公交车管理系统电子站牌设计Word下载.docx

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GSM短信模块

Thedesignofelectricstationboardinthebusmanagerialsystem

Abstract

InordertomeettheneedsofE-stoponreal-timeandInteroperabilityinIntelligentTransportationmanagementSystem（ITS）,ThisarticleintroducesadesignmethordoftheintelligenttransportationsystemoftheE-stophardwareandsoftware.Thesystembasesonamodulardesignconcept,Usessolarpowersupply,SMSGSMcommunicationsmoduleandtheLEDscreendisplay.MeanwhileitusesSTC89C516RD+single-chipmicrocomputerasacentralcontrolunit.GSMSMSmoduleconnectedwiththeCentralControlUnitthroughRS232serialport,andreceiveSMSinformationthoughtheSerialports,achievedthecommunicationbetweentheTrafficControlCenterandtheE-stop.Then,thecentralcontrolunitprocessingandanalysisingthoseinformationreceived.TheE-stopdisplaysthereceivedinformationsonthescreenbythesecharactersstoredintheROM.FurthermorethescreencandisplayrealtimeandremaintimebyaClock-chip.

Keywords:

Solarpanels;

LEDdotmatrixscreen;

GSMSMSmodule

1引言

随着我国国民经济的飞速发展，城市建设日新月异，城市交通问题日益严重，已成为严重影响许多大中城市发展的重点问题之一。

许多大中城市政府部门每年都要投入大量的人力、物力，用以改善和解决城市交通拥挤的问题。

国家已将智能交通建设列入“十五”科技规划予以重点支持。

许多大中城市都在陆续申请建立城市智能交通示范基地。

由于城市公共交通与小汽车相比，具有客运量大、相对投资少、占有资源少、效率高、污染相对较少、人均占用道路少等优点。

据有关专家测算：

“城市中公共交通的载客量为小汽车的30倍，承载着城市80％以上的客运量”。

“以常规公交运输占用道路面积为1计算，则运输同样多的乘客，自行车占用的道路面积为5，小汽车为15”；

“按单位载客量计，它的公里耗油量、尾汽排放量等指标与小汽车相比。

均优于小汽车10倍左右”。

因此，近年来，各地政府领导及交通管理部门都逐渐形成这样一些共识：

“发展公共交通是改善城市交通的战略选择”“解决城市交通问题必须体现优先发展城市公交的原则”。

显然，大力发展公共交通，实现数字化、智能化城市公文管理，努力提高公共交通运营管理效率和社会服务水平，现已成为摆在各城市主管领导及交通管理部门面前的重要课题，它是适合中国国情的现代化大中城市发展的必然要求。

本文详细地叙述了基于西门子公司的TC35i型GSM手机模块的无线LED显示的公交电子站牌的设计过程。

文中探讨了利用GSM短消息作为数据传输媒介实现远程控制LED显示的电子公交站牌的可行性，给出了采用TC35i模块和STC89C516RD+单片机构成的远程控制LED显示电子公交站牌的设计方案，并详细介绍了远程控制LED显示屏的硬件组成和软件的工作流程。

文章重点阐述了STC89C516RD+单片机和TC35i模块的接口、TC35i的特点和主要功能、AT指令的应用、短信PDU编解码在单片机上的实现，LED显示屏的构成等。

该系统单片机STC89C516RD+通过标准串口经电平变换与TC35i模块相连，完成对TC35i模块的初始化和短消息的数据收发功能，同时使用并口与LED显示公交电子站牌相连，完成单片机与LED显示电子公交站牌的信息传递。

