自基于单片机的GPS公交车报站系统.docx
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自基于单片机的GPS公交车报站系统
毕业设计（论文）报告
题目公交车自动报站系统设计
机电工程院（系）电气工程及其自动化专业
学号110616027
学生姓名雷鸣
指导教师尹溪
起讫日期2014.12--2015.1
设计地点井冈山大学
井冈山大学学位论文独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得井冈山大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
论文作者签名：
日期：
年月日
井冈山大学学位论文使用授权声明
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本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。
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论文的公布（包括刊登）授权井冈山大学教务处办理。
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导师签名：
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年月日日期：
年月日
摘要
公共汽车成为城市人们出行的必备选择后所面临的问题是乘客们如何能够在正确的车站下车，如何知道这辆车开向哪里，途中还会经过哪些车站。
在一些需要提示乘客注意的情况，比如:
转弯需要注意，或者需要让座等，这时该怎么办？
解决的办法就是利用公交车报站器播放语音提示乘客。
其实语音报站不是什么新鲜的词语了，公交车报站器也不是前所未有，本论文讨论一个具有人性化友好操作界面，成本低报站准确公交车报站器方案。
本文介绍一种基于GPS模块和凌阳单片机SPCE061A设计的自动语音报站系统。
利用凌阳SPCE061A串行口通信接收GPS模块输出的经纬度信息，通过对比存储经、纬度
数据和相应的站点名字。
确认公交车是否进入设定站台范围内，以达到自动报站的目的；再设计的过程中给出硬件电路的设计方案、主要软件流程图、数据处理及其程序设计的方法。
本设计解决了以住公交车报站系统人工操作不便、误报站多、故障时不报站等问题。
关键字：
凌阳单片机SPECE061A，GPS，自动语音报站
第一章绪论
随着国民经济的飞速发展，公交系统也日新月异。
报站也由原来的由随车售票员报站改为司机按键报站了。
但是由于公交司机又要开车又要兼顾按键报站，所以常常出现误报、漏报等现象，不能够满足公交系统的要求；另一方面，由于司机开车时为报站分散精力，也对公交的安全运行埋下了隐患。
因此，对自动报站系统的需求也日益强烈。
应用自动报站系统即可以节省员工开支，增强公司效益。
又可以利用报站器播报标准的普通话站名，使各城市更利于交流和发展。
近年来，GPS（GlobalPositioningSystem）全球定位系统在各种行业广泛运用，特别是车辆监控与定位系统的应用中蓬勃发展。
随着经济与科技的持续发展，公交运输系统的要求越来越高。
目前我国各大城市公交公司都在进行减员，整体上实行是在每辆公交车上只配备了一个司机，实行无人工报站与售票。
为了公交系统的管理现代化与安全考虑，需要对原有系统更新使其更智能化，公交自动语音报站系统符合这一要求。
目前现有公共汽车自动报站器，到站时LCD点阵文字提示仅显示本站和下站，由此，很多乘客并不清楚该车当前行驶的方向以及某站点在整条线路中的具体位置，特别是报站系统故障时。
往往不能提前做好下车准备，甚至很多要走回头路；针对这一问题。
本文设计一种利用GPS系统与凌阳单片机、LCD显示行车方向、车处位置，并能够实现自动报站与手动报站之间的切换。
能够显示多条站点信息、并能够进行相关站点信息提醒，保证乘客尽可能小的下错或者上错站。
目前在国外，以GPS为代表的卫星导航应用产业已成为当今国际公认的八大无线产业之一。
随着技术的进步、应用需求的增加，GPS以全天候、高精度、自动化、高效率等显著特点及其所独具的定位导航、授时校频、精密测量等多方面的强大功能，已涉足众多的应用领域，使GPS成为继蜂窝移动通信和互联网之后的全球第三个IT经济新增长点。
