《嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用》綜合設(shè)計課程設(shè)計交通信號燈控制器設(shè)計

1、.嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用綜合設(shè)計交通信號燈控制器設(shè)計系 部：電子與信息工程系專業(yè)班級：姓 名：學(xué) 號：小組成員：指導(dǎo)教師：時 間：2011.5.302011.6.24完 成 日 期 2011年 6月目錄1.緒論.22.課程設(shè)計要求及實驗設(shè)備與器材.22.1課程設(shè)計題目.22.2課程設(shè)計目的.22.3設(shè)計要求.32.4工作流程.32.5實驗設(shè)備與器材.33.硬件設(shè)計.43.1設(shè)計系統(tǒng)介紹及原理框圖.43.2電源供電系統(tǒng).43.3arm開發(fā)板.53.4led顯示系統(tǒng).53.5鍵盤系統(tǒng).73.6原理電路圖.94.軟件設(shè)計方案.54.1程序流程圖.54.2方案論證.74.3調(diào)試過程.74.4運行結(jié)果.7

2、4.4.1結(jié)果分析.84.4.2體會與收獲.8參考文獻.10特別致謝.10附錄.15 1.緒論嵌入式計算機系統(tǒng)的出現(xiàn)，是現(xiàn)代計算機發(fā)展歷史山的里程碑。嵌入式系統(tǒng)誕生于微型計算機時代，與通用計算機的發(fā)展道路完全不同，形成了獨立的單芯片的技術(shù)發(fā)展道路。由于嵌入式系統(tǒng)的誕生，現(xiàn)代計算機領(lǐng)域出現(xiàn)了通用計算機與嵌入式計算機兩大分支。不可兼顧的技術(shù)發(fā)展道路，形成了兩大分支的獨立發(fā)展：通用計算機按照高速、海量的技術(shù)發(fā)展；嵌入式計算機系統(tǒng)則為滿足對象系統(tǒng)按照嵌入式智能化控制要求發(fā)展。由于獨立的分工發(fā)展，20世紀(jì)末，現(xiàn)代計算機的兩大分支都得到了迅猛的發(fā)展。2.課程設(shè)計要求及實驗設(shè)備與器材2.1課程設(shè)計題目模擬交

3、通燈控制器設(shè)計2.2課程設(shè)計目的通過本次綜合設(shè)計，運用已學(xué)的課程知識，根據(jù)題目要求進行軟硬件系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試，對嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用課程中涉及的芯片結(jié)構(gòu)、控制原理、硬件和編程等方面有一定的感性認(rèn)識和實踐操作能力，從而加深對本課程知識點的理解，使學(xué)生應(yīng)用知識能力、設(shè)計能力、調(diào)試能力以及報告撰寫能力等方面有顯著提高。2.3設(shè)計要求 利用實驗系統(tǒng)的資源來設(shè)計一個“模擬交通燈控制器”。 控制面板包括：8位數(shù)碼顯示器、2組交通燈（每組交通燈包括紅、黃和綠3個燈）、十個數(shù)字按鍵鍵盤、電源按鍵、電源指示燈和一個運行鍵。具體設(shè)計要求如下：1.設(shè)計一交通燈控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1.1所示，工作方式滿足上述要求。2

4、.主干道和次干道的通行時間及黃燈點亮的時間可以手動設(shè)置。3.在沒有手動設(shè)置通行時間時，系統(tǒng)自動按表1.1的模式進行工作。十字交叉路口的交通燈控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖1.1所示 往南和往北的信號一致，即紅燈（綠燈或黃燈）同時亮或同時熄滅。用兩個數(shù)碼管來顯示被點亮的指示燈還將點亮多久。往東和往西的方向的信號一致。其工作方式與南北方向一樣。也采用兩個數(shù)碼管來倒計時，當(dāng)南北方向為綠燈和黃燈時，東西向的紅燈點亮禁止通行，而東西方向為綠燈和黃燈時，南北向的紅燈點亮禁止通行。假設(shè)南北方向為主干道，通行時間為60秒，東西方向是次干道，通行時間為30秒，黃燈點亮的時間均為4秒，則其工作方式如表1.1所示循環(huán)點亮信號燈。

