公共汽车智能车载设备的开发研究【参考论文】 10013.pdf

公共汽车智能车载设备的开发研究 r & d o f i n t e l l i g e mb u sc a n 面ge q u p m e n t 作者姓名：郭俊亮 导师姓名：唐祯敏 学位类别：工学 学号：0 4 1 2 0 1 2 8 职称：教授 学位级别；硕士 学科专业：控制理论与控制工程研究方向：智能交通 北京交通大学 2 0 0 6 年1 2 月 学 4 - 吣 匙丈 大文 情公 ，仑溯通墓；交样，承硕 山u 7，l，1 蚴 j 号类 分；肼 j e 立奎通左堂亟竺僮j 金室虫塞垣要 中文摘要 摘要：随着公交优先战略的确定，公交在缓解城市交通拥堵方面的作用将越来越 重要，与这种要求相比，我国大城市公共交通还有很大差距。公交的智能化是城 市交通的一个重要发展方向，是从根本上提高公交服务水平的重要手段。公交车 辆和客流数据是公交调度的基础，快速、准确的客流信息的获取，实现公交的实 时动态调度对公交车载终端设备的智能化提出了更高的要求要研究出符合我国 自身特点的公交调度优化系统还有很多工作要做。 鉴于国内外公交智能化概况及我国公交车载设备的现状，本文提出了一种新 型智能公共汽车车载设备系统。本系统基于a t 脏l 公司的a t 8 9 c 5 1 单片机实现报 ，站报点、售票、记录统计客流信息并与地面通信，将客流和车辆情况等相关的数 据信息传输到公交调度中心，电子站牌等，解决目前公交系统底层信息采集的瓶 颈问题，更好地实现车辆跟踪和客流跟踪。 本文首先结合国内外研究概况，简要给出本课题研究的内容、目标和方法； 然后简单地分析我国至载设备的现状，在此基础上从系统实现的主要功能要求和 系统的功能模块化结构两个方面给出了系统的总体设计方案：接着文章按照模块 化的设计从主控模块，无线通信模块、人机交互模块、语音模块、打印模块和i c 卡接口模块分别对车载设备系统的硬件设计做了详细的介绍在这部分中不仅介 绍了各模块的具体实现，而且对所用的主要芯片也给出了较为详细的说明；进一 步文章介绍了系统软件结构设计，并重点讨论公共汽车智能车载设备软件仿真蚕 统的实现。在这部分中首先概要介绍系统软件设计的结构；然后从w i n d o w s 的编 程特点和v i s u a lc + + 简介两方面介绍仿真系统所需要的软件工具；接着根据仿 真系统的组成和功能要求介绍系统仿真的总体设计；并给出仿真系统的各种交互 界面的设计；最后对仿真系统中的几个主要功能模块的实现做详细的讨论。文章 最后对课题进行了总结和展望，并提出了需要改进的地方和要进一步开展的工作 关键字；公共交通、计算机应用系统，单片机，v i s 眦lc + + 、系统仿真 a b s t r a c t a b s i r a c i ： a i o n gw i t ht 1 1 es t r a t e g yf o rp u b i c 咖s p o r tp r i o r 时w 鹋c o n f i 瑚e d ，p u b l i ct r a n s p o r t p l a y sm o 佗柚dm o 陀i m p o r t a n tr o l ei n 他l i e v i n g 仃a 衢cc o n g e s t i o n c o m p a r ew i t h 廿i e n e e d ，t h eu r b 舭p u b l i ct r a n s p o r th 鹊ag r e a td i 丑c f e n c ei no wc o u n t r y t h ep u b l i c t r a n s p o r ti n t e i l i g e n t i z ci sai m p o 渤n td e v l o p m e md i r e c t i o nf o rp u b i i c 仃a m p o r t 粕da 妇p o mf n n st oe n h 粕c er a d i c a 玎yt h ep u b i i cn 彻s p o r ts e i c ci e v e l n e 幽扭o f p u b l i ct m s p o r tv e h i c l e sa n dp 豁s e n g e rf i o w sab a 辩t 0e s t a b l i s hd i s p a t c h i n gs c h e m e ， o b t a i n i n gp 嬲s e n g e rf l o wd a 诅t i m e l y 如dc o r r e c t l yt oc o m et 八l et i i e r e a lt i i i l e 龃d d y n a m i cp u b l i ct r a n s p o r td i s p 眦h i n g p u tf o n a r dh i g i l e rr c q u e s tf o rt i i e m t e l l i g c 而z e o fb u sc a 玎i n ge q u i p m e n lt bf m dt l l ed i s p a t c h i n gs c h e m e 觚s w e r i n gf o rm es i t u a t i o no f o u rc o u n t