摘 要:為實(shí)現(xiàn)公交車(chē)的自動(dòng)報(bào)站功能,提出一種以C8051F040單片機(jī)和GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案.首先設(shè)置通過(guò)錄音接口預(yù)存各站點(diǎn)具體位置的語(yǔ)音信息,當(dāng)公交車(chē)在行駛時(shí),能自動(dòng)識(shí)別站點(diǎn)并完成語(yǔ)音報(bào)站功能,同時(shí)可設(shè)置公交車(chē)行駛的上限速度,當(dāng)超過(guò)該速度值時(shí),系統(tǒng)將完成語(yǔ)音報(bào)警提示.該系統(tǒng)定位準(zhǔn)確,并可實(shí)現(xiàn)全天侯工作.

關(guān)鍵詞:C8051F040;單片機(jī);GPS;語(yǔ)音報(bào)站;限速

交通擁堵已成為城市發(fā)展的瓶頸,為方便廣大市民出行,最大限度減少路網(wǎng)負(fù)荷,政府已提出全方位深化優(yōu)先發(fā)展公共交通政策措施,推進(jìn)交通信息化,實(shí)現(xiàn)交通與城市和諧發(fā)展.而傳統(tǒng)的公交車(chē)報(bào)站系統(tǒng)通常采用人工按鍵方式,這種人工方式缺點(diǎn)如下:一是經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)誤按、少按、多按現(xiàn)象,造成誤導(dǎo)乘客,造成不必要的麻煩;二是車(chē)輛將要到達(dá)站點(diǎn)時(shí),司機(jī)要手動(dòng)完成按鍵報(bào)站,造成注意力不集中,容易出現(xiàn)交通事故.本文設(shè)計(jì)一種新型公交車(chē)自動(dòng)報(bào)站及限速系統(tǒng),利用單片機(jī)結(jié)合GPS(全球衛(wèi)星定位系統(tǒng))技術(shù),當(dāng)公交車(chē)駛?cè)胝军c(diǎn)一定距離范圍內(nèi)時(shí),不用人工干預(yù),系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)站.

其相關(guān)信息并或通過(guò)LCD顯示,給司機(jī)或乘客準(zhǔn)確提供站點(diǎn)信息,同時(shí)該系統(tǒng)還具有語(yǔ)音提示功能,當(dāng)車(chē)速超過(guò)預(yù)置的上限速度時(shí),將實(shí)時(shí)告知司機(jī),及時(shí)減速.

1 系統(tǒng)框圖與工作原理

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

該系統(tǒng)主要由單片機(jī)控制模塊,GPS模塊和語(yǔ)音模塊及鍵盤(pán)輸入與人機(jī)接口三部分組成.主要完成公交車(chē)行駛過(guò)程中的位置坐標(biāo)信息采集和公交站點(diǎn)信息的語(yǔ)音提示以及站點(diǎn)預(yù)存和上限速度設(shè)置等功能.系統(tǒng)總體框圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

1.2 系統(tǒng)工作原理

公交車(chē)自動(dòng)報(bào)站及限速系統(tǒng)以Cygnal公司的C8051F040單片機(jī)為控制核心,通過(guò)采集GPS接收機(jī)接收的衛(wèi)星導(dǎo)航信息,從而解析車(chē)輛當(dāng)前的經(jīng)、緯度信息,然后將其與站點(diǎn)坐標(biāo)相比較,當(dāng)公交車(chē)駛?cè)胝军c(diǎn)一定距離范圍內(nèi)時(shí),不用人工干預(yù),系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)站.并通過(guò)LCD顯示等.給乘客一種準(zhǔn)確的提示,同時(shí)當(dāng)車(chē)速超過(guò)預(yù)置的上限速度時(shí),該系統(tǒng)還具有語(yǔ)音提示功能,及時(shí)告知司機(jī),及時(shí)減速.

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)主要包括四部分:單片機(jī)控制核心、GPS定位信息采集模塊、語(yǔ)音錄入和播放模塊以及按鍵預(yù)置顯示模塊等.