5、表1.1交通信號燈工作模式南北向綠燈亮60秒黃燈亮4秒紅燈亮34秒東西向紅燈亮64秒綠燈亮30秒黃燈亮4秒2.4工作流程a. 按下電源鍵，電源指示燈亮；b. 按下運行鍵，模擬交通燈控制器工作；c. led實時顯示當(dāng)前的交通狀況；d. 紅燈和綠燈的工作順序如下：圖2.1 紅燈工作順序圖圖2.2 綠燈工作順序圖e. 用2位數(shù)碼管實時倒計時時間，倒計時流程如下：圖2.3 led等結(jié)合數(shù)碼管工作順序圖f.運行過程中，若再按下電源鍵，則控制器停止工作，電源指示燈滅。2.5實驗設(shè)備與器材（1）電源模塊（2）arm開發(fā)板lm3s2110（3）1602液晶顯示3.硬件系統(tǒng)設(shè)計3.1設(shè)計系統(tǒng)介紹及原理框圖（1）

6、接通電源時或系統(tǒng)復(fù)位后，系統(tǒng)按程序給定的時間工作，即南北向通行60秒，東西向通行30秒，黃燈亮4秒，工作模式如表1.1所示。首先南北向通行，然后東西向通行，如此循環(huán)。 （2）通行時間的設(shè)置：當(dāng)需要更改主、次干道的通行時間時，可以用“設(shè)置鍵、增加鍵、減少鍵”進行設(shè)置。 第一次按“設(shè)置鍵”時，南北向的綠燈亮，南北向的數(shù)碼管顯示當(dāng)前南北向的通行時間，并且按每秒3次的頻率閃爍（每秒亮3次暗3次），其余的信號指示燈和東西向的數(shù)碼管熄滅，此時可以用“增加鍵”和“減少鍵”來改變南北向的通行時間。按一次“增加鍵”或“減少鍵”，數(shù)碼管的顯示增加一秒或減小一秒，長按“增加鍵”或“減少鍵”（按下的時間超過一秒鐘以上

7、）則數(shù)碼管顯示的時間按每秒鐘增加或減少10的速度快速變化。 第二次按“設(shè)置鍵”時，南北向的黃燈亮，南北向的數(shù)碼管顯示當(dāng)前南北向黃燈點亮?xí)r間，并且按每秒3次的頻率閃爍每秒亮3次暗3次），其余的信號指示燈和東西向的數(shù)碼管熄滅，此時可以用“增加鍵”和“減少鍵”來改變南北向黃燈的點亮?xí)r間。 第三次按“設(shè)置鍵”時，東西向的綠燈亮，東西向的數(shù)碼管顯示當(dāng)前東西向的通行時間，并且按每秒3次頻率閃爍，此時可以用“增加鍵”和“減少鍵”來改變東西向的通行時間。 第四次按“設(shè)置鍵”時，東西向的黃燈亮，東西向的數(shù)碼管顯示當(dāng)前東西向黃燈的點亮?xí)r間，并且按每秒3次頻率閃爍，此時可以用“增加鍵”和“減少鍵”來改變東西向黃燈的

8、點亮?xí)r間。 第五次按“設(shè)置鍵”時，系統(tǒng)退出設(shè)置狀態(tài)，回到交通信號燈狀態(tài)，并且南北向先通行，東西向后通行。“設(shè)置鍵”的功能表圖1.2所示。表1.2設(shè)置鍵的功能按“設(shè)置鍵”的次數(shù)第1次第2次第3次第4次第5次調(diào)整內(nèi)容南北向的綠燈點亮?xí)r間南北向的黃燈點亮?xí)r間東西向的綠燈點亮?xí)r間東西向的黃燈點亮?xí)r間恢復(fù)交通燈工作狀態(tài)調(diào)整范圍099秒09秒09秒09秒3.2電源供電系統(tǒng)本系統(tǒng)采用220v電源供電，應(yīng)設(shè)計相應(yīng)的穩(wěn)壓電源電路。但課程設(shè)計受時間限制，也可采用現(xiàn)成的5v直流穩(wěn)壓電源供電，這樣可節(jié)約設(shè)計時間，簡化設(shè)計過程。圖3.1電源模塊硬件圖3.3arm開發(fā)板arm建設(shè)選用ti lm3s2110芯片，便于設(shè)計和

