基于單片機(jī)的公交車語音報(bào)站系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘? 要：文章設(shè)計(jì)了一種基于北斗導(dǎo)航的具有智能化語音播報(bào)和顯示功能的公交車智能語音報(bào)站系統(tǒng)，該系統(tǒng)以STM32F103CBT6單片機(jī)作為主控芯片，包括：北斗定位模塊、語音播報(bào)模塊、顯示模塊。其中，北斗定位模塊采用UM220芯片，語音播報(bào)模塊采用ISD4004語音芯片和LM386音頻功率放大器，顯示模塊采用0.96寸的OLED液晶顯示屏。最后，通過對(duì)公交車智能語音報(bào)站系統(tǒng)的測(cè)試仿真和結(jié)果分析，實(shí)現(xiàn)了本系統(tǒng)的語音播報(bào)和顯示功能。

關(guān)鍵詞：STM32;語音播報(bào);OLED顯示;北斗定位技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP368? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2021）17-0047-04

Abstract： This paper designs an intelligent bus-stop voice announcing system with intelligent voice announcement and display functions based on Beidou navigation. The system uses STM32F103CBT6 single-chip microcomputer as the main control chip， including： Beidou positioning module， voice announcement module， and display module. Among them， the Beidou positioning module uses a UM220 chip， the voice announcement module uses an ISD4004 voice chip and an LM386 audio power amplifier， and the display module uses a 0.96 inch OLED liquid crystal display. Finally， through the test simulation and result analysis of the intelligent bus-stop voice announcing system， the voice announcement and display function of the system is realized.

Keywords： STM32; voice announcement; OLED display; Beidou positioning technology

0? 引? 言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和城鎮(zhèn)化水平的不斷提高，人們對(duì)美好生活的向往不斷變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。然而，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展也帶來了一些問題。就交通這一方面來說，經(jīng)濟(jì)發(fā)展提高了居民收入和人均可支配收入，增加了私家車的購買量。但是，卻導(dǎo)致了嚴(yán)重的交通問題，城市交通面臨的壓力不斷增加。在這一背景下，國(guó)家提出綠色發(fā)展、綠色出行的理念，大力發(fā)展公共交通。公共交通也憑借其載客量大、成本低的優(yōu)點(diǎn)，成為人們出行的主要工具之一。因此，本文在響應(yīng)國(guó)家號(hào)召和緩解交通擁堵的前提下，進(jìn)行公交車智能語音報(bào)站系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1? 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)以STM32F103CBT6單片機(jī)為核心，接收BDS（北斗導(dǎo)航系統(tǒng)）數(shù)據(jù)并進(jìn)行解析、控制語音播放和液晶顯示。主要分為BDS北斗定位模塊、語音模塊、OLED顯示模塊、按鍵模塊和電源模塊。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

各模塊的功能為：

北斗定位模塊：接收衛(wèi)星的定位數(shù)據(jù)，并通過USART串口將處理好的數(shù)據(jù)發(fā)送到STM32F10CBT6芯片。

STM32F10CBT6芯片：處理BDS傳送的信息并與本身存儲(chǔ)的信息進(jìn)行比較、控制語音播放和液晶顯示。

OLED顯示模塊：接收主控芯片的指令并實(shí)時(shí)顯示站點(diǎn)信息、提示語及廣告語等。

語音播報(bào)模塊：執(zhí)行單片機(jī)發(fā)送過來的指令，結(jié)合公交車狀態(tài)進(jìn)行語音提示。

按鍵模塊：音量控制。

電源模塊：轉(zhuǎn)換電壓進(jìn)行供電。

本設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)的功能是公交站點(diǎn)信息的存儲(chǔ)，公交車實(shí)時(shí)定位、進(jìn)出站檢測(cè)，公交車與站點(diǎn)之間距離的檢測(cè)。首先，以每一個(gè)公交車站點(diǎn)為圓心，劃定一個(gè)半徑為20 m的圓，其次，由BDS定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)確定車輛所處位置，并經(jīng)過程序?qū)Ρ溶囕v的實(shí)時(shí)位置，判斷車輛狀態(tài)。最后，檢測(cè)公交車是否進(jìn)入到最近站點(diǎn)的半徑范圍，如果車輛進(jìn)入半徑范圍，則進(jìn)行站點(diǎn)的播報(bào)和顯示。當(dāng)車輛離開該站點(diǎn)的半徑范圍時(shí)，播報(bào)并顯示下一站點(diǎn)的信息。其判斷說明如表1所示，示意圖如圖2所示。