虽然具有GPS定位功能的公交车市场潜力颇为看好，就现阶段而言仍有几项障碍亟待克服：
首先，不论公交车采用的是内建GPS芯片或是用外接GPS模块作为解决方案，将无可避免地提高公交车成本，也影响消费者购买的意愿；最后，目前具有提供整合GPS芯片与无线通信技术的公司仍屈指可数，且公交车制造大厂是否愿意采用现有的解决方案，或是另外自行开发仍是未定之数。
通过近20年的发展，GPS产品已逐渐转变为消费电子产品，且所能应用的范围已扩展到日常生活中的通信、PDA、定位信息等。
不过，以现阶段来看，由于GPS接收机的单芯片化技术、价格以及市场应用服务等仍未臻成熟，因此，在乐观地看待此市场发展时，诸如GPSIC设计的技术是否能达到公交车或PDA所需的最小体积、成本是否能降低以及内建GPS的新公交车系统是否能引起消费者的青睐等问题，仍必须审慎地深入评估。
国内GPS市场呈现出两个重点发展趋势。
（1）以车载导航为核心的移动目标监控、管理与服务系统。
在GPS应用领域，车辆应用所占的比例较大。
最初GPS车辆应用一般分为车辆跟踪和车辆导航两大系统。
但当摩托罗拉公司推出集车辆导航与跟踪于一体的车辆信息系统后，它就成了发展的方向。
GPS车辆定位监控系统主要有自导航应用和中心监控两种方式。
车辆监控系统是集GPS技术、无线通信技术和地理信息系统技术于一体的综合车辆管理系统。
一般行业用户的车船队监控都采用中心监控方式，系统由监控中心、位于监控中心的主站和安装在移动车辆上的子站等3部分构成。
系统的工作原理是：
安装在车辆上的GPS接收机根据收到的卫星信息计算出车辆的当前位置，通信控制器从GPS接收机输出的信号中提取所需要的位置、速度和时间信息，结合车辆身份等信息形成数据包，然后通过无线信道发往控制中心。
控制中心的主站接收子站发送的数据，并从中提取出定位信息，根据各车辆的车号和组号等，在监控中心的电子地图上显示出来。
同时，控制中心的系统管理员可以查询各车辆的运行状况，根据车流量合理调度车辆。
（2）面向个人消费者的GPS终端产品。
芯片的小型化技术、生产成本的降低、体积与耗电量的减小等有利因素，使GPS产品走下神坛、深入到人们的日常生活中。
目前面向个人消费者的产品主要有车载自主导航系统、移动监控终端以及消费类电子产品。
有集成了GPS芯片和地理信息系统数字地图的移动通信手机、GPS手持机、GPS手表，甚至GPS相机等，也有基于掌上电脑和笔记本电脑等移动设备的插卡（CF卡式GPS接收机）式、外接（GPS接收机）式等集成产品。
利用全球定位系统进行公交车自动报站系统是近几年的一个热门课题。
GPS卫星定位语音报站系统具有定位精度高、语音自动播报等特点。
此系统设计要求车辆的定位精度要高于50m，如遇外界影响GPS信号还可恢复成手动操作进行报站。
第二章系统方案论证
2.1系统设计要求
要求设计一个操作友好且成本很低的公交车报站器，具体要求如下：
1、可以存放较多的服务用语和广告词；
2、要求操作简单，每站可自动播报全部报站内容（前方将要到达的站名，上下车提示服务用语）；
3、要求具有LCD站点信息显示；
4、要求语音播报具有自动和手动两种功能；
5、要求站牌信息及服务信息等都能通过液晶屏显示出来；
6、时间、日历播报、显示和调整功能。
7、GPS定位精度在50m以内。
2.2方案论证
目前公交车报站器技术主要有以下几种：
一般公交车报站器,到站前由司机按进站按钮开始报站，出站时按下出站按钮，开始预报下站的站名，通过序号来记录各个站点；第二种是门控公交车报站器，将开门、关门时转换信号和语音报站器连接，开门和关门时自动报站；第三种是无线收发公交车报站器，它是在每个公交车站点设置发射信号同步模块，公交车临近到站点左右会收到信号，开始自动报站，出站后信号消失，开始预报下一站，此报站器报站准确，但需要为每个站点组建无线发射模组，实施工程复杂、价格昂贵，大部分站点无电源供应，公交车数量多时存在频率干扰很严重影响报站的准确性，每路公交车修改站点非常不方便，系统维护成本高；第四种就是GPS自动语音公交车报站器，此报器是在公交车上安装GPS自动语音报站器，自动识别站点并报告站点信息。
由于报站精准，无须人工操作，无须建设任何车外设施。
本次设计的任务是利用现有的GPS系统结合凌阳单片机语音技术研制一套车辆自动报站的系统，包括系统的软件与硬件，要求系统具有建设费用少、维护费用低、定位精度高等特点。