r yy e th a sm a n yw o 出t od o a c c o r d i n g t ot l l ea c n j a l i t yo f r e s e a r c h i n gg e m is i t i l a t i o nb o t l la th o m ea n da b r o a d 舭do fb u sc a r r i n ge q u i p m e n ti no u rc o u n n y ，t 量l i sp 印盯p u t sf o m r dan e wk i i l do f i m e i i i g c n tb u sc a r r i n ge q u i p m e m b yu s i l l ga t 8 9 c 5l 蠲m c u ，m cs y s t e m 嗽l i z e st i i e 如n c t i o n so f 枷o u i l c i n gs 协t i o i l s 柚dt i m e s 、s e l l i l l gt i c k e t s 、r e g i g t c r i n g 锄ds 呲i 鲥i d i s p o s i n gt h ei n f o 珊a t b no ft h cp 船s 如g e 姻f l o w f u r d l e rm o 俺i ti s 曲i et o a l i t t l e f h n c t i o no fc o i 砌u n i c a t i i l gw i t i lt l l e n o o r ，廿a 璐m i t m gt h e 如诅m f o m l a t i o n o f p 鹅s e n g e 嚣n o w 柚do f b 吣s 锄s t o t l l ea d m i i i i s t c r i i l g n t e r o f ”b 1 c t r a m p o r to f t h c e l e c t r o n i cs t a t i o nb r a n d se t c ，t of e s o l v et h eb o 坩e n e c kp f o b i 锄o ft h ep u b i c 仃a i i s p o f t s y s t e m ，t or e a l i z ef i l m l e r i t i o r et i l e 仃ko f v e h i c l e 锄dp a s 蝴g c rn o w f i r s t i yb e g i i l n 缸gw 曲t l l em a r c h i l l gg e 鹏m is i t u 砒i o nb o t l i 砒h o m e 强da b m a d ， t i l cp a p c r m 删u c e sm er c s e a r c h e dc o f l t e m 、t a r g e t 锄dm e t i l o d mb r i e f t h c nw i t l it l l e s i m p i e 趴a i y f o rt h e t i l a l i 哆o fb l l sc a t r i n ge q u i p m e n ti no i i rc o u n t r y ，f 幻mt w o 豁p e c t so ft 1 1 em a mf 硼眦i o n 锄dm cb l o c k m gc o n s 帆l c t i o n ，t i l ep a p e rd i f i b 船1 1 1 e s y s t e m sg c n e m ls c h e m c ；f o i l o w i l l gt t i i s ，i nt e n no f t h eb 1 0 c k i i i gd c s i g n ，a 皿i n ga ts m o d u i e s ：t l l em a i nc o n 仃o l ，t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n 、协eu r 锄dm a c l l i n er e l a t i o n 、 t i l es o u n d 、t i l ep r i n ta n dt t l ei cc 1 pj o i n i n gm o d u l e tt i l ea n i c l ed i s c o u r n 他d e s | 舛o f t l l es y s t e mh a r d w a 陀i nd e 协i l i l it t i i ss t i o n ，to n i yt i l ep a r t i c u l 盯r 翰l i z a t i o no f e h m o d u l ei s 陀c o f 帆e n d e d ，b u ta i s ot i l e 蝴i i lc h i p su 辩da 心e x p l a i l l e d 擅山盯d c t a i l c d ； a f i c ，a r dt l ep 印c rp m n t st 1 1 ed e s i g no f t l l es y s 锄ns o f e w a “ s 仉l c t i l 陀，锄dd i c u s s c s t 1 1 e 代a i i z a t i o no ft i l es y s t e ms o f b a ms i m u h t i o n i nn l i s c t i ，f 奴l yt l l ea m h o r s u m m a r i z c st i l es y s t e ms o 丘w a 坞殉劬1 腭：s e c o n d l yf 幻mt 1 1 ep r o g 啪m ec h a f a c t e r 。