LED交通屏控制器的設(shè)計與應用

金　星，賈　鑫，劉　俊

(中海網(wǎng)絡(luò)科技股份有限公司，上海 200135)

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LED交通屏控制器的設(shè)計與應用

金星，賈鑫，劉俊

(中海網(wǎng)絡(luò)科技股份有限公司，上海 200135)

針對LED交通屏在我國高速公路、城市快速路及地面道路等交通監(jiān)控領(lǐng)域廣泛應用的現(xiàn)狀，基于Cortex-M4芯片和Cyclone IV芯片研究開發(fā)一款全功能的LED交通屏控制器。介紹該LED交通屏控制器的核心芯片、整體架構(gòu)及其在交通路況顯示控制方面的實現(xiàn)方法。經(jīng)相關(guān)部門檢測，該控制器性能優(yōu)異、實際運行穩(wěn)定，運用該控制器是一種有效、可行的LED交通顯示屏控制方案。

智慧城市； 智能交通； ARM； FPGA； 交通路況顯示控制

0　引　言

自1923年LED顯示屏誕生以來，其相關(guān)技術(shù)隨著電子工業(yè)的快速發(fā)展而得到不斷提高。因其具有亮度高、功耗小、驅(qū)動簡單、耐沖擊、工作電壓低、易于集成、壽命長和性能穩(wěn)定等優(yōu)點而受到廣泛關(guān)注，有著極為廣闊的發(fā)展前景。

LED顯示屏在高速公路、城市快速路、道路交叉口等交通監(jiān)控領(lǐng)域均有著廣泛運用，被稱為LED交通屏。其在高速公路上應用時主要包含以下功能：

(1) 根據(jù)與交通引導信息發(fā)布系統(tǒng)聯(lián)動的卡口監(jiān)控系統(tǒng)提供的監(jiān)控數(shù)據(jù)，發(fā)布其管轄范圍內(nèi)行駛車輛的超速違章等信息；

(2) 可變成情報板，為駕駛?cè)藛T提供目前的路況信息，如前方施工、車禍地點、強風、濃霧等警示標語；

(3) 可顯示簡單的圖形、限速值等，以便駕駛?cè)藛T能更好地掌握目前的路況；

(4) 作為城市道路指示，以避免因道路不熟而走錯及發(fā)生交通阻塞，減少交通事故發(fā)生；

(5) 利用實時動態(tài)交通分配和交通流預測理論及LED交通指示牌為出行者提供到達目的地的最優(yōu)路線；

(6) 發(fā)布人性化的友好提示信息，如謹慎駕駛、注意安全、請不要疲勞駕駛、熱烈歡迎領(lǐng)導來視察指導工作、慶祝國慶等。

1　LED交通屏控制器核心芯片研究

1.1主處理器芯片

LED交通屏的核心技術(shù)主要集中在控制器，目前大部分異步顯示屏主處理器采用的芯片都是單片機、ARM7或Cortex-M3系列芯片。

1) 單片機系列芯片(MCS-51等)具有小體積、低功耗、低成本的優(yōu)點，集成了8位CPU，擁有4 000字節(jié)ROM、128字節(jié)RAM、4個8位并口、1個全雙工串行口和2個16位定時/計數(shù)器；適合于紅綠LED燈、道路LED指示標志燈等比較簡單的LED顯示屏。

2) Classic系列芯片(通用處理器ARM7)具有小體積、低功耗、低成本、低電壓損耗和快速中斷響應的優(yōu)點，擁有32位的RISC結(jié)構(gòu)處理器和高性能RISC，適用于實時系統(tǒng)，支持虛擬內(nèi)存、簡單但功能強大的指令系統(tǒng)，支持SRAM內(nèi)存，但不支持SDRAM和DDR-SDRAM；普通應用于路口單雙色LED顯示屏。

3) Cortex-M3系列芯片(嵌入式處理器)在“Classic系列”基礎(chǔ)之上強化其控制能力和電源管理，具有強大的中斷管理、高代碼密度和低功耗等特點，適合跑裸機程序，支持SRAM內(nèi)存，但不支持SDRAM和DDR-SDRAM；可應用于高速公路、城市道路等環(huán)境較惡劣的單雙色LED交通屏。

綜合以上處理器的特點，不同的控制芯片在不同的較低屏上均有使用。然而，以上控制芯片受ARM微處理器的處理速度、體系架構(gòu)和大容量SDRAM接口等的限制，很難在較大像素點陣、較高顯示內(nèi)容幀頻和較復雜動態(tài)顯示效果的情況下有完美動態(tài)顯示效果。

