基单片机的公交控制系统.docx

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基单片机的公交控制系统

题目：

单片机在公交控制系统的设计

摘要：

这个系统中，我们选用恰当的芯片用创新性的思想实现了部分的公交自动控制系统．整个系统以TI的大模块组成。

经过实际测试，证明我们的设计方案确实可实现可靠通信，达到了以低成本实现了公交车自动控制功能的目的．

Abstract:

Inthissystem,weestablishapartlybusself—controlsystembyusingtheappropriatechipsinacreativeway.ThewholesystemisbasedontheMSP430F169,whicts:

thecommunicationbetweenthestationandbus,thecommunicationbetweenstations,andthedisplaysegment.Passingtherealtests,ourdesignhasbeenproventobepracticalandreliable,reachingthegoalsofacquiringthebusself—controlabilityatalowcost.

关键词：

无线通信芯片NRF24L01　无线数传芯片APC220-43单片机MSP430F169

LED显示器

Keywords:

SinglechiptransceiverNRF24L01

WirelessserialdatatransfermoduleAPC220-43

Single-chipMSP430F169

LEDdisplay

引言

随着社会经济的快速发展，人们的生活节奏日益加快，对于交通出行的效率要求也越来越高。

目前厦门、广州、济南、无锡等一线城市已经部分实现了智能公交系统，其主要是基于GPS、GIS、GPRS等技术的综合运用。

这种方法实现的系统固然可行，但是其高成本投资却不容忽视，这或许也是这类智能公交系统仍未能在二三线的通信距离十分符合系统的要求，相信我们这种合理使用恰当的小芯片以降低生产应用成本的方法，定可推进公交智能控制系统的普及。

1.系统方案

2.1系统设计关键点：

◆站牌与公交车的通信模块:

当前成熟的方法均使用昂贵的GPS来实现车辆定位,这样能够做到基本10m范围精确度的准确定位，对乘客来说这么高的精度是不需要的，因为乘客想要知道的也就是大来实现通信即可说明车辆目前在这一站，以达到对车辆定位的目的。

◆站牌间通信模块：

目前的方法是由GPS定位得到车辆精确位置后，利用GPRS的传输网络来直接发布到各个站牌上，这样需要耗费很大一笔信息费，因此我们考虑用一种适合站牌间距离（1000m左站牌再往下一站传输，这样依次往下传的思想，如此避免了长距离的数据传输，大大的降低了信息发布成本。

2.2系统流程概述：

本系统由MSP430F169作为系统的MCU，由MSP430F169控制站牌与公交车的通信模块，站牌间通信模，并将站牌信息反馈给车载NRF24L01子模块，进而实现定位。

该站牌将车辆信息通过无线数传芯片APC220-43传送给下一个站牌，下一个站牌再依次传下去，让每一个站牌都收到此时车辆的位置信息。

每一站牌MCU根据本站牌所收到的公交车信息更新显示模块的显示内容，以提醒乘客。

系统流程框图如下：

2.系统硬件设计

本系统分为：

站牌与公交车的通信模块，站牌间通信模块，显示模块共三个大模块。

3.1站牌与公交车间通信模块

本模块又分为两个子模块：

车载NRF24L01子模块，站牌NRF24L01子模块。

主要功能是实现对各路公交车的定位。

当公交车即将靠站时，站牌NRF24L01子模块能获得公交车的进站信息，并将站牌信息反馈给车载NRF24L01子模块，进而实现定位。

无线通信芯片NRF24L01适合进行短距离高速通信，实际通信半径约20m。

故在公交车距站牌较远时车载NRF24L01子模块与站牌NRF24L01子模块之间不进行通信，站牌NRF24L01子模块不会检测到公交车信息。

只有当公交车距离站牌20m以内时，车载NRF24L01子模块与站牌NRF24L01子模块才会实现通信，也就证明公交车即将到站，由此实现对公交车的定位。

如下图所示，两个圆的面积分别代表公交车上无线通信芯片NRF24L01与站牌上的无线通信芯片NRF24L01的通信范围。

当两圆有重叠时即可实现站牌与公交车的通信，代表公交车进站。

3.2.站牌间通信模块

本模块的主要功能是使公交车线路上的各个站牌能获得公交车的当前位置信息。

无线数传芯片APC220-43适合于在强干扰恶劣的环境下通信，且通信距离能达到1500米左右，故在每个站牌部分中置入无线数传芯片APC220-43，进行站牌间通信，本站牌APC220-43将本站所获得的公交车位置信息发往下一站牌的APC220-43，下一站牌的APC220-43又将本站牌所获取的公交车位置信息发往下下个站牌APC220-43，依次传递。