9、調(diào)試。3.4led顯示系統(tǒng)南北向和東西向各采用2個數(shù)碼管計時，對該方向的指示燈的點亮?xí)r間進行倒計時，最長計時范圍為99秒。設(shè)計時可利用芯片的pd口和pa口作為字段和位選信號輸出，經(jīng)驅(qū)動芯片后驅(qū)動數(shù)碼管顯示倒計時時間，數(shù)碼管采用動態(tài)掃描方式顯示。圖3.2數(shù)碼管模塊硬件圖圖3.3led模塊硬件圖3.5 鍵盤系統(tǒng)設(shè)置3個程序按鍵：設(shè)置鍵、增加鍵、減少鍵，因鍵盤使用頻率很小，建議采用查詢方式來讀取鍵盤。另需配置一個非程序按鍵：系統(tǒng)復(fù)位鍵。圖3.4 矩陣鍵盤模塊硬件圖3.6原理電路圖 圖3.5 硬件電路圖4.軟件設(shè)計方案4.1程序流程圖圖3.6 軟件流程圖4.2方案論證電源模塊采用單片機控制模塊提供電源

10、。改方案的優(yōu)點是系統(tǒng)簡明扼要，節(jié)約成本；缺點是輸出功率不高。 顯示模塊用數(shù)碼管與點陣led 相結(jié)合的方法因為設(shè)計既要求倒計時數(shù)字輸出，又要求有狀態(tài)燈輸出等，為方便觀看并考慮到現(xiàn)實情況，用數(shù)碼管與led燈分別顯示時間與提示信息。這種方案既滿足系統(tǒng)功能要求，又減少了系統(tǒng)實現(xiàn)的復(fù)雜度。輸入模塊采用4*4矩陣鍵盤，由于單片機/嵌入式實踐平臺的試驗箱對于交通燈及數(shù)碼管的控制，只用lm3s2110芯片本身與試驗箱管腳相連，通過程序就可實現(xiàn)。綜上所述，以lm3s2110芯片為核心器件，采用連接8段led數(shù)碼顯示管，4*4矩陣鍵盤電路組成。利用單片機的優(yōu)勢設(shè)計電路直接在管腳上接上按鍵開關(guān)。因為設(shè)計的時候僅見和

11、優(yōu)化了電路，所以剩余的管教資源還比較多。由于該系統(tǒng)對于交通燈以及數(shù)碼管的控制，只需要單片機本身就可以實現(xiàn)，所以選擇這種方案。4.3調(diào)試過程我們的程序分為2大部分，第一部分是嵌入式lm3s2110芯片上的led燈程序的調(diào)試；第二部分是試驗箱上數(shù)碼顯示管與4*4矩陣鍵盤程序的調(diào)試。先把嵌入式lm3s2110芯片與pc機連接，在pc機上安裝芯片的驅(qū)動，路徑為c:program filesiar systemembedded workbench 5.4 kickstartarmdriversluminaryftdi，設(shè)定管腳為gpiob口的pin1pin4，即為芯片上的led3led6。我們的程序是先

12、讓led3和led6點亮50秒，再閃爍5次，再讓led4和led5點亮10秒。可是起初是led3和6亮完之后就是led4和5亮，沒有閃爍的過程，后來發(fā)現(xiàn)是程序中的延時循環(huán)出現(xiàn)了問題，然后經(jīng)過了一次次更改，一次次錯誤，最后終于成功的讓交通燈正確點亮。第二部分是把試驗箱與嵌入式lm3s2110芯片的管腳依次相連。這次程序還沒有調(diào)試就有一個大問題出現(xiàn)，就是管腳怎么連接。我們需要的是8位顯示管模塊和矩陣鍵盤模塊，8位公陽顯示管模塊中的段和位我們分別定義為gpiod口的pin1pin7，gpioe口的pin0pin1；矩陣鍵盤中的橫向以及縱向分別定義為gpioa口的pin2pin5，gpioc口的pin

