒng)計的數(shù)據(jù)備份至Flash電子硬盤中。中心站可以通過請求備份數(shù)據(jù)命令獲取相應(yīng)時間段的數(shù)據(jù)，并存入數(shù)據(jù)庫。中心站和控制板采用RS-232串口方式通信，利用調(diào)制解調(diào)器實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。為了解決大容量存儲問題，系統(tǒng)使用了三星公司提供的K9F2808來作為電子硬盤，16MB的容量能夠存儲11天備份數(shù)據(jù)，并且該電子硬盤能夠靈活升級。
　　LPC2114與電子硬盤的接口實現(xiàn)
　　為了防止傳輸及中心站故障等問題而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，系統(tǒng)要求對一段時間內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，因此在系統(tǒng)設(shè)計的過程中需要考慮大容量存儲問題。
　　設(shè)定本系統(tǒng)每分鐘需要備份一次統(tǒng)計數(shù)據(jù)，根據(jù)環(huán)形檢測器LD4的數(shù)據(jù)格式，一次數(shù)據(jù)量為1026B，若采用靜態(tài)RAM作為存儲單元，需要多片大容量RAM級聯(lián)使用，價格昂貴，且存儲容量擴(kuò)展困難。若使用動態(tài)RAM作為存儲單元，缺點在于控制困難，需要動態(tài)RAM控制器輔助操作。Flash作為存儲器使用簡單，容量大，盡管使用壽命有限，考慮到系統(tǒng)每1分鐘存儲1026B，就16MB容量而言，11天左右寫滿一次，那么一個月擦寫約3次，以此計算，一年擦寫約36次，而Flash壽命一般為擦寫10萬余次，所以本系統(tǒng)完全可以采用Flash作為電子硬盤用在車輛檢測系統(tǒng)中。另外，F(xiàn)lash還具有掉電非易失特性，更適合應(yīng)用于本系統(tǒng)。
　　為了便于存儲容量的升級擴(kuò)展，本系統(tǒng)選用K9F2808作為存儲器。K9F2808為48腳表面封裝器件，芯片內(nèi)部有（16M+512K）×8 bit的存儲空間，可組成32768行，528列，其中后備的16列的列地址編碼為513~527，可進(jìn)行528字節(jié)為一頁的讀、寫和32頁為一塊的擦除操作。此外，K9F2808的特點還在于其命令、地址和數(shù)據(jù)信息均通過8條I/O總線傳輸，接口標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，易于存儲容量升級。
　　LPC2114和Flash電子硬盤之間的連線如示意圖，由于LPC2114沒有外部總線，所以對Flash操作只能采用I/O操作方式。K9F2808各種操作具有共同特點，即在I/O端口首先發(fā)送操作命令字到命令寄存器，其后的連續(xù)3個周期發(fā)送需要操作單元的地址，順序為：A0~A7，A9~A16，A17~A23，其中A8由命令字確定。
　　下面以頁編程操作為例，給出K9F2808的arm驅(qū)動程序（基于ADS1.2開發(fā)環(huán)境），而頁讀以及塊擦除等方法與頁編程類似，只是讀是由#RE信號來鎖存數(shù)據(jù)，而擦除時只須送兩個周期的地址。
　　row_add為頁號，需要左移9位得到行地址。erase_flash（）――擦除Flash函數(shù)
　　write_command（）――寫命令函數(shù)
　　write_address（）――寫地址函數(shù)
　　write_data（）――寫數(shù)據(jù)函數(shù)
　　read_data（）――讀數(shù)據(jù)函數(shù)
　　void flash_store（uint32 row_add， uint8 *buffer）
　　{ uint16 i；
　　uint32 statue，address；
　　//變量定義
　　IO0DIR |= 0x00ff0000；
　　//設(shè)定IO方向
　　if（（row_add== 0）||（（row_add%32）==0））
　　{address = row_add《9；
　　address 0x00fffe00；
　　erase_flash（address）；}
　　//擦除Flash
　　write_command（0x80）；
　　//寫命令80H
　　address = row_add《9；
　　address 0x00fffe00；
　　write_address（address）；
　　//寫地址
　　statue = IO0PIN；
　　//獲取狀態(tài)
　　while（（statue
　　{statue = IO0PIN；}
　　//忙，等待
　　for（i=0;i《528;i++）
　　//寫528字節(jié)
　　{write_data（*（buffer+i））；}
　　//寫入數(shù)據(jù)
　　write_command（0x10）；
　　//寫命令10H
　　statue = IO0PIN;