基礎(chǔ)性能指“處理器的整數(shù)運算能力”，是處理器最重要的指標，一般用MIPS(Million Instructions executed Per Second )表示，即“每秒可以執(zhí)行的百萬條指令數(shù)”。表1列出了常見工業(yè)級ARM處理器的基礎(chǔ)性能(以面世的時間為順序，下同)。

表1　常見工業(yè)級ARM處理器的基礎(chǔ)性能

由表1可知，ARM7的性能最差，Cortex-A8的性能最好。

代碼執(zhí)行速度反映了“處理器在相同主頻下的整數(shù)運算能力”，指處理器運算能力與主頻的比值，一般用MIPS/MHz表示，即“每兆赫茲每秒可以執(zhí)行的百萬條指令數(shù)”。表2列出了常見工業(yè)級ARM處理器的代碼執(zhí)行速度。

表2　常見工業(yè)級ARM處理器的代碼執(zhí)行速度

由表2可知，ARM7的代碼執(zhí)行速度最慢，Cortex-A8的代碼執(zhí)行速度最快。代碼執(zhí)行速度與ARM的架構(gòu)密切相關(guān)，采用新架構(gòu)ARM的代碼執(zhí)行速度明顯優(yōu)于采用舊架構(gòu)ARM的代碼執(zhí)行速度。

對于高分辨率、高刷新率的全彩LED交通顯示屏，控制器需擁有較大內(nèi)存來處理與交換顯示的數(shù)據(jù)。以QVGA的三色屏為例，其內(nèi)存最小值為230.4 KB，若再加上程序所占用的內(nèi)存，則最少需要384 KB的內(nèi)存。而目前幾乎所有ARM處理器的內(nèi)部RAM都無法滿足此要求，因此必須增加外擴隨機存取存儲器(Random Access Memory, RAM)。常見的RAM類型有SRAM、SDRAM和DDR-SDRAM等3種。雖然幾乎所有的ARM處理器都支持SRAM內(nèi)存，但工業(yè)級大容量SRAM的價格極其昂貴，設(shè)計產(chǎn)品時一般不考慮，因此一般選擇支持SDRAM或DDR-SDRRAM的ARM處理器。由于ARM7、Cortex-M3不支持SDRAM及DDR-SDRAM，因此選擇ARM9或Cortex-M4之后的ARM處理器。

“Cortex-A系列”與“Cortex-M系列”相比中斷管理簡單、實時性較差，不適合室外惡劣環(huán)境。因此，“Cortex-M4系列”芯片是目前最適用于高分辨率、高刷新率的全彩LED交通顯示屏控制器的芯片。Cortex-M4系列芯片的主要性能見表3。

表3　Cortex-M4系列芯片主要性能

1.2協(xié)處理器芯片

控制器中協(xié)處理器采用CPLD/FPGA。ARM負責顯示數(shù)據(jù)的生成，通過“雙向類SRAM接口”把這些數(shù)據(jù)發(fā)送給CPLD/FPGA；CPLD/FPGA通過2片“雙向SDRAM接口”將接收到的顯示數(shù)據(jù)保存到SDRAM中并發(fā)送給“輸出單元”。ARM與CPLD/FPGA協(xié)同工作的框架見圖1。

圖1　ARM與CPLD/FPGA協(xié)同工作的框架

控制器包含1個“雙向類SRAM接口”、2個“雙向SDRAM接口”、1個“輸出單元”和1個“輸入單元”，故協(xié)處理器至少需要12 000～15 000個邏輯單元、170個用戶I/O。

FPGA器件相比CPLD器件具有更高的集成度、更復雜的布線結(jié)構(gòu)和邏輯實現(xiàn)；同時，在FPGA中有較多的軟核可供使用。使用軟核可極大地提高設(shè)計的穩(wěn)定性并減少邏輯單元的使用。

2　LED交通屏控制器整體架構(gòu)

2.1硬件架構(gòu)

圖2　LED交通屏控制器硬件原理示意圖

LED交通屏控制器硬件包括“最小系統(tǒng)”、“存儲單元”、“通信單元”、“音頻單元”、“顯示單元”和“其它單元”等六大部分。

2.1.1最小系統(tǒng)

最小系統(tǒng)為系統(tǒng)正常運行所需要的最小硬件環(huán)境，包括ARM處理器、SDRAM與JTAG調(diào)試接口及晶振等外圍輔助電路。

2.1.2存儲單元

(1) NAND FLASH為系統(tǒng)提供大容量的非易失存儲空間，可用來保存字庫、圖片、音頻和視頻文件等。

(2) EEPROM用來保存系統(tǒng)的配置信息，如設(shè)備編號、系統(tǒng)版本號、MAC地址、IP地址等不需要經(jīng)常改變的數(shù)據(jù)。