o f w i n d o w s 雒w e l l 笛b r i e f i n h d d u c t i o no fv i s u a lc + + ，m es t u d ye x p l a i n sm en e e d e d s o f 呐a r et o o lo ft t l es i m u l a t i o ns y s t 咖；1 1 l e nw i t l lt 1 1 ec o n s t i t l i t c sa n df o u n c t i o n 咒q u i 比d ，t i l ea u t h o rb r i n g so u tt h eg e n c m id e s g i no f t l l es i m u i a t i o ns y s t e m 锄dc o m e s o u t t h ed e s i g i lo f t i l es y s t e mi n t e i f a c e ；如r t l l e r ，t i l e 托s e a r c he m p h 舔i 瑟ss e v e m lm o s t j y f h n c t i o nm o m d u l e sh e a v i i y ；f i m i i y 廿l ep a p e rs 眦m a r i z e st i l eg e n e m lr e s e h 、o r k 舔 w e i la st h ep r o s p e c to f t h ep r o j e c t ，a n dp o i m so u ts o m ef e a t i l r e st i l a tn e e di m p m v e d 胚y w o 助s ：p u b j c 呦s p o r t ，s 吲e c h j p c o m p u 甜a p p l i c 锄c es ) r s t e m ，s u a jc + + 、s i m u i a t i o ns y s t e m 致谢 首先，我要衷心感谢我的导师唐祯敏教授一直以来在学习和生活上给予的无 微不至的关怀。从课题的确定到研究方法的选择上他都给了我悉心的指导。同时， 他严谨的治学态度，敏捷的思维，渊博的学识，幽默的语台以及和蔼可亲的态度 令我毕生难忘当我颓废时，他鼓励我：当我懒惰时，他督促我；这些无疑 都将成为我受益终身的宝贵财富。 其次，在攻读硕士学位研究生期间，我得到了师姐崔艳萍，杨光、贾红娟和 师兄李巍巍、李永军、田翔等的关心和帮助，在此也向他们表示感谢! 此外，我要感谢李爱菊，闰志鹏，聂胜利，吴志华等研究生期间的同学在生 活上、学习上和研究中为我提供了宝贵的建议和帮助。因为你们，学习和生活都 充满欢乐。 最后，我要感谢我的家人和所有的朋友，谢谢你们多年来所给予我的无私的 支持和关爱。在今后的日子里，我要更加鞭策自己，更加努力来报答他们对我的 恩情和期望。 l 引言 1 。1 论文选题的意义 随着国民经济的快速发展，城市建设规模不断扩大，大城市人口高度集中并 大幅度增长，同时汽车保有量急剧上升，交通需求迅速扩大，而道路交通基础设 施建设的发展则相对滞后。城市交通需求与供给之间的矛盾越来越突出，城市“乘 车难”、“行车难”的局面在加剧，交通阻塞呈现出点到线，由线到面的扩展趋势， 交通拥挤、交通延误、交通阻塞以及由此引起的噪音，废气污染严重影响着居民 的正常的生活以及社会经济的持续、健康发展 近年来，我国城市交通的现状已引起了政府，公众，社会各界的广泛关注， 有关专家学者和交通工程师们在吸取各国城市交通发展经验的基础上，找到了一 条解决我国城市交通发展问题的有效途径，即优先发展城市公共交通，以公共交 通为杠杆降低城市交通需求总量。实现道路交通基础设麓发展与交通需求增长的 均衡。 实施“公交优先”是解决我国城市交通发展问题的有效途径，也是我国目前 城市交通发展的基本政策公交智能化是智能交通的一个重要的子领域，同时也 是落实“公交优先”，使城市交通与社会经济和谐发展的重要组成部分。实施公交 智能化，必须提高公交调度技术和管理水平，建立实时的公交请求、应答及调度 一体化系统公交车辆跟踪和客流跟踪的实时数据是公交调度的基础，实时地跟 踪车辆和跟踪客流，及时准确地分析和处理车辆和客流信息。可以了解掌握线路 上客流在各时段、各方向、各段面上的分布规律，为编制行车时刻表、执行行车 计划等，即为实时一体化系统的建立提供可靠的依据。