多功能嵌入式公交電子站牌硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

姚衛(wèi)國(guó)

（西安外事學(xué)院，陜西西安，710077）

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車數(shù)量迅速增加，城市道路擁堵問(wèn)題日益嚴(yán)重。而同時(shí)，城市中人們的生活節(jié)奏也越來(lái)越快---特別是上班族，于是人們希望出行的效率要越來(lái)越高。一方面為了緩解城市道路交通壓力，確保城市道路行車通暢；另一方面為了保護(hù)環(huán)境，節(jié)能減排，綠色出行，采用公共交通應(yīng)當(dāng)作為我們出行的首選。因此，城市中應(yīng)建立高效、快捷、便利的公交系統(tǒng)，以滿足人們出行的需求。

雖然，現(xiàn)在城市的公交管理系統(tǒng)功能已經(jīng)相當(dāng)強(qiáng)大，但它的功能主要是為公交管理公司提供各種管理公交車的相關(guān)服務(wù)信息，以便公交管理企業(yè)提升企業(yè)管理水平，幫助公交管理企業(yè)提高公汽車的調(diào)度效率、降低公交車的能源消耗。在現(xiàn)有的公交管理系統(tǒng)中，乘客一般只被動(dòng)的通過(guò)公交站牌靜態(tài)的接受公交信息，無(wú)法了解公交車行駛時(shí)的動(dòng)態(tài)情況，也不能以系統(tǒng)操作員的身份直接的訪問(wèn)公交管理系統(tǒng)，獲取相應(yīng)的公交車乘車服務(wù)信息。比如：乘客一般情況下是無(wú)法獲知公交車進(jìn)入公交站點(diǎn)的具體時(shí)間；公交站牌功能相對(duì)單一，公交站牌上只能靜態(tài)顯示乘車路線、乘車的站點(diǎn)名和早晚發(fā)車的時(shí)間，無(wú)法提供相應(yīng)公交信息的查詢等功能。因此，本文站在乘車乘客的角度，介紹了一種基于嵌入式微處理器為核心的公交電子站牌硬件原理設(shè)計(jì)方案，可以為乘車乘客提供公交站進(jìn)站等待時(shí)間的顯示功能，為乘車乘客提供公交路線的查詢服務(wù)功能等。

1 公交管理系統(tǒng)架構(gòu)

一個(gè)成熟的、實(shí)用的公交管理系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)公交車輛進(jìn)行定位監(jiān)控的管理，并根據(jù)公交車輛的行駛信息進(jìn)行合理、高效的調(diào)度管理。同時(shí)，本系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)智能公交站牌為乘車乘客提供服務(wù)，因此將公交管理系統(tǒng)分成以下三個(gè)部分，見(jiàn)圖1。

在公交管理系統(tǒng)中，通過(guò)車載設(shè)備將公交車輛的運(yùn)營(yíng)信息傳遞給公交后臺(tái)管理中心。公交后臺(tái)管理中心可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛實(shí)時(shí)的監(jiān)控定位，記錄、匯總公交車輛的運(yùn)營(yíng)情況，并分析、優(yōu)化公交車輛的調(diào)度方案，適時(shí)調(diào)度公交車輛的運(yùn)行。通過(guò)多功能公交站牌，乘客可以與公交后臺(tái)管理中心實(shí)現(xiàn)互動(dòng)，完成公交路線、換乘車輛等信息的查詢。車載設(shè)備也可以將公交車輛的運(yùn)行信息傳遞給智能公交站牌，由智能公交站牌顯示進(jìn)過(guò)站點(diǎn)的公交車的線路號(hào)及到站所剩時(shí)間。

2 多功能嵌入式公交電子站牌的基本功能

智能公交站牌實(shí)際是一個(gè)公交查詢、顯示系統(tǒng)，主要包括的功能有：公交到站報(bào)站功能、公交線路查詢功能、視頻播放功能、時(shí)鐘顯示功能等。

站牌報(bào)站功能能夠顯示將要進(jìn)站點(diǎn)的公交車的線路號(hào)及到站所剩時(shí)間，以便及時(shí)提醒乘客做好乘車準(zhǔn)備。

公交查詢功能有三種公交信息查詢方式：查詢公交路線、查詢公交站點(diǎn)、查詢換乘公交路線。通過(guò)公交查詢功能，使乘客可以便利地查詢到乘車站點(diǎn)路線，以便快速得到達(dá)目的地點(diǎn)。

