微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)交通信號(hào)燈設(shè)計(jì)

1、遠(yuǎn)程交通信號(hào)控制系統(tǒng)摘 要：以MSP430單片機(jī)為控制單元，采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)遠(yuǎn)程交通信號(hào)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)交通燈的遠(yuǎn)程控制和本地的手動(dòng)設(shè)置，遠(yuǎn)程控制采用GSM模塊實(shí)現(xiàn)，具體闡述了GSM實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的方法。用信號(hào)機(jī)模擬交通燈測(cè)試該系統(tǒng)，測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)集成度高、功能強(qiáng)、性能穩(wěn)定，遠(yuǎn)程設(shè)置和本地操作在考慮到各種情況的輸入下均無(wú)異常。關(guān)鍵詞：交通燈；遠(yuǎn)程控制；GSM；測(cè)試引言隨著城市化進(jìn)程加快，智能交通信號(hào)控制系統(tǒng)已成為城市交通信號(hào)控制發(fā)展的必然趨勢(shì)，國(guó)內(nèi)信號(hào)機(jī)以單點(diǎn)定時(shí)控制系統(tǒng)為主，該類信號(hào)機(jī)控制功能簡(jiǎn)單、方案單一1，不能反映交通狀態(tài)隨機(jī)變化所產(chǎn)生的不同信號(hào)方案需求。為

2、研制符合國(guó)內(nèi)城市交通的復(fù)雜要求，同時(shí)具備智能化、網(wǎng)絡(luò)化特點(diǎn)的交通信號(hào)控制系統(tǒng)，本文提出一種基于MSP430單片機(jī)的自適應(yīng)智能交通信號(hào)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其工作原理，并給出具體的軟硬件設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)通過(guò)GSM模塊以短信的形式對(duì)交通燈進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)置。短消息服務(wù)(SMS)作為GSM無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的一項(xiàng)基本業(yè)務(wù)，其應(yīng)用日益廣泛。這種方式不需要撥號(hào)建立連接，直接把要發(fā)的信息加上目標(biāo)地址發(fā)送到短消息服務(wù)中心，由短消息服務(wù)中心再發(fā)給最終用戶。具有通信成本低、系統(tǒng)容量大、業(yè)務(wù)種類多、保密性好、抗干擾能力強(qiáng)、能自動(dòng)漫游等特點(diǎn)，是目前應(yīng)用最廣的無(wú)線方案。已廣泛被應(yīng)用于：氣象監(jiān)測(cè)、電力設(shè)備監(jiān)測(cè)、水庫(kù)水位監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程抄表及汽車遠(yuǎn)程防

3、盜監(jiān)視等各個(gè)領(lǐng)域。本文詳細(xì)闡述了對(duì)信號(hào)機(jī)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，對(duì)此功能及信號(hào)機(jī)的本地手動(dòng)設(shè)置功能進(jìn)行了全面的測(cè)試，給出了部分測(cè)試用例，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)城市交通樞紐信號(hào)控制需要聯(lián)網(wǎng)協(xié)調(diào)控制，信號(hào)機(jī)必須具有與區(qū)域服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ殴δ堋Ｔ谙到y(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中我主要負(fù)責(zé)的就是遠(yuǎn)程控制功能的實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)采用了GSM模塊實(shí)現(xiàn)區(qū)域服務(wù)器遠(yuǎn)程控制交通信號(hào)機(jī)的功能。由單片機(jī)與GSM通訊模塊組成GSM應(yīng)用系統(tǒng)，完成短消息的接收與發(fā)送等功能，以此實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程交通信號(hào)控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制功能。目前國(guó)內(nèi)使用的GSM模塊有Wavecome的WMO2系列、西門子的TC35系列、Falcom的A2D系列

4、和愛(ài)立信的DM10/DM20系列等，這些模塊的功能基本相同，其中西門子公司的TC35系列模塊性價(jià)比最高，所以本設(shè)計(jì)選用西門子的TC35i模塊。TC35i是西門子公司推出的最新無(wú)線模塊，該模塊設(shè)計(jì)緊湊，體積小重量輕，向用戶提供標(biāo)準(zhǔn)的AT命令接口。為數(shù)據(jù)、語(yǔ)音和短消息提供快速可靠的傳輸，方便用戶的應(yīng)用開發(fā)設(shè)計(jì)。TC35i模塊的主要技術(shù)指標(biāo)頻段為GSM900MHz和GSMl800MHz雙頻；支持?jǐn)?shù)據(jù)、語(yǔ)音、短消息和傳真；單一電源供電：電壓3.34.8V；可選波特率4.8-115kbps；電源消耗：休眠狀態(tài)為3.5mA，空閑狀態(tài)為25mA，通話狀態(tài)為300mA(平均)；溫度范圍：正常工作-20+55，