13、4pin7。然后根據(jù)我們找到的資料ychd-3和arm2110的管腳圖依次相連，然后再連接地線。第一次的問題是8個8位數(shù)碼管一次只能顯示一位，可是我們的倒計時需要十位和個位同時顯示，正當(dāng)我們無從著手時候，有同學(xué)給了我們一個建議：利用人眼的視覺暫留，讓數(shù)碼管不斷地刷不斷的閃，只要時間足夠短暫那我們看起來就像是2位數(shù)碼管同時亮。改程序，1秒內(nèi)十位個位互相閃爍50次，果然成功了。期間有許多失敗的經(jīng)歷，就不贅述了。第二次的問題是按鍵與數(shù)碼管沒有互相作用，程序中的提示也是定義按鍵為多余的警告。使能了按鍵后，雖然警告沒有了，可是數(shù)碼管依然不受按鍵控制。找了許多同學(xué)尋求幫助，雖然找出了我們程序中存在的問題，

14、但是沒有改變現(xiàn)狀，又一次的束手無策。最后終于發(fā)現(xiàn)原來是管腳的鏈接問題，我們忽略了矩陣鍵盤中的j1模塊和j3模塊的短接。利用跳線帽短接j1模塊的2個管腳和j3模塊的兩個管腳。連接之后重新燒入程序，調(diào)試成功了。當(dāng)按下k1鍵時，倒計時50秒，按下k2鍵時，倒計時10秒，k3鍵40秒，一次類推，一直到100秒。但是因為我們用了2位的8段數(shù)碼管，所以當(dāng)?shù)?9秒時候，自動歸零。4.4運行結(jié)果4.4.1結(jié)果分析把lm3s2110芯片與pc機連接后，把led程序進行仿真，把程序燒入芯片內(nèi)，led1和led6點亮（見圖3.7），亮50秒后，閃爍5次。讓led2和led5點亮（見圖3.8），亮10秒后，閃爍5次。

15、依次往復(fù)循環(huán)。圖4.1led1和led6亮圖4.2 led2和led5亮4.4.2體會與收獲 這次課程設(shè)計帶給我們的不僅僅是對課本知識的加深的理解，也鍛煉了我們對于把書本知識運用到實踐中的能力。平時在課堂上學(xué)到的東西有的雖然明白了，但是畢竟沒有實際操作經(jīng)驗，操作起來容易出錯；有的只是一知半解，用于實踐中就出現(xiàn)了問題。對于知識的理解知識單純的停留在書本階段，自己動手嘗試了以后，這些知識對于我們而言更加鮮活生動起來了。從剛剛開始的無從下手，到逐步的知道自己該做什么，該怎么做。不斷地遇到新的問題，不斷地嘗試各種方法解決，即使失敗了也有了經(jīng)驗。漸漸的發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，遇到新問題，再解決問題，這種循環(huán)

16、讓我們體會到了靠自覺解決問題的成就感。從實踐中直接得到的知識會比書本上老師傳授所得到的知識更容易讓我們掌握。當(dāng)然專業(yè)知識也收獲不少，當(dāng)初的c語言學(xué)的半吊子，考試階段的臨時抱佛腳讓我們到了關(guān)鍵時刻都不知道各種語句怎么用，可是又不得不寫出來。當(dāng)然就網(wǎng)上收集資料，學(xué)習(xí)別人的程序，在別人的模板上逐漸修改，漸漸地這段程序的絕大多數(shù)都是我們自己的成果了。還有一些作圖軟件以前從未接觸或者有少許接觸的通過這次的鍛煉也讓我們熟練掌握了它們的用法。參考文獻1 李朝青. 單片機原理及接口技術(shù)（第 3 版）. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006 2 何立民. 單片機應(yīng)用技術(shù)大全. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1

17、994 第 19 頁3周立功，lm3s2110微控制器eb/ol. 2010年6月。4周立功，arm嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程m.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004 p213p2165張齊 朱寧西，單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)m.北京：電子工業(yè)出版社，2004 p251p255，p256p260。6張軍 宋濤 avr單片機c語言程序?qū)嵗鈓.北京：電子工業(yè)出版社，1997 p122p133。7張大明，單片微機控制應(yīng)用技術(shù)m.北京：機械工業(yè)出版社，2006 p65p70。特別致謝 本次關(guān)于模擬交通燈設(shè)計與制作是在王永明老師和徐會彬老師以及其他輔導(dǎo)老師的悉心指導(dǎo)下，和同組內(nèi)的其他兩位成員的共同討論，互相交

