《嵌入式系统开发-基于ZigBee技术智能交通灯的设计与实现》课程设计.doc

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1、 嵌入式系统开发嵌入式系统开发 课程设计课程设计 （题目：基于（题目：基于 ZigBeeZigBee 技术智能交通灯的设计与实技术智能交通灯的设计与实 现）现） 院 （系） 信息工程学院 专 业 班 级 学 生 姓 名 学 号 设 计 地 点 13 号楼 605 指 导 教 师 起止时间：2014 年 11 月 3 日至 2014 年 11 月 14 日 安徽新华学院嵌入式系统开发课程设计 基于基于 ZigBeeZigBee 技术智能交通灯的设计与实现技术智能交通灯的设计与实现 摘 要 本文基于嵌入式系统和 ZigBee 技术的智能交通灯系统的设计并实现了 功能。主要是通过 LED 矩阵显示东

2、西方向及南北方向导通，蜂鸣器的间断发声 作为通行提示音，数码管的倒计时标志着通行时间。通过该系统实现车辆的直 线通行和转弯、方向变换的提醒、车辆注意时间是否足够通行。通过传感器检 测车流量实现合理的红灯时间，缓解交通压力，确保为十字路口的交通安全提 供了保障。 关键词：嵌入式系统 ； ZigBee ； 智能交通灯；传感器 Based on the embedded system and the design and implementation of intelligent traffic light of ZigBee Abstract In this paper, based on the

3、 embedded system and ZigBee technology of intelligent traffic system was designed and implemented. Mainly by dot matrix display straight arrow arrow and curve, use the arrow to indicate traffic direction, buzzer of discontinuous voice prompt as impassable, digital tube countdown marks the passage of

4、 time. Through the system to realize the linear passage of vehicles and alert, vehicle time, direction turning transform enough traffic. Has provided the safeguard for intersection traffic safety. Key words: embedded system ZigBee intelligent traffic lights 目目 录录 1 综述综述1 1.1 嵌入式系统简介 .1 1.1.1 嵌入式开发环境

5、1 1.1.2 嵌入式 Linux 操作系统的应用2 1.2 ZIGBEE技术简介.3 1.2.1 ZigBee 技术介绍.3 1.2.2 ZigBee 的应用现状.5 1.2.3 ZigBee 技术的应用前景.6 1.2.4 ZigBee 技术的优点与不足.7 2 搭建平台搭建平台9 2.1 虚拟机概述.9 2.2 LINUX系统.9 2.3 虚拟机安装 LINUX系统10 2.4 超级终端的设定 .11 3 硬件设计硬件设计.13 3.1 ARM 实验箱简介 .13 3.2 数码管倒计时显示硬件设计15 3.3 点阵显示硬件设计15 3.4 蜂鸣器设计16 4 功能实现功能实现 17 4.

6、1 ZIGBEE模块 LED 矩阵的功能 .17 4.2 ZIGBEE模块上数码管功能实现19 4.3 ZIGBEE模块上蜂鸣器功能实现21 5 测试结果与分析测试结果与分析23 5.1 代码的测试与分析 .23 5.1.1 优化代码的功能.23 5.1.2 虚拟机上程序的挂载24 5.1.3 超级终端上程序挂载24 5.1.4 测试结果与分析.25 6 实验总结实验总结 26 致致 谢谢27 参考文献参考文献28 附件附件 1 1.29 附件附件 2 243 1 1 1 综述综述 嵌入式系统一般指非 PC 系统，有计算机功能但又不称之为计算机的设备或 器材。它是以应用为中心，软硬件可裁减的，

7、适应应用系统对功能、可靠性、 成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统主要由嵌 入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等 4 个部 分组成，它是集软硬件于一体的可独立工作的“器件“。 1.1 嵌入式系统简介 随着计算机技术和微电子技术的迅速发展，嵌入式系统应用 领域越来越广 泛。当今，嵌入式系统已成为一个时髦的名词，就像当初的计算机热潮，似乎 比当初的计算机热潮涉及的领域更广泛，应用技术人员更多，相关国民经济产 值也更庞大。报纸、杂志、网络都把嵌入式系统当作讨论的热门话题1。嵌入 式系统的软件部分包括操作系统软件(要求实时和多任务操作)和应用程序编程。

