智能汽车道闸控制系统的研发

智能汽车道闸控制系统的研发1、设计要求设计的智能汽车道闸控制系统就是物联网技术在实际生活中的一个应用,能够对进出车辆自动辨别以及自动控制汽车道闸,很好地解决了人为操作所带来的问题。2、设计作用与目的当今社会飞速发展,车辆越来越多,对车辆有效、安全的管理却逐渐成为一个越来越成为人们关注的话题。汽车道闸工作方式简单,却能有效的管理车辆进出,现在被越来越多小区、停车产、公司等都选作为管理车辆进出的一个平台。但人为的辨别和控制有时却很难做到安全、高效,偶尔的失误,却可能会给人们的安全带来隐患。3、设计方案本系统以ARMCortex-M3为内核、主频达50MHz的32位微处理器LM3S6965的硬件平台为基础,利用其自身所携带的串口模块、同步串行接口模块、以及以太网模块,主要用于实现对车辆的识别、道闹的控制、来往记录的保存、数据的及时更新和来往车辆信息显示等功能。4、系统硬件设计4.1智能道闸控制系统的硬件组成智能道闹控制系统的硬件设计主要包括ARM嵌入式基本系统、无线通信激励的设计、无线通信模块、串口232模块、时钟模块和TCP/IP通信模块的硬件设计等。为了实现以上各模块的功能,以及高性能、低价格、设计方便等要求。本文采用在ARM嵌入式基本系统的基础上架构硬件平台,对各个模块的硬件电路进行独立设计。利用LM3S6965内置通用异步收发器(UART)模块配合RS232收发电路,实现RS232通信;同时利用LM3S6965内置以太网控制器模块配合自带隔离变压的RJ45网络接口构成网络通信电路;外设时钟芯片,并通过相关软件设计,实现系统时钟的实时性。利用PIC16F690单片机、高速MOSFET驱动器及125KHz天线组成无线通信的激励源。CC2530拥有RF内核控制模拟无线电模块和休眠功能,配合外围的唤醒电路,可完成低功耗、长距离无线通信的要求。系统组成如图3-1所示。图3-1能道闸控制系统組成4.2、微处理器LIVI3S6965介绍在设计主控制系统时,根据控制任务的复杂程度和可靠性、稳定性、精度等指标要求选择一种性价比合理的嵌入式芯片,所以本文选用了LM3S6965这款基于ARMCortex-M3内核的芯片作为主控制器。4.2.1、LM3S6965的主要特点LM3S6965—款基于ARMCortex-M3的微控制器。ARMCortex-M3处理器是从ARM7处理器系列中移植过来,为高性能、低成本、低功耗的平台提供一个满足小存储要求解决方案、简化管脚数、以及低功耗三方面要求的内核,与此同时,它还提供出色的计算性能和优越的系统中断响应能力。LM3S6965它包括所有的16位Thumb指令集和基本的32位Thumb-2指令集架构,Cortex-M3处理器不能执行ARM指令集。Thumb-2在Thumb指令集架构(ISA)上进行了大量的改进,它与Thumb相比,具有更高的代码密度并提供16/32位指令的更高性能。非常适用于那些对存储器有限制或者需要较高代码密度的大批量生产的应用。LM3S6965内部包含了技术需求中常用的接口。LM3S6965主要特点如下:(1)32位ARMCortexTM-M3v7M架构;(2)50MHz操作频率;(3)含有256KBFlash和64KBSRAM内部存储器;(4)lO/lOOMbps以太网控制器,由完全集成的媒体访问控制(MAC)和网络物理(PHY)接口器件组成;(5)4个通用定时器模块,每个提供2个16位定时器;(6)看门狗定时器;(7)通用DMA控制器;(8)2个内部集成电路(I2C)模块、1个同步串行端口(SPI/SSP)模块以及3个通用异步收发(UART)模块;(9)1个正交编码接口(QEI)、模数转化器、模拟比较器以及脉宽调试器(PWM)。4.2.2LM3S6965的内部结构LM3S6965一款基于ARMCortex-M3的微控制器,该微控制器包念了lO/lOOMbps以太网控制器、3个UART、4路模拟输入通道、1个同步串行端口(SPI/SSP)、2个I2C接口、1个QEI接口和6个脉宽调试输出端口。