实践证明，这种设计思想充分的使用了单片机的内部资源，有利于系统硬件的简单化，大大方便了系统硬件的设计，并很大成度的提高了系统的可靠性。

2方案论证

2.1整体方案选择

方案一：

基于ARM的嵌入式系统。

这种方案中我们可以使用现有的操作系统（linux），在系统的基础上进行应用程序的开发。

由于ARM处理器的功能强大，资源丰富，因此使用这种方案可以使系统功能近乎完美，并且由于使用了操作系统，应用程序的设计会变得简单可靠。

但是这种方案成本较高，同时使用的嵌入式操作系统也会占用一部分额外的硬件资源，这样会大大的提高开支。

目前情况下我们不考虑这种方案。

方案二：

单片机与GSM模块构成的系统。

目前单片机已非常普遍，基于51内核的单片机芯片也有众多供应厂商。

例如，台湾宏晶科技的STC系列，Cyganl公司的C8051系列。

这些单片机都有丰富的片上资源，一般都不需要外扩其他器件就可以构成一个完整的系统。

方案三：

由CPLD器件组成的控制电路，具有很高的可靠性和设计灵活性，所实现的显示效果样式较多，但采用可编程逻辑器件CPLD的设计成本相对较高。

由于采用由单片机组成的控制电路已能完成设计的要求，且其性价比要优于采用由其他组成的控制电路。

因此，本文的中央控制单元采用第二种方案。

2.2电子显示站牌的选择

根据论文的设计要求，本文提出了以下几种方案，对比论证，选取较合适的方案。

（1）CRT监视器＋太阳能供电方案：

在站牌出安装一小型彩色监视屏，将站点信息显示在CRT监视器上，供行人查阅。

该系统采太阳能进行供电，站点信息放在存储器内，通过无线广播的方式进行数据更新。

这种方案的优点：

是成本比较低，可以采用淘汰下来的电视机作为监视器；

缺点是：

耗电量巨大，需要巨大的太阳能电池板来供电，另外CRT显示器在阳光下的显示效果不理想。

（2）LED点阵显示屏＋太阳能供电方案：

整个站牌由LED显示屏构成，站点信息在点阵屏幕上显示，并且可以以静态的方式固定显示站点或者以动态的方式轮流显示所有的站点，系统由太阳能供电，在雨天的时候还可以通过备用的蓄电池供电，正常的时候，太阳能电池板向蓄电池进行充电[1]。

系统利用GSM短信模块的GSM网络将系统进行更新、升级。

这种方案的优点是：

成本相对比较低廉，能及时动态的显示站点信息，显示的信息容量也比较大，便于远程控制和升级。

受目前LED显示技术的限制，对于图像和视频显示的效果不是很理想。

（3）液晶显示器（或者等离子）＋太阳能供电方案：

由液晶（等离子）显示器构成站牌，不但能显示站点信息，还可以显示图象或者视频信息，系统使用太阳能进行供电，站点信息经过专用电缆或者互联网络传送。

这种方案的优点是能在有限的站牌上显示更多的信息，尤其是图像和视频信息，缺点是成本太高，数据传输量巨大，不适合推广使用。

通过比较上述三种方案，可以发现LED点阵显示方案有很大的可行性，而且其系统的升级也比较方便，便于推广使用，适应现代化建设的发展需求。

2.3GSMModem的选择

本设计中GSMModem是该系统中的核心部分，正确选择合适GSMModem将关系到整个项目设计的成败。

目前GSMModem有众多供应商提供，我们将对几种常用的GSM模块进行评估，以便选择合适的方案。

（1）MZ28模块

MZ28模块是中兴通讯推出的GSM无线双频调制解调器，主要为语音传输、短信发送和数据业务提供无线接口。

MZ28集成了完整的射频电路和GSM的基带处理器，特别适合于迅速开发基于GSM无线网络的无线应用产品。

带有人机接口（MMI）界面的应用产品内部与MZ28的通讯可通过标准的串行接口（RS232）进行。

MZ28使用简单的20-PINZIP插座与用户自己的应用系统相连，此ZIP连接方式提供开发所需的数据通信、音频和电源等接口信号。

MZ28可以作为无线引擎，嵌入到用户自己的产品当中，用户可以用单片机或其他CPU的UART口，使用相应的AT命令，对模块进行控制，达到使其产品可以轻松进入GSM网络的目的[2]。