既可在保证实现功能的同时，又比常用的方法经济简单许多。

站牌间无线数传芯片APC220-43间通信简明过程如下图：

3.3显示模块

本模块又分为：

站牌显示模块，车载显示模块共两个子模块。

主要功能是实现信息的显示。

◆站牌显示模块：

本站的MCU根据本站所接收到的所有信息进行处理，在站牌显示器上显示经过本站的每一路公交车中距离本站最近的公交车的当前位置信息，并实时更新，以提醒候车乘客。

站牌显示器如下图：

◆车载显示模块：

车载MCU根据本车所接收到的所有信息进行处理，在车载显示器上显示下一站的名称。

并实时更新，以提醒下车乘客。

车载显示器如下图：

3.系统软件设计

本系统软件分为两个部分：

车载部分软件、站牌部分软件。

4.1车载部分软件

此程序功能是实现车载NRF24L01子模块与站牌NRF24L01子模块之间的信息交互及车载显示模块的显示控制。

采用子程序轮询方式工作，为站牌与公交车间通信模块子程序、按键处理子程序、车载显示模块子程序这三个子程序分配MCU的使用时间。

由于这3个子程序的优先级不同，从高到低依次为：

站牌与公交车间通信模块子程序、按键处理子程序、车载显示模块子程序。

轮询工作的实现是利用定时器A进行加计数，将计数结果对6取余，余数为3或4或5这三种情况下运行站牌与公交车间通信模块子程序，余数为1或2这两种情况下运行按键处理子程序，余数为0时运行车载显示模块子程序。

程序流程图如下：

a=3a=1a=0

a=4a=2

a=5

◆站牌与公交车间通信模块子程序

公交到站后，车载NRF24L01子模块给站牌NRF24L01子模块发送到站信息，在通信距离内，站牌NRF24L01子模块才会接收到公交车到站信息，及时回复车载NRF24L01子模块应答信息。

若车载NRF24L01子模块在设定时间内未收到应答，则重新发送到站信息，直到收到站牌NRF24L01子模块的应答为止。

由于将NRF24L01置为EnhancedShockBurst收发模式，若站牌模块通过CRC校验码发现数据错误，则发送请求信息请求公交模块重新发送到站信息。

无线通信芯片NRF24L01通信过程示意如下:

数据帧设计如下:

无线通信芯片NRF24L01每次可以以约1Mbps的高速率发送8bit大小的数据。

我们设计一个数据帧的大小为3个字节。

选用第一字节数据表示公交车车次信息，存储公交车次的编号，可最多为256路公交车编号。

选用第二字节数据表示公交车控制信息。

考虑到上行和下行公交站牌的距离可能较近，为区分上行与下行公交车信息，在本字节中选用1bit数据作为公交车行驶方向的标志位。

因为在每个站点处有三种数据帧（到站信息数据帧，请求数据帧，应答数据帧）在传输，故在本字节中设置2bit的数据帧类型标识位。

剩于5bit作为保留位,暂不使用。

选用第三字节数据表示公交站牌的地址信息。

无线通信芯片NRF24L01数据帧格式如下：

位76543210

公交车ID

方向

标志

帧类型标识

保留

公交站牌地址信息

程序流程图如下：

否

是

◆按键处理子程序

本子程序主要由两个函数构成：

①Key-event（）函数

通过调用check-key（）函数完成对4*4矩阵键盘的扫描以及键值的获取来检测是否有有效按键被按下。

②Key-ctr（）函数

对键值进行处理，设计了四个有效的按键：

按键1：

显示帮助菜单

按键2：

通过串口发送新站点信息到车载无线通信芯片NRF24L01，覆盖原站点信息，以对存储器中存取的站点信息修改。

按键3：

手动报站。

当公交车靠站后，若车载NRF24L01子模块与站牌NRF24L01子模块通信失败的情况下，通过此按键强制更新公交车的站点显示信息。

按键4：

当公交车到达终点站后，司机按下此键以更改公交车信息中的上行下行标志位。

其余按键为日后做功能扩展备用。

程序流程图如下：

否

是

按键1按键2按键3按键4

◆车载显示模块子程序

当公交车进站后，车载显示器的站点信息应予以更新。

显示公交车停靠的站点名称及下一站点的名称。

程序流程图如下：

否

是

4.2站牌部分软件

此程序功能是实现两个站牌间无线数传芯片APC220-43之间的信息交互、车载NRF24L01子模块与站牌NRF24L01子模块之间的信息交互及站牌显示模块的显示控制。