2? 系統(tǒng)方案選擇

2.1? 主控芯片的選擇

方案一：STC12C5A60S2單片機(jī)雖然內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，便于操作控制，但是該芯片沒有SPI串行通信接口，雖然能夠通過I/O接口進(jìn)行模擬，但是也在一定程度上增加了設(shè)計(jì)的難度，而且如果所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中需要兩個(gè)SPI的串行通信接口以及其他外設(shè)時(shí)，該芯片的接口就不能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。由此可知，該芯片并不能夠滿足本設(shè)計(jì)需要連接北斗芯片、語音芯片、OLED顯示屏的外設(shè)接口需求，故不予采用。

方案二：STM32F103CBT6芯片具有三個(gè)SPI串行通信接口、七個(gè)定時(shí)器、三十七個(gè)能夠兼容CMOS和TTL的I/O端口，豐富的外設(shè)接口能夠滿足本文所設(shè)計(jì)的公交報(bào)站系統(tǒng)的需要，故選擇STM32F103CBT6單片機(jī)作為本設(shè)計(jì)的主控芯片。

2.2? 北斗導(dǎo)航芯片的選擇

方案一：NEO-6M芯片是一種能夠?qū)崿F(xiàn)高精度定位的定位模塊，能夠通過USART串口連接外設(shè)，支持多種速率進(jìn)行工作，但是只能支持GPS（全球定位系統(tǒng)）的信號(hào)和頻點(diǎn)，不能夠接收BDS信號(hào)和頻點(diǎn)，不能夠滿足本設(shè)計(jì)的需求。

方案二：UM220芯片是和芯星通公司生產(chǎn)的定位芯片，能夠兼容BDS和GPS兩個(gè)系統(tǒng)，并且具有定位精度高、速度精度高、尺寸小、功耗低的優(yōu)點(diǎn)，能夠很好地滿足公交車智能語音報(bào)站系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。

綜合考慮，UM220芯片能夠進(jìn)行BDS和GPS雙系統(tǒng)的定位導(dǎo)航，更能夠適合本設(shè)計(jì)的需要，故選擇此芯片作為定位芯片。

2.3? 語音播報(bào)芯片的選擇

方案一：ISD4004語音芯片內(nèi)部具有音頻功率放大器、濾波器和振蕩器，能夠減少噪聲等干擾因素，使傳播的語音信號(hào)更加準(zhǔn)確。通過該芯片的工作時(shí)序可以看出數(shù)據(jù)的傳送從下降沿開始，操作指令的執(zhí)行從上升沿開始。

方案二：ISD2560語音芯片同ISD4004芯片一樣，具有音質(zhì)好、抗干擾能力強(qiáng)、尋址能力高的優(yōu)點(diǎn)，但是該芯片沒有SPI串行接口只能夠采用并行通信的方式，不滿足本設(shè)計(jì)采用串行通信方式的需要。

綜上所述，本設(shè)計(jì)擬采用SPI串行通信實(shí)現(xiàn)STM32單片機(jī)對(duì)語音芯片的控制，所以選用ISD4004語音芯片而非ISD2560芯片。

2.4? 顯示模塊的選擇

方案一：LCD顯示屏不能夠依靠自身實(shí)現(xiàn)發(fā)光，必須有背光模塊才可以。而且，由于LCD顯示屏內(nèi)置液晶層，所以其厚度要大于OLED液晶屏，并且，LCD顯示屏的可視角度小、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、亮度的均勻性差，對(duì)比度較差，影像清晰度低。

方案二：與LCD 顯示屏相比較，OLED顯示屏具有較高的亮度、豐富的色彩，輕薄的厚度、快捷的反應(yīng)速度。并且OLED顯示屏的構(gòu)造簡(jiǎn)單、對(duì)比度大，能夠?qū)崿F(xiàn)自發(fā)光，所需要的工作電壓更低，更加節(jié)能。再者，OLED具有廣闊的視角能夠在極大的范圍內(nèi)觀看，且畫面不失真。

方案確立：綜合考慮，OLED顯示屏具有較高的性價(jià)比，其內(nèi)部的各個(gè)像素點(diǎn)都是獨(dú)立工作的，功耗小、響應(yīng)時(shí)間短，快速滑動(dòng)畫面時(shí)不會(huì)產(chǎn)生畫面殘留和拖影，具有良好的視覺觀感。而且本設(shè)計(jì)主要是用于公交車內(nèi)顯示。采用OLED顯示屏可視角度大，響應(yīng)時(shí)間短，能夠使乘客清晰地看見顯示屏上顯示的信息。

3? 硬件電路與軟件設(shè)計(jì)

3.1? 硬件電路設(shè)計(jì)