5、存放-30+85；支持電壓為3V/1.8V的SIM卡。TC35i模塊的硬件接口TC35i的硬件接口共有40個(gè)引腳，通過(guò)ZIF連接器引出分別與外部電源電路、模塊啟動(dòng)電路、數(shù)據(jù)通信電路、語(yǔ)音電路及SIM卡電路等連接。TC35i的數(shù)據(jù)接口是一個(gè)符合ITU-T RS232標(biāo)準(zhǔn)的異步串行接口。其波特率可在4.8kbps115kbps之間選擇，接口電平為CMOS電平(2.70V)，串口參數(shù)為：8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無(wú)校驗(yàn)位，支持標(biāo)準(zhǔn)的AT命令集。與短消息(SMS)相關(guān)的GSM AT指令介紹GSM AT指令集是由諾基亞、愛(ài)立信和摩托羅拉等廠商共同為GSM系統(tǒng)制定的，其中包含對(duì)短消息(SMS)的操作指令。T

6、C35i模塊所提供的AT命令集符合GSM07.05和GSM07.07規(guī)范。GSM07.05標(biāo)準(zhǔn)對(duì)短消息的數(shù)據(jù)格式作了詳細(xì)的規(guī)定，用戶終端可以向GSM模塊發(fā)送各種操作指令及數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)短消息的收發(fā)。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件采用C語(yǔ)言，基于MSP430單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)中我主要負(fù)責(zé)利用GSM模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊，在PC機(jī)的控制臺(tái)上向信號(hào)機(jī)以短信的形式發(fā)送控制命令，短信的內(nèi)容為一些指令，信號(hào)機(jī)內(nèi)的單片機(jī)接到短信后根據(jù)信息內(nèi)的指令執(zhí)行相應(yīng)設(shè)置的命令，對(duì)信號(hào)機(jī)的方案進(jìn)行設(shè)置。指令格式指令由26位組成，分為三個(gè)字段：起始字段、命令字段和數(shù)據(jù)字段。起始字段由6位字母組成：FFFEDD，表示一條指令的開始；命令字

7、段由2位數(shù)字組成，表示該條指令要執(zhí)行的操作；數(shù)據(jù)字段由18位數(shù)字組成，表示執(zhí)行該指令所需的數(shù)據(jù)。命令字段：命令字段的兩位數(shù)字為0107，分別表示以下含義：01：表示設(shè)置時(shí)間02：表示選擇方案03：表示設(shè)置方案104：表示設(shè)置方案205：表示設(shè)置方案306：表示設(shè)置方案407：表示設(shè)置方案5系統(tǒng)默認(rèn)有7套預(yù)置方案，方案6為全閃黃燈，方案7為全部熄燈，不需要設(shè)置。數(shù)據(jù)字段數(shù)據(jù)字段的最后兩位為保留位，其余16位根據(jù)命令字段的不同有不同的含義。當(dāng)命令字段為01時(shí)，指令表示要設(shè)置時(shí)間，數(shù)據(jù)字段的01位表示要設(shè)置時(shí)間的小時(shí)部分，23位表示要設(shè)置時(shí)間的分鐘部分，其余位置0。當(dāng)命令字段為02時(shí)，指令表示要選擇

