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(jìn)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(dāng)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(jìn)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(jìn)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(dá)50MHz的32位微處理器LM3S6965的硬件平

2、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(jìn)行獨立設(shè)計。利用LM3S6965內(nèi)置通用異步收發(fā)器(UART)模塊配合RS232收發(fā)電路,實現(xiàn)RS

3、232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(jī)、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)的復(fù)雜程度和可靠性、穩(wěn)定性、精度等指標(biāo)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

4、于ARMCortex-M3內(nèi)核的芯片作為主控制器。4.2.1、 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),Cortex-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(jìn)行了大量的改進(jìn),它與Thumb相比,具

5、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 CortexTM-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)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

6、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)。4.2.2 LM3S6965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)、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

7、。內(nèi)部振蕩器頻率是12MHz30%,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30KHz30%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(zhǔn),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(dá)一個可使用的級別,則啟動

8、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(dāng)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(biāo)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,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(biāo)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/地管腳描述管腳描述VDDGND數(shù)字電源和地。為IO口提供3.3V數(shù)字供電電

9、壓和0V數(shù)字地VDDAGNDA模擬屯源和地。它們應(yīng)當(dāng)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(dāng)與LM3S6965的數(shù)字電源隔離。VDD25內(nèi)核電源電壓LDO低壓差穩(wěn)壓器輸出電壓。它可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)VCCPHYGNDPHY以太網(wǎng)PHY電壓和低VBATRTC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(jī)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

10、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,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。

11、圖3-5LM1095R結(jié)構(gòu)框圖表3-2 LM1095R管腳描述管腳描述Vout電壓調(diào)節(jié)輸出管腳V0液晶參考電壓管腳VDD數(shù)字電壓5V管腳VSS數(shù)字電源地/CS片選信號管腳，低電平時，使能數(shù)據(jù)傳輸總線RS寄存器選擇管腳/WR寫入使能管腳、低電平有效/RD讀出使能管腳、低電平有效DB0DB7數(shù)據(jù)傳輸總線/RST復(fù)位管腳VBLA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(jìn)入菜單KEY2 (UP

12、鍵)向上移動光標(biāo)KEY3 (RIGHT鍵)向右移動光標(biāo)KEY4 (DO鍵)確認(rèn)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(biāo)準(zhǔn),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

13、一個自適應(yīng)均衡器和一個校準(zhǔn)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(dāng)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(zhǔn)確的實時時鐘。DS1302是DALLAS公司推出的一款高性能、低

14、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(jìn)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(jìn)行涓細(xì)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(jī)之間能簡單地采用同步串行的方式進(jìn)行通信,僅需用到3根信號線:(1) RES (復(fù)位/片選線),(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

15、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。目前在嵌入式系統(tǒng)中已取得越來越廣泛的應(yīng)用。對SD卡進(jìn)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

16、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LM3S6965的硬件接口如圖3-11所示。3.3.6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(dāng)系統(tǒng)

17、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(dāng)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(jī)通過JTAG與主機(jī)的并口連接,先把程序下載到FLASH內(nèi),再進(jìn)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(biāo)簽和無線通信接收標(biāo)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

18、信號,使放置在車輛上的無線通信發(fā)送標(biāo)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(hù)功能。有兩個定時器提供必要的上電延時。一個是振蕩器起振定時器(OST),旨在確保芯片在晶振達(dá)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(biāo)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(dāng)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

19、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(zhǔn)的內(nèi)部振蕩器;(3)節(jié)能休眠模式、寬電壓工作范圍(2.0V5.5V)、工業(yè)級和擴(kuò)展級溫度范圍;(4)增強(qiáng)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(qiáng)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,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(fù)責(zé)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_A是信號中斷開關(guān)信號。當(dāng)PIC16F690向外發(fā)送125KHz的載波信號時,CS_OUTPUT_A信號置高。當(dāng)該次喚醒信號發(fā)送完畢, CS_OUTPUT_A信號置低,當(dāng)下次發(fā)送喚醒信號時。CS_OUTPUT_A信號再次置高。