2.1 單片機(jī)控制核心

C8051F系列是美國(guó)TI的Cygnal公司設(shè)計(jì)和制造的混合信號(hào)片上系統(tǒng),單片機(jī)的主要模塊包括模擬外設(shè)、片內(nèi)JTAG調(diào)試和邊界掃描、高速控制器內(nèi)核、數(shù)字外設(shè)等幾個(gè)部分[1],其中該系統(tǒng)中所采用的C8051F040數(shù)字外設(shè)中包括8個(gè)8位的I/O 口、2個(gè)UART總線、1個(gè)SPI總線和CAN總線等.

該單片機(jī)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS信息的采集與解析,并與設(shè)置的速度上限與站點(diǎn)定位信息進(jìn)行比較,將語(yǔ)音提示信息通過(guò)SPI總線輸出至外部語(yǔ)音模塊輸出.

2.2 GPS模塊

GPS(全球定位系統(tǒng))由空間衛(wèi)星系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)、用戶接收系統(tǒng)三大子系統(tǒng)構(gòu)成.GPS通過(guò)同時(shí)對(duì)多顆衛(wèi)星進(jìn)行偽距離測(cè)量計(jì)算接收機(jī)的位置,其具有定位精度高、執(zhí)行操作簡(jiǎn)便、全球全天侯作業(yè)、功能多應(yīng)用廣、抗干擾性能好、保密性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[2].已成為全球公用信息資源,在軍事和民用等領(lǐng)域得到廣泛研究和應(yīng)用.

2.2.1 GPS數(shù)據(jù)格式

GPS模塊上電后,會(huì)每隔一定的時(shí)間返回一定格式的數(shù)據(jù),其數(shù)據(jù)格式為:"＄信息類(lèi)型,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x",每幀的起始字符都是'＄',接著是信息類(lèi)型,后面是定位參數(shù),以逗號(hào)分隔開(kāi)[3].一幀完整的數(shù)據(jù)格式包含有效定位、緯度、北緯、經(jīng)度、東經(jīng)、速率等信息,設(shè)計(jì)中對(duì)數(shù)據(jù)信息提取、解析是通過(guò)Cygnal公司的C8051F040完成,其方法首先通過(guò)搜尋ASCII碼'＄'來(lái)判斷是否是一幀數(shù)據(jù)的開(kāi)始,然后通過(guò)接收到的五個(gè)字符來(lái)判斷當(dāng)前所接收到的信息類(lèi)型,對(duì)幀的信息類(lèi)型識(shí)別正確后,通過(guò)搜尋的','的個(gè)數(shù)來(lái)確定GPS模塊當(dāng)前所接收到的是哪個(gè)定位參數(shù),從中提取出需要的定位信息[3].本設(shè)計(jì)中僅解析GPRMC信息中的經(jīng)、緯度、速度和時(shí)間信息等.

2.2.2 GPS硬件模塊

本設(shè)計(jì)中利用C8051F040單片機(jī)通過(guò)串行接口實(shí)現(xiàn)GPS模塊接收的定位信息采集和解析,從中選擇需要的信息,這里所需要的信息僅包括經(jīng)、緯度、速度、時(shí)間信息等.

GPS模塊采用瑞士u-blox公司的NEO-5Q 主芯片,此芯片為多功能獨(dú)立型GPS模組,以ROM 為多基礎(chǔ)架構(gòu),采用u-blox最新的KickStart微弱信號(hào)攫取技術(shù),能確保在任何可接收到信號(hào)的位置及任何天線尺寸都能夠有最佳的初始定位性能,并進(jìn)行快速定位[4].并且其外部有UART,USB,SPI,I2C等種接口,可方便地與微控制器實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接,電路簡(jiǎn)單,其具體電路如圖2所示.

2.3 語(yǔ)音模塊

ISD1700系列芯片是Winbond推出的單片優(yōu)質(zhì)語(yǔ)音錄放電路,設(shè)計(jì)中采用的ISD17240芯片除具有可錄、放音、斷電保留一百年等功能外,其還具有在8kHz采樣率下,可保存240s的語(yǔ)音信息,因此,可完全滿足公交車(chē)語(yǔ)音播報(bào)的數(shù)據(jù)要求[5].單片機(jī)控制ISD17240芯片是通過(guò)該芯片的SPI模式來(lái)實(shí)現(xiàn),ISD17240語(yǔ)音芯片中幾乎所有的操作,如,錄音、播放、擦除、快進(jìn)以及對(duì)在存儲(chǔ)語(yǔ)音信息地址的訪問(wèn)等均可通過(guò)ISD17240提供的SPI命令來(lái)實(shí)現(xiàn),極大地方便了軟件設(shè)計(jì)[5].