8、一套方案執(zhí)行，數(shù)據(jù)字段的01位表示要選擇的方案號(hào)，其余位置0。當(dāng)命令字段為0307時(shí)，指令表示要設(shè)置方案15，數(shù)據(jù)字段的前8位表示設(shè)置所選方案南北方向的交通燈時(shí)間，后8位表示設(shè)置東西方向的交通燈時(shí)間。將8位數(shù)字每?jī)晌环殖梢唤M，分別表示直行綠燈，直行黃燈，左轉(zhuǎn)綠燈，左轉(zhuǎn)黃燈的時(shí)間。給出兩條指令為例：命令字段01表示設(shè)置時(shí)間，數(shù)據(jù)字段22是設(shè)置小時(shí)，10是設(shè)置分鐘，即該指令將時(shí)間設(shè)置為22:10。FFFEDD020700000000000000000命令字段02表示選擇方案，數(shù)據(jù)字段07是選擇7號(hào)方案，即該指令執(zhí)行后信號(hào)機(jī)選擇執(zhí)行7號(hào)方案，將所有燈全部熄滅。遠(yuǎn)程控制軟件實(shí)現(xiàn)使用GSM模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控

9、制首先需要初始化GSM模塊，之后通過(guò)單片機(jī)讀取短信并對(duì)短信進(jìn)行處理，解析指令。具體流程如下：接收指令初始化GSM，握手確定GSM設(shè)備的存在，設(shè)置短信中心的號(hào)碼和短信的發(fā)送模。初始化串口，定義函數(shù)使串口以字節(jié)為單位發(fā)送數(shù)據(jù)，上一個(gè)串口數(shù)據(jù)發(fā)送完成后再發(fā)下一個(gè)，部分偽代碼如下：void init_gsm(void)printStr(ATrn); /握手Delay_ms(100);printStr(ATE0rn); /關(guān)閉命令回顯Delay_ms(100); /設(shè)置短信中心號(hào)碼Delay_ms(100);printStr(AT+CMGF=1rn); /設(shè)置短信的發(fā)送模式為文本模式Delay_ms(1

10、00);void init_uart0(void) /初始化串口 void R_S_Byte(uchar R_Byte) /以字節(jié)為單位發(fā)送數(shù)據(jù)while(IFG1&UTXIFG0)=0); /是否上一個(gè)串口數(shù)據(jù)發(fā)送完成TXBUF0=R_Byte;向GSM寫讀短信的命令，讀取短信：unsigned char printStr(unsigned char* string)unsigned char i=0;if(string=NULL)return PRINTNULL;while(1)R_S_Byte(stringi);Delay100Us();i+;if(stringi=0 x00)retur

11、n PRINTSUCCESS;if(i=255)return PRINTTOOLARGE;讀短信，先握手確定GSM設(shè)備是否存在，判斷返回值，如果兩次握手均不成功，則重新初始化GSM模塊。之后比對(duì)字符串，判斷是否有未讀短信，有未讀信時(shí)指針p的值不為空，則繼續(xù)處理短信。獲取短信來(lái)源號(hào)碼，只執(zhí)行固定號(hào)碼發(fā)來(lái)的短信指令，之后獲取指令，將指令存在data_buf中。部分偽代碼如下：unsigned char read_msg(void)/定義變量printStr(ATrn); /握手Delay_ms(100);buf_count=0;printStr(AT+CMGL=REC UNREADrn); /向G

12、SM寫讀短信命令，讀短信Delay_ms(300);p=strstr(uart_Buf,ERROR); /讀取消息錯(cuò)誤,返回0if(p!=NULL) return 0;p=strstr(uart_Buf,+CMGR: 0,0);/無(wú)信息，返回1if(p!=NULL) return 1;p=strstr(uart_Buf,REC UNREAD); /有未讀信息，返回3if(p!=NULL) /處理短信for(i=0;i11;i+)phone_numberi=uart_Bufi+29; /獲取短信來(lái)源的號(hào)碼phone_numberi=0;for(i=0;im);R_S_Byte(0 x1A);pr

13、intStr(rn);解析指令解析指令在主函數(shù)內(nèi)實(shí)現(xiàn)。讀到新消息后首先檢查是否為控制中心發(fā)出，之后根據(jù)命令字段判斷是哪種指令，根據(jù)前面對(duì)指令的介紹可知，分為設(shè)置時(shí)間、選擇方案、設(shè)置方案等情況。設(shè)置時(shí)間先將指令中讀取的時(shí)間寫到time數(shù)組中，再用time設(shè)置數(shù)碼管顯示的時(shí)間。選擇方案時(shí)先將flash中的數(shù)據(jù)讀到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，再將flash上的數(shù)據(jù)擦除，在修改了選擇執(zhí)行方案的字段之后，將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)再寫入到flash中。最后更新當(dāng)前正在執(zhí)行的方案，即根據(jù)所選方案設(shè)置新的信號(hào)燈時(shí)間。設(shè)置方案時(shí)首先將flash中的數(shù)據(jù)讀到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，然后修改直行綠燈、直行黃燈等各種時(shí)間設(shè)置，最后將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)寫