8、 操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用，而应用程序控制着系统的运 作和行为。嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是 嵌入式系统(包括硬、软件系统)极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的 底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协 议、图形界面、标准化浏览 器等。嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点，如能够有效管理越来越 复杂的系统资源；能够把硬件虚拟化，使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和 维护中解脱出来；能够提供库函数、驱动程序、工具集以及应用程序。与通用 操作系统相比较，嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软 件固态化以及应用的专用性等方面具有

9、较为突出的特点。 1.1.1 嵌入式开发环境 一个嵌入式系统的开发环境一般包括嵌入式目标板、开发用的宿主 PC 机和 硬件调试器，他们之间通过串口、JTAG 或 BDM 等调试接口和网络等接口互相连 接。其中，嵌入式软件系统运行于嵌入式目标板上，这些软件所对应的程序开 2 发和编译在宿主机上运行，程序的调试则由宿主机通过硬件调试器控制目标机 执行相应的操作实现。在运行嵌入式 Linux 的系统时，硬件调试器只在 Bootloader 程序开发以及 Linux 内核移植时有可能需要使用。应用程序的开发 通常是 Linux 操作系统在嵌入式目标机上运行起来之后进行2。此时，更多的 是在宿主机上使用

10、 GDB 通过网络与目标板通信，进行程序的调试。也就是硬件 调试器多在底层软件开发调试时使用，对于应用程序的开发调试通常使用其他 手段。嵌入式 Linux 操作系统开发的第一步就是在宿主机上建立交叉开发所需 的交叉编译环境。交叉编译环境的建立主要是在宿主机上安装交叉编译工具 Cross-gcc。Cross-gcc 工具链通常是使用别人已经编译好的交叉编译的 GCC 工 具链。 在交叉编译环境建立好之后，就可以在宿主机上利用交叉编译环境构造一 个嵌入式 Linux 系统。Linux 操作系统是由 Linux 内核和应用程序两大部分组 成。Linux 内核的开发主要是根据实际的需要进行内核裁剪和配

11、置，然后用交 叉编译器编译生成内核的二进制文件映像。对于许多自行设计的嵌入式系统， 内核的开发还包括根据实际的硬件系统进行内核和外设驱动程序的移植开发。 应用程序 通常都放在 Linux 的根文件系统中。根文件系统主要存放了嵌入式 的配置文件、设备文件、应用程序、动态链接库以及其他一些相关的程序和文 件。通常最初的根文件系统只是一个基本的根文件系统，只包含了一些必要的 系统支撑程序。 在宿主机 PC 机上完成嵌入式 Linux 软件系统的构建之 后，就在嵌入式硬件系统上测试、运行构造好的嵌入式 Linux 软件系统。其中， 测试工作需要在宿主机上通过远程终端操控嵌入式开发板完成。通常在嵌入式

12、开发板上存在一个内核的引导加载程序，它用于硬件的初始化，给用户提供一 个操作界面，将嵌入式 Linux 加载到内存中运行。除此之外，它对于嵌入式 Linux 系统的开发调试也起到很大的作用。一个基本的嵌入式 Linux 系统在目 标板上运行起来之后，就要进行程序移植开发和调试。 1.1.2 嵌入式 Linux 操作系统的应用 由于 Linux 具有对各种设备的广泛支持性，因此，能方便地应用在机顶盒、 IA 设备、PDA、掌上电脑、WAP 手机、寻呼机、车载 盒以及工业控制等智能 3 信息产品中。 1.2 ZigBee 技术简介 ZigBee 技术是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术，其物

13、理层和 数据链路层协议为 IEEE 802.15.4 协议标准，网络层和安全层由 ZigBee 联盟制 定，应用层的开发应用根据用户的应用需要，对其进行开发利用，因此该技术 能够为用户提供机动、灵活的组网方式。 1.2.1 ZigBee 技术介绍 ZigBee 技术主要用于低数据传输速率并且传输距离要求不是很远的各种通 信设备之间。ZigBee 的名字主要来源于蜜蜂通过跳 ZigZag 形状的舞蹈来传递 所发现的食物的位置、距离和方向等信息一只一只的传递下去此种技术与蜜蜂 的这种通信方式相类似。ZigBee 联盟则于 2001 年成立而在 2002 年下半年以 及四大半导体公司共同宣布加盟 Z

