記重收費用費額顯示器中語音和顯示功能的設計與實現(xiàn)

中北大學 趙 婷 姚竹亭

山西百得開放有限公司 劉春力

1.引言

山西省交通信息通信公司自主研究開發(fā)的XT-FX-Y系列一體化費額顯示器，可顯示車型、金額、總重、超限、余額等數(shù)字和語音提示信息等，同時具有通行指示燈、聲光報警等功能。XT-FX-Y型費額顯示器設計先進，功能齊全，質量可靠。用于高速公路、國道、省道收費站等交通控制場所，安裝于收費站計重收費出口車道的左前方，顯示車輛的收費、通行及報警信息。

2.硬件電路設計

2.1 主控部分

費額顯示器采用的是STC89C52單片機作為MCU主控制部分，其中單片機的P10-P17口接AP89085芯片的S1-S8腳(觸發(fā)引腳)，用于控制語音芯片部分；單片機P0口接上拉電阻，P00-P02口接數(shù)碼顯示板接口，用于控制數(shù)碼顯示板。單片機的口接AP89085芯片的SBT引腳(觸發(fā)引腳)，用于觸發(fā)AP89085芯片，T0引腳接AP89085芯片的OUT3腳(可編程輸出引腳)，可對AP89085芯片進行編程。

2.2 語音功能實現(xiàn)

費額顯示器的語音播報功能是使用AP89085芯片完成的，如圖1所示為語音芯片硬件電路設計，AP89085芯片是3.3V電壓供電的，是一次性編程(OTP)語音芯片，是采用4-bit ADPCM或8-bit PCM壓縮方式。在6K采樣率下時間長度可達到85秒；通過M0和M1可以選擇按鍵或CPU方式觸發(fā)，圖中M0接上拉電阻置高電平，M1接地置低電平，當M1=0，M0=1設置成CPU芯片并行命令方式；按鍵可以觸發(fā)32段，CPU可以觸發(fā)254段；3個輸出端可以選擇LED、STOP、BUSY不同組合；聲音輸出可外接三極管放大輸出(COUT)或直接推喇叭(VOUT)方式。單片機P1口與觸發(fā)引腳S1-S8腳相連接，因為單片機為5V供電，AP89085芯片為3.3V供電，為了實現(xiàn)電平轉換，在單片機P1口和AP89085芯片之間增加R6-R13電阻。COUT端外接到功放電路，實現(xiàn)對語音信號的放大作用。

2.3 功放電路

費額顯示器的語音芯片AP89085A的COUT端外接到功放電路，功放電路(如圖2所示)采用的是TDA2030A功率放大器的應用電路。其中RA9為可調電阻，用于音量調節(jié)；CA4為濾波電容，CA1為高頻退偶電容；RA6、RA2、RA3、CA7為TDA2030A功放電路的偏置電路；RA7、RA8、CA6組成負反饋電路，改變RA7的大小可改變負反饋系數(shù)；CA5是輸入耦合電容，CA8是輸出耦合電容；當電路接有感性負載揚聲器時，接入RA5和CA2，可確保高頻穩(wěn)定性；DA1和DA2二極管為保護二極管。UA1構成正向放大，UB1構成反向放大，這樣接入ADIOE喇叭接口就可把來自信號源的微弱電信號進行放大以驅動揚聲器發(fā)出聲音。

2.4 顯示功能實現(xiàn)

51單片機通過P0-P2口對數(shù)碼板進行控制，信號再接入74HC245芯片，該芯片是一個三態(tài)輸出的八總線收發(fā)器，具有信號功率放大的作用，信號通過74HC245芯片功率放大之后再接人LED驅動芯片74HC595。電路如圖3所示。

圖1 語音芯片電路

圖2 功放部分電路

圖3 數(shù)碼管顯示電路

圖4 亮度可調部分

圖5 軟件設計流程

圖6 程序流程圖

數(shù)碼板共有5為數(shù)碼管顯示，選擇其中一路為例作說明。數(shù)碼管顯示部分采用的是74HC595芯片，該芯片是一個8位移位寄存器，為LED驅動芯片，其中SER、STB、CLK為控制端，用于單片機控制74HC595芯片，控制8路行選信號；LC接入信號為調節(jié)數(shù)碼管亮度的作用。信號通過Q0-Q7端輸出接入ULN2803芯片，該芯片是一個八個NPN達林頓晶體管連接的低電平有效，輸出的8路反相驅動信號接8個限流電阻，再接入LG30012BU數(shù)碼管，進行數(shù)碼顯示。

