智能公交电子站牌系统结构设计

1、电子站牌总体设计

所谓电子站牌，就是以电子屏幕形式显示的指示牌。电子站牌是智能公交系统的子系统，呈现了所有功能的集成结果，也是乘客能直接感受到系统便利性的最佳媒介。它集成了计算机、通讯与现代控制技术，是城市公交信息化、现代化的标志之一。它主要完成两个功能，第一，为候车乘客提供经过该站台的公交车辆的到站信息，如某路公交车当前的区间位置，大约还要多长时间到达本站，改变了以往候车乘客被动等车的局面。第二，完成与相邻站牌之间的通信连接，通过站牌的通信连接从而组成整个公交系统网络。图4.1所示为电子站牌工作原理。

2、电子站牌硬件设计

电子站牌主要完成接收信息(包括对上游站牌及到站公汽信息的接收)、发送信息以及显示信息。其电气框图如图4.3所示。

4.2.1微处理器选型

尽管每家芯片厂商生产的ARM微处理器都各有不同，但都不外乎下面几个系列[33]:ARM7系列、ARM9系列、ARM9E系列、ARM10E系列、SecurCore系列和Intel的StrongARM等，各系列处理器处理除了具有ARM体系结构的共同特点以外，每个系列的ARM微处理器都有各自的特点和应用领域。如如ARM7系列适用于工业控制、网络设备、移动电话等应用;ARM9系列、ARM9E系列和ARM10E系列则更适合无线设备、消费类电子产品的设计;SecurCore系列专门为安全要求高的应用设计;Intel的StrongARM处理器是便携式通信产品和消费类电子产品的理想选择。

从应用的角度说，微处理器选型的时候要考虑以下几个方面[10][31]：①ARM内核的选择众所周知，ARM微处理器包含很多系列的内核结构，以适用不同应用领域。比如用户希望使用Windows CE操作系统以减少软件开发时间，就需要选择ARM720T以上带有MMU(Memory Management Unit)功能的ARM芯片，因为ARM7TDMI没有MMU，不支持Windows CE。

②ARM芯片内存储器容量

大多数的ARM微处理器片内存储器的容量都不太大，需要用户在设计系统时外扩存储器。但也有部分芯片具有相对较大的片内存储空间，自身的内存空间就可以满足工程要求，从而达到简化系统设计的目的。

③ARM芯片片内外围电路接口除ARM微处理器核以外，几乎所有的ARM芯片均根据各自不同的应用领域，扩展了相关功能模块，并集成在芯片之中，即为片内外围电路。设计者应根据工程的需求，尽可能采用片内外围电路完成所需的功能，这样既可以简化系统的设计，又可以提高系统的稳定性。

从研究可行性出发，本文方案采用了ARM体系结构的ARM7TDMI内核。它是目前广泛使用的32位嵌入式RISC处理器，主要用于低端的电子设备。此外，由于ARM有着极高的指令效率，极高的时钟频率。因此其运算能力非常强大，内部资源也十分丰富，以ARM微处理器为核心的硬件方案比较多，也较为成熟，这样极大的简化了硬件设计的难度，缩短了开发周期。

本系统中主控处理器主要任务包括:

①接收公交车信号以及其他电子站牌发送过来的信号，并对它们进行处理后送本电子站牌显示屏,显示车辆到站和车辆行车路况。

②再通过无线模块将相应的信息送到下一站电子站牌,通过接力的方式将整个路线的当前正在行驶的车辆的信息在不同的站牌上动态显示，以便完成了整条线路信息的实时传递。

结合本系统要完成的主要任务要求，综合考虑处理器性能、价格应用前景等多方面的因素，Philip公司生产的LPC2214芯片成为本系统选用的较为理想的一款处理器，该款处理器的芯片内部集成了两个UATR、I2C串行接口、SPI串行接口、通用I/O口等多个功能模块，同时它还是一款支持实时仿真和跟踪的16/32位ARM7TDMI CPU的微控制器，很适合终端类产品的开发。

4.2.2微处理器LPC2214特性

本文中所选用的LPC2214[8]微处理器是一款基于支持实时仿真和跟踪的16/32位ARM7TDMI-S CPU的微控制器，它具有256KB的高速Flash存储器，片内位宽度接口及独特的加速结构为32位代码能够在最大时钟速率下运行提供了硬件基础，同时其16位Thumb模式可以将代码规模降低30%，而很少对其性能造成损失。LPC2214的内部结构框图如图4.4所示，其特性主要有[13]：

①16/32位ARM7TDMI-S微控制器;

②16KB静态RAM;