14、入到flash中。如果更改設(shè)置的是當(dāng)前正在執(zhí)行的方案，則需要更新當(dāng)前信號(hào)燈的閃爍時(shí)間。共有5套方案可以被修改設(shè)置，以方案1為例給出偽代碼。解析指令部分偽代碼如下：while(1)if(read_msg()=3) /讀到新消息if(strstr(char *)phone_number,center_num)!=NULL)/檢查是否為控制中心發(fā)送的短信for(i=0;i6;i+) starti=data_bufi;if(strstr(char *)start,start_symbol)!=NULL)cmd=(data_buf6-48)*10+(data_buf7-48);switch(cmd)ca

15、se 0 x01: /設(shè)置時(shí)間time0=(unsigned char)(unsigned char)(data_buf8-48)4) +(data_buf9-48);time1=(unsigned char)(unsigned char)(data_buf10-48)4) +(data_buf11-48);time2=0;DS1302_Setting_Time(time);break;case 0 x02: /方案選擇scenario_tmp=scenario;scenario=(data_buf8-48)*10+(data_buf9-48);if(scenario_tmp=(scenari

16、o_num+1)|scenario_tmp=(scenario_num+2) normal_scenario_rst(); /交通燈控制狀態(tài)機(jī)復(fù)位FlashSeg_r_num(unsigned char *)FSEG_A,(unsigned char *) flash_data_buf,STRUCT_TIME_BYTE_NUM*2*scenario_num+3); /將flash中的數(shù)據(jù)讀到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中flash_data_bufADDR_SCENARIO=scenario;Flash_clr(int *)FSEG_A); /段擦除FlashSeg_w_num(unsigned char *)

17、FSEG_A,(unsigned char *) flash_data_buf,STRUCT_TIME_BYTE_NUM*2*scenario_num+3); /將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)寫入到flash中Flash_secure(); /上鎖time_SN_curr.time_line.time_green=flash_data_bufBASED_ADDR_SCENARIO+(scenario-1)*STRUCT_TIME_BYTE_NUM*2;/更新當(dāng)前執(zhí)行的方案break;case 0 x03: /設(shè)置方案1FlashSeg_r_num(unsigned char *)FSEG_A,(unsign

18、ed char *) flash_data_buf,STRUCT_TIME_BYTE_NUM*2*scenario_num+3); /將flash中的數(shù)據(jù)讀到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中flash_data_bufBASED_ADDR_SCENARIO+0*STRUCT_TIME_BYTE_NUM*2=(data_buf8-48)*10+(data_buf9-48); /修改時(shí)間設(shè)置 Flash_clr(int *)FSEG_A); /段擦除FlashSeg_w_num(unsigned char *)FSEG_A,(unsigned char *) flash_data_buf,STRUCT_TIME_BY

19、TE_NUM*2*scenario_num+3); /將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)寫入到flash中 Flash_secure(); /上鎖 if(scenario=1) /如果設(shè)置的是當(dāng)前運(yùn)行的方案，則更新正在運(yùn)行的數(shù)據(jù) time_SN_curr.time_line.time_green=flash_data_bufBASED_ADDR_SCENARIO+0*STRUCT_TIME_BYTE_NUM*2; /更新信號(hào)燈閃爍時(shí)間 break;/設(shè)置方案25default:; DelayNMs(300); 系統(tǒng)測(cè)試對(duì)系統(tǒng)的測(cè)試主要分為兩部分：對(duì)遠(yuǎn)程控制功能的測(cè)試和對(duì)本地手動(dòng)設(shè)置功能的測(cè)試，每次設(shè)置后觀察信號(hào)