本語音控制系統(tǒng)核心控制器采用STM32F103CBT6單片機(jī)，該單片機(jī)運(yùn)算力強(qiáng)，能夠在71 MHZ的頻率下進(jìn)行工作，而且該芯片具有豐富的外設(shè)接口，兩個(gè)I2C、三個(gè)SPI以及五個(gè)USART串口，能夠滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中語音模塊、顯示模塊以及北斗定位模塊的接口需要。并且STM32F103CBT6內(nèi)部的SPI串行通信模塊，可以進(jìn)行三線全雙工同步傳輸、兩線半雙工同步傳輸或兩線簡(jiǎn)單同步傳輸，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長(zhǎng)度可以配置為4或16位。另外，SPI模塊還具有可編程的極性、相位及高低位可控，可以滿足多種通信需求。并且還支持I2S通信協(xié)議，可以用于音頻設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)中通過USART接口實(shí)現(xiàn)北斗定位模塊與STM32單片機(jī)的通信，將UM220的TXD2和RXD2引腳與STM32F103CBT6的USART2_TX和USART2_RX端（PA2和PA3）相連接即可。當(dāng)公交車智能語音報(bào)站系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時(shí)，UM220芯片與主控芯片STM32進(jìn)行通信交流，STM32單片機(jī)通過TXD引腳向BDS模塊發(fā)送指令，BDS模塊通過RXD引腳，將自己采集到的位置數(shù)據(jù)等信息發(fā)送給STM32F103CBT6單片機(jī)，單片機(jī)通過串口中斷的方式連接，實(shí)時(shí)輸出定位數(shù)據(jù)，然后再由主控芯片對(duì)接收到的信息進(jìn)行加工處理，提取有用信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的實(shí)時(shí)定位。

此外，STM32F103CBT6內(nèi)置128 kB的flash閃存，掉電后仍能夠?qū)崿F(xiàn)信息的存儲(chǔ)，而且，公交車的行駛線路是固定的，因此我們可以用內(nèi)置的flash閃存模擬EEPROM，將固定的站點(diǎn)信息（緯度、經(jīng)度等）存儲(chǔ)在里面。由于BDS接收信息的最低位具有不穩(wěn)定的特點(diǎn)，因此BDS接收的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)只需要達(dá)到1/1 000即可。根據(jù)經(jīng)緯度與距離之間的關(guān)系，我們?cè)O(shè)A、B兩點(diǎn)的位置為（LonA，LatA）、（LonB，LatB）以0°經(jīng)線為基準(zhǔn)，東經(jīng)取經(jīng)度的正值，北緯取90°減去緯度值。則處理后A、B兩點(diǎn)的坐標(biāo)分別為（MLonA，MLatA）、（MLonB，MLatB）。此時(shí)可以根據(jù)公式C=sin（MLatA）*sin（MLatB）和D=R×Across（C）*Pi/80即可實(shí)現(xiàn)經(jīng)緯度與距離的換算。經(jīng)過地圖查找發(fā)現(xiàn)，我國(guó)陸地經(jīng)緯度的最大值分別為東經(jīng)136度和北緯60度，根據(jù)BDS接收信息的最低位允許達(dá)到1/1 000的誤差以及經(jīng)緯度的單位換算規(guī)律計(jì)算可知，我國(guó)經(jīng)度和緯度的最大值分別為：136×60×1 000=8 160 000和60×60×1 000=3 600 000。將經(jīng)度和緯度信息轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制進(jìn)行存儲(chǔ)，分別只需要4個(gè)和3個(gè)字節(jié)。由此可知，預(yù)存一幀BDS數(shù)據(jù)只需要7個(gè)字節(jié)就能夠滿足需要，故內(nèi)部存儲(chǔ)Flash能夠滿足本設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)需求。

3.2? 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件整體流程圖如圖3所示。系統(tǒng)開啟后，先設(shè)置站點(diǎn)與路線，然后讀取BDS信息，對(duì)信息進(jìn)行解讀，然后單片機(jī)會(huì)對(duì)信息進(jìn)行檢測(cè)，判斷是否到站，是的話對(duì)比BDS數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行語音播報(bào)及站點(diǎn)顯示;否則的話繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)更新再次進(jìn)行檢測(cè)。

其中，功能函數(shù)：定位模塊的軟件部分程序設(shè)計(jì)為：

void Auto_Play（）

{

unsigned int a，b; uchar i;

if（Flag_BDS_OK == 1 && RX_Buffer[4] == 'L' && RX_Buffer[6] == '，' && RX_Buffer[11] == '.'）//確定是否收到"GNRMC或者GNGGA"的幀數(shù)據(jù)

{ES=0;//關(guān)串口中斷

for（i=0; i < 28; i++）{

RX_Buffer_D[i] = RX_Buffer[i+6]; get_real_station（）;

if（（a <= 1000） && （b <= 1000））//經(jīng)驗(yàn)測(cè)試，同一調(diào)試地點(diǎn)，多次測(cè)得最大誤差n：3064 e：3640{

onemore_flag++;

if（onemore_flag == 2）{

onemore_flag = 0;

if（Up_Down_Flag == 0）{

switch（station_num）{

case 0：

if（！station_1_flag）{

station_1_flag = 1;

dispString（2，0，1，" 一號(hào)站"）;

dispString（3，0，1，"=>二號(hào)站"）;

dispString（4，0，1，"=>三號(hào)站"）;