14、igBee 技术联盟以研发名为“ZigBee”的新一 代无线通信标准而在 2006 年作为中国通信行业龙头的华为公司亦加入了此联盟。 截至目前该联盟大约已有约 27 家成员企业所有这些公司都参加了负责开发 ZigBee 协议物理层和媒体控制层技术标准的工作组。ZigBee 联盟负责开发网络 层及以上的协议。ZigBee 协议则比蓝牙技术、高速率个人区域网或 802.11x 无 线局域网等技术更简单而实用。ZigBee 使用的是波段采用了跳频技术这和蓝牙 技术相似可以说是同族兄弟了。但相比之下 ZigBee 协议比蓝牙更简单、速率更 慢、功率及费用也更低。ZigBee 的基本速率是传输半径可扩大

15、到 400 米并可得 到更低的功耗和更高的可靠性。此外单个 ZigBee 无线模块就可与 254 个节点互 联若网络中加入路由节点则网络最大承载量可支持 65535 个节点设备互联。由 于它的低延迟和低功耗性能优越性所以在支持鼠标、键盘等电脑周边产品和家 庭自动化仪器等低速率应用时可以比蓝牙做地更好人们更希望能在无线玩具、 传感器网络、家庭监控、工业监控和安全系统等众多领域拓展 ZigBee 的应用。 ZigBee 网络采用的是无线自组织网络技术与蜜蜂的通信类似网络中的各个 节点间通信以一跳或多跳的形式自动建立网络。网络节点则以 ZigBee 协议为基 4 础进行通信与各种传统无线网络相比其主

16、要优点有以下几个方面。 1. 网络稳定性好。其设计的网络自己组织性能使网络各个节点在无需人工 干预的情况下自己组网并实现数据传输的任务,当添加或去除网络中某个节点时 其余节点可以自行寻找其他节点替代中转信息具有较强网络自愈能力。 2. 成本低。由于 ZigBee 联盟已经有二十多家他们的研发实力都很强，好 多公司均已在 2003 年正式推出自己的 ZigBee 芯片，竞争较大近年来应用于主 机端的芯片成本将会比蓝牙等模块更具价格上的优势。 3. 功耗低。它的超低功耗也使得在应用中两节普通 AAA 干电池即可使用 6 个月至 2 年的时间这也是 ZigBee 的最大的一个优势 4 网络容量大。每

17、个 ZigBee 设备可以与另外 254 台节点设备相连接而加 入路由节点的 ZigBee 网络最多可容纳多达 65000 多个节点的网络 5. 数据传输速率低。只有 10kb/s250kb/s 符合本设计需求 6. 工作频段灵活。使用的频段中 2.4GHz 全世界通用欧洲使用 868MHz，美 国则使用 915MHz 频段，但这些均是免申请频段可以直接使用 7. 网络延迟时间短。活动设备信道接入延时和休眠激活延时均仅为 15ms 而搜索设备延时时间达到 30ms 根据 ZigBee 联盟所设定的技术标准按功能分其 网络设备划分为三种 ZigBee 协调器、ZigBee 路由器、ZigBee

18、终端设备。他们 的功能分别如下： (1)ZigBee 协调器它是个全功能的设备包含所有的网络功能是 3 种设备中 功能最全面亦最复杂的一种特点是计算能力强、存储量大。它的作用是发送网 络信标、建立并且管理一个网络及网络节点、存储节点信息并且不断地接收下 级节点所发来的信息。 (2)ZigBee 路由器它也是全功能设备在加入网络后协调器就会分配给它一 定量的十六位地址空间再由其分别分配给下级节点使用方便每个节点接入或离 开网络具有数据转发及路由之功能。 (3)ZigBee 终端设备其一般的简化的功能设备。只能自己的与上一级如协 调器或路由器之间通信包括获取网络地址等。在 ZigBee 协议规范中

19、组网时有三 种网络拓扑结构可供选择星型结构、网状结构和簇树型结构如图 1.1 所示： 5 PC 控制器 保护控 制 传感器 节点 传感器 节点 传感器 节点 调节控 制 图 1.1 ZigBee 网络拓扑结构图 在星状结构中无论是路由器或终端设备都是直接与协调器进行通信,在 ZigBee 协调器则负责运作与维护着整个网络在簇状和网状网络结构中协调器负 责初始化和建立网络的操作，而路由器则对网络进行扩展，终端设备的信息由 路由器进行转发,只不过在簇状结构中终端间的信息交换只能通过一级级向上传 递到协调器再由协调器将信息分发下去。 1.2.2 ZigBee 的应用现状 ZigBee 的出发点是希望