(3) SD CARD為系統(tǒng)提供可移動的存儲空間，可用來保存ARM和FPGA的升級文件等。

(4) USB OTG為系統(tǒng)提供USB OTG接口，以便外接U盤等USB接口的存儲設(shè)備。

2.1.3通信單元

(1) ETHERNET為系統(tǒng)提供以太網(wǎng)通信，可實現(xiàn)控制命令的接收與發(fā)送、音頻與視頻流的接收與發(fā)送及系統(tǒng)升級等功能；此外，其還提供使用以太網(wǎng)的第三方通信協(xié)議的支持。

(2) RS232與RS485為系統(tǒng)提供串口通信，方便串口設(shè)備的接入。

(3) GSM/GPRS為系統(tǒng)提供2G/2.5G移動通信支持。

2.1.4音頻單元

音頻單元為系統(tǒng)提供音頻播放功能，包括語音播報、語音報警、視頻中音軌播放等。

2.1.5顯示單元

顯示單元通過FPGA協(xié)處理器將ARM處理器輸出的顯示數(shù)據(jù)發(fā)送給LED顯示屏，同時負責回收LED顯示屏上的錯誤數(shù)據(jù)，并將最終數(shù)據(jù)返回給ARM處理器作后續(xù)處理。

2.1.6其他單元

(1) RTC單元為系統(tǒng)提供實時的時間與日期信息；

(2) GPS單元為系統(tǒng)提供地理位置信息；

(3) I/O單元為系統(tǒng)提供數(shù)字量的輸出(如I/O信號的輸出)，可用來控制繼電器等；

(4) ADC單元為系統(tǒng)提供模擬量的捕獲，可用來檢測電壓等；

(5) 溫濕度單元為系統(tǒng)提供環(huán)境的溫度和濕度信息；

(6) 程序燒寫單元為ARM和FPGA程序的燒寫提供接口。

2.2軟件架構(gòu)

LED交通屏控制器軟件部分示意圖見圖3，采用層次化、模塊化設(shè)計。其根據(jù)顯示數(shù)據(jù)流的方向分為“應用層”“驅(qū)動層”和“輸出層”等3個層次。

圖3　LED交通屏控制器軟件部分示意圖

(1) “應用層”根據(jù)顯示效果生成“原始顯示數(shù)據(jù)”；此外，對來自“驅(qū)動層”的“輸入錯誤數(shù)據(jù)”進行相應處理并生成LED顯示屏故障檢測結(jié)果。

(2) “驅(qū)動層”將來自“應用層”的“原始顯示數(shù)據(jù)”編碼為符合驅(qū)動芯片時序的數(shù)據(jù)，即生成 “輸出顯示數(shù)據(jù)”；此外，將從FPGA中獲取到的LED顯示屏錯誤回收數(shù)據(jù)生成“原始錯誤數(shù)據(jù)”。

(3) “輸出層”將來自“驅(qū)動層”的“輸出顯示數(shù)據(jù)”通過FPGA發(fā)送給LED顯示屏；此外，將來自“輸出層”的“原始錯誤數(shù)據(jù)”解碼為符合內(nèi)存分布的數(shù)據(jù)，即生成“輸入錯誤數(shù)據(jù)”。

程序主框圖見圖4。

圖4　程序主框圖

當LED交通屏控制器接收到數(shù)據(jù)并放置堆棧中時，下一步就需要對堆棧中的數(shù)據(jù)進行分析重組。例如：對接收到的數(shù)據(jù)進行數(shù)學計算，判斷發(fā)送來的數(shù)據(jù)是不是給本顯示屏的數(shù)據(jù)，分析出是何種命令，根據(jù)具體的命令對接收到的數(shù)據(jù)進行結(jié)構(gòu)組建，以便能夠有序地向顯示屏驅(qū)動電路發(fā)送數(shù)據(jù)和控制信號。具體的數(shù)據(jù)解析流程見圖5。

當程序?qū)γ畹念愋妥鞒雠袆e后，須對不同的命令采用不同的處理方法。以寫命令為例：程序首先判斷發(fā)送來的數(shù)據(jù)的大小和本顯示屏的大小是否相符，只有在相符時程序才把與顯示相關(guān)的參數(shù)放到預先設(shè)置的結(jié)構(gòu)體中，并建立以此種結(jié)構(gòu)體為節(jié)點的單向循環(huán)鏈表，每個節(jié)點就是顯示屏內(nèi)容的依據(jù)，其他的相關(guān)命令與此類似。寫命令類型處理流程見圖6。

