摘 要:為實現(xiàn)公交車的自動報站功能,提出一種以C8051F040單片機(jī)和GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)的設(shè)計方案.首先設(shè)置通過錄音接口預(yù)存各站點具體位置的語音信息,當(dāng)公交車在行駛時,能自動識別站點并完成語音報站功能,同時可設(shè)置公交車行駛的上限速度,當(dāng)超過該速度值時,系統(tǒng)將完成語音報警提示.該系統(tǒng)定位準(zhǔn)確,并可實現(xiàn)全天侯工作.

關(guān)鍵詞:C8051F040;單片機(jī);GPS;語音報站;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,實現(xiàn)交通與城市和諧發(fā)展.而傳統(tǒng)的公交車報站系統(tǒng)通常采用人工按鍵方式,這種人工方式缺點如下:一是經(jīng)常會出現(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;二是車輛將要到達(dá)站點時,司機(jī)要手動完成按鍵報站,造成注意力不集中,容易出現(xiàn)交通事故.本文設(shè)計一種新型公交車自動報站及限速系統(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)公交車駛?cè)胝军c一定距離范圍內(nèi)時,不用人工干預(yù),系統(tǒng)自動報站.

其相關(guān)信息并或通過LCD顯示,給司機(jī)或乘客準(zhǔn)確提供站點信息,同時該系統(tǒng)還具有語音提示功能,當(dāng)車速超過預(yù)置的上限速度時,將實時告知司機(jī),及時減速.

1 系統(tǒng)框圖與工作原理

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

該系統(tǒng)主要由單片機(jī)控制模塊,GPS模塊和語音模塊及鍵盤輸入與人機(jī)接口三部分組成.主要完成公交車行駛過程中的位置坐標(biāo)信息采集和公交站點信息的語音提示以及站點預(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)計框圖

1.2 系統(tǒng)工作原理

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

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件電路設(shè)計主要包括四部分: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TI的Cygnal公司設(shè)計和制造的混合信號片上系統(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8位的I/O 口、2個UART總線、1個SPI總線和CAN總線等.

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

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通過同時對多顆衛(wèi)星進(jìn)行偽距離測量計算接收機(jī)的位置,其具有定位精度高、執(zhí)行操作簡便、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[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,會每隔一定的時間返回一定格式的數(shù)據(jù),其數(shù)據(jù)格式為:"＄信息類型,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x",每幀的起始字符都是'＄',接著是信息類型,后面是定位參數(shù),以逗號分隔開[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)計中對數(shù)據(jù)信息提取、解析是通過Cygnal公司的C8051F040完成,其方法首先通過搜尋ASCII碼'＄'來判斷是否是一幀數(shù)據(jù)的開始,然后通過接收到的五個字符來判斷當(dāng)前所接收到的信息類型,對幀的信息類型識別正確后,通過搜尋的','的個數(shù)來確定GPS模塊當(dāng)前所接收到的是哪個定位參數(shù),從中提取出需要的定位信息[3].本設(shè)計中僅解析GPRMC信息中的經(jīng)、緯度、速度和時間信息等.

2.2.2 GPS硬件模塊

本設(shè)計中利用C8051F040單片機(jī)通過串行接口實現(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微弱信號攫取技術(shù),能確保在任何可接收到信號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現(xiàn)無縫連接,電路簡單,其具體電路如圖2所示.

2.3 語音模塊

ISD1700系列芯片是Winbond推出的單片優(yōu)質(zhì)語音錄放電路,設(shè)計中采用的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的語音信息,因此,可完全滿足公交車語音播報的數(shù)據(jù)要求[5].單片機(jī)控制ISD17240芯片是通過該芯片的SPI模式來實現(xiàn),ISD17240語音芯片中幾乎所有的操作,如,錄音、播放、擦除、快進(jìn)以及對在存儲語音信息地址的訪問等均可通過ISD17240提供的SPI命令來實現(xiàn),極大地方便了軟件設(shè)計[5].

圖3所示的即是該芯片與錄音、放音簡化電路和與單片機(jī)的SPI接口

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 站點錄入和速度預(yù)置

站點名稱的錄入和站點位置信息在系統(tǒng)調(diào)試過程中進(jìn)行,站點名稱的錄入可在實驗室內(nèi)完成;站點的位置信息采集可通過單片機(jī)控制GPS模塊完成,由于公交車在停車時的位置與站臺位置有一定的偏差,因此,系統(tǒng)在采集每一個站點信息時,要考慮有一定的偏差范圍,將所有站點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名稱相對應(yīng).由于站點以及公交車行駛路線相對固定,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信息采集和語音提示模塊

GPS信息采集主要是通過C8051F040單片機(jī)來實現(xiàn),當(dāng)公交車行駛時,單片機(jī)實時地讀取當(dāng)前所在的位第15期袁 衛(wèi):基于GPS公交車限速報站系統(tǒng)設(shè)計149置信息和速度信息,經(jīng)過轉(zhuǎn)化后,與FLASH 存放的站點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SPI接口發(fā)送控制命令,控制外接的語音錄放模塊ISD17240,訪問與站點名稱相對應(yīng)的提示音存放地址,播放該公交車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、顯示模塊

人機(jī)交互模塊包括鍵盤模塊和顯示模塊,鍵盤模塊主要實現(xiàn)站點語音信息的錄入、擦除以及車輛行駛上限速度的設(shè)置等功能;液晶顯示模塊通過文字信息來傳送當(dāng)前的站點信息,系統(tǒng)擴(kuò)展時,可采用LCD點陣屏來顯示,并可同時時顯示廣告、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)與語音合成技術(shù)相結(jié)合的方式,改變了公交車中人工按鍵的語音報站器的傳統(tǒng)方式,該系統(tǒng)可完成車輛進(jìn)站的站點播報、出站時下一站的自動播報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)用語的播報.語音播報準(zhǔn)確、及時,不需要人工介入,實現(xiàn)了公交車報站器的完全智能化.

[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.