圖3所示的即是該芯片與錄音、放音簡(jiǎn)化電路和與單片機(jī)的SPI接口

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 站點(diǎn)錄入和速度預(yù)置

站點(diǎn)名稱的錄入和站點(diǎn)位置信息在系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中進(jìn)行,站點(diǎn)名稱的錄入可在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成;站點(diǎn)的位置信息采集可通過(guò)單片機(jī)控制GPS模塊完成,由于公交車(chē)在停車(chē)時(shí)的位置與站臺(tái)位置有一定的偏差,因此,系統(tǒng)在采集每一個(gè)站點(diǎn)信息時(shí),要考慮有一定的偏差范圍,將所有站點(diǎn)的位置信息保存在固定數(shù)組中,在軟件中這些信息將與站點(diǎn)名稱相對(duì)應(yīng).由于站點(diǎn)以及公交車(chē)行駛路線相對(duì)固定,因此,這些信息可保存在FLASH中.最高上限速度的設(shè)置可在每次系統(tǒng)上電時(shí)設(shè)置,也可在軟件中設(shè)置為固定值,該系統(tǒng)中是作為固定值存放在const變量中的.該軟件流程如圖4所示.

3.2 GPS信息采集和語(yǔ)音提示模塊

GPS信息采集主要是通過(guò)C8051F040單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn),當(dāng)公交車(chē)行駛時(shí),單片機(jī)實(shí)時(shí)地讀取當(dāng)前所在的位第15期袁 衛(wèi):基于GPS公交車(chē)限速報(bào)站系統(tǒng)設(shè)計(jì)149置信息和速度信息,經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化后,與FLASH 存放的站點(diǎn)位置信息與速度信息進(jìn)行匹配,匹配成功后,單片機(jī)將通過(guò)SPI接口發(fā)送控制命令,控制外接的語(yǔ)音錄放模塊ISD17240,訪問(wèn)與站點(diǎn)名稱相對(duì)應(yīng)的提示音存放地址,播放該公交車(chē)將要停留的位置信息.軟件流程如圖5所示.

3.3 人機(jī)交互---鍵盤(pán)、顯示模塊

人機(jī)交互模塊包括鍵盤(pán)模塊和顯示模塊,鍵盤(pán)模塊主要實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)語(yǔ)音信息的錄入、擦除以及車(chē)輛行駛上限速度的設(shè)置等功能;液晶顯示模塊通過(guò)文字信息來(lái)傳送當(dāng)前的站點(diǎn)信息,系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí),可采用LCD點(diǎn)陣屏來(lái)顯示,并可同時(shí)時(shí)顯示廣告、友情提示等信息.

4 結(jié) 論

系統(tǒng)采用先進(jìn)的衛(wèi)星定位技術(shù)與語(yǔ)音合成技術(shù)相結(jié)合的方式,改變了公交車(chē)中人工按鍵的語(yǔ)音報(bào)站器的傳統(tǒng)方式,該系統(tǒng)可完成車(chē)輛進(jìn)站的站點(diǎn)播報(bào)、出站時(shí)下一站的自動(dòng)播報(bào)以及超速提示等功能,并可不受外界環(huán)境影響,全天侯工作,如擴(kuò)展還可提供一些廣告、服務(wù)用語(yǔ)的播報(bào).語(yǔ)音播報(bào)準(zhǔn)確、及時(shí),不需要人工介入,實(shí)現(xiàn)了公交車(chē)報(bào)站器的完全智能化.

[1].C8051F040datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/C8051F040_209840.html.
[2].ROM datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/ROM+_1188413.html.
[3].ISD1700datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/ISD1700_1662709.html.
[4].ISD17240datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/ISD17240_1136482.html.