（2）TC35i模块

TC35i是Siemens公司推出的新-代无线通信GSM模块。

自带RS232通讯接口，可以方便地与PC机、单片机连机通讯。

可以快速、安全、可靠地实现系统方案中的数据、语音传输、短消息服务（ShortMessageService）和传真。

TC35i模块的工作电压为3.3—5.5V，可以工作在900MHz和1800MHz两个频段，所在频段功耗分别为2w（900M）和1w（1800M）。

模块有AT命令集接口，支持文本和PDU模式的短消息、第三组的二类传真、以及2.4k，4.8k，9.6k的非透明模式。

此外，该模块还具有电话簿功能、多方通话，漫游检测功能，常用工作模式有省电模式、IDLE、TALK等模式。

通过独特的40引脚的ZIF连接器,实现电源连接、指令、数据、语音信号、及控制信号的双向传输。

通过ZIF连接器及50Ω天线连接器，可分别连接SIM卡支架和天线。

TC35i模块主要由GSM基带处理器、GSM射频模块、供电模块（ASIC）、闪存、ZIF连接器、天线接口六部分组成。

作为TC35i的核心，基带处理器主要处理GSM终端内的语音、数据信号，并涵盖了蜂窝射频设备中的所有的模拟和数字功能。

在不需要额外硬件电路的前提下，可支持FR、HR和EFR语音信道编码。

其它功能介绍可参见相关资料。

通过对比以及资料的查找，我们发现TC35i有众多的用户，资料介绍比较全面详细。

网络上也有很多电子爱好者、工程师对TC35i比较感兴趣，讨论的话题比较多，更有很多调试笔记等可以参考。

因此我们考虑选用该模块，这样风险较小，成功率较高，遇到问题方便解决。

3系统结构框图

根据设计要求及方案论证，系统整体电路方框图如图1所示。

图1系统整体硬件电路方框图

在图1所示的方框图中，单片机系统包括单片机系统、实时钟电路芯片、看门狗电路、信息存储电路、GSM模块接口电路和LED点阵显示屏构成。

其中单片机系统控制器采用芯片STC89C516RD+、实时时钟电路采用芯片DS1302、看门狗电路采用STC89C516RD+内部的看门狗设置、信息存储单元电路采用芯片CY62256。

GSM模块采用TC35i，TC35i带有标准的串行通信接口通过MAX232进行电平转换后与单片机进行接口。

在本设计中我们的重点是进行短信息的接收与PDU解码，因此LED显示屏我们不在自行设计，而是采用市面上出售的成品LED屏幕。

这样我们需要制作LED显示屏的控制部分和编写与LED显示屏通信的并口驱动程序。

由于TC35i它本身就是基于URAT的串口模块，所以通过串行通信接口直接与单片机相连，但由于电平不匹配，所以单片机串口要加MAX232后才可以与TC35i通信。

4系统硬件设计

4.1LED电子显示屏驱动显示电路

显示屏分成屏体和控制器两部分，屏体的主要部分是显示阵列以及有行列驱动电路。

根据安装环境的空间以及考虑成本造价，决定使用多大尺寸的显示屏，从而决定了显示模块的数量，这里以8×

8点阵为例，模块单位为256点阵，即需要16块点阵模块，如图2示。

汉字一般是256点阵，那么该屏可以一次显示4个汉字。

图2显示驱动电路

采用扫描方式进行显示时，分成两步，对于每行有一个行驱动器，各行的同名列共用一个列驱动器，由单片机给出行选通信号，从第一行开始依次对各行进行扫描，对于列，根据各列所存数据，确定相应的列驱动器是否将该列与行接通，如果接通，那么该行该列的LED将亮，以同样方法进行显示全部各行都扫描一遍之后（一个扫描周期），再从第一行开始，进行下一个周期的扫描。

只要一个扫描周期的时间比人眼1/25秒的滞留时间短，就不会感觉出闪烁现象。

显示数据从驱动芯片到显示模块是以并行方式传输的，但显示数据从单片机到驱动芯片是以串行方式传输的，由于串行传输的控制电路简单，设计容易，缺点是串行数据传输需要很长的时间，不过这可以由软件来弥补，也可考虑单片机的控制速度。

显示驱动电路由74HC595组成。

74HC595输入端是8位串行移位寄存器，输出端是8位并行缓存器具有锁存功能。

由于CLK、LOAD端相连，而数据线分开，这样在同一脉冲下，行列的数据可以同时进行传入，行列数据准备好后，启动LOAD信号使所有数据同时输出并锁存，这样的设计较之传统方法提高了4倍的速度，占用I/O口少，由于CLK，LOAD引线较长，为避免线间干扰，在驱动6片74LS595之后再加驱动芯片74LS5244以驱动下一级驱动电路。

LED显示屏驱动电路的设计，与所用控制系统相配合，通常分为动态扫描型驱动及静态锁存型驱动二大类[3]。

以下就动态扫描型驱动电路的设计为例为进行分析：

动态扫描型驱动方式是指显示屏上的4行、8行、16行等n行发光二极管共用一组列驱动寄存器，通过行驱动管的分时工作，使得每行LED的点亮时间占总时间的1/n，只要每行的刷新速率大于50Hz，利用人眼的视觉暂留效应，人们就可以看到一幅完整的文字或画面。

