1、11 前言1.1 课题的研究背景在一些发达城市（如广州）,公交车网已经比较完善，给人们的生活和工作带来了很多的便利。可以说城市的人们已经离不开它了，在这样的前提下,公交车服务的质量也应该要不断的提高。坐过公交车的人或许都会遇到这样一种情况公交车经常会报错站或漏报站，这是因为现在的公车报站是由司机来完成的（每到一个站都要按一次报站按钮）,人手操作难免会出错。1.2 公交车报站方式分类随着社会的不断发展，人们对公交系统的服务质量要求越来越高。而目前大中城市公交车报站方式主要有以下几种：(1)手动电子报站：车辆每到一个站点，司机需要按下相应的按钮来启动语音报站系统；这种报站方式需要靠驾驶员控制，不仅
2、增加了驾驶员的操作，还存在一定的安全隐患；(2)利用 GPS 定位系统报站：该报站方式是全自动报站，根据 GPS 的定位数据（经纬度信息）计算出车辆所处的确定位置，报站非常准确，但是其生产及运行成本非常昂贵，而且需要专业人员进行维护，在现今条件下难以推广（孙戈等，2007） ；(3)利用车辆行驶特征进行自动报站：该报站方法根据起步后的行驶距离、开关门信号和进站打转向灯的方式综合起来判断车辆是否到站。这种方法要求驾驶员一定要按规范驾驶,如果驾驶员操作不规范或者遇到特殊情况，例如中途停车等,就有可能引起报站错误。针对上述报站方式的弊端，设计一种基于 nRF905 的公交车自动报站系统，能有效提高了
3、公交系统的服务质量，方便乘客乘车。1.3 基于 nRF905 的公交车自动报站系统本项目以自动报站为核心，主要采用语音芯片、无线电遥控、液晶显示、单片机等2技术，功能实用强大，设计思路符合人性化。我们立足于在应用中降低司机的工作强度，提高车辆运行的安全性，具有广泛的应用性，适合推广使用。2 总体方案确定2.1 无线模块的比较与选择以下是选择无线模块的总体建议：(1)如果需要较远的传输距离，可用 433MHz 模块，如果需要传输较大数据量，选择 2.4GHz 模块；(2)如果应用场合是空旷环境，根据标称距离选择模块即可（最好留一点余量），如果使用环境比较复杂，如有较多障碍物、穿墙、强电环境、电磁
4、波干扰等，可以选择穿透性较强的模块或带功放的中大功率模块；(3)Nordic/TI 系列模块，如 nRF905/CC1101 微功率模块，相对来说开发比较简单；(4)为了降低研发人员开发投入，可以选择无线透传模块，串口通信无需编程即可使用，目前以 UTC1212，UTC903，UTC4432 为代表的第三代无线模块，由于性能优异，已经逐渐替代早期的 SPI 无线模块，得到大规模应用；(5)以 TI 的 CC1101 为代表的无线模块，价格低，性价比高；(6)如果想组建以 PC 为中心的无线监控系统，可以考虑 USB 接口的无线模块和SPI 模块（接单片机）配合使用；(7)无线模块的传输距离，和
5、天线的关系很大，一是天线的增益（一般是天线越大增益越高），二是天线和射频电路的匹配。nRF24L01 是由 NORDIC 出品的工作在 2.4GHz-2.5GHz 的 ISM 频段的单片无线收发器芯片。无线收发器包括：频率发生器、增强型“SchockBurst ”模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和解调器。输出功率频道选择和协议的设置可以通过 SPI 接口进行设置。几乎可以连接到各种单片机芯片，并完成无线数据传送工作。3nRF905 单片无线收发器是挪威 Nordic 公司推出的单片射频发射器芯片，工作电压为 1.9-3.6V，32 引脚 QFN 封装（5mm5mm），工作于 433/
6、868/915MHz3 个 ISM 频道（可以免费使用）。nRF24L01 工作频率是 2.4GHz-2.5GHz ，适合传输较大的数据量，例如传输图像数据；nRF905 工作频率是 433/868/915MHz，适合传输较远的距离。显然，本设计需要传输较远的距离，再加上 nRF905 相对来说开发比较简单，因此最终选择 nRF905 作为本设计的无线模块。2.2 实现原理要同时实现车上语音报站和站上液晶显示车号的功能，则必须分别设计车上语音系统和站上液晶显示系统。报音和报号都需要各自系统接收到相应的信号才能启动，而要二者的通讯不受对方干扰则要选择两对不同频段的发射与接收模块。车上和站上系统分
7、别有不配对的发射与接收模块车上接收芯片与站上发射芯片配对，站上接收芯片与车上发射芯片配对。对应的发射与接收模块要事先把地址设置相同，由于频段的不同两对发射与接收模块可各自通讯完成报音与报号功能。通讯模块的工作距离范围有限，只有当公交车进入有限范围时各自的接收模块才能接收到对应发射模块的信号，此时启动报站功能，为防止车上语音不断报站本设计限定了每一个站的报站时间，此后车上系统即使继续接收到信号也不会启动语音芯片工作。本设计采取的语音芯片操作简便，采用并行方式时最多可自动平均分配地址为 8 段，每段可长达 8 秒的录音与放音，适当进行芯片级联便可满足整条线路的报站要求。采用单片机进行编码与解码，程