視頻播放功能是通過(guò)視頻播放器播放新聞或一些企業(yè)的廣告信息，讓乘客在等車的過(guò)程中可以了解到最新的新聞動(dòng)態(tài)和各種廣告信息。也可以顯示城市的新風(fēng)貌，向乘客展現(xiàn)城市的精神文明面貌，向乘客介紹城市的發(fā)展、變遷。

時(shí)鐘顯示功能可以顯示當(dāng)前的時(shí)間。

3 多功能嵌入式公交電子站牌硬件電路原理框圖

4 多功能嵌入式公交電子站牌硬件器件選擇

4.1 微控制器

在硬件設(shè)計(jì)中，微處理器采用的是基于ARM7TDMI 核的芯片S3C44B0X，工作頻率66MHz，它有豐富的片上資源，包括了：8KB Cache，外部存儲(chǔ)器控制器；LCD 控制器；4個(gè)DMA 通道；2 通道UART、1個(gè)多主I2C 總線控制器、1個(gè)IIS 總線控制器；5 通道PWM 定時(shí)器及一個(gè)內(nèi)部定時(shí)器；71個(gè)通用I/O 口；8個(gè)外部中斷源；8 通道10位ADC；實(shí)時(shí)時(shí)鐘等。因此，利用S3C44B0X 芯片完全能夠搭建出實(shí)現(xiàn)多媒體信息處理和滿足系統(tǒng)功能需求的最小系統(tǒng)。

4.2 Zigbee 模塊

Zigbee 是一組符合IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的雙向無(wú)線通信技術(shù)，具有近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的特點(diǎn)，適用于數(shù)據(jù)吞吐量小、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資小、網(wǎng)絡(luò)安全要求高、耗電低的場(chǎng)合。

Zigbee 協(xié)議定義了三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星形、樹形、網(wǎng)狀。Zigbee 網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可以作為全功能設(shè)備（FFD）和精簡(jiǎn)功能設(shè)備（RFD）使用。FFD 具有控制器的功能，不僅能夠提供數(shù)據(jù)的交換，還能實(shí)現(xiàn)路由功能。RFD 電路簡(jiǎn)單且使用較小的存儲(chǔ)空間，只傳送數(shù)據(jù)給FFD 或從FFD 接收數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)具體的實(shí)現(xiàn)過(guò)程：在公交車上設(shè)置一個(gè)RFD 節(jié)點(diǎn)，作為Zigbee 終端節(jié)點(diǎn)使用；每個(gè)公交站牌都是一個(gè)FFD 節(jié)點(diǎn)，作為Zigbee 路由器使用；后臺(tái)管理中心的工作站部署著Zigbee 協(xié)調(diào)器，并與工作站通過(guò)RS232C 串口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。公交車上的Zigbee 終端節(jié)點(diǎn)每到達(dá)一個(gè)公交站牌就由RFD 節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，公交站牌FFD 節(jié)點(diǎn)把數(shù)據(jù)信息傳送給后臺(tái)工作站，后臺(tái)工作站進(jìn)一步對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后對(duì)公交車的位置信息進(jìn)行更新，公交站牌FFD 節(jié)點(diǎn)接受信息并最總顯示。

Zigbee 模塊部分采用TI 公司推出的CC2430 射頻收發(fā)器，此芯片數(shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250 kbit/s，只需要極少的外圍電路，包括晶振時(shí)鐘電路、射頻輸入/輸出匹配電路和微控制器接口電路3個(gè)部分。CC2430 與S3C44B0X 微控制器向連接時(shí)，直接與S3C44B0X所提供的SPI 接口相連傳送信息。

4.3 觸摸屏顯示模塊

觸摸屏顯示模塊主要實(shí)現(xiàn)智能公交站牌的公交信息查詢功能和視頻播放功能。觸摸屏的基本組成部件分為觸摸檢測(cè)部件和觸摸屏控制器。觸摸檢測(cè)部件位于顯示器屏幕前面，主要用于檢測(cè)用戶觸摸顯示器屏幕的位置，并將獲取的觸摸位置信息傳遞給觸摸屏控制器。觸摸屏控制器的主要作用是從觸摸檢測(cè)部件接收用戶觸摸顯示器屏幕的位置信息并轉(zhuǎn)化成觸點(diǎn)坐標(biāo)，同時(shí)接收微控制器的命令執(zhí)行處理觸摸坐標(biāo)信息。