20、機(jī)一段時(shí)間，看各種信號(hào)燈的亮滅時(shí)間是否與設(shè)置的一樣，信號(hào)機(jī)運(yùn)行是否正常。對(duì)遠(yuǎn)程控制功能的測(cè)試主要通過(guò)PC終端向信號(hào)機(jī)發(fā)送短信，嘗試各種符合規(guī)則和不符合規(guī)則的指令，測(cè)試信號(hào)機(jī)能否做出正確反應(yīng)，有無(wú)異常。對(duì)本地手動(dòng)設(shè)置功能的測(cè)試主要是通過(guò)信號(hào)機(jī)的控制面板上的各種按鈕對(duì)信號(hào)機(jī)進(jìn)行設(shè)置，測(cè)試各種按鍵輸入是否都能得到正確的響應(yīng)，符合規(guī)則的按鍵輸入能否達(dá)到預(yù)期的設(shè)置目標(biāo)。由于篇幅所限，對(duì)這兩方面的測(cè)試只給出了少數(shù)有代表性的測(cè)試用例，并對(duì)其加以分析。測(cè)試遠(yuǎn)程控制功能PC終端控制界面如圖1所示，通過(guò)下方的文本框可以輸入命令，發(fā)送給信號(hào)機(jī)。圖1PC終端控制界面設(shè)置時(shí)間為22:10，信號(hào)機(jī)接收到后向PC機(jī)返回已收

21、到短信的確認(rèn)信息，執(zhí)行指令，數(shù)碼管顯示時(shí)間變?yōu)?2:10。信號(hào)燈不受影響，正常運(yùn)行。發(fā)送短信FFFEDD020700000000000000000，選擇方案7，信號(hào)機(jī)接收到后向PC機(jī)返回已收到短信的確認(rèn)信息，執(zhí)行方案7，所有信號(hào)燈全部熄滅。隨意發(fā)送不符合格式要求的短信，如ABCD0123456789，信號(hào)機(jī)接收到后不能識(shí)別，返回錯(cuò)誤指令。對(duì)各種情況反復(fù)測(cè)試后可以確定對(duì)信號(hào)機(jī)的遠(yuǎn)程控制功能正常，信號(hào)機(jī)啟動(dòng)后運(yùn)行無(wú)異常，每次響應(yīng)遠(yuǎn)程控制執(zhí)行指令順利，執(zhí)行指令更改信號(hào)燈閃爍時(shí)間后信號(hào)機(jī)會(huì)嚴(yán)格按選擇的方案或設(shè)置的時(shí)間運(yùn)行，交通信號(hào)的遠(yuǎn)程控制功能實(shí)現(xiàn)。測(cè)試本地手動(dòng)設(shè)置功能信號(hào)機(jī)上的按鍵分布如表1所示，通

22、過(guò)按鍵可以達(dá)到與發(fā)送指令一樣的設(shè)置效果，對(duì)信號(hào)機(jī)本地控制面板的測(cè)試給出了四個(gè)測(cè)試用例，解釋了各個(gè)按鍵的用法。對(duì)其他各種情況下的按鍵輸入也都有測(cè)試，信號(hào)機(jī)都能做出正確反應(yīng)，正常運(yùn)行。表1信號(hào)機(jī)本地控制面板南北(10)東西(7)左轉(zhuǎn)(4)（1）(11)(8)方案(5)設(shè)置(2)(12)(9)確定(6)運(yùn)行(3)2 11 9 6該用例測(cè)試設(shè)置時(shí)間功能。在信號(hào)機(jī)正常運(yùn)行情況下，按鍵2表示設(shè)置時(shí)間，按鍵11、12表示對(duì)小時(shí)的增加和減少，按鍵8、9表示對(duì)分鐘的增加和減少，如當(dāng)前是22:10，按一下11小時(shí)部分變成23，再按一下9分鐘部分變成09，之后按6表示確定，返回上一級(jí)顯示界面，當(dāng)前顯示的時(shí)間變?yōu)?3:09。5 8 3該用例測(cè)試選擇更換執(zhí)行方案功能。在信號(hào)機(jī)正常運(yùn)行情況下，按鍵5顯示當(dāng)前執(zhí)行的方案，按鍵8、9控制方案的選擇，如當(dāng)前執(zhí)行的是方案5，按一下8會(huì)變成方案6，按3表示運(yùn)行，即執(zhí)行方案6.5 9 2 11 9 4 12 8 6 6該用例測(cè)試設(shè)置方案功能。按5顯示當(dāng)前執(zhí)行的