而快速，准确的客流信息 的获取，实现公交的实时动态调度，对公交车载终端设备的智能化提出了更高的 要求 1 2 国内外公交智能化研究概况 1 2 1 国外研究概况 上世纪8 0 年代以来，美国，欧盟、日本、新加坡等发达国家对于先进的公交 系统和智能调度的研究给予了高度重视和巨大的投入，已经有大量研究成果和先 进技术付诸应用这些国家在系统设计和集成方面的基本思路是通过大量地应用 通讯、控制等领域的新技术手段，使得调度管理者能获得充分的实时信息，保证 管理者与被调度管理者之间的信息交流畅通，从而提高公交运营的有效性和可靠 性。其共同做法是强调公交信息的采集，信息的处理和信息的输出服务各类传 感器、摄像设备、g p s 接受设备的大量采用使得公交信息采集技术日益完善高性 能计算机、大型数据库技术、知识工程的普遍使用。使得信息处理的功能日益强 大同时，尽可能地利用各种媒体传播公交服务信息，车站l e d 站牌，车内l c d 显示板、k i o s k 终端、i n t e r n e t 等都成为了公交信息的载体。 目前应用较成熟的技术主要有：公交车辆自动定位技术、车载设备、地面无 线电通讯调度网络等。公交车自动定位系统自八十年代末期应用于加拿大和美国 的公共运输系统中，该系统以双向无线电信号杆为基础进行公交车辆和控制中心 的信息交换，通过比较车辆运行的实际位置与计划位置来评判公交线路运营状况。 车载设备的设置可以帮助公交车辆实现定位、车载外围设备的控制以及交通灯控 等。车辆可实现自主操作，包括如下功能：计划与实际数据比较、根据计划数据 保证车辆的连续性、显示落后与超前的时间、出发时闻的可视化和语音信息，车 站的乘客信息系统控制，新加坡公交在此方面有较成功的应用巴黎公交总公司 建立的无线电调度网络可实现指挥中心与各有关部门的联络功能，调度分中心和 指挥中心的工作人员依靠该系统可随时准确了解公共汽车所在地位置和采取各种 必要的措施，从而为乘客提供尽可能好的服务。 1 2 2 国内研究概况 随着公交优先战略的确定，公交在缓解城市交通拥堵方面的作用将越来越重 要，与这种要求相比，我国大城市公共交通还有很大差距，主要表现为：为社会 提供服务信息的水平低，乘客缺乏必要的乘车服务信息；调度缺乏必要的信息与 辅助处理手段，只能是以经验为主的被动、滞后的实施调度，企业管理信息化水 平低，信息采集、传输处理仍以手工作业为主上述问题显然不利于公交对乘客 的吸引，也是导致公交运营组织模式落后、调度方式原始陈旧、企业管理效率不 高的重要原因因此，如何将众多的营运车辆纳入现代化、信息化，高效率的管 理之中解决由于原始调度模式造成的低效率问题，是现代公交行业巫待解决的 问题。 我国发展智能运输的基础较差，因此理论研究虽在进行，但相应技术却得不到 推广智能公共交通研究多限于对系统模式的探讨和硬件设备的选择，在信息采 集、传输，处理和输出显示等方面缺乏系统研究最近十多年在北京、上海，杭 2 州，吉林、西安等城市进行了公交运营调度系统和优化技术的研究，但研究的深 度和广度都有限。 北京是我国系统地进行公交运营调度系统研究和建设的重要城市1 9 9 8 年3 月北京市公交总公司决定开展“北京市公交总公司智能化调度系统总体方案设计 及示范工程”项目，这是我国第一个综合性公交i t s 项目。系统总目标为：建立 集运营指挥调度，综合业务通信、乘客信息服务等为一体的智能化公交管理系统。 系统建成后，在总公司调度指挥中心屏幕上能监视线路上公交车辆运营的动态情 况，并通过综合业务通信网实现总公司、分公司和区域调度中心的实时通信。区 域调度中心能对运营车辆进行实时监控指挥北京市公交智能化调度系统总体结 构拟包括7 个子系统：计算机网络子系统，通讯子系统、g p s 子系统、调度平台子 系统、大屏幕显示子系统、屯子站牌子系统和会议电视子系统北京公共交通( 汽 车、电车) 智能化管理第一期工程以建成北京公交调度指挥中心为目标，是将公 交运营调度，车辆维修，g p s 系统，i c 卡票证服务、计算机中心融为一体的智能 化交通系统工程。北京公交i t s 示范工程于1 9 9 9 年投入运行，首次投入运行的装 有先进的车载卫星定位系统和无线通讯装置的车辆约为3 0 0 多辆。 上海市1 9 9 9 年第一条应用g p s 技术进行调度管理的公交线路一9 8 1 路在浦东 投入运行该系统选择了无线通讯技术来传送定位信息，其车载设备用液晶显示 和语音提示相结合的方式提示驾驶员，有利于驾驶员安全驾驶。该系统的监视软 件提供了行驶速度预警，预测车辆到达站点时间，并且具有较为完善的电子地图 显示功能 杭州市是我国第一个将g p s 定位技术应用到公交车辆调度管理中的城市系 统具各一定的车辆监控、管理和查询功能。系统还具备在电子地图显示车辆运行 状态的能力。并且有报警以及运行车辆到达时刻站台显示等功能但是系统目前 只在杭州市部分公交线路上应用，而且系统传递信息的方式是单向的，调度室可 以获得驾驶员发来的信息，但不能对驾驶员的操作发布实时的指令。 吉林市交通公司与吉林市东北电力学院共同研制开发了“公共汽车微机调度 管理系统”系统分为室内与室外两大部分，室内微机控制系统每天自动地按顺序 把每次车的发车号、发车时刻、再等时刻，司乘人员的代号显示在c r t 屏幕上， 并同时通过电缆把以上调度内容送到室外大型显示屏上，以清晰的数码显示告之 广大乘客。 重庆市1 9 9 5 年开始将g i s 技术引入到公共交通管理中，研究开发了“重庆市 公共交通管理信息系统”。重庆市公共交通管理信息系统的已实现功能还仅限于一 些与公交线路、站点等基础设施查询有关的静态查询，没有深入到运营管理层次， 是一个基于g i s 的图形查询系统。 