20、能发展出一种易布建的低成本无线网络，同时期低 耗电性将使产品的电池能维持 6 个月到数年的时间。ZigBee 技术弥补了低成本， 低功耗和低速率无线通信市场的空缺，其成功的关键在于丰富而便捷的应用， 而不是技术本身。随着正式版本协议的公布，更多的注意力和研发力量将转到 应用的设计和实现，互联互通测试和市场推广等方面。我们有理由相信在不远 的将来，将有越来越多的内置 ZigBee 功能的设备进入生活，并极大地改善我们 的生活方式和体验。在国内，目前 ZigBee 网络的应用范围非常广泛，很多我们 想象不到的地方也在使用 ZigBee 技术。例如，在工业领域，ZigBee 技术不仅 用来控制照明灯

21、的开关，它还有一个用途是检查高速路上照明灯的工作情况。 以前工程师要开车到高速路 上检查哪些照片灯已经坏掉了，需要维修，但因为 车速较快，不能记下所有要检修灯的编号，但通过 ZigBee 网络，工程师只需坐 在计算机，就可以很清楚地监测到整个高速路上照明灯的工作情况，这是目前 的一个热点应用。再如，ZigBee 技术用于进出的控制，可以记录汽车的进出， 也可以在人员进出时用于传输相关指纹来识别数据，进行身份认证。此外，通 6 过 ZigBee 网络的路由器功能，它还可以用来实时监控煤矿内各点的安全状况， 防止事故的发生。在加油站，一些客户不希望布线,他们正在考虑采用 ZigBee 无线技术来传

22、输相关数据。在消费类电子方面，ZigBee 技术可以替现在的红外 遥控，于红外遥控相比，ZigBee 的优势在于每一个操作都会有反馈信息，告诉 他们是否实现了相关操作。现今我们也可以看到 ZigBee 用于家庭保安，消费者 在家中的门和窗上都安装了 ZigBee 网络，当有人闯入时，ZigBee 可以控制开 启室内摄像装置，这些数据再通过 Internet 或 WLAN 网络反馈给主人，从而实 现报警。当在家电产品如空调，热水器等安装 ZigBee 模块后，用户可以通过 ZigBee 无线网络来控制这些产品的开启。 在建筑智能化领域，各种灯光的控 制，气体的感应与监测，如煤气泄漏的感应和报警都

23、可以应用 ZigBee 技术。三 表（电表，气表和水表）上采用 ZigBee 技术，相关管理部门不但可以实现自动 抄表功能，还可以监控仪表如电表的状态，防止偷电事件的发生. 1.2.3 ZigBee 技术的应用前景 ZigBee 技术的应用前景被非常看好。ZigBee 在未来的几年里将在工业控制， 工业无线定位，家庭网络，汽车自动化，楼宇自动化，消费电子，医用设备控 制等多个领域具有广泛的应用前景，特别是家庭自动化和工业控制，将成为今 后 ZigBee 芯片的主要应用领域。在工业领域，利用传感器和 ZigBee 网络，使 得数据的自动采集，分析和处理变得更加容易，可以作为决策辅助系统的重要 组

24、成部分。在汽车领域，主要是传递信息的通用传感器。由于很多传感器只能 内置在飞转的车轮或者发动机中，比如轮胎压力监测系统，这就要求内置无线 通信设备使用的电池有较长的寿命，同时应该克服嘈杂的环境和金属结构对电 磁波的屏蔽效应。在精确农业领域，传统农业主要使用孤立的，没有通信能力 的机械设备，主要是依靠人力监测作物的生产状况，采用了传感器和 ZigBee 网 络后，农业将可以逐渐地转向以信息和软件为中心的生产模式，使用更多的自 动化，网络化，职能化和远程控制的设备来耕种。在家庭和楼宇自动化领域， 家庭自动化系统作为电子技术的集成得以迅速扩展，易于进入，简单明了和廉 价的安装成本等成了驱动自动化居家

25、，建筑开发和应用无线技术的主要动因。 在医学领域，将借助于各种传感器和 ZigBee 网络准确而且实时地监测病人的血 7 压，体温和心跳速度等信息，从而减轻医生的查房的工作负担，有助于医生做 出快速的反应，特别是对重病和病危患者的监护和治疗。在消费和家用自动化 市场，可以联网的家用设备有电视，录像机，无线耳机，PC 外设，运动与休闲 器械，儿童玩具，游戏机，窗户和窗帘，照明设备，空调系统和其它家用电器。 1.2.4 ZigBee 技术的优点与不足 ZigBee 的工作频率有下面三种标准：（1）868 MHz 传输速率为 20 kb/s， 适用于欧洲；（2）915 MHz 传输速率为 40kb/