同样采用子程序轮询方式工作，为站牌间通信模块子程序、站牌与公交车间通信模块子程序、站牌显6取余，余数为3或4或5这三种情况下运行站牌间通信模块子程序，余数为1或2这两种情况下运行站牌与公交车间通信模块子程序，余数为0时运行站牌显示模块子程序。

程序流程图如下：

a=3a=1a=0

a=4a=2

a=5

◆站牌间通信模块子程序

若公交车Car1已到达A站，下一站将前往B站。

则A站站牌APC220-43子模块给B站站牌APC220-43子模块发送公交车Car1的位置信息，B站站牌APC220-43子模块收到信息后，利用无线数传芯片APC220-43的高效的循环交织纠错编码机制进行校验，无错误站牌APC220-43子模块仍未收到应答信息，则广播公交车Car1的到站信息。

其他站牌APC220-43子模块（例如站牌C站牌D等）接收该信息后给B站牌APC220-43子模块转发该信息。

引入广播机制是考虑到城市中公交站牌数众多，存在上行和下行两路站牌，可充分利用这些可用的通信硬件资源，在A站牌与B站牌不能直接通信的情况下，借助这些资源以实现更加有保障的通信。

程序流程图如下：

站牌间无线数传芯片APC220-43正常通信过程原理图：

\

站牌间无线数传芯片APC220-43广播通信过程原理图：

Car1到站信息

图2－2无线数传芯片APC220-43广播通信过程

数据帧设计：

无线数传芯片APC220-43内设256bytes大容量缓冲区，数据帧做如下设置：

我们设计一个数据帧的大小为3个字节。

选用第一字节数据表示公交车车次信息，存储公交车次的编号，可最多为256路公交车编号。

选用第二字节数据表示公交车控制信息。

考虑到上行和下行公交站牌的距离可能较近，为区分上行与下行公交车信息，在本字节中选用1bit数据作为公交车行驶方向的标志位。

因为在每个站点处有三种数据帧（到站信息数据帧，请求数据帧，应答数据帧）在传输，故在本字节中设置2bit的数据帧类型标识位。

选用1bit数据作为广播标志位，置1时为广播信息，置0时位非广播信息。

剩于4bit数据用于表示数据帧累计通过的站点数。

选用第三字节数据表示公交站牌的地址信息。

无线数传芯片APC220-43Car到站数据帧格式如下:

位76543210

公交车ID

方向

标志

帧类型标识

广播标志

累计通过站点数

公交站牌地址信息

◆站牌与公交车间通信模块子程序

流程图如下：

否

是

是

否

是

通信数据帧同车载部分软件中站牌与公交车间通信模块子程序中的数据帧格式相同。

◆站牌显示模块子程序

当公交站牌APC220-43子模块收到某公交车位置信息时（假设此公交车靠站于A站点），若此时本站牌显示器上显示此路公交车目前所在站点为B站点，将A站点与B站点二者与本站点的距离进行比较，即比较二者离本站点的站点数的大小，若A站点离本站牌更近，则更新显示器信息，否则不作处理。

以保证站牌显示器上显示的公交车位置信息是距离本站牌最近的公交车位置。

程序流程图如下：

是

系统创新：

本公交系统的创新性主要体现在公交车的定位以及将公交车位置信息发送到各个站牌这两个部分的实现上。

5.1公交车定位

现有的公交系统多是采用GPS技术来实现公交车的精确定位，每个站点距离较近，只要能确定公交车到达各个站点的时间即可，无需对公交车在站点间行驶时的位置进行精交车位置信息传递都是采用GPRS技术来实现的。

实现较为复杂且成本较高，存在一定的资源浪费。

我们选用无线数传芯片APC220-43作为核心设计了站牌间通信模块，充分利用公交线路上站牌的间距特点，由公交线路上相邻站牌上的无线数传芯片APC220-43进行通信，将公交车位置信息沿线路上的站点依次传递，最终实现将各路公交车位置信息传递到各个站牌。

评测与结论

在我们的系统整体完成后，我们对于此系统进行了多次实际测试，在不同的外界条件下（如天气情况不同，空旷场地以及多障碍物场地等等），我们测试得到无线通信芯片NRF24L01的实际通信范围为15ｍ到25m左右，符合我们预期设计的20m范围要求证了站牌与站牌间信息传输的可靠性。

除此之外，我们的系统能够无误的处理通信数据帧，在显示模块上可正确显示车辆的位置信息，因此可以得到结论：

我们所设计的系统完全满足系统设计预期的结果，且同时具有成本低廉，灵活性强的特点，相信会为智能公交系统的普及做出贡献。