8、序设计简单，只需把站号和车号分别与通讯芯片数据对应好即可，当需要其他线路的公交车增援或车站名改动时，只需在程序方面简单重新编码与解码时即可投入工作。2.3 系统总体结构整个报站系统由车载设备和电子站牌两大部分组成。车载设备主要通过单片机读取射频收发电路收到的数据，判断是否应该向语音录放芯片发送语音信息地址播放预先录制好的语音信息，并向站牌发送该路车即将到站的信息和显示行车方向，而电子站牌主要用于发送站牌数据和接收并显示从车载设备发来的信息，实现与车载设备间的双工通信。系统总体设计框图如下页图1 所示。本系统的硬件主要由以单片机AT89S52为核心的控制器、nRF905组成的射频通信电路、语音芯
9、片APR9600组成的语音功放电路。4图 1 系统总体框图3 硬件设计本系统主要由语音芯片、液晶显示、通讯（发射与接收） 、单片机控制等几部分构成。语音部分采用 APR9600 模拟语音录放芯片，液晶部分选用 RT1602c 字符型显示模块，通讯则选择稳定实用的 nRF905。控制电路由 AT89S52 及外围电路组成。3.1 控制模块电路为满足设计要求，系统采用 ATMEL 公司生产的低功耗、高性能的 8 位 CMOS 单片机 AT89S52 作为系统的主控制器（王卫星等， 2009） ，负责对射频收发芯片、语音芯片的初始化工作，单片机通过 SPI(串行外设接口)端口与射频收发芯片进行通信，
10、实现公交车与站台间的无线数据通信，完成接收、发射、显示和语音报站等各项操作。3.2 通讯（发射与接收）模块电路采用 nRF905 无线通讯模块，实现公车与站台的信息通讯，是本系统的核心模块。nRF905 是一款收发一体的单片无线通讯模块，可以自动完成处理字头和 CRC（循环冗余码校验）的工作，可由片内硬件自动完成曼彻斯特编码/解码，使用 SPI 接口与微控制器通信，配置非常方便，其功耗非常低，以-10dBm 的输出功率发射时电流只有511mA，在接收模式时电流为 12.5mA。 nRF905 单片无线收发器工作由一个完全集成的频率调制器，一个带解调器的接收器，一个功率放大器，一个晶体震荡器和一
11、个调节器组成。以下是 nRF905 的详细参数：(1) 433Mhz 开放 ISM 频段免许可证使用(2) 最高工作速率 50kbps，高效 GFSK 调制，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合(3) 125 频道，满足多点通信和跳频通信需要(4) 内置硬件 CRC 检错和点对多点通信地址控制(5) 低功耗 1.9 - 3.6V 工作，待机模式下状态仅为 2.5uA(6) 收发模式切换时间 650us(7) 模块可软件设地址，只有收到本机地址时才会输出数据（提供中断指示)，可直接接各种单片机使用，软件编程非常方便(8) TX Mode: 在+10dBm 情况下，电流为 30mA; RX Mode
12、: 12.2mA(9) 标准 DIP 间距接口，便于嵌入式应用ShockBurst 工作模式的特点是自动产生前导码和 CRC，可以很容易通过 SPI 接口进行编程配置。通讯距离远，而且误码率低，因此采用 nRF905 作为通讯模块的设计。nRF905 芯片共有 32 个引脚，重要的引脚有十五个，如下图所示：6图 2 nRF905 管脚图表 1 nRF905 管脚说明名称 管脚功能 说明VCC 电源 电源+3.3-3.6V DCTX_EN 数字输入 TX_EN=1 写 TX_EN=0 读TRX_CE 数字输入 使能芯片发射或接收PWR_UP 数字输入 芯片上电uCLK 时钟输出 本模块该脚废弃不
13、用CD 数字输出 载波检测AM 数字输出 地址匹配DR 数字输出 接收或发射数据完成MISO SPI 接口 SPI 输出MOSI SPI 接口 SPI 输入SCK SPI 时钟 SPI 时钟7CSN SPI 使能 SPI 使能GND 地 接地GND 地 接地与单片机的数据通信采用 SPI 接口，管脚 MISO 为 SPI 输出,MOSI 为 SPI 输入,CSN为 SPI 使能端，SCK 为 SPI 时钟信号，分别与单片机的 P1.6、P1.7、P3.3 、P3.4 引脚连接，而 CD、AM、DR 三个管脚分别为载波检测输出、地址匹配输出、数据就绪输出引脚与单片机的 P1.3、P1.4、P1.