26、s，适用于美国；（3）2.4 GHz 传输速率为 250kb/s，全球通用。目前国内都在使用 2.4GHz 的工作频率，其带 宽为 5MHz，有 16 个信道。采用直接扩频（DSSS）方式的 OQPSK 调制技术。而 基于 IEEE 802.15.4 的 ZigBee 在室内通常能达到 30-50m 作用距离，在室外如 果障碍物少，甚至可以达到 100m 作用距离。ZigBee 技术的优势：（1）功耗低。 在低耗电待机模式下，两节普通 5 号干电池可使用 6 个月以上。这也是 ZigBee 的支持者所一直引以为豪的独特优势。（2）成本低。因为 ZigBee 数据传输速 率低，协议简单，所以大大

27、降低了成本。（3）网络容量大。每个 ZigBee 网络 最多可支持 65535 个设备，也就是说每个 ZigBee 设备可以与另外 254 台设备相 连接。（4）时延短。针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激 活的时延都非常短。（5）可靠。采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的 通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。（6）安全。 ZigBee 提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用 AES-128，同时各个 应用可以灵活确定其安全属性。ZigBee 技术的不足：ZigBee 技术本身是一种为 低速通信而设计的规范，它的最高通信速度只有 250kb/s,对一些

28、大数据量通信 的场合它并不合适,但是这一特点会逐渐改变,一些 厂商生产的 ZigBee 芯片目 前也突破了这个限制,如 CEL 公司的 ZICM2410，已经 达到 1MHz 的传输速率。 三、各种短距离通信技术从结构上来说，WLAN 主要是一种服务器-客户端的结 构，移动设备扮演的是客户端角色，而服务端是网络中心设备；蓝牙的实现可 以使点到点或点到多点的结构；而 IrDA 技术书的两移动互联设备是点对点的结 构。WLAN、UWB、ZigBee 技术等可以作为移动 Ad hoc 网络的底层技术。UWB 和 8 ZigBee 技术均可应用于无线数字家庭组网，两种技术优势互补：UWB 技术数据 传

29、输速率高，在无线数字家庭网络中主要用于传输大容量的影音节目信号； ZigBee 技术具有低传输速率、低功耗和低成本的特点，主要用于控制家用电器 的启动和关闭，而相对来说，Wi-Fi 更多地是用于较大组网区域的接入部分， 主要用于数据存取。Bluetooth、UWB 无线技术能够穿透实心物体； FNC、IrDA、ZigBee 无法穿透实心物体，或受障碍物影响较大，因此传送距离 和环境大大受限。从速率上看，大致有： UWBWLANIrDA蓝牙 RFID/NFCZigBee 从传输距离上看，大致有： WLANZigBeeUWB蓝牙 IrDARFID/NFC3 。 9 2 2 搭建平台搭建平台 要想进

30、行嵌入式开发，首先，必须搭建一套完整的嵌入式开发环境。本章 介绍了在 windows+Vmware 虚拟机环境下嵌入式开发环境的搭建。 2.1 虚拟机概述 用虚拟机软件，你可以在一台计算机上使用多台逻辑计算机，这些逻辑计 算机可以安装操作系统、安装应用程序、访问网络资源等等。总的来说，它只 是运行的一个应用程序在物理计算机上，但是在虚拟机中运行的应用程序而言， 它就是一台真正计算机。因此，在虚拟机中进行软件应用的时候，系统也一样 有崩溃的危险；但是，崩溃的只是虚拟机上的逻辑计算机，而不是物理计算机 上的操作系统，并且，使用虚拟机的“Undo”（恢复）功能，你可以马上恢复 虚拟机到安装软件之前的

31、状态7。如图 2.1 所示： 图图 2.1 虚拟机界面虚拟机界面 2.2 Linux 系统 Linux 可用于多种硬件平台。Linux 是开源的软件，代码的修改维护由世界 10 各地的程序员进行，因此 Linux 有可靠保证的应用。可以根据需要进行配置， 不需要获得任何的许可证，源代码可以无偿获得。同时 Linux 网络支持性良好， 驱动程序采用模块化设计，开发过程中可动态调试驱动模块，便于开发。有利 于添加对新硬件的驱动支持。 Linux 是以内核为基础，通过虚拟文件系统支持对各类型物理介质的硬件 资源访问。Linux 系统提供了具有设备类的面向对象的设备模型、热插拔事件， 以及用户空间的设