西安公路交通大学同西安市公交公司共同合作依据西安市部分公交客流调 查数据探讨了几种确定公交客流的方法。这一研究是公交运营调度优化系统的 一个重要内容，但其建模需要各站之间的公交客流，在目前没有乘客自动计数系 统的情况下，获得模型所需的基本数据是相当困难的。 目前国内还有相当部分的城市开始着手发展智能公交，引进先进的技术设备， 提高调度管理手段。据笔者获悉，南京市公交总公司最近初步建成了公变调度监 控中心r 计划于2 0 0 3 年4 月在3 5 w 、1 6 眠5 w 和8 1 w 四条线路部分车辆上正式投 入g p s 导肮系统。 公交的智能化是城市交通的一个重要发展方向，是从根本上提高公交服务水 平的重要手段。总的看来，国内相关研究工作还处于起步阶段，研究的深度和广 度都还很有限，与先进国家相比，差距是明显的。虽然国外有许多可辔鉴的成果， 但国内公交运营有别于国外情况，因此，要研究出符合我国自身特点的公交调度 优化系统还有很多工作要做。 1 3 本文研究的主要内容、目标与方法 鉴于国内外公交智能化概况及我国车载设备现状和公交车载终端设备智能化 的要求，本文章提出了一种新型公共汽车智能车载设备系统。本系统基于a t m e l 公 司的a t 8 9 c 5 1 单片机实现报站报点、售票、记录统计客流信息并与地面通信，将 客流和车辆情况等相关的数据信息传输到公交调度中心、电子站牌等，更好地实 现车辆跟踪和客流跟踪，解决目前公交系统底层信息采集的瓶颈问题，提高公交 服务效率，提高公交企业效益和社会效益。 本文涉及到应用电子技术、通信技术、控制技术、软件技术等多方面的内容。 研究的内容和方法主要有： l 、确定系统的总体方案。 2 ，以模块化的方式进行系统的硬件结构设计y 3 设计系统的软件框架 l 4 ，通过p c 机实行系统的软件功能的仿真。 5 、总结、分析实验结果，从软件和硬件两方面进一步完菩。 2 公共汽车智能车载设备系统的总体设计 本课题是公共汽车智能车载设备的开发研究。在这个期间，我主要研究系统 总体方褰设计，硬件设计以及相应的软件仿真设计因此，在详细讲述之前，先 介绍“公共汽车智能车载设备”的设计思想及整体方案的设计。 公交智能化是智能交通的一个重要的子领域，同时也是落实“公变优先0 使 城市交通与社会经济和谐发展的重要组成部分。实施公交智能化，必须提高公交 调度技术和管理水平，建立实时的公交请求，应答及调度一体化系统。公交车辆 跟踪和客流跟踪的实时数据是公交调度的基础，实时地跟踪车辆和跟踪客流，及 时准确地分祈和处理车辆和客流信息，可以了解掌握线路上客流在各时段各方 向、各段面上的分布规律，为编制行车时刻表、执行行车计划等，即为实时一体 化系统的建立提供可靠的依据。 公交车载终端设备是公交智能化的重要组成部分，功能完备的公交车载终端 设譬应能够采集数据、信息提示、通过与调度中心和地面控制设备的通信有效地 完成对车辆和客流的实时跟踪，饫速并准确地获取车辆和客流信息，实现公交的 实时动态调度，为广大乘客提供更好的服务。 2 1 车载设备的现状及问题 公交车载终端安装于技监控的车辆，是数据采集、信息显示连接控制车内 其他设备及与调度中心和地面控制设备的通信的装置。目前国内很多城市开始着 手发展智能公交，在车载终端也引进先进的技术设备，安装g p s 定位、语音报站， 液晶显示等车载终端设备主要功能有g p s 定位，自动报站，手动报站，显示信 息，双向通信等。目前已有先进车载终端设备的应用可以帮助公交车辆实现定位 了解公共汽车所在地位置和采取各种必要的措施以及为乘客提供必要的乘车信 息，从而为乘客提供尽可能好的服务。 上海市1 9 9 9 年第一条应用g p s 技术进行调度管理的公交线路一9 8 l 路在浦东 投入运行。该系统选择了无线通讯技术来传送定位信息，其车载设备用液晶显示 和语音提示相结合的方式提示驾驶员有利于驾驶员安全驾驶该系统的监视软 件提供了行驶速度预警，预测车辆到达站点时间。并且具育较为完善的电子地图 显示功麓杭州市是我国第一个将g p s 定位技术应用到公交车辆调度管理中的城 市。系统具各一定的车辆监控管理和查询功能。系统还具备在电子地图显示车 辆运行状态的能力。并且有报警以及运行车辆到达时刻站台显示等功能但公交 车载终端的智能化还有很大差距，目前车载设备存在很多问题，主要表现为如下： i ) g p s 技术应用在公共运输领域，与电子地图、无线电通信网络及计算机车 辆管理信息系统相结合，可以实现车辆跟踪和交通管理等许多功能，但g p s 系统 目前只在部分城市部分公交线路上应用，而且如杭州g p s 系统，其传递信息的方 式是单向的。调度室可以获得驾驶员发来的信息。但不能对鸳驶员的操作发布实 时的指令。 2 ) 公交车辆跟踪和客流跟踪的实时数据是公交调度的基础，实现公交的实时 动态调度，不仅需要实现实时的车辆跟踪，更需要快速、准确地获取客流信息， 实现实时的客流跟踪。车载设备通过g p s 进行精确定位，可以准确，实时地进行 车辆跟踪和实现交通管理等功能，但并没有及时准确地获取客流信息，难以实现 客流的实时跟踪。目前车载i c 卡的使用为广大乘客提供了方便，然而i c 卡的客 流信息也没有通过无线信道实时发送到调度中心无人售票也同样无法为调度中 心提供实时的客流信息。公交管理没有实时掌握客流信息，那么实现公交的实时 动态调度，建立实时的公交请求，应答及调度一体化系统就成为空话。 