4.3主控制器的硬件设计4..3.1、LM3S6965基本系统设计LM3S6965包括有4个时钟源可供使用,它们分别为主振荡器、内部振荡器、内部30KHz振荡器和外部实时振荡器。内部振荡器频率是12MHz±30%,在上电复位过程中和上电复位之后使用的时钟源,软件以后可切换为另一种可用的时钟源。主振荡器在1MHz?8.192MHz的频率下操作,本系统使用外部6MHz的晶振,微处理器的工作频率可通过内部PLL单元提高。内部30KHZ振荡器与内部振荡器类似,它提供30KHz±30%的工作频率,主要用在深度睡眠的节电模式中。外部实时振荡器是提供一个低频率、精确的时钟基准,是休眠模块的一部分。LM3S6965有5个复位源:RESET管脚复位、看门狗复位、上电复位(POR)、内部掉电复位(BOR)和软件启动复位。任何复位源可使芯片复位有效,一旦操作电压到达一个可使用的级别,则启动唤醒定时器。复位将保持有效直至外部的复位被撤除,振荡器开始运行。当计数经过了固定的时钟个数后,Flash控制器已完成其初始化。本次设计采用了上电复位和手动复位相结合的方案,基本系统如图3-3所示。主要标明LM3S6%5的各种类型电源和地线管脚的连接方式。需要注意的是,对于不同类型的电源和地,处理方式应有所不同,具体描述如表3-1所示。图3-3中主要标明LM3S6965内部各类外设接口与具体功能电路间的引脚连接,包括SPI通信、调试接口、UART通信、以太网通信、LCD接口、按键等功能电路。表3-1LM3S6965电源/地管脚描述管脚描述VDDGND数字电源和地。为IO口提供3.3V数字供电电压和0V数字地VDDAGNDA模拟屯源和地。它们应当与LM3S6965的数字电源电压相同,但为了降低噪声和出错儿率,该电源应当与LM3S6965的数字电源隔离。VDD25内核电源电压LDO低压差稳压器输出电压。它可以被用来给控制器的大部份内部逻辑提供电源。在设计时,需与VDD25管脚相违,输出电压在2.25V～2.75V之内,可通过LDO功率控制器调节VCCPHYGNDPHY以太网PHY电压和低VBATRTC外设3.3V供电电压,由3.3V电源及外置电池供电3.3.2人机交互模块设计a、LCD液晶显示LM1095R液晶显示模块同LM3S6965的硬件连接如图3-3、图3-4所示。图3-4液晶显示模块与LM3S6965硬件迎接图LM1095R是一款192X128点阵中文/图形液晶显示模块,内置RA8803控制器。模块不仅可以显示单一的文本,还能显示图形。在文本模式下能够实现大小字体的混编(最大字体为64X64),在连续输入数据时,模块能够自动调节行距。使显示画面更加美观,大大节省用户的开发是时间。他的主要特点有:(1)单电源供电,内置升压电路；(2)白色LED背光；(3)高对比度,FSTN型LCD屏；(4)双图层内存(2X9.6K显示存储器)；(5)内嵌简体中文字库(7602个汉字)；(6)可自定义16个字符。LM1095R液晶显示器的结构框图如图3-5,管脚功能如表3-2所示。图3-5LM1095R结构框图表3-2LM1095R管脚描述管脚描述Vout电压调节输出管脚V0液晶参考电压管脚VDD数字电压5V管脚VSS数字电源地/CS片选信号管脚，低电平时，使能数据传输总线RS寄存器选择管脚/WR写入使能管脚、低电平有效/RD读出使能管脚、低电平有效DB0～DB7数据传输总线/RST复位管脚VBLA背光供电管脚b、按键设计键盘模块采用了5个独立按键来实现其功能,键盘操作是依据按键按下时引起信号的电平变化来判断具体哪个按键按下,然后执行相应的操作。这5个按键设计如图3七所示。tu按键设计按键功能如表3-3所示按键功能描述KEY1(ENTER键)进入菜单KEY2(UP键)向上移动光标KEY3(RIGHT键)向右移动光标KEY4(DO键)确认或修改参数KEY5(ESC键)返回上级菜单或跳出菜单3.3.3网络模块设计LM3S6965内置以太网控制器。