32、备文件系统，使其更容易进行新硬件设备的扩展与驱动的开 发应用。Linux 系统有完善的开发工具，用不同的交叉编译工具，匹配不同的 嵌入式处理器，建立嵌入式系统开发环境是简单快捷的。不仅如此，Linux 系 统还继承了 UNIX 稳定并且有效率的特点，系统稳定，能长期运行而不会出现宕 机的现象。 2.3 虚拟机安装 Linux 系统 虚拟机 vmware 下安装 Linux 过程： 第一步:启动 VMware，在其主界面“主页”标签页中点击“新建虚拟机” 按钮打开新建向导，单击“下一步”按钮； 第二步:在虚拟机配置界面中有两个选择:一是“典型”方式，它根据虚拟 机的用途自动调整配置;二是“自定义

33、”方式，它允许用户自行设置虚拟机的主 要参数。这里用“典型”方式安装，比较方便。 第三步:单击“下一步”按钮进入虚拟机操作系统选择界面，可以看到 Windows、Linux、Novell 等多种不同的系统，这里我们点选“Linux”。 11 图图 2.2 系统界面系统界面 图 2.2 是安装完成后的虚拟机启动界面，我们这里使用的是 Fedora 系统， 用户为 root，密码 123456，是在有权限下进行操作。 2.4 超级终端的设定 (1) 打开超级终端输入名称 图图 2.3 超级终端连接图超级终端连接图 图图 2.4 超级终端端口选择图超级终端端口选择图 12 (2) 选择端口，如果是台

34、式电脑就直接选择 COM1，如果是笔记本电脑根据 实际情况选择。 (3) 端口设置，每秒位数(B)选择 115200，数据流控制(F)选择无。 图图 2.5 超级终端端口设置图超级终端端口设置图 打开电源启动超级终端，如下图: 图图 2.6 内核启动内核启动 Linux 启动时 BOIS 首先加电自检，然后会加载主引导加载程序再加载次加 13 载引导程序，对 Linux 内核进行映射，初始化进程。 3 3 硬件设计硬件设计 根据设计任务要求，自行选择电子元件，画出电气原理图，并调试。一个 完整的系统除了主控芯片以外，还需配上电源系统、时钟电路、复位电路等。 独立的芯片是不能工作的 3.1 AR

35、M 实验箱简介 随着微电子技术的快速发展，ARM 处理器经历了包括 ARM7、ARM9 在内的多 个发展历程，而 ARM11 的成熟应用必将为嵌入式的发展带来新的活力，使更高 端的产品应用成为可能，与 ARM9 的 5 级流水线相比，ARM11 拥有一条具有独立 的 load-store 和算术流水的 8 级流水线，在同样工艺下，ARM11 处理器的性能 与 ARM9 相比大约提高了 40%。ARM11 执行 ARMv6 架构的指令，ARMv6 指令包含 了针对媒体处理的单指令流多数据流（SIMD）扩展，采用特殊的设计，以改善 视频处理性能。为了能够进行快速浮点运算，ARM11 增加了向量浮点

36、单元。所 有这些结构上的提高，都是 ARM9 处理器不可比拟的。 ARM11 为便携式和无线应用，提供了从未有过的高超性能，并且使我们主 要关心的成本和功耗减到最小。ARM11 的微架构保证了系统性能可以从基本的 350-500MHz 范围扩展到最终的 1GHz 以上。其微架构的高效率表现，允许开发 者根据不同的应用来调节时钟频率和电源电压，从而在性能和功耗之间达到最 佳的折衷。例如，一个基于 ARM11 的微架构的处理器在 1.2V 工作电压下，使用 0.13um 工艺实现，其功率将不会超过 0.4mW/MHz。 ARM11 微处理器是一种高性能、低功耗的准 64 位微处理器。对于目前 大多

37、数嵌入式应用，一个真正的 64 位处理器仍然被认为是不必要的，其巨大的 功耗和面积让人难以接受。对此，ARM11 选择了一个折中的方案，以较小的代 价，部分实现了一个 64 位微架构。ARM11 只在处理器整数单位和高速缓存之间， 以及在整数单位和协处理器之间实现了 64 位数据总线。这些 64 位数据道路允 14 许处理器在一个时钟周期中同时获取两条指令，还允许在一个时钟周期执行多 个数据读写指令。这使得 ARM11 在执行很多特定序列的代码时能够达到非常高 的性能，特别是那些允许数据搬移与数据处理并行处理的代码序列。 S3C6410 是由三星公司推出的一款低功耗、高性价比的 RSIC 处理