③256KB片内FLASH程序存储器，128位宽度接口/加速器可实现高达60MHz的操作频率;

④LQFP144脚封装;

⑤片内Boot装载程序实现在系统编程(ISP)和在应用中编程(IAP);

⑥8路10位A/D转换器，转换时间低至2.44us;

⑦2个32位定时器(带4路捕获和4路比较通道)、PWM单元(6路输出)、实时时钟和看门狗;

⑧多个串行接口，包括2个16C550工业标准UART、高速I2C接口(400Kbps)和2个SPI接口;

⑨通过片内PLL可实现最大为60MHZ的CPU操作频率;

⑩向量中断控制器。可配置优先级和向量地址;?112个通用I/O口(可承受5V电压)，12个独立外部中断引脚(EINT和CAP功能);

?片内晶振频率范围：1～30MHz;

?通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒;

?可通过个别使能/禁止外部功能来优化功耗;

?双电源：CPU操作电压范围：1.65～l.95v(1.8V×(l±8.3%));

?I/O操作电压范围：3.0～3.6V(3.3V×(1±10%))

3辅助电路设计

1.电源电路

由于LPC2214微控制器有两组电源，一是I/O口供电电源电压为3.3V，二是内核供电电源电压为1.8V，所以系统必须要有两组电源电压转换电路，电路分别如图4.5和图4.6所示，其中图4.5为3.3V电源供电电路，图4.6为1.8V电源供电电路。

号后，TSOP1738接收器输出端引脚会输出低电平，否则引脚输出高电平，这样可以将“时断时续”的红外光信号解调成一定周期的连续方波信号，经微处理器通过键盘中断引脚或者外中断IRQ引脚对TSOP1738的输出信号进行处理，便可以恢复出原数据信号。本文采用微处理器的外中断IRQ处理。

4.2.5红外接收系统软件设计

在实际红外通信过程中，除了随机错误外，往往还会出现突发错误。在红外通信中，突发错误往往是由于光的干扰或空气中灰尘颗粒、雾气对红外线的散射与吸收所引发的连续错位错误[36]。在误码区间内，码元变为全“0”或全“1”。对于这类突发错误，简单的奇偶校验方式无能为力，但采用数据取反重发方式就能检测出这类错误。微处理器接收子程序流程图如图4.12所示。接收端利用两次接收的数据来判断正误，在有外部干扰时，在正常数据信号和其反码信相对应的位置上受到相反干扰的几率是极小的，因此，接收端能利用此方式检测出信号是否为误码。

4.2.6无线通信系统电路设计

1.通信方式

一般来说，城市两公交候车站台间的距离为1Km左右，如果通过有线方式传输信息，有诸多不妥的地方。其一是架线的成本高而且维护费用较大，其二是城市发展迅速，站台经常变动，随之通讯链路也要改变，这样将十分麻烦。因此，我们考虑选用无线通讯方式。现有的无线通讯方式有移动通信网络、无线模块等。由于通讯技术的发展，高精度的无线通讯模块基本可以满足现有的公交候车站台间的传输距离。在基本可以满足的前提下，我们首选无线通讯方式中的无线模块传输方式，毕竟租用移动通信网络，其使用费用会比较高。如果系统运行中，发现采用无线模块传输方式无法满足要求，则我们采用GSM短信方式[38]作为备选方案。

本系统中无线收发设备的可靠性和有效的通信距离是设计的关键[38][39]，为此本系统选用上海桑锐电子科技有限公司生产的SRWF-508[40]芯片作为无线收

发设备，它是一款工作频率比较宽的芯片。SRWF-508型无线数传模块采用高效FEC前向纠错技术结合高性能的无线射频IC,以及高速微处理器相结合开发出的一线通信模块。该无线通信模块提供RS-232接口，可一次性传输无线长度的数据，其传输距离最远可以达到4.5KM以上，基于GFSK的调制方式[39]，采

用高效通信协议，提供透明的数据接口，能适应任何标准或非标准的用户协议，自动过滤掉空中产生的噪音信号及假数据，具有很强的抗干扰能力和低误码率,客使用时不需要任何编码技术，无需扩展外围电路即可完成良好的无线数据传输。其技术指标如表4.1所示[40]：

本系统中，各个公交站牌上都安装了无线收发模块SRWF-508，因此各站牌间通过该模块相互进行信息的收发。由于在同一时刻，下游某几个电子站牌有可能都接收到上游电子站牌的信息，为了防止误传，我们采用了加入地址辨别的方式传递[41]，只有与本地址相同的电子站牌才能接收信息。站牌、管控中心和站牌间组成一个闭合回路[41][42]，终端电子站牌把相关车辆运行信息通过移动无线网络传送给管控中心，管控中心通过各线路终端电子站牌反馈的信息，作出相应的调整，使道路畅通。

