1、毕业设计47桂林电子科技大学于飞利浦ARM7利用芯片LPC2132设计的十字路口智能交通灯引言纵观单片机的发展和应用， 51 单片机越来越无法满足用户的需求， ARM 高速 32位单片机的出现，缔造了嵌入式系统的新纪元.嵌入式系统是指以应用为中心，以计算机技术为基础，软件，硬件可裁减，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、和功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统已广泛地渗透到科学研究、工程设计、军事等各种领域、甚至商业、文化、艺术、及人们日常生活的方方面面。随着国内外各种嵌入式产品的进一步开发和推广，嵌入式技术的重要性日益凸显，使得我们不得不将注意力转移到它身上。ARM的应用已遍及工业控制
2、、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场。本论文就是基于飞利浦ARM7利用芯片LPC2132设计的十字路口智能交通灯。本文一开始就对ARM进行了一个较清晰的介绍，然后对本方案的确定，设计思路，十字路口智能交通灯的原理进行了系统化的阐述，并说明了所用到的主要函数的功能，同时对于本设计中所涉及到的算法也做了一一讲解。1 ARM概述究竟什么是ARM呢，他是英国一家电子公司的名字，全名的意思是Advanced RISC Machine。该公司成立于1990年11月，是苹果电脑，Acorn电脑集团和VLSI Technology的合资企业。Acorn曾推出世界上首个商用单芯片RISC
3、处理器，而苹果电脑当时希望将RISC技术应用于自身系统，ARM微处理器新标准因此应运生。1.1 ARM微处理器的应用领域及特点1.1.1应用领域到目前为止,ARM微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域：1、工业控制领域2、无线通讯领域3、网络应用4、消费类电子产品5、成像和安全产品除此以外,ARM微处理器及技术还应用到许多不同的领域,并会在将来取得更加广泛的应用。1.1.2ARM微处理器的特点采用RISC架构的ARM微处理器一般具有如下特点：(1)体积小、低功耗、低成本、高性能;(2)支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集,能很好的兼容8位/16位器件;(3)大量使用寄存器,指
4、令执行速度更快;(4)大多数数据操作都在寄存器中完成;(5)寻址方式灵活简单,执行效率高;(6)指令长度固定;1.2 ARM微处理器系列ARM微处理器目前包括下面几个系列,以及其它厂商基于ARM体系结构的处理器,除了具有ARM体系结构的共同特点以外,每一个系列的ARM微处理器都有各自的特点和应用领域。ARM7系列ARM9系列ARM9E系列ARM10E系列SecurCore系列Inter的XscaleInter的StrongARMARM7系列微处理器包括如下几种类型的核：ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ。其中,ARM7TMDI是目前使用最广泛的32位嵌入式RI
5、SC处理器,属低端ARM处理器核。TDMI的基本含义为：T：支持16位压缩指令集Thumb;D：支持片上Debug;M：内嵌硬件乘法器（Multiplier）I：嵌入式ICE,支持片上断点和调试点;ARM微处理器的寄存器结构：ARM处理器共有37个寄存器,被分为若干个组（BANK）,这些寄存器包括：31个通用寄存器,包括程序计数器（PC指针）,均为32位的寄存器。6个状态寄存器,用以标识CPU的工作状态及程序的运行状态,均为32位,目前只使用了其中的一部分。同时,ARM处理器又有7种不同的处理器模式,在每一种处理器模式下均有一组相应的寄存器与之对应。即在任意一种处理器模式下,可访问的寄存器包括
6、15个通用寄存器（R0R14）、一至二个状态寄存器和程序计数器。在所有的寄存器中,有些是在7种处理器模式下共用的同一个物理寄存器,而有些寄存器则是在不同的处理器模式下有不同的物理寄存器。1.3 LPC2132芯片介绍LPC2132微控制器是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的16/32位ARM7TDMI-S CPU，并带有32kB、64kB、128kB、256kB和512kB嵌入的高速Flash存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30%，而性能的损失却很小。LPC2132包含一