38、器，它基 于 ARM11 内核（ARM1176JZF-S)，可广泛应用于移动电话和通用处理等领域； S3C6410 为 2.5G 和 3G 通信服务提供了优化的硬件性能，内置强大的硬件加速 器：包括运动视频处理、音频处理、2D 加速、显示处理和缩放等；集成了一个 MFC(Multi-Format video Codec)支持 MPEG4 /H.263/H.264 编解码和 VC1 的解 码，能够提供实时的视频会议以及 NRSC 和 PAL 制式的 TV 输出；除此之外，该 处理器内置一个采用最先进技术的 3D 加速器，支持 OpenGL ES 1.1/ 2.0 和 D3DM API， 能实现

39、4M triangles/s 的 3D 加速；同时，S3C6410 包含了优化的 外部存储器接口，该接口能满足在高端通信服务中的数据带宽要求。由于以上 突出的性能表现，著名的苹果公司手机 IPHONE 就是基于 S3C6410 处理器。 CVT-6410 开发板基于三星公司最新的 ARM11 处理器 S3C6410，拥有强大的 内部资源和视频处理能力，可稳定运行在 667MHz 主频以上，支持 Mobile DDR 和多种 NAND Flash。CVT-6410 开发板上集成了多种高端接口，如复合视频信号、 摄像头、USB、SD 卡、液晶屏、以太网，并配备温度传感器和红外接收头等。 这些接口可

40、作为应用参考帮助用户实现高端产品级设计。CVT-6410 开发板采用 核心板+底板结构，核心板尺寸规格为5CM6CM，底板尺寸为 10.5CM14CM，核心板与底板之间采用 4 组高质量进口连接器（镍金工艺， 接触好、抗氧化），共计 320 个引脚（804），方便客户进行二次开发，进行 各种形式的扩展应用。 CVT-6410 开发板的设计严格按照 CE、CCC 等国内外电子产品认证标准，充 分考虑高速信号的完整性等电磁兼容措施，确保 CVT-6410 开发板在严酷电磁环 境下的可靠运行。 CVT-6410 的软件系统目前支持 WinCE 6.0、 LINUX2.6.36、Android2.3.

41、4 以及 uC/OS-II，提供标准板级支持包（BSP）并开放源码，其中包含了所有接 口的驱动程序，客户可以直接加载使用。另外，该板可连接武汉创维特公司与 之相配套使用的串口扩展板、WIFI 模块、摄像头模块等。随着微电子技术的快 15 速发展，ARM 处理器经历了包括 ARM7、ARM9 在内的多个发展历程，而 ARM11 的 成熟应用必将为嵌入式的发展带来新的活力，使更高端的产品应用成为可能。 3.2 数码管倒计时显示硬件设计 数码管是一种很普遍的显示器件，数码管的主要部分是七段发光二极管； 数码管分为共阴极和共阳极两种，为了保护各段 LED，需外加限流电阻。有的 产品还附加有一个小数点，

42、因此有人也称之为八段式发光二极管。使用锁存器 573 达到数据的锁存,避免扩展口发送的数据与地址冲突。如图 3.1 所示: 图图 3.1 数码管外形图及阴阳两极连接示意图数码管外形图及阴阳两极连接示意图 数码管由 8 个发光段（第八段表示小数点）的不同组合，从而实现十进制 数的显示。通过段选端可以控制数码管显示内容，位选端用于控制整个数码管 是否工作：对于共阴极数码管，位选端要接低电平，对于共阳极数码管，位选 端接高电平。数码管有两种显示方式：动态显示和静态显示。静态显示让数码 管要点亮的数码管同时持续点亮；动态显示则利用了人眼的视觉暂留原理，在 一个时间内只点亮一个数码管。本次设计采用一位的

43、数码管控制绿灯通行的计 时，这次的设计中，主要是控制南北和东西方向的通行，在同一方向通行时， 另两个方向就不允许通行。通行的时间控制为 8 秒，在 8 秒倒计时结束时，通 行方向发生变化。 3.3 点阵显示硬件设计 点阵内部结构及外形如下，8*8 点阵共由 64 个发光二极管组成，且每个发 光二极管是放置在行线和列线的交叉点上，当对应的某一行置 1 电平，某一列 16 置 0 电平，则相应的二极管就亮。 8*8 点阵的工作原理：若要用点阵发光二极管显示汉字或者图形，首先要 将图形、汉字、字母放在一个方块内，方格块分成 8*8 共 64 个小方格，在方块 内写上所需要的内容，在字笔划下落处的小方