2.通信模块工作原理

微处理器将数据利用串口方式传送给SRWF-508后，SRWF-508判断接收的码流是命令还是数据，如果是命令则执行命令，如果是待发送的数据则先将要发送的数据送到发送缓冲区，由于模块的通信方式是半双工通信，所以要将模块由接收状态转换成发送状态，这个转换过程小于10ms，状态转换完成后启动发送打包程序。发送打包程序的功能是将缓冲区的数据打包成适合无线发送的数据包，并将这个数据包的数据送到模块中的数据调制口以GFSK的调制方式、其发射频率为433MHz发射出去，其发射功率为30dB，当天线高度大于3m时，传输距离最远可达4.5Km。SRWF-508模块接口电路如图4.15所示。

本系统中，由于车辆运行为双向，本系统采用两种工作频率区分车辆的去与回，SRWF-508的工作频率采用425MHz和433MHz，发射功率为30dB，接收灵敏度为-120dB，由公式(4-1)可以计算出在理想条件下传播距离大约为50Km。

4.SRWF-508工作参数测试

功率损耗的大小对一个系统能否稳定工作有至关重要的影响，因此我们对相关参数进行了测试。无线模块工作电压为+5V，工作频率为433MHz，工作环境温度大概为18°，测试结果如表4.2所示，从表中我们可以看到，模块在工作时功耗比较低，在休眠即待机时功耗更低。

表4.2无线模块SRWF-508测试参数

参数大小

接收电流27mA

发射电流520mA

休眠电流21μA4.2.7无线收发系统软件设计

1.通信协议格式

要实现站牌间信息的传递，我们必须要建立一套适合的通信协议标准，才能方便信息的实时传递，保证网络的正常运行。所谓通信协议[39][42]是指通信双方的一种约定。约定包括对数据格式、同步方式、传送速度、传送步骤、检纠错方式以及控制字符定义等问题做出统一规定，通信双方必须共同遵守。通信协议中，通信信息格式很重要，通信信息大体可以分为以下二类：

①命令信息。它包括请求命令、响应命令、控制命令几种。在本系统中，命令信息包含请求命令和响应命令。

②数据信息。在整个公交信息服务系统中，其主要传送的是车辆位置信息，是电子站牌实际所要接收的有用数据。对于命令信息，其信息格式为：

由于在信息传输过程中，可能存在干扰信号。如果在通信协议中加入前导码，可以有效抑制干扰信号，另外前导码可以起到一个位同步作用，使接收模块在接收有用信息前，有个缓冲过程。根据相关测试和实验，我们发现无线传输过程中，数字信号0容易被干扰，而0XFF后跟0XAA、0X55时噪声不易产生。因此，前导码由3个字节构成:FF AA 55。[page]

命令类型标识码表示本次传送的信息是命令信息，而不是数据信息。本协议中，我们规定命令类型标识码为：0XEE，由1个字节构成。命令代码由1个字节组成，在本协议中，我们规定：请求命令代码为0XCC，应答正确命令代码为0XAA，应答出错命令代码为0XBB。

对于数据信息，其信息格式为：

数据类型标识码表示本次传送的信息为数据信息，而不是命令信息。其标

识码为：0XE5，占一个字节。

由3.2.2节关于站台编码的方式，我们可以知道城市中每个站台块均有一

个表示其唯一身份的特定的地址码，由2个字节来表示。例如电子站牌Ⅰ地址

为0x0000，电子站牌Ⅱ地址为0x0001，依次下去，最大可以标识65536个站台。

只有与目的地址相同的站牌才会接收信息内容。

数据信息内容占2个字节。用2个字节数据表示公交车辆的线路号及本线

路车辆编号，其中这2个字节中前10位数据用来编制公共汽车线路，这样可以

保证每个城市开通210=1024条线路的公共汽车，后6位数据用来编制该条线路

公共汽车的数量，这样可以保证每条线路可以开通26=64辆公共汽车。

本系统通信协议中采用CRC

校验，占2个字节。发送端发送数据信息时，将CRC校验码放在发送的信令中。接收端接收完数据信息后进行CRC校验，将CRC校验结果进行比对，根据比对结果发送相应的应答信号，以便发送端做出相应处理。