14、5 引脚相连，使能芯片发射或接收引脚 TRX_CE 与 P1.0相连，芯片上电引脚 PWR_UP 与 P1.1 相连，P1.2 与 uPLCK 时钟输出引脚连接，其中ANT1 与 ANT2 外接 PCB 环形天线（杨伟平等，2009 ）。单片机只需将要发送数据送给nRF905 发送缓存器中,nRF905 就会自动产生前导码和 CRC 校验码,发送数据；在接收数据时，当 nRF905 监测到有效的载波和相匹配的地址时,将开始接收数据,并自动移去字头和校验码,将接收数据存储到接收缓存器中，等待微处理器读取数据。图 3 nRF905 模块接法8nRF905 模块 VCC 引脚接电压范围为 3.3V3
15、.6V 之间，不能在这个区间之外，超过 3.6V 将会烧毁模块。推荐电压 3.3V 左右（胡文明等，2007） 。3.3V 电压可以用AMS1117 系列的 3.3V 稳压器得到，该稳压器可以从大于 4V 的电压稳定得到 3.3V，可以将小于 20V 的电压稳压到 3.3V，若大于 20V 稳压器将处于闭锁（就是不工作的意思） 。图 4 AMS1117 稳压器的接法3.3 语音模块电路采用台湾公司推出的 APR9600 语音录放芯片，是继美国 ISD 公司以后采用模拟存储技术的又一款音质好、噪音低、不怕断电、可反复录放的新型语音电路，单片电路可录放 3260 秒，串行控制时可分 256 段以上
16、，并行控制时最大可分 8 段（周湘竣，1998） 。芯片扩展外围电路如下，其中 M1、M2、M3、M4 从单片机处接收控制信号。9图 5 APR9600 语音模块接法本设计采用并行控制下的 4 段模式即可满足要求。并行控制时操作简便，每段都有对应的键控制，按哪一键就录、放哪一段，而且可以方便地对任意一段重新录音不影响其他段、对任意一段循环放音等。设计并行四段控制时要将芯片的 MSEL1 端置1、MSEL2 端置 0、/M8 端任意。录音时，置 RE 端为 0，压住/M1 即听到“嘀”一声BUSY 指示灯亮起即开始录音第一段，松键时又听到 “嘀”一声 BUSY 指示灯熄灭即录音停止。/M2、/M
17、3、/M4 分别录其他三段。录音时可以不按顺序，先录任意一段均可，10不满意可重新录音，录满时指示灯熄灭并响“嘀嘀”两声。置 RE 端为 1 即是放音状态，按一下/M1 即放音第一段，放音期间再按一下/M1 即停止放音，如果压住/M1 不放即循环放音第一段直到松键。/M2、/M3、/M4 均分别控制第二、三、四段。/CE 键为停止键，放音期间按一下它也能停止放音。APR9600 的电性能参数：电源电压 4.56.5V，工作电流 25mA。其外接振荡电阻与采样率、语音频率、录放时间的关系如下图表 1，该电阻可以根据用户需要的时间和音质效果无级调节。表 2 APR9600 的电性能参数震荡电阻 采
18、样频率 录放音频带 录放音时间44K 4.2KHz 2.1KHz 60s38K 6.4KHz 3.2KHz 40s24K 8.0KHz 4.0KHz 32s3.4 液晶 LCD 显示模块电路本系统的显示部分采样 RT1602c 字符显示模块,与采用数码管相比,硬件连接和软件调试上都由优势。只要把要显示的内容放进液晶模块的显示存储器里面就可以直观的显示出指定的内容,操作方便。1602 液晶模块内部的字符发生存储器(CGROM)已经存储了 160 个不同的点阵字符图形,这些字符有:阿拉伯数字,英文字母的大小写,常用的符号,和日文假名等,每一个字符都有一个固定的代码,比如大写的英文字母“A “的代码
19、是01000001B(41H),显示时模块把地址 41H 中的点阵字符图形显示出来,我们就能看到字母“A“。该模块的硬件原理图如图所示。1602C 的数据口接单片机的 P0 口,使能端 E 接P2.7,液晶的 RS 端接 P2.5,读写端 RW 接 P2.6。11RS=1; /置 1 为写入数据 ,置 0 为写入命令。RW=0; /读写端置 0 为写命令,即将命令或数据写入液晶的数据命令寄存器。E=1; / P0=l_data; /把数据赋给 P0 数据口。E=0; /在使能端下降沿时将数据写入液晶的存储器。图 6 RT1602c 显示模块接法3.5 单片机 AT89S52 主控芯片AT89S
20、52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得 AT89S52 在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。AT89S52 具有以下标准功能：8k 字节 Flash，256 字节 RAM，32 位 I/O 口线，看12门狗定时器，2 个数据指针，三个 16 位 定时器/计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口