　　//獲取狀態(tài)
　　while（（statue&fr_b）==0）
　　{statue = IO0PIN;}
　　//忙，等待
　　write_command（0x70）；
　　//寫命令70H
　　statue = read_data（）；
　　//獲取狀態(tài)
　　if（statue&0x01）
　　{IO0SET |= errorled;}
　　//操作失敗
　　}
　　LPC2114串口通信實現(xiàn)
　　控制系統(tǒng)通過LPC2114的兩個UART實現(xiàn)和LD4以及中心站的數(shù)據(jù)交換，兩個UART具備觸發(fā)點可調(diào)的16B收發(fā)FIFO.其中，UART1比UART0增加了調(diào)制解調(diào)器接口。UART的基本操作方法和傳統(tǒng)51內(nèi)核單片機(jī)相似。
　　首先，設(shè)置I/O連接到UART;然后設(shè)置串口波特率（如U0DLM、U0DLL）；接著設(shè)置串口工作模式（如U0LCR、U0FCR）；這時就可以通過寄存器U0THR和U0RBR發(fā)送/接收數(shù)據(jù)了，發(fā)送/接收模塊的狀態(tài)信息可以通過U0LSR寄存器讀取。
　　系統(tǒng)通過RS-485總線和LD4板卡通信，采用MAX3485作為RS-485總線控制器和LPC2114的UART1通信。MAX3485是3.3V供電的半雙工收發(fā)芯片，將差分RS-485總線信號轉(zhuǎn)換成arm核能夠接受的串口信號。為了實現(xiàn)和PC機(jī)通信，系統(tǒng)采用3.3V工作電壓的MAX3232作為RS-232電平轉(zhuǎn)換芯片。
　　LPC2114設(shè)計注意事項
　　LPC2114在開發(fā)的過程中有一些需要特殊注意的問題，總結(jié)如下：
　?。?）當(dāng)用戶程序?qū)懭隖lash后不能運(yùn)行時，首先，需要考慮中斷向量表是否正確，中斷向量表累加和必須為0.其次，需要考慮向量表的定位，向量表是否已經(jīng)定位在0x00000000地址。然后，需要考慮MEMMAP寄存器的設(shè)置是否正確，否則中斷無法執(zhí)行。此外，還需要考慮ISP硬件條件是否滿足，LPC2114的P0.14腳在#RESET為低時，該引腳線上的低電平將強(qiáng)制芯片進(jìn)入ISP狀態(tài)，硬件設(shè)計時必須在該引腳加10KW上拉電阻，否則，該引腳不穩(wěn)定，對設(shè)備啟動將會有影響。
　　（2）LPC2114共有46個GPIO，這些I/O可以任意配置，但是個別引腳開漏輸出（P0.2、P0.3），需加上拉電阻。另外，F(xiàn)lash存儲器K9F2808狀態(tài)輸出引腳R/#B開漏輸出，需加10KW的上拉電阻。
　?。?）LPC2114芯片加密后，只能通過ISP對芯片全局擦除后才能恢復(fù)JTAG調(diào)試以及下載等功能。當(dāng)#RESET為低時，P1.26的低電平使P1.26~P1.31復(fù)位后作為調(diào)試端口，注意在P1.26引腳和地之間需接一個弱偏置電阻。
　　系統(tǒng)軟件設(shè)計思想及注意事項
　　車輛檢測系統(tǒng)arm軟件采用分層設(shè)計思想，整個軟件由驅(qū)動程序和應(yīng)用軟件兩部分構(gòu)成。驅(qū)動程序部分封裝了Flash操作、RS-485操作、實時時鐘（RTC）操作、RS-232操作和I/O等操作。應(yīng)用軟件分成基本函數(shù)庫和主程序。
　　在32位arm核應(yīng)用系統(tǒng)中，為了進(jìn)行系統(tǒng)初始化，往往采用一個匯編文件作為啟動代碼，來實現(xiàn)堆棧、中斷、系統(tǒng)變量、I/O初始化以及地址重映射等操作。開發(fā)平臺ADS的策略是不提供完整的啟動代碼，不足部分需要開發(fā)人員自己編寫。
　　系統(tǒng)設(shè)計的啟動代碼包含中斷向量表、堆棧初始化以及相應(yīng)的中斷服務(wù)程序與C語言的接口。對LPC2114而言，為了使向量表中所有數(shù)據(jù)32位累加和為0 ，向量表中設(shè)置保留向量值，將中斷向量表中的32個字節(jié)數(shù)累加，其中，保留向量值不用累加，然后取累加值的補(bǔ)碼，這個補(bǔ)碼的低32位就是保留向量的值。該保留向量值將被BOOT裝載程序用作有效的用戶程序關(guān)鍵字。當(dāng)向量表中所有數(shù)據(jù)累加和為0時，且ISP外部硬件條件不滿足時，BOOT裝載程序?qū)?zhí)行用戶程序。
　　結(jié)語
　　本文基于PHILIPS公司最新的arm7內(nèi)核微處理器LPC2114實現(xiàn)了高速公路車輛檢測系統(tǒng)的控制單元部分的設(shè)計。LPC2114使用簡單、開發(fā)容易、具有較高的性價比，非常適用于嵌入式系統(tǒng)中。目前本系統(tǒng)已經(jīng)推向市場，并取得了較好經(jīng)濟(jì)效益。
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