2.软件流程

在本公交系统中，由于我们是自行搭建的通信网络，所以我们必须制定一个适合的通信标准，以建立实时的、可靠的通讯网络。

电子站牌除了要实现显示公交车区间位置信息外，还要负责向下一个电子站牌传送车流量信息以及切换到对下一车次信息的检测，这样依次接力下去，

电子站牌就可以完成对所有车次的公交车的全线路通信。为了减少无效的传输，每站我们增加了信息未更新则不发送的策略，否则发送的是无效信息，其工作流程如图4.16所示。电子站牌中的微控制器初始化后，设置定时器的定时时间为10ms。由于每个车站站牌都有唯一识别的地址，在整个通信链路中，只有地址相符的电子站牌间才能够建立起通信路径。

本系统中，公交车辆与电子站牌间以红外传送方式建立通信链路，电子站牌间以无线模块SRWF-508建立通信链路。两种方式的通信链路以每10ms进行切换，这样可以使电子站牌能够及时应答任何一种通信链路方式的状态请求。由于车辆运行都是双向的，为了区分站牌接收的信息是上行数据还是下行数据，

我们制定以下规则：上行时，模块SRWF-508采用425MHz的工作频率;下行时，模块SRWF-508采用433MHz的工作频率。当电子站牌检测到上一电子站牌的发送给它的数据信息时，电子站牌准备接收上一电子站牌发送给它的数据信息，电子站牌将接收到的数据信息放入缓存，进行CRC校验，校验结果正确，就送至本站牌中的LCD屏显示，同时将要传送的数据信息与下一站台编号叠加后，打成新的数据发送包发送给下一站;若校验结果不正确，则会请求上一电子站牌重新

发送相关内容，如果连续发送3次都无法正确接收信息，则放弃本次接收，直到进入下一个通信过程。电子站牌在接收上一电子站牌信息同时，会以每10ms的时间隔转换一次通信链路，检测是否有公交车辆向本站发送信息，如果有发送请求，电子站牌通过红外模块向该公交车辆回送应答信号，同时做好接收数据信息的准备，接收数据信息后微处理器将上一站和本站的数据信息进行重新打包处理存入缓存，进行显示以及将新数据包发送到下一站。

4.2.8显示系统中LCD显示方式

电子站牌显示系统部分主要是显示公交车车辆区间位置信息，当公汽在某两站之间时，由线路和车号标志的方块在该两站中间来回移动以表示该公汽在该两站之间运行。图4.17所示为武汉公交724线路中车号为n的公汽的行驶路线图。比如，该线路汽车停靠在标号为23的公交站牌时，它会向该站牌发出信息，该站牌接收到信息后，叠加上本站的信息，打成新的数据包发送给下一电子站牌，在图4.17中即为标号24的站牌。标号24的站牌接收到该信息后，经微处理器处理后，调出预先编制好的724线路的行驶路线图，然后在该站牌的LCD屏上显示该车辆的行驶区间，显示形式即为标号23与标号24之间有个带数字的方块在这两站之间来回移动，以告知在该站候车的乘客。

液晶是透明的物质，其特性介于液体与固体之间。常态下，液晶分子成固态状，分子有序地排列在一起，外界光线可直接穿过它。在外加电场作用下，液晶分子的排列秩序会发生变化，液晶分子成液态状，光线的穿透会受影响。LCD显示原理是什么呢?那就是通过加电压的方式，使液晶分子状态发生变化，

从而改变背景光线穿过液晶分子的穿透率，使液晶板上可以显示出不同的图像。也就是说LCD屏上显示效果是由于在显示像素上施加了电场的缘故，像素前后两电极上的电位差决定了像素显示状态及效果。

2.LCD驱动方式[44]

根据上面介绍，LCD显示是在电压驱动作用下实现的。其驱动方式与LED显示类似，分为静态驱动和动态驱动两种。

①静态驱动方式

在静态驱动的液晶显示器件上，各像素的背电极并联在一起作为一个引脚引出，而各个字段像素的段电极作为独立引脚分别引出。如果显示某段，则使这个像素的背电极与段电极之间产生电势场;如果不显示某段，则使其之间无电势场。在显示像素两极加电势场容易，但长期加电势场，容易使液晶材料老化，影响液晶屏使用寿命。所以我们必须采用以脉冲电压形势产生的交流驱动方式。那该如何实现呢?我们可以通过以下方法实现：在背电极上施加一个正脉冲序列，在需要显示的像素段电极上施加一个与背电极等幅的正脉冲序列，但它们的相位相差180°，则在该像素上则会产生电势场;在不显示的像素段电极上加入一个与背电极同相位的等幅正脉冲序列，则在该像素上不会产生电势场。这就是液晶显示的静态驱动方式。