3 ) g p s 车辆监控调度系统针对公交线路安排，并结合各车辆发回的信息( 如 交通阻塞、机车故障等) ，将调度命令发送给司机，及时调整车辆运行情况，具有 车辆、路线、道路等有关数据的查询功能，利于实现有效管理但与出租车，租 车服务、物流配送等行业不同，公交车行使固定的线路，站间距较小，只需要知 道在各站的到，发时刻，完全可以和报站结合起来，采用更简单的设备和方法。 4 ) 目前公交的报站提示、转弯提示、提醒让座等提示按钮都要司机手动控制， 这些会分散司机的注意力；若是中途漏报站，司机还可能被扣工资，这样就给司 机造成了很大压力。 鉴于目前我国公交车载设备的现状和存在的问题以及公交车载设备智能化的 要求，本课题提出了新型公共汽车智能车载设备系统该系统不但能实现对车辆 和客流的实时跟踪，并集语音报站，i e 卡信息读取车票打印等多重功能于一体， 解决目前公交系统底层信息采集的瓶颈问题同时，在系统的设计上需要充分考 虑设备系统的可靠性、安全性、完整性、节约成本性和普及性 2 2 系统的总体设计 2 2 。j 系统实现的主要功能 系统实现的主要功能是：在公共汽车上装载该小型的车载设备，设备中存储 该公共汽车线路的所有站点信息( 包括起始站点的时间、站点名、注意提示等) ， 并通过小键盘和液晶显示屏控制系统语音模块按照要求输出乘客需要的信息，实 现报站报点的功能；设备通过小键盘和液晶显示屏，记录存储在具体站点上下车 的乘客人数流量，通过无线通信模块与地面通信，将客流信息、路况信息和车辆 状态信息等传输到公交调度中心，实现了对客流和车辆的实时跟踪，并能够按照 需求定期统计数据信息，对公交车的运行情况实行分析；设备还能通过乘客上下 车的站点来计算票价，并通过微型打印模块打印车票，实现系统的售票功能 2 。2 2 功能模块化的结构形式 在设计上，本系统以功能模块化的结构形式来实现系统总体功能。根据不同 的功能，系统主要划分为6 大功能模块：主控模块、无线通信模块、人机交互模 块( 显示模块和键盘输入模块) 、语音模块、微型打印模块和i c 卡接口模块。所 有功能模块都可以由用户通过小键盘按键来控制运行和结束，系统状态和运行结 果实时地在显示屏上显示出来。系统总体方案框图如图2 1 所示。 7 3 公共汽车智能车载设备系统的硬件设计 主控模块应用a n i e l 公司的a t 8 9 c 5 1 单片机作为系统的m c u ；无线通信模块 应用n o r d i c 公司的n r f 9 0 3 芯片，该芯片实现无线数据传输；人机交互模块包括 显示模块和键盘输入模块，显示模块采用以内藏曲6 1 8 3 0 控制器的液晶模块点阵 型l c d 。键盘输入模块采用8 2 5 5 a 的a 口和c 口扩展出一个4 4 的键盘，包括l o 个数字键和6 个功能键；语音模块选用美国i s d 公司的i s d l 4 2 0 片语音芯片；i c 卡读写接口模块直接与主控模块连接打印模块通过8 1 5 5 连接t r p _ 4 0 b 微型打 印机。硬件组成框图如下图3 1 所示。 一 难 一h 、一 8 l 努 娘f r 默 邻鞘蔓 9 0 3 一 t 8 9 c 墨l 一 t x d d r 弭。 部荆互 i c 卡读【 - 、 1 ；f 鼢5 她v i 写徽一r 7 7 e 胡 3 1 主控模块 主控模块应用a 傩l 公司的a t 8 9 c 5 l 单片机作为系统的蛐c u ，a t 8 9 c 5 1 通过 3 2 个外部双向输入输出( i o ) 端口、2 个外中断口以及z 个全双工串行通信口 与其他模块相连，实现系统控制和数据的处理； 3 1 1a t 8 9 c 5 1 单片机的主要特性 a t 8 9 c 5 l 是一种带4 k 字节闪烁可编程可擦除只读存储器( f p e r o 醅f a l s h p r o g r 锄眦b l ea n de r a s a b l er e a do n l ym 钿o r y ) 的低电压，高性能c m o s 8 位微 处理器，俗称单片机a t 8 9 c 2 0 5 l 是一种带2 k 字节闪烁可编程可擦除只读存储器 的单片机：单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除l o o 次该器件采用a n 匝l 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的m c s 一5 l 指令集和输出管脚相兼 容。由于将多功能8 位c p u 和闪烁存储器组合在单个芯片中，a t m e l 的a t 8 9 c 5 l 是 一种高效微控制器，a t 8 9 c 2 0 5 1 是它的一种精简版本。a t 8 9 c 单片机为很多嵌入式 控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 i ，秭p ，z t f r n e r m - ， i m ， 髓t ，p t r x d ，p 0 o ( t x d ，p t x h l 2 m l l 时罚p 氯2 翻刖，p 乱3 盯o 慨 t l i p 。