2.5 亮度可調部分

亮度可調部分(如圖4)是由NE555和74F08芯片組成，其中NE555是一個能產生精確定時脈沖的高穩(wěn)度控制器，其輸出驅動電路可達200mA。在多諧振蕩器工作方式時，其輸出的脈沖占空比由兩個外接電阻和一個外接電容確定；在單穩(wěn)態(tài)工作方式時，其延時時間由一個外接電阻和一個外接電容確定，可延時數(shù)微秒到數(shù)小時。光敏電阻通過J8端口接入，光敏電阻通過感應光的強弱從而改變PWM脈沖信號，進而改變NE555的脈沖占空比，由OUT引腳輸出的PWM脈沖信號與單片機P03口信號通過74F08芯片與門之后產生一個脈沖信號，從而調節(jié)數(shù)碼管亮度。單片機P03口可輸出高電平和低電平，當輸出為高電平時，與OUT引腳信號邏輯與之后可調節(jié)數(shù)碼管亮度；當輸出為低電平時，與OUT引腳信號邏輯與之后為低電平，不調節(jié)數(shù)碼管亮度，74F08芯片是一個四2輸入與門，相當于開關作用。顯示亮度5級軟件可編程自動調整（環(huán)境光檢測自動調整）或手動調整（軟件設定），以防止在夜間產生玄光；長期暴露在太陽光下，其可見性不能降低。

3.軟件設計

3.1 軟件設計流程

本設計說明書是針對計重收費用費額顯示器其功能的軟件實現(xiàn)進行描述。通過主控芯片51單片機對系統(tǒng)進行編程，產品的軟件設計流程如圖5所示，圖中清晰分析了軟件設計的一般流程及對產品功能的分析與調試。

3.2 編程部分設計

程序設計了費額顯示器顯示并播報數(shù)據(jù)的功能。費額顯示器受車道控制機控制，接收指令執(zhí)行并給車道控制機應答。通信采用標準三線雙向RS-232串口傳送數(shù)據(jù)，為半雙工方式，速率為9600bps，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無奇偶校驗位。

首先，51單片機各口賦初值，串口初始化，開始準備工作。之后，關閉各信號燈，數(shù)碼管顯示清屏，通過上位機發(fā)送檢測信息，費額顯示器進行自檢。檢測無誤后，接收串口數(shù)據(jù)，并通過判斷數(shù)據(jù)是否有效做出相應動作。數(shù)據(jù)有效則顯示并播報數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)無效則給上位機發(fā)送錯誤報告。依次進行工作流程，如圖6所示。

4.檢測部分

確認費額顯示器連接端子接線無誤后，給費額顯示器加電。系統(tǒng)自檢正常后，點陣顯示“客貨”信息、數(shù)碼管全部顯示8，語音報出“祝您一路平安”，稍候熄滅。如果沒有顯示和語音或顯示不正確，請確認連接線。

上述過程正常后，找到控制主板上的JP_TEST端子，用短路塊將其短接，系統(tǒng)進入自動檢測狀態(tài)，車型點陣輪流顯示客貨車型的示例，數(shù)碼管全部顯示從0到9循環(huán)，小數(shù)點間歇亮滅，語音報出示例語音內容。確認自檢后，將JP_TEST端子上的短路塊取出，恢復接收命令控制狀態(tài)。

5.結論

本文系統(tǒng)的論述了記重費額顯示器語音播報及數(shù)碼顯示功能的設計與實現(xiàn)，給出了各功能單元的設計方法，詳細分析了其中的原理。并通過了真實的實驗驗證，實驗表明該記重費額顯示器功能完善，記重顯示準確，播報無誤，已經用于各高速路收費路口，符合實際需要。

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