18、流才得以順利完成。經(jīng)過本次設(shè)計我們把大學(xué)里所學(xué)的理論知識轉(zhuǎn)為成為實際的應(yīng)用，既鍛煉了我們的實際草操作能力，又使理論知識得到升華，激發(fā)了我們的創(chuàng)新意識。 特別感謝與我同組的兩位組員，在工作中我們積極配合，互相幫助，勇于創(chuàng)新。更要感謝身邊的同學(xué)，雖然不是我們一組的，但是在我們遇到使我們措手不及的時候，在程序上給我們很多提示很多幫助，感謝他的無償幫助。用過本次設(shè)計使我們的動手能力得到很大的提高，讓我們走出了實踐盲區(qū)，為以后的畢業(yè)設(shè)計以及工作后的動手能力打下堅實的基礎(chǔ)。最后感謝學(xué)院為我們提供了這次機會。再次感謝老師們和同學(xué)們的幫助！附錄程序清單#include systeminit.h#define

19、lcden gpio_pin_0 /pb0;#define lcdrs gpio_pin_1 /pb1; unsigned char data; /pd0-pd7;unsigned int shi=48+5,ge=48;void write_com(unsigned char com) /寫命令 gpiopinwrite(gpio_portb_base,lcdrs,0x00); / lcdrs=0; gpiopinwrite(gpio_portd_base,gpio_pin_0|gpio_pin_1|gpio_pin_2| gpio_pin_3|gpio_pin_4|gpio_pin_5|gp

20、io_pin_6|gpio_pin_7,com);/pd=com;sysctldelay(5 * (thesysclock / 4000); / 延時 5msgpiopinwrite(gpio_portb_base,lcden,0xff); / lcden=1; sysctldelay(5 * (thesysclock / 4000); gpiopinwrite(gpio_portb_base,lcden,0x00); / lcden=0; void write_data(unsigned char date)gpiopinwrite(gpio_portb_base,lcdrs,0xff);

21、/ lcdrs=1;gpiopinwrite(gpio_portd_base,gpio_pin_0|gpio_pin_1|gpio_pin_2| gpio_pin_3|gpio_pin_4|gpio_pin_5|gpio_pin_6|gpio_pin_7,date);/pd=date; sysctldelay(5 * (thesysclock / 4000); gpiopinwrite(gpio_portb_base,lcden,0xff); / lcden=1; sysctldelay(5 * (thesysclock / 4000); gpiopinwrite(gpio_portb_bas

22、e,lcden,0x00); / lcden=0;void init()sysctlperienable(sysctl_periph_gpiod); /使能a端口 gpiopintypeout(gpio_portd_base, gpio_pin_0|gpio_pin_1|gpio_pin_2| gpio_pin_3|gpio_pin_4|gpio_pin_5|gpio_pin_6|gpio_pin_7); sysctlperienable(sysctl_periph_gpiob); gpiopintypeout(gpio_portb_base, gpio_pin_0|gpio_pin_1);

23、gpiopinwrite(gpio_portb_base,lcden,0x00); / lcden=0; write_com(0x38);write_com(0x0e);write_com(0x06);write_com(0x01); / 在開始清屏write_com(0x80+0x10); /數(shù)據(jù)指針地址/ 定義led#define led1_periph sysctl_periph_gpiof#define led1_port gpio_portf_base#define led1_pin gpio_pin_1#define led2_periph sysctl_periph_gpiof#

24、define led2_port gpio_portf_base#define led2_pin gpio_pin_2#define led3_periph sysctl_periph_gpiob#define led3_port gpio_portb_base#define led3_pin gpio_pin_0#define led4_periph sysctl_periph_gpiob#define led4_port gpio_portb_base#define led4_pin gpio_pin_1#define led5_periph sysctl_periph_gpiob#def