，l o 忖o v p 1 ， p p i5 p i p l j p ，2 t i 一” 一o t i 哪 怕7 其主要特性有： 与m c s 一5 1 兼容 4 k 字节可编程冈烁存储器 寿命：1 0 0 0 写撩循环 数据保留时间：l o 年 全静态工作：0 h z 一2 4 h z 三级程序存储器锁定 1 2 8 娟位内部r 删 3 2 可编程i o 线 两个1 6 位定时器计数器 5 个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 3 。1 2a t 8 9 c 5 1 单片机的管脚说明 v c c ：供电电压。 g n d ：接地。 一 p 0 口：p o 口为一个8 位漏级开路双向i 0 口，每脚可吸收8 t t l 门电流。当 9 l；llilll争瓣嚣髓 繁誉鞋恕戤默辫 p l 口的管脚第一次写l 时，被定义为高阻输入。p 0 能够用于外部程序数据存储器， 它可以被定义为数据地址的第八位。在f i a s h 编程时，p o 口作为原码输入口， 当f i a s h 进行校验时，p 0 输出原码，此时p o 外部必须被拉高。 p l 口：p 1 口是一个内部提供上拉电阻的8 位双向i o 口，p l 口缓冲器能接收 输出4 t t l 门电流。p l 口管脚写入l 后，被内部上拉为高，可用作输入，p 1 口被 外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故在f l a s h 编程和 校验时，p l 口作为第八位地址接收 p 2 口：p 2 口为一个内部上拉电阻的8 位双向i o 口，p 2 口缓冲器可接收，输 出4 个t t l 门电流，当p 2 口被写“l ”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为 输入。并因此作为输入时，p 2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部 上拉的缘故。p 2 口当用于外部程序存储器或1 6 位地址外部数据存储器进行存取时， p 2 口输出地址的高八位。在给出地址“1 ”时，它利用内部上拉优势，当对外部八 位地址数据存储器进行读写时，p 2 口输出其特殊功能寄存器的内容p 2 口在f l a s h 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 p 3 口：p 3 口管脚是8 个带内部上拉电阻的双向i o 口，可接收输出4 个t t l 门电流。当p 3 口写入“l ”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入作为输 入，由于外部下拉为低电平，p 3 口将输出电流( i l l ) 这是由于上拉的缘故。 p 3 口也可作为a t 8 9 c 5 1 的一些特殊功能口，如下表所示： 口管脚备选功能 p 3 0i i ) ( d ( 串行输入口) p 3 1t 】【d ( 串行输出口) p 3 2 i n t o ( 外部中断o ) p 3 3 i n t l ( 外部中断1 ) p 3 4t 0 ( 记时器o 外部输入) p 3 5t l ( 记时器l 外部输入) p 3 6 脉( 外部数据存储器写选通) p 3 7 r d ( 外部数据存储器读选通) p 3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 r s t ：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持r s t 脚两个机器周期的高电平 时间。 a l e p r o g ：当访闯外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地 位字节。在f l a s h 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，a l e 端以不变的 频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1 6 因此它可用作对外部输出 的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过 1 0 一个a l e 脉冲。如想禁止a l e 的输出可在s f r 8 e h 地址上置0 。此时，a l e 只有在 执行m 0 、，) 【，湘v c 指令是a l e 才起作用另外，该引脚被略微拉高如果微处理器 在外部执行状态a l e 禁止，置位无效。 p s e n ：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机 器周期两次p s e n 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的p s e n 信号将 不出现。 e a v p p ：当队保持低电平时，则在此期间外部程序存储器( 0 0 0 0 h - f f f f h ) ， 不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1 时，e a 将内部锁定为r e s e t ；当队 端保持高电平时，此间内部程序存储器。