7、个支持仿真的ARM7TDMI-SCPU、与片内存储器控制器接口的ARM7局部总线、与中断控制器接口的AMBA 高性能总线（AHB）和连接片内外设功能的VLSI外设总线（VPB，ARMAMBA总线的兼容超集）。LPC2131/2132/2138将ARM7TDMI-S配置为小端（little-endian）字节顺序。2 交通灯系统分析本组成员用了3天的时间分析了桂林市交通控制与管理问题的现状，结合交通的实际情况阐述了交通灯控制系统的工作原理，给出了一种简单实用的城市交通灯控制系统的硬件电路设计方案。随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需
8、要解决的重要问题之一。城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。2.1 软件系统启动过程ARM的有一特别之处在于其启动过程与众不同，启动程序的流程如下：(1)设置入口指针(2)设置中断向量(3)初始化堆栈和寄存器(4)初始化存储器系统(5)如果有必要改变处理器模式、状态可在此处将系统改为用户模式并初始化用户的堆栈指针。(6)初始化C语言所需要的存储器空间(7)呼叫C语言2.2 方案确定电源方案：因为本次实训是将LPCEB2000-I实验板的子板取下插到我们所做的交通灯电路板中，所以我们所用的电源是LPC
9、EB2000-I实验板本身的电源。显示方案：十字路口交通灯是面向四个方向的，然而每个方向需要2个单个的数码管来显示倒计时，所有我们用了8个单个的数码管来分别显示倒计时的各位和十位。LED控制方案：我们在四个方向都设置了红、绿、黄色信号灯。由于我们没有找到四种不同颜色的LED，所以每个路口用了两盏红灯表示两种功能。一种是红灯亮表示禁止通行，另一种是红灯亮表示左转通行，绿色灯亮表示直行通行，在绿灯变红灯时先要求绿灯闪烁几秒钟，以便让停车线以外的车辆停止运行。黄灯表示行人可以通行。2.3 交通灯工作原理：有一个主干道和一个支干道的十字路口，每边都设置了红、绿、黄色信号灯。红灯亮表示禁止通行，绿灯亮表
10、示可以通行，在绿灯变红灯时先要求黄灯亮几秒钟，以便让停车线以外的车辆停止运行。主干道上绿灯亮时，支干道上红灯亮，20秒后主干道上黄灯亮，支干道仍为红灯，3秒后主干道上变红灯，支干道上变绿灯，20秒后主干道上仍为红灯，支干道上变黄灯，3秒后主干道上又变回绿灯，支干道上变回红灯，如此反复。用计数器实现状态的变换，用减法计数器实现时间的倒计。要实现上述交通信号灯的控制，则要求电源电路，LED显示电路，数码管电路及LPCEB2000-I的子板等几部分组成。3 主要函数分析及程序流程3.1 主要函数寄存器分析IOPINGPIO管脚值寄存器。不管方向和模式如何设定，管脚的当前状态都可从该寄存器中读出。只读
11、，复位值：NAPORT0 地址&名称：0xE0028000 IO0PINPORT1 地址&名称：0xE0028010 IO1PINIOSET是GPIO输出置位寄存器。该寄存器和IOCLR寄存器一起控制输出管脚的状态。写入1使对应管脚输出高电平。写入0无效。可用于读/写，复位值：0x0000 0000PORT0 地址&名称：0xE0028004 IO0SETPORT1 地址&名称：0xE0028014 IO1SETIODIRGPIO方向控制寄存器。该寄存器单独控制每个I/O口的方向。可用于读/写，复位值：0x0000 0000PORT0 地址&名称：0xE0028008 IO0DIRPORT1
12、地址&名称：0xE0028018 IO1DIRIOCLRGPIO输出清零寄存器。该寄存器控制输出管脚的状态。写入1使对应管脚输出低电平并清零IOSET寄存器中的对应位。写入0无效。只读，复位值：0x0000 0000PORT0 地址&名称：0xE002800C IO0DIRPORT1 地址&名称：0xE002801C IO1DIRGPIO使用注意事项:例：顺序访问IOSET和IOCLR寄存器对同一个GPIO 管脚/位的影响。GPIO管脚配置的输出状态由写入IOSET 和IOCLR 寄存器的值决定。IOSET/IOCLR两者中后访问的寄存器将决定管脚的最终输出状态。代码如下：IO0DIR = 0
13、x0000 0080 ; P0.7 配置用作输出IO0CLR = 0x0000 0080 ; P0.7 输出为低IO0SET = 0x0000 0080 ; P0.7 输出为高IO0CLR = 0x0000 0080 ; P0.7 输出为低先将P0.7设置成输出（写IO0DIR寄存器）；然后，P0.7输出设为低电平（先写IO0CLR寄存器）；接着，P0.7管脚上出现短高电平脉冲（写IO0SET）；最后，写IO0CLR寄存器又将P0.7输出设置成低电平。3.2 程序流程图主函数流程：软件计数赋值指示灯初始化显示初始化显示扫描1秒到秒计数清零软件计数减1熄灭数码管调用十字路口1程序调用十字路口1程