21、，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持2 种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许 RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。4 程序设计4.1 程序设计流程图发射站名信号接收站名信号nRF905 连续两次接到信号否是单片机处理关闭接收输出语音控制信号发出相应声音进入中断重播程序是重新报站图 7 车上系统软件设计流程图13为满足人性化需求，本系统在自动报站的同时也设计了人手操作的报站按钮以防异常情况的出现，另外也相应地设立了重播按钮。正常
22、通车时，公交车上接收模块一直通电工作，即将进站同时也即进入站上发射模块的工作范围时，车上系统联系两次接收到相同信号（增强抗干扰性）后，把接收到的信息数据交由给单片机处理。单片机对接收到的数据进行解码，若解码后的数据与事先编码好的每一线路车站点信息（存储在单片机内）相匹配，则单片机会输出相应的控制信号控制语音芯片 APR9600 开始报音。如果单片机内的解码数据没有和接收信号相匹配的，则单片机没有输出信号也即不驱动语音芯片工作。当重播按钮有按下时，经单片机中断接收后会输出最近一次接收到的数据编码给语音芯片，此时便可完成重新报站功能。14否是单片机处理关闭接收输出液晶控制信号LCD 显示相应车号接
23、收到车号信息到是显示“Welcome”否持续时间到达是否nRF905 连续两次接到信号图 8 站上系统软件设计流程图系统上电工作时，LCD 显示“Welcome ”字符，此显示一直维持直到系统上的单片机有控制信号输出给 LCD 时停止。当来车即将进站时，站上接收模块接收到车上系统的发射信号后便把数据交给单片机处理。处理方法与车上报音系统处理方法相同，只有数据匹配时才会有相应信号输出给 LCD 显示进站的车号。当 LCD 显示车号延时一定时间后继续返回显示“Welcome ”字符。154.2 系统的点对点通信距离理论计算和测试为了验证该系统能否达到设计要求，对系统的点对点通信距离进行了理论计算和
24、测试。传输距离主要由传播损耗、工作频率、外部损耗等因素决定。而传播损耗是非常复杂的问题,涉及电波传播机理、地形地物影响、载波工作频段和天线指向等很多因素。这里给出自由空间传播时的无线通信距离计算公式（王萍等，2007）: flosdlg204.3g20式中 为传播损耗, 单位为 dB； 为工作频率，单位为 MHz； 为通信距离，单位为losf dkm。nRF905 的最大发射功率为 10dBm，接收灵敏度为-100dBm ，假定由大气、阻挡物、多径等造成的损耗为 25dB，可以计算得出通信距离 d=0.98km，这是理想状况下的计算。为了验证理论，在 3 月中旬进行了实测，当日天气晴朗。把通信
25、距离和障碍物设为主要变量，通过改变通信距离和用不同的障碍物进行遮挡进行测试，如表 2 及表 3 所示：表 3 通信距离对通信效果的影响通信距离 通信效果0-100m 效果好，灵敏度高100-300m 效果较好，能正常传输300-500m 开阔地可传输，灵敏度稍差500m 以上 灵敏度较差，有时会出错，有时无响应表 4 障碍物对通信效果的影响16障碍物 对通信效果的影响一堵墙 几乎没有影响西园湖对岸，有树阻挡 几乎没有影响一栋楼 灵敏度稍低，但不影响实测结果表明，在使用 PCB 天线时，传输距离可达到 300m 左右，但在 100m 距离时接收效果较好，灵敏度较高，显示与站点编号符合。如遇障碍物
26、区时距离稍有减小，灵敏度稍低，但不会影响正常使用，达到设计要求。5 总结及改进针对当前各种公交报站方式存在的弊端，设计了一种基于 nRF905 的公交自动报站系统，实现了公交车对站名的自动识别、自动报站功能（周国雄等，2007） 。本系统通过硬件调试，工作稳定性能优良，各部分均达到了预期的功能，加之成本低廉，实用性高。本文所介绍的智能报站系统具有明显优势，可扩展性很强，非常适合各大中小城市推广使用。该系统的不足之处是（1）人机界面太简陋，如果条件允许的话，可以用更好的液晶显示器作为显示模块，让乘客看上去更直观更舒服。 （2）传输距离太短。可以用高增益天线代替 PCB 天线，高增益天线基本可以达到 800 米以上的传输距离，很好地解决了传输距离短的问题。17