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②动态驱动方式

在横向一组像素的背电极并联在一起作为一个引脚引出，称之为行电极，在纵向一组像素的段电极并联在一起作为一个引脚引出，称之为列电极。这种结构构成了一个矩阵阵列，液晶屏上任一像素位置都能其所在的行与列唯一确定。液晶显示控制器在时序脉冲信号下，循环给行电极施加脉冲，同时给该行像素的所有列电极施加脉冲，使其实现所有显示像素的驱动，由于扫描循环周期很短，且是不断循环进行的，这样能够使液晶显示屏上呈现稳定的图像效果。

我们把这种扫描驱动方式称为动态驱。

为了节省I/O口，减少大规模的驱动电路，本文中LCD屏采用动态驱动方式。ARM微处理器将图文信息转化为特定格式的点阵信息，将其存储在SDRAM存储器中，SCALER MST8131从SDRAM中接收信号，并转换为Panel可以识别的LVDS信号。

4.2.9显示系统中的信号处理

目前市面上面板分辨率越来越大，相应地信号频率也越来越高，电磁干扰成为一种必须克服的问题，LVDS信号以其在低电压和抗电磁干扰上的优势，受到大部分面板制造商的认可，因此LVDS接口在面板上的应用越来越普遍。

LVDS是一种差分信号技术，能有效控制电磁干扰，其低压与低电流驱动输出实现了低噪声和低功耗。

图4.18所示为TTL信号与LVDS信号的转换原理图，TTL信号经过信号转换后变为幅度一样而极性相反的两信号。通过一级电压比例衰减器后，可以将原来的高电压信号变为一对低电压信号，减少损耗。

①时钟恢复回路

MST8313有一个内部的时钟恢复回路，这个回路由一个数字时钟合成器和模拟电路PLL组成。它用来产生取样时钟信号，以采集模拟的RGB数据。这个回路锁定于输入的行同步信号，时钟恢复回路用来调整源时钟频率(SCLK);在每个行同步信号输入的上升沿产生反馈信号。包括第一个和最后一个行同步信号都可以产生60MHz的频率。在工作电压及温度要求的范围内，可以在1ms之内实现。

当面板的时钟信号与源时钟信号(或一半)不同时，有一个象素时钟用来驱动面板。它是由一个和时钟恢复回路一样的回路产生的。它们的区别在于：源时钟信号锁定于行同步输入信号，而目的时钟信号锁定于源时钟信号。

②模/数转换器

MST8313A内部集成了3个模/数转换器(ADC)，每一色一个(R、G、B)。每个ADC都是8-bits输出，用于将输入的模拟RGB信号转换成8-bits的数字信号，分别为R0-R7、G0-G7、B0-B7。信号支持：MST8313A芯片支持数字分离信号、数字混合信号和模拟混合信号。支持所有的这些信号都不需要额外的外围电路。

③源时序产生器(STG)

STG模块定义了一个图形抓取窗口，并且发送数据给数据通道模块。图

4.20显示了这个口的定义。

在水平的方向,它被定义在SCLKS(等价的像素计算);在纵向的方向,它被定义在行。所有以“Source”开头的参数均被定义在MST8313的寄存器中，

SDRAM在复位信号作用下将其状态驱动到上电状态后，微处理器将复位信号撤销，SDRAM进行一次预充电，对其相应的寄存器组、控制引脚信号进行配置。预充电完成后进入空闲状态，在该状态下，如果有刷新请求或者处于初始化阶段，则转入自动刷新状态，驱动相应的信号，启动刷新等待定时器。自动刷新后发出一个自动刷新应答信号，进入刷新等待状态，刷新等待定时器定时结束之后，结束本次刷新，之后再判断是否是初始化阶段，如果是初始化阶段，就要要进入工作模式设置状态，否则在无读写请求操作时回到空闲状态，有读写请求操作时转入行选通工作模式设置状态，行选通后会有一个时钟周期等待，进入列状态工作模式设置。如果此时是写请求，相应控制信号选通，同时置位突发使能信号，按照设定的突发长度操作，然后进入写等待状态，直到本次突发状态结束，然后进入第二个写等待状态进行缓冲，最后返回预充电状态;果是读请求，在列选通之后按照可编程长度进行列选通潜伏等待，然后SDRAM的数据会在数据端口连续的出现，进入等待读数据状态。读操作最后返回预充电状态。

4.3本章小结

本章节论述了电子站牌的硬件构成，分别给出了红外接收部分、无线通信部分以及显示部分的硬件电路图和软件设计，在本章中重点分析了电子站牌的动态显示部分，其电子站牌实图与武汉目前装配的类似，其信号传输方式与传输流程不同，再者就是我们采用LCD屏显示车辆信息，对比武汉目前装配的电子站牌，其车辆信息显示量要大很多。