14、序十字路口子程序：J=1softcounter30数码管显示20秒倒计时1路口左转灯亮2路口的红灯亮Softcounter=30 Y数码管显示30秒倒计时左转1灯灭绿灯1亮黄灯1亮Softcounter=1Y J=0 绿灯1灭红灯2灭黄灯1灭softcounter=51END4 调试步骤这次实训我们用的是Keil uVision3来编写程序，而且不是用汇编，是用的C语言来编写的，其目的就是可读性比较好，灵活性好，便于调试软件的时候好及时修改，同时也利于本组成员理解程序。我们所用的LPC2132芯片是基于LPCEB2000-I实验板的子板，调试的时候，我们就将子板插入到所做的十字路口智能交通灯的
15、系统板中，然后通过飞利浦的烧录软件LPC210x_ISP将程序写进板中。首先十字路口电路板的电源，然后打开Keil uVision3软件，把写好的程序输入进去，编译成功后，打开烧录软件LPC210x_ISP，点击“Read Device ID”在弹出的对话框后点“确定”，烧录软件就会自动识别电路板了。在左下角显示“File upload successfully completed”后，输入编译文件的路径，点击“Upload to flash”，就可以成功将程序写入电路板了。第一次烧录程序后发现数码管出现的代码不对，有点乱，于是我们组的成员聚集起来一起研究原理图，后来发现少了一个10K的电阻和
16、一个烧录程序的开关。我们立即修改电路，然后上电烧录，之前的情况就没有出现了。但是LED却显示不正常，我们濒临绝望，身心都极其疲惫，但还好我们坚持不懈，继续研究原理图，对照LPC2132资料上的原理图一步一步检查，思考路线。最终检查发现是P0口的线路接错了，更正电路之后再调试，我们的电路板终于成功了。5 结论短短三周的实训眨眼就过去了，回想起第一天拿到课题时的那份茫然已全然消失了，如今只有收获的喜悦。经过本次实训，我深刻体会到了团队合作的精神时多么的重要。我，凤萍，燕青，莫玄飞，我们四个一组，在三周内所要完成的任务就是要做一个基于嵌入式飞利浦公司的ARM7的LPC2132芯片的十字路口智能交通灯
17、控制系统。前面几天我们拿到课题的时候无从下手，百思不得其解，后来来请教了指导老师，老师让我们实地考察，带着笔记本电脑去桂林市的十字路口观察交通状况，再分析程序流程。于是经过几天的构思与方案确定，我们决定用4个LED发光二极管分别表示车辆的左转，直走，停止，行人通行。同时用了八个单个的数码管显示四个方向的倒计时。在整个实训期间，我们最困难，最受挑战的时候就是在画PCB的时候，因为我们用的是单个的数码管，有8个，所有布线非常的繁琐，也是最耗体力的一项工作，然而这个步骤是凤萍做的，她费了好大的精力才把板布好线，可是我们的板太大了在打印的时候又出现了新的问题，就是一张纸根本打印不下，于是，我们又连夜修
18、改PCB排版，布线，最终才得以顺利打印出来。相对硬件部分而言，我们的软件步骤没有那么伤脑筋，不用处处小心翼翼。在编制程序的时候我们组的成员分工进行，燕青和莫玄飞在平房焊电路板，而我和凤萍就在EDA实验室编写程序和收集论文资料。嵌入式是个还正在普及的技术，精通的人并不多，然而我们有这样的一个实训机会，可真的算得上时宝贵。经过这次实训，我也学到了很多嵌入式的知识。比如说，嵌入式的启动过程，这是它与众不同的一点，一共有七个步骤；我们是用C语言编写程序的，因为它的灵活性比较大，而且比汇编更加容易；对与LPC2132的各个寄存器，I/O口，我都有了更明确的理解。同时我认为我们的工作是一个团队的工作，团队
19、需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。某个人的离群都可能导致整项工作的失败。实训中只有一个人知道原理是远远不够的，必须让每个人都知道，否则一个人的错误，就有可能导致整个工作失败。团结协作是我们实习成功的一项非常重要的保证。而这次实训也正好锻炼我们这一点，这也是非常宝贵的。对我们而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次实训必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！谢 辞在这次实训中，我得到了卜老师和各位老师的大力指导，得以按时成功完成作品，从中也学到了大量的实践知识，对嵌入式的认识从感性上升到理性，在今后的日子里，我将会再接再厉，努力充实自己。最后，我在此衷心向各位帮助过我的老师和同学们致谢！参考文献1 田泽.嵌入式开发与应用M.北京：北京航空航天大学出版社，2005：9296.2 孙红波. ARM与嵌入式技术M.北京：电子工业出版社，2007：5053.3 周立功等. 深入浅出ARM7LPC213x/214x.M.北京：北京航空航天大学出版社，2006：8099.附 录