44、格里填上“1”，无笔划处填上 “0”，这样就形成了一个图形二进制数据。如图 3.2 所示: 图图 3.2 8*8 点阵图点阵图 上图是一只 8*8 阵列的点阵发光显示器，该点阵发光显示器是由 8*8 阵列 组成，共 8 行，每行 8 只发光二极管，共 64 只发光像素，每列的 8 只发光二极 管的所有负极（阴极）相连。每行发光管的正极相连，点阵发光显示器在同一 时间只能点亮一列，每列点亮的情况是根据从显示器 P1P8 送入的数据点亮， 要使一个字符在显示器整屏显示，点阵发光显示器就必须通过快速逐列点亮， 而且是周而复始的循环点亮，使人眼的暂留视觉效应形成一个全屏字符。 3.4 蜂鸣器设计 在

45、ZigBee 模块中通过程序控制设计蜂鸣器在方向变化时会发出提示音。 具体实现是在绿灯开始时蜂鸣器会响起，以此作为通行的提示。发光二极管达 到电流放大作用。如图 3.3 所示: 17 图图 3.3 蜂鸣器电路图蜂鸣器电路图 4 4 功能实现功能实现 在本次的课程设计中，主要是基于嵌入式系统和 ZigBee 的智能交通灯的设 计与实现。智能交通灯的设计是控制车辆在十字路口的通行情况，在绿灯开始 时，ZigBee 模块上的数码管进行 9-0 的倒计时，同时蜂鸣器发出响声作为提示 音。在 ZigBee 模块 LED 矩阵显示东西或南北方向允许通车显示，同时超极终端 打印显示当前的状态。 4.1 Zi

46、gBee 模块 LED 矩阵的功能 SBuff12至 SBuff19为 LED 矩阵点亮数据，如 SBuff14 = 0x42 表示为 LED 矩阵第三列从高往低第二个灯和第七个灯点亮。 实现代码如下： if(LED) if(i=0) printf(“ 南北方向通行，东西方向禁止通行n“); printf(“n“); /控制 LED 矩阵 unsigned char SBuff21; 18 SBuff0 = 0x02; SBuff1 = 0x12; SBuff2 = 0xB9; SBuff3 = 0x46; SBuff4 = 0xF1; SBuff5 = save_byte4; SBuff6

47、= save_byte5; SBuff7 = 0x01; SBuff8 = 0x07; SBuff9 = 0x04; SBuff10 = 0x0; SBuff11 = 0x0; /LED 控制南北方向 SBuff12 = 0x00; SBuff13 = 0x00; SBuff14 = 0x42; SBuff15 = 0xff; SBuff16 = 0xff; SBuff17 = 0x42; SBuff18 = 0x00; SBuff19 = 0x00; SendNum+; if(SendNum = 8) SendNum = 0; SBuff20 = 0x0; SBuff20 = XorVeri

48、fySend(SBuff);/异或校验 nwrite = write(serial_fd,SBuff,sizeof(SBuff); /printf(“nwrite1=%dn“,nwrite); buffer_has_send = 0; else printf(“ 东西方向通行，南北方向禁止通行n“); printf(“n“); /控制 LED 矩阵 unsigned char SBuff21; SBuff0 = 0x02; SBuff1 = 0x12; SBuff2 = 0xB9; SBuff3 = 0x46; SBuff4 = 0xF1; SBuff5 = save_byte4; SBuff

49、6 = save_byte5; 19 SBuff7 = 0x01; SBuff8 = 0x07; SBuff9 = 0x04; SBuff10 = 0x0; SBuff11 = 0x0; /LED 显示东西方向 SBuff12 = 0x18; SBuff13 = 0x3c; SBuff14 = 0x18; SBuff15 = 0x18; SBuff16 = 0x18; SBuff17 = 0x18; SBuff18 = 0x3c; SBuff19 = 0x18; SBuff20 = 0x00; SBuff20 = XorVerifySend(SBuff);/异或校验 nwrite = write(serial_fd,SBuff,sizeof(SBuff); /printf(“nwrite1=%