以太网控制器由一个完全集成的媒体访问控制器(MAC)和网络物理(PHY)接口器件组成[I9],完全支持10BASE-T和100BASE-TX标准,只需要一个双路1:1隔离变压器[2】就能与线路相连。网络通信模块框图如图3-7所示。图3-7网络通信模块框图以太网控制器中的物理层(PHY)主要包括扰码器、解扰器、集成的编码解码器、全功能自协商功能和双速时钟恢复。发送器包含一个线路驱动器和一个片内脉冲整形器。接收器有一个自适应均衡器和一个校准时钟及恢复数据所需的基线恢复电路。PHY有一个片内晶体振荡器,这个振荡器也可由一个外部振荡器驱动。当由外振荡器驱动时,XTALNPHY和XTALPPHY管脚之间应接一个25MHz的晶体。同时,LM3S6965为PHY配置了2个LED信号,用来指示以太网控制器操作的各种状态。网络通信模块的设计如图3-3、3-8所示。图3-8网络通信模块设计3.3.5数据存数模块硬件设计数据存数模块包括两部分:时钟电路设计和SD卡接口设计1、时钟模块电路设计时钟模块现在越来越多得被应用到各种电路设计中,它能提供给系统准确的实时时钟。DS1302是DALLAS公司推出的一款高性能、低功耗的涓流充电时钟芯片,内含有一个实时时钟/日历和31字节静态RAM,它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时,且具有闰年补偿功能。时钟模块电路设计如图3-10所示DS1302具有双电源管脚,供主电源和备份电源供电,同时提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力。如图3-10所示,3V为DS1302的后备电源,由3V的纽扣电池供电,防止其主电源掉电时,内部数据丢失。DS1302与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信,仅需用到3根信号线:(1)RES(复位/片选线),(2)I/O(数据线),(3)SCLK(串行时钟)。DS1302管脚的功能如表3-5所示。表3-5DS1302管脚功能引脚号引脚名称引脚功能1VCC2主电源2、3X1，X2振荡源,外接32.768KHZ晶振4GND地线5RES复位/片选线6I/O串行数据输入/输出端(双向)7SCLK串行时钟输入端8VCC1后备电源2、SD卡与LM3S6965硬件接口设计SD卡(SecureDigitalMemoryCard)是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备,重量只有2克,但却拥有高记忆容量、快速数据传输率、极大的移动灵活性以及很好的安全性。目前在嵌入式系统中已取得越来越广泛的应用。对SD卡进行软硬件设计首先要选择SD卡的总线模式。SD卡有两种总线模式:SD总线模式和SPI总线模式[23]。本设计采用SPI模式。SD卡引脚共有9个。在SPI模式下,SD卡1-7号引脚依次为片选引脚SSEL,数据输入MOSI,电源地,电源引脚VDD,时钟信号SCK,电源地,数据输出MISO,8脚与9脚在SPI模式下保留。根据SPI总线通信的协议规定,要求SPI总线在空闲时应置于高电平状态,因此SSEL、MISO、MOSI、SCK引脚应外接10K上拉电阻。SD卡与LM3S6965的硬件接口如图3-11所示。3.3.6其他接口及电路1、道闸控制开关电路系统控制道闸关的电路设计如图3-12所示,其中Y1为道闸的开启管脚,Y2为关闭管脚,COM1和COM2为道闸的公共信号管脚。ULN2803是一款反向输出型芯片。当系统上电稳定后,ULN2803芯片的两个输入管脚为低电平,则对应的输出管脚为高电平,继电器不闭合。当ULN2803芯片的两个管脚为高电平时,继电器闭合,Yl、Y2管脚分别与其对应的公共信号管脚连接,则系统控制道闸开关。2、JTAG接口电路JTAG接口电路,如图3-13所示。单片机通过JTAG与主机的并口连接,先把程序下载到FLASH内,再进行调试,这样就更为方便地调试程序,节省了时间的同时也降低了成本。3.4无线通信的硬件设计3.4.1无线通信激励源硬件设计无线通信模块