圖5　具體數(shù)據(jù)解析流程

圖6　寫命令類型處理流程圖

3　LED交通屏的交通路況顯示控制

3.1道路交通狀況說明

LED交通屏不僅能夠顯示道路文字指示，而且可以根據(jù)中心發(fā)送的指令顯示當前路段的通行狀態(tài)，從而方便道路使用者選擇最佳的線路。

3.2交通屏與道路交通路況交互的設(shè)計

在LED交通屏正式使用之前，需將交通道路顯示圖與顯示分段數(shù)據(jù)(見圖7)燒錄至控制器。

圖7　交通道路顯示圖與顯示分段數(shù)據(jù)

3.2.1燒錄協(xié)議

表4為燒錄軟件與LED交通屏控制器之間交互的簡易通訊協(xié)議。

表4　燒錄軟件與LED交通屏控制器交互簡易通訊協(xié)議

(1) 包頭:包頭字段標記1個數(shù)據(jù)包的開始。

(2) 長度:長度字段指功能字段字節(jié)長度與數(shù)據(jù)字段字節(jié)長度之和。

(3) 功能：功能字段標記當前數(shù)據(jù)包的功能，不同功能的數(shù)據(jù)包中的有效數(shù)據(jù)代表的意義不同(0x00000001表示清除所有圖片光帶信息數(shù)據(jù)；0x00000002表示清除某個圖片光帶信息數(shù)據(jù)；0x00000003表示寫入某個圖片光帶信息數(shù)據(jù)；0x00000004表示讀出某個圖片光帶信息數(shù)據(jù))。

(4) 數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)字段指要傳送的有用數(shù)據(jù)。

(5) 校驗：校驗字段用來判斷數(shù)據(jù)包是否完整有效，算法采用CRC32，校驗的數(shù)據(jù)包括長度字段。

(6) 包尾：包尾字段標記一個數(shù)據(jù)包的結(jié)束。

3.2.2軟件界面

燒錄軟件界面見圖8。首先根據(jù)實際交通道路顯示圖制作同比例像素點陣大小的圖片；其次用不同顏色標記實際不同路段，并把各路段顏色記錄在表格中；最后在軟件界面填寫對應參數(shù)，對各路段進行數(shù)據(jù)燒錄。

圖8　軟件界面

圖9

上位機程序框圖見圖9。

4　結(jié)　語

研究和設(shè)計了以Cortex-M4系列中工業(yè)級芯片為主處理器、以Cyclone IV系列工業(yè)級芯片為協(xié)處理器的LED交通顯示屏控制器。具體分析了該控制器的控制平臺選擇、硬件架構(gòu)、軟件實現(xiàn)方式和交通路況顯示。

經(jīng)相關(guān)行業(yè)檢測部門檢測，該控制器性能優(yōu)異、生產(chǎn)成本低、實際運行穩(wěn)定，運用該控制器是一種可行、有效的LED交通顯示屏控制方案。由該控制器控制的LED交通顯示屏相比其他常規(guī)交通屏控制器控制的LED交通顯示屏有較大的性能提升，不僅滿足目前的實際使用，而且有助于行業(yè)產(chǎn)品性能的普遍提升，可為全國智慧城市、智能交通提供優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品服務。

[1]吳厚航. 深入淺出玩轉(zhuǎn)FPGA[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2010.

[2]奚海蛟，童強,林慶峰. ARM Cortex-M4體系結(jié)構(gòu)與外設(shè)接口實戰(zhàn)開發(fā)[M]. 北京： 電子工業(yè)出版社，2014.

[3]陳艷華，候安華，劉盼盼. 基于ARM 的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與實例[M]. 北京： 人民郵電出版社，2008.

[4]張燕,蔡伯根．城市交通信息發(fā)布系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]．北京交通大學學報，2007，31(5)：53-57．

Design of LED Traffic Display Controller

JIN Xing,JIA Xin,LIU Jun

(ChinaShippingNetworkTechnologyCo.,Ltd,ShangHai200135,China)

A multi-function controller for the LED traffic electronic display of traffic monitoring systems for the highway and the urban elevated/ surface road is designed with a Cortex-M4 chip and a Cyclone IV chip. The architecture of the controller and the implementation of the strategy for traffic flow control are introduced.

smart city; ITS; ARM; FPGA; traffic condition display control

2015-09-10

金星(1987—)，男，江蘇揚州人，工程師。主要研究方向為嵌入式控制。

1674-5949(2016)01-062-07

TN873； U495

A