Flash_Lcd（）;

ISDPlay（0x45）;

}

4? 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

4.1? 定位仿真及分析

本模塊的作用是將接收到的定位信息經(jīng)過處理發(fā)送到主控芯片，但是為了能直觀地看到定位信息處理后的結(jié)果，將本模塊單獨(dú)進(jìn)行了一次仿真。

在仿真過程中，選取三個(gè)模擬站點(diǎn)，各進(jìn)行三次測(cè)試，其結(jié)果如表1、表2、表3所示，其中：N表示緯度，E表示經(jīng)度。本次測(cè)試通過實(shí)際值和設(shè)定數(shù)值之間的計(jì)算得出，本次定位功能的緯度誤差在0到0.04之間，經(jīng)度誤差在0到0.05之間，在誤差允許的精度范圍內(nèi)，并且在測(cè)試過程中經(jīng)過不斷地調(diào)整，誤差逐漸減小，符合要求。

4.2? OLED顯示仿真

本模塊在進(jìn)行仿真時(shí)主要操作為：

（1）通過程序的實(shí)現(xiàn)對(duì)OLED顯示屏的清屏和初始化。

（2）運(yùn)行程序接收主控芯片發(fā)送的信息實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)的滾動(dòng)顯示、公交車名稱、時(shí)間閃爍，其結(jié)果如圖4所示。

從以上測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)站、OLED顯示等功能。此外，除定位和顯示功能外，本系統(tǒng)能夠通過蜂鳴器等代替仿真語音播報(bào)，通過連接虛擬示波器可以看到其語音提示的結(jié)果。并且通過對(duì)ASM1117穩(wěn)壓模塊的仿真分析得出：本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)5 V和3.3 V電壓的供電需求。

5? 結(jié)? 論

本設(shè)計(jì)通過對(duì)硬件和軟件兩部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，運(yùn)用北斗定位、語音播報(bào)和OLED顯示技術(shù)完成了基于北斗定位的STM32的公交車智能語音報(bào)站系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，介紹了本設(shè)計(jì)中用到的主要硬件的原理、功能，分析了北斗模塊、語音模塊、顯示模塊的軟件設(shè)計(jì)流程，基本上實(shí)現(xiàn)了公交車智能語音報(bào)站系統(tǒng)的自動(dòng)定位、語音播報(bào)和OLED顯示的功能，完成了設(shè)計(jì)的任務(wù)要求。本文采用我國(guó)自主研發(fā)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，且通過創(chuàng)新類的網(wǎng)站及電視節(jié)目中了解到該定位系統(tǒng)目前只是在軍事方面進(jìn)行應(yīng)用，在民用方面尚未普及，只是應(yīng)用在無人駕駛汽車技術(shù)的研發(fā)上，所以本文設(shè)計(jì)的公交報(bào)站系統(tǒng)具有良好的創(chuàng)新性，在未來具有良好的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陸俊驊.公交自動(dòng)報(bào)站系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [D].蘇州：蘇州大學(xué)，2018.

[2] 方杰，胡春雷.基于51單片機(jī)的可視可聽公交車自動(dòng)報(bào)站系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2019，15（2）：221-223.

[3] 方超.基于北斗的無人船艇的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)研究 [D].廈門：集美大學(xué)，2017.

[4] 魏芬.基于北斗定位的智能公交車載系統(tǒng)的設(shè)計(jì) [J].信息通信，2014（6）：81-82.

[5] 陳政，虞麗娟，陳成明.基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的物流動(dòng)態(tài)追溯系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用 [J].全球定位系統(tǒng)，2017，42（3）：82-86.

[6] 胡小敏.基于RFID技術(shù)的智能公交站牌設(shè)計(jì) [J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2021，40（5）：79-82.

[7] 魏芬，戴麗佼，李紅霞.基于proteus的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì) [M].北京：清華大學(xué)出版社，2018：109-120.

[8] 雷永鋒，孫莉莉，劉偉.基于GPS的公交車智能報(bào)站系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J].機(jī)械與電子，2020，38（3）：19-22+26.

[9] 戈皓月，張梁山，姜文虎，等.基于單片機(jī)的公交車智能報(bào)站系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J].電子制作，2019（13）：12-14.

作者簡(jiǎn)介：趙興娜（1983—），女，漢族，山東德州人，副教授，碩士，研究方向：電子與通信技術(shù)、智能控制。