常规型驱动电路的设计一般是用串入并出的通用集成电路芯片如74HC595或MC14094等作为列数据锁存，以8050等小功率NPN三极管为行驱动，而以达林顿三极管如TIP127等作为行扫描管。

如动态扫描型驱动方式是指显示屏上的4行、8行、16行等n行发光二极管共用一组列驱动寄存器，通过行驱动管的分时工作，使得每行LED的点亮时间占总时间的1/n，只要每行的刷新速率大于50Hz，利用人眼的视觉暂留效应，人们就可以看到一幅完整的文字或画面常规型驱动电路的设计一般是用串入并出的通用集成电路芯片如74HC595或MC14094等作为列数据锁存，以8050等小功率NPN三极管为列驱动，而以达林顿三极管如TIP127等作为行扫描管。

如以单色点阵、16行×

64列为一个基本单元，则需用8片74HC595、16个行扫描管，其工作原理为：

将八片74HC595级连，共用一个串行时钟CLK及数据锁存信号STR。

当第一行需要显示的数据经过8×

8=64个CLK时钟后将全部移入74HC595中，此时产生一个数据锁存信号STR，使数据锁存在74HC595的后级锁存器中，同时由行扫描控制电路产生信号使第一行扫描管导通，相当于第一行LED的正端都接高平，显然第一行LED管子的亮、灭取决于74HC595中所锁存的信号；

在第一行LED管子点亮的同时，在74HC595中移入第二行需要显示的数据，随后将其锁存，并同时由行扫描控制电路将第一行扫描管关闭而接通第二行，使第二行LED管子点亮……以此类推，当第十六行扫描过后再回到第一行，只要扫描速度足够高，就可形成一幅完整的文字或图像，其工作时序见图3。

图3串行移位工作时序图

4.2显示屏主控制电路

在控制领域51系列、PIC系列以及AVR系列单片机是常用的微型控制器，每个系列都有自己的优缺点，在某些方面都有自己的长处。

在具体的设计当中要综合考虑，如单片机的资源是否满足系统要求，系统是否有严格的速度要求，系统对控制器的抗干扰能力，硬件的加密性，外围电路是否简单，是否有比较齐全的成熟的开发、调试工具，如果要生产的话，则还要考虑价格和供货渠道等因素。

4.2.1控制器的比较及选型

PIC系列单片机：

PIC单片机采用精简指令使其执行效率大为提高。

PIC系列8位CMOS单片机具有独特的RISC结构，数据总线和指令总线分离的哈佛总线（Harvard）结构，使指令具有单字长的特性，且允许指令码的位数可多于8位的数据位数，这与传统的采用CISC结构的8位单片机相比，可以达到2:

1的代码压缩，速度提高4倍。

PIC有优越开发环境。

PIC在推出一款新型号的同时推出相应的仿真芯片，所有的开发系统由专用的仿真芯片支持，实时性非常好。

其引脚具有防瞬态能力，通过限流电阻可以接至220V交流电源，可直接与继电器控制电路相连，无须光电耦合器隔离，给应用带来极大方便。

PIC以保密熔丝来保护代码，用户在烧入代码后熔断熔丝，别人再也无法读出，除非恢复熔丝。

目前，PIC采用熔丝深埋工艺，恢复熔丝的可能性极小。

自带看门狗定时器，可以用来提高程序运行的可靠性[5]。

AVR系列单片机：

是一种新型的单片机。

运行速度快，一个时钟周期执行一条指令。

硬件应用哈佛（Harvard）结构，具有预取指令功能，即在执行一条指令时，预先把下一条指令取进来，使得指令可以在一个时钟周期内执行。

AVR单片机是多累加器型，数据处理速度快。

超功能精简指令，具有32个通用工作寄存器，相当于有32条立交桥，可以快速通行。

相当多的单片机只有一个累加器，就像一条独木桥，所有事都要通过累加器，速度慢。

AVR单片机系列中有128B～4KB的SRAM静态随机数据存储器，可灵活使用指令运算、存放数据，中断响应速度快。

AVR像8051一样，有多个固定中断向量入口地址，可快速响应中断。

高级C语言编程效率高。

从高级语言C代码完成同一任务实例来比较，8MHzAVR单片机的速度相当于24MHz的80C51单片机，AVR比80C51快28倍。

AVR是低功耗单片机，具有休眠省电功能（PowerDown）及闲置（Idle）低功耗功能。

一般耗电在1～2.5mA；

对于典型功耗情况，WDT关闭时为100nA，更适用于电池供电的应用设备。

有的器件最低1.8V即可工作。

可多次烧写的Flash，且具有多重密码保护锁死（Lock）功能。

I/O口功能强、驱动能力大，具有输入/输出、三态高阻输入，也可设定内部拉高电阻作输入端的功能，以便于应用到各种所需的场合（多功能I/O口）。

51系列单片机：

51系列是指是兼容Intel公司51指令集的单片机系列的统名称。

这种单片机所包括的硬件资源有：

（1）一个8位的微处理器；

（2）片内数据存储器RAM，用以存放可以读/写的数据，如运算的中间结果、最终结果以欲显示的数据等；

（3）片内程序存储器ROM/EPROM，用以存放程序、一些原始数据和表格；

（4）四个8位并行I/O接口P0～P3，每个口可以用作输入，也可以用作输出；

（5）两个（或三个）定时器/计数器，每个定时器/计数器都可以设置成计数方式，用以对外部事件进行计数，也可以设置成定时方式，并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制；

（6）五（或六个）个中断源的中断控制系统；

（7）一个全双工UART接口（通用异步接收发送器）的串行I/O，用于实现单片机之间或单片机与微机之间的串行通信；

（8）片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容须要外接。

可以看出MCS-51系列单片机也是一款功能强大的单片机。

STC89C51RC/RD+系列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰/高速/低功耗的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可任意选择，最新的D版本内部集成MAX810专用复位电路。

特点如下：

（1）.增强6时钟/机器周期，12时钟/机器周期8051CPU；

（2）工作电压：

5.5V~3.4V（5V单片机）/3.8V~2.0V（3V单片机）；

（3）工作频率范围：

0~40MHz，相当于普通8051的0～80MHz实际工作频率可达48MHz；

（4）用户应用程序空间4K/8K/13K/16K/20K/32K/64K字节；

（5）片上集成1280字节/512字节RAM；

（6）通用I/O口（32/36个）复位后为：

P0/P1/P2/P3是准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口），P0口是开漏输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻；

（7）ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器/仿真，可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，8K程序3秒即可完成一片；

（8）EEPROM功能；

（9）看门狗；

（10）内部集成MAX810专用复位电路（D版本才有），外部晶体20M以下时，可省外部复位电路；

（11）共3个16位定时器/计数器，其中定时器0还可以当成2个8位定时器使用；

（12）外部中断4路,下降沿中断或低电平触发中断，PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒；

（13）通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART；

（14）工作温度范围：

0~75℃/－40~+85℃；

（15）封装：

PDIP-40，PLCC-44，PQFP-44。

从以上几种型号单片机的比较中可以看出，PIC单片机、AVR单片机虽然在很多方面都有其特点，如在运行速度上，内部资源的配置等。

但因其价格高，开发工具不及使用51系列单片机齐全，再考虑本系统对CPU的要求并不是很高，综合考虑还是选用已经普及的51内核的单片机。

4.3存储电路

4.3.1存储电路芯片介绍

CY62256是一种32K的高集成度的RAM，采用单一+5V电源供电，双列直插式28引脚SOIC封装，它存储容量大、集成度高、成本低，具有灵活的读写性和较好的数据非易失性等特点，其芯片的引脚排列如图4所示。

图4CY62256芯片引脚排列

功能引脚：

A0~A1516位的地址输入端口；

I/O0~I/O78位输入和输出端口；

CE地址锁存使能端，用来控制锁存器；

WE、OE读写选通信号端，（低电平有效）

VCC、GND电源引脚

74HC373三态输出的八路D透明锁存器，双列直插式SOJ-20封装，用于暂存数据信息的作用，其芯片引脚排列如图5所示。

LE锁存器使能输入端；

OE三态允许控制端（低电平有效）；

D0～D7数据输入端；

O0~O7输出端；

VCC、GND电源引脚。

图574HC373芯片引脚排列

4.3.2存储电路

在控制系统中，采用SoC型STC系列宏晶单片机STC89C516RD+同时扩展RAM用于存放与显示屏对应的要显示的128B数据以及从GSM模块读取的信息。

为了增大存放数据的容量，本设计采用了CY62256（32KB）进行数据的存储。

它有15条地址总线，其中低8位地址由P0口经74