本文采用的觸摸控制器是ADS7843。它是Burr-Brown 生產(chǎn)的一款性能優(yōu)異的觸摸屏控制器，具有4 線電阻觸摸屏轉(zhuǎn)換接口，工作特點(diǎn)是：能夠?qū)崿F(xiàn)觸摸屏的驅(qū)動(dòng)選擇控制（X、Y 通道）；對(duì)觸摸點(diǎn)的電壓值進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換；12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器編程可控制實(shí)現(xiàn)8位或12位工作模式；工作電壓為2.7--5V，同步串行工作，最高轉(zhuǎn)換速率為125kHz。觸摸屏顯示模塊如下圖3。

觸摸控制器ADS7843 與外接四線電阻式觸摸屏可以采用SPI 接口進(jìn)行信息傳遞。SPI 接口是Motorola 推出的一種同步串行接口，采用全雙工、四線進(jìn)行通信。本文將S3C44B0X 的PE 口和PF 口中的五根I/O 線與觸摸控制器ADS7843 相連，并通過(guò)SPI 接口外接四線電阻式觸摸屏（硬件連接原理圖如下圖3），采用這種方式減少了微處理器與觸摸屏控制器間的通訊時(shí)間，系統(tǒng)的響應(yīng)速度更快、靈敏度更高，提高了微處理器的工作效率。

ADS7843 在對(duì)觸摸點(diǎn)電壓值進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，觸摸屏坐標(biāo)位置的轉(zhuǎn)換結(jié)果與觸摸屏的分辨率有關(guān)。轉(zhuǎn)換公式如下:

其中，TchScr_Xmax、TchScr_Xmin、TchScr_Ymax 和TchScr_Ymin 是觸摸屏返回電壓值x、y 軸的范圍，LCDWIDTH、LCDHEIGHT是液晶屏的寬度與高度。

4.4 LED 模塊

LED 模塊主要由一個(gè)點(diǎn)陣顯示屏構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)智能公交站牌的站牌報(bào)站功能。點(diǎn)陣顯示屏輸出電路的硬件設(shè)計(jì)有兩種方式，串行輸出方式和并行輸出方式。為了提高傳輸速度，在本文中使用并行輸出方式設(shè)計(jì)電路。在設(shè)計(jì)顯示屏?xí)r，考慮到人眼的視覺(jué)特點(diǎn)，特采用逐行掃描和列驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)顯示，可以節(jié)省硬件開(kāi)支。同時(shí)，為了解決顯示屏刷新時(shí)出現(xiàn)的“拖尾”現(xiàn)象，使用兩級(jí)鎖存器鎖存列顯示數(shù)據(jù)。本文構(gòu)成了1個(gè)64×32 點(diǎn)陣,將其分成上下兩部分,每一部分連接8 組的列數(shù)據(jù)鎖存器。上下兩部分采用并行總線數(shù)據(jù)傳輸方式,需要1個(gè)74HC154 選通使能16 組74HCT573 列鎖存器，并且復(fù)用1個(gè)譯碼器74HC154,選通驅(qū)動(dòng)1/16 逐行掃描顯示。

一個(gè)大型LED 屏的結(jié)構(gòu)可分為縱向級(jí)聯(lián)和橫向級(jí)聯(lián)。本系統(tǒng)采用1/16 逐行掃描方式,整個(gè)顯示屏被分為16 行，所以系統(tǒng)使用16位并行總線數(shù)據(jù)傳輸方式，而A0--3 作為選通第一級(jí)列數(shù)據(jù)鎖存器U0-U15 譯碼器的譯碼輸入信號(hào),A4-7 作選通橫向級(jí)聯(lián)譯碼器譯碼輸入信號(hào)。在橫向級(jí)聯(lián)選通時(shí)，74HC154(1)-74HC154(8)的輸出信號(hào)Q0-15 作為列鎖存器譯碼器的使能控制線，依次選通N 級(jí)橫向級(jí)聯(lián)，并且選通線每到一級(jí)應(yīng)錯(cuò)位一次并傳到下一級(jí)。LED 模塊電路原理圖如圖4。

5 結(jié)論

本文采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，介紹了多功能嵌入式公交電子站牌各功能模塊的硬件設(shè)計(jì)方案，以便通過(guò)公交站牌，可以方便的為乘客提供某條公交線路的車輛在線路上的具體位置信息，或者可以讓乘客直接查詢某條公交線路的信息等，或者提供一些天氣、新聞等信息，使乘客出行更加便捷。

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