在f l a s h 编程期间，此引脚也用于施加 1 2 y 编程电源( v p p ) xt _ a l l ：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输 入 x t a l 2 ：来自反向振荡器的输出。 3 2 无线通信模块 无线通信模块采用n r f 9 0 3 芯片完成车载设备与地面车站电子站牌之间的无线 通信，通过电子站牌实现车载设备与公交调度中心之间车辆和客流信息的通信 3 2 1n r f 9 0 3 芯片的介绍 9 0 3 是n o r d i c 公司( 北欧集成电路公司) 最新推出的单片无线收发一体的芯 片，采用了蓝牙核心技术设计，在一个3 2 脚的芯片中包括了三段高频发射、高频 接收，p l l 合成，i q 调制、i q 解调，多频道切换，异步通信接口等，是目前集 成度最高的无线数传产品。n r p 9 0 3 采用抗干扰能力强的g 淞k 调制方式，工作频率 稳定可靠，外围元件少，便于设计生产，功耗极低，适合于便携及手持产品的设 计，工作在国际通用i s m 频段，特别适合多频段多频点的应用场合( 最多可达1 7 0 个频点) ，是目前无线数传的理想选择 n r f 9 0 3 的用户接口分为三大类：( 1 ) 数据接口，d a t a ( 数据) 、t x e n ( 收发控 制) ，可直接接单片机的串行口；( 2 ) 编程接口，c f 邮l k ( 配置寄存器时钟) 、 c f g - d a t a ( 配置寄存器数据) ，c s ( 配置寄存器片选) ，对工作频率等参数进行设 置，可接单片杌i o 口来进行控制：( 3 ) 芯片状态及控制口，s t b y ( 待枫) 、剐掰 ( 掉电) 、c l k 0 u t ( 时钟分频输出，可供外部m c 【使用) ，c j e n c e ( 静噪输出) 由于n i i f 9 0 3 发射和接受数据公用一个d a t a ，不能同时发射和接收数据，只能 进行半双工通信，d a t a 脚分别连接在a t 8 9 c 5 1 的r 】【d 和t ) ( d 引脚，r x d 和t 】【d 之 间通过一个l ok o 的电阻隔离。单片机通过连接r x e n 脚的p 1 7 控制发射或者接 收方式，发射和接收方式之间的切换需要数毫秒时间稳定，这一点在通信软件设 计时需要考虑。 3 2 2 无线通信模块的功能实现 a t 8 9 c 5 1 通过连接c f g - d a t a 、c f g c l k 和c s 的p 1 2 、p 1 3 和p 1 4 对n r f 9 0 3 工作参数进行配置，通过该串行接口将1 4 位的配置字移人n i i f 9 0 3 的寄存器中， 从而实现对频段，通道、输出功率和输出时钟频率的配置由于a t 8 9 c 5 1 没有s p i 串行硬件接口，所以需要用软件方式模拟s p i 接口。矗t 8 9 c 5 l 通过连接c - s e n s e 的 p 1 1 口可以检测有载波存在，只有存在载波的接收数据才有意义。c l k 9 u t 是 n r f 9 0 3 的方波时钟输出信号，可作为单片机的时钟信号，不过本文连接在p 1 0 脚， 而单片机的时钟由晶体振荡器提供，这样可以提高系统的可靠性，并且单片机可 以据此判断n r f 9 0 3 的振荡器工作是否正常，起到故障诊断的作用。n r f 9 0 3 与 a t 8 9 c 5 l 的连接原理图如下图3 。2 所示： ，m ，l i ，n ，持 ，“ 驯苎 图3 2n l l f 9 0 3 与a 他9 e 5 l 的连接 1 2 m眦瑚雎崩膨掰坩 脚眦瞄疆阱掰搿掰 脚一哪懈器仁异砌墨一巨弧 3 3 人机交互模块 人机交互模块是用户对设备进行操作和控制的接口，一般包括键盘输入模块 和显示输出模块。用户根据显示的提示，使用键盘输入，从显示得到设备的输出 结果这一小节先介绍键盘和显示的控制实现基本原理和实现方法，再提出适应 本系统的人机交互模块的设计 3 3 1 键盘及其接口技术 键盘实质上是一组按键开关的集合，控制c p u 通过按键来识别特定的用户命 令，从而转入相应的程序来执行用户命令。键盘的软硬件的设计涉及下面几个方 面的问题： 1 按键的确认 键的闭合与否反应在电压上就是呈现出高电平或低电平，如果高电平表示断 开，那么低电平则表示闭合，通过电平的高低状态的检测可确认键按下与否 为了确保c p u 对一次按键动作只确认一次，并且防止干扰信号的影响，必须 加入消除电平抖动的措施，下图3 3 为按键抖动示意。消除抖动通常有硬、软件 两种方法，硬件消除抖动可采取双稳态电路或滤波消抖电路；软件消抖是在第一 图3 3 按键闭合及断开时的电压 次检测到有键按下时，执行一段延时程序再确认该键是否仍闭合，如果还是闭合 状态则确认该键按下，从而消除抖动和干扰影响当按键较多时，我们多采用软 件消抖法。 2 按键接口设计和按键识别方法 按键接口设计有两种方法，独立式按键和矩阵式键盘。独立式按键式各键互 相独立，每个按键各接入一根输入线，只要检测输入线的电平就可以识别按键的 状态。这种方法电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键需占用一根输入口线， i o 资源浪费大故此方法只适用于按键少或其他控制功能很简单的场合。矩阵式 键盘适用于按键数量较多的场合，它把键盘输入线分为行线和列线，按键位于行、 列的交叉点上按键的识别需要软件分别扫描行线和