25、ine led5_port gpio_portb_base#define led5_pin gpio_pin_2#define led6_periph sysctl_periph_gpiob#define led6_port gpio_portb_base#define led6_pin gpio_pin_3#define beep_periph sysctl_periph_gpioh#define beep_port gpio_porth_base#define beep_pin gpio_pin_0unsigned char i;void led1flash () unsigned cha

26、r ucval; ucval = gpiopinread(led1_port, led1_pin); / 翻轉(zhuǎn)led gpiopinwrite(led1_port, led1_pin, ucval); ucval = gpiopinread(led6_port, led6_pin); / 翻轉(zhuǎn)led gpiopinwrite(led6_port, led6_pin, ucval); sysctldelay(500 * (thesysclock / 3000); gpiopinwrite(led1_port, led1_pin, ucval); gpiopinwrite(led6_port, l

27、ed6_pin, ucval); sysctldelay(500 * (thesysclock / 3000); void led2flash () unsigned char ucval; ucval = gpiopinread(led2_port, led2_pin); / 翻轉(zhuǎn)led gpiopinwrite(led2_port, led2_pin, ucval); ucval = gpiopinread(led5_port, led5_pin); / 翻轉(zhuǎn)led gpiopinwrite(led5_port, led5_pin, ucval); sysctldelay(500 * (t

28、hesysclock / 3000); gpiopinwrite(led2_port, led2_pin, ucval); gpiopinwrite(led5_port, led5_pin, ucval); sysctldelay(500 * (thesysclock / 3000); void led3flash () unsigned char ucval; ucval = gpiopinread(led3_port, led3_pin); / 翻轉(zhuǎn)led gpiopinwrite(led3_port, led3_pin, ucval); ucval = gpiopinread(led4_

29、port, led4_pin); gpiopinwrite(led4_port, led4_pin, ucval); / 翻轉(zhuǎn)led sysctldelay(500 * (thesysclock / 3000); gpiopinwrite(led3_port, led3_pin, ucval); gpiopinwrite(led4_port, led4_pin, ucval); sysctldelay(500 * (thesysclock / 3000); void beep() unsigned char ucval; ucval = gpiopinread(beep_port, beep_

30、pin); / 翻轉(zhuǎn)led gpiopinwrite(beep_port, beep_pin, ucval); sysctldelay(100 * (thesysclock / 3000); / 延時約10ms，消除按鍵抖動 gpiopinwrite(beep_port, beep_pin, ucval); sysctldelay(100 * (thesysclock / 3000); / 延時約10ms，消除按鍵抖動 viod display() /顯示函數(shù) write_com(0x80+0x00); write_data(shi); /write_com(1);write_com(0x80

31、+0x01);/數(shù)據(jù)指針write_data(ge);sysctldelay(1000 * (thesysclock / 4000); ge-; if(ge=47) shi-; ge=57;/ 主函數(shù)（程序入口）int main(void) clockinit(); / 時鐘初始化：晶振，6mhz sysctlperienable(led1_periph); / 使能led所在的gpio端口 gpiopintypeout(led1_port, led1_pin); / 設(shè)置led所在管腳為輸出 sysctlperienable(led2_periph); / 使能led所在的gpio端口 gp

32、iopintypeout(led2_port, led2_pin); / 設(shè)置led所在管腳為輸出 sysctlperienable(led3_periph); / 使能led所在的gpio端口 gpiopintypeout(led3_port, led3_pin); / 設(shè)置led所在管腳為輸出 sysctlperienable(led4_periph); / 使能led所在的gpio端口 gpiopintypeout(led4_port, led4_pin); / 設(shè)置led所在管腳為輸出 sysctlperienable(led5_periph); / 使能led所在的gpio端口 gp

33、iopintypeout(led5_port, led5_pin); / 設(shè)置led所在管腳為輸出 sysctlperienable(led6_periph); / 使能led所在的gpio端口 gpiopintypeout(led6_port, led6_pin); / 設(shè)置led所在管腳為輸出 sysctlperienable(beep_periph); / 使能led所在的gpio端口 gpiopintypeout(beep_port, beep_pin); / 設(shè)置led所在管腳為輸出 gpiopinwrite(led1_port, led1_pin, 0xff); / 熄滅led gpiopinwrite(led2_port, led2_pin, 0xff); / 熄滅led gpiopinwrite(led3_port, le