系统的研究内容包括：
车辆定位系统的软件与硬件的设计与制作，即结合GPS和凌阳单片机，对GPS接收机接收的数据进行处理，结合LCD点阵显示和SPCE061A的语音播报功能，并使用控制键盘电路来实现报站器的全自动报站和手动报站的功能，以及系统的整体测试与实际运行。
图2.2为GPS语音报站系统总体设计框图。
GPS语音报站系统硬件电路主要包括SPCE061A控制模块、GPS数据接收模块[6]、语音模块、按键模块、LCD显示等模块。
图2.2为GPS语音报站系统总体设计框图。
图2.2系统硬件总体设计框图
2.2.1GPS公交车报站器各部分功能
将语音信息、提示信息和广告信息存入凌阳单片机系统的外扩存储器中，凌阳单片机上电工作后首先检查是全自动报站工作方式还是手动按键报站工作方式，手动按键方式则由键盘直接控制显示和语音播报。
当系统工作在全自动报站方式时，凌阳单片机接收GPS的信息，其中包括时间、地理位置、速度和方向等信息，GPS通信遵循NMEA0138协议，凌阳单片机按照协议提取有用信息，根据公交车的实时运行信息，进行上行、下行判断，并准确播报报站信息、广告及提示语，在LCD点显示，并通过扬声器播放出来。
选用SPCE061A单片机作为主控芯片。
SPCE061A芯片集成A/D、D/A功能，配合语音函数库可以实现语音功能。
外围扩展键盘、显示器件，扩展SPR4096FLASH芯片存储语音资源。
串口通信能够及时处理GPS接受到得经纬度信息。
显示模块是采用12864LCD，通过SPCE061A进行控制显示相关站点、广告等信息。
GPS接收模块，通过天线接收卫星发来的相关地理、时间信息并对其进行处理。
实时地计算出测站的三维位置，以及速度、时间、航向等定位信息。
把获得经度、纬度、高度、时间等信息发送给单片机控制模块。
单片机外围硬件电路主要包括：
按键和SPR4096模组存储器，按键是在GPS受干扰情况下完成人工手动报站；SPR4096模组增加系统的存储空间，有利于存储大量语音信息。
第三章系统硬件设计
GPS公交车报站器硬件模块包括：
凌阳SPCE061A单片机模块、GPS模块、SPR4096存储电路、LCD显示模块、音频输出模块和键盘控制模块组成。
3.1SPCE061A单片机控制设计
3.1.1凌阳单片机SPEC06A简介及性能
SPCE061A是凌阳科技推出的一款16位结构的微控制器。
较高的处理速度使用μ’nSP™能非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。
以μ’nSP™为核心的SPCE061A微控制器是适用于数字语音处理应用领域，一种最经济的选择产品。
SPEC06A主要性能及内部结构
1、主要性能：
16位μ’nSP™微处理器；
工作电压（CPU）VDD为2.4~3.6V（I/O）VDDH为2.4~5.5V
CPU时钟：
0.32MHz~49.152MHz；
内置2K字SRAM；
内置32KFLASH；
可编程音频处理；
晶体振荡器;
系统处于备用状态下（时钟处于停止状态），耗电仅为2μ；
2个16位可编程定时器/计数器（可自动预置初始计数值）；
2个10位DAC（数-模转换）输出通道；
32位通用可编程输入/输出端口；
14个中断源可来自定时器A/B，时基，2个外部时钟源输入，键唤醒；
具备触键唤醒的功能；
使用凌阳音频编码SACM_S240方式（2.4K位/秒），能容纳210秒的语音数据；
锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号；
32768Hz实时时钟；
7通道10位电压模-数转换器（ADC）和单通道声音模-数转换器；
声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制（AGC）功能；
具备串行设备接口；
具有低电压复位（LVR）功能和低电压监测（LVD）功能；
内置在线仿真电路ICE（In-CircuitEmulator）接口；
具有保密能力；
具有WatchDog功能。
2、内部结构及芯片引脚概述
SPCE061A有两种封装模式，一种为84个引脚，PLCC84封装形式；另一种为80个引脚，LQFP80封装。
本系统中采用PLCC84封装，在PLCC84封装中，有15个空余脚，用户使用时这15个空余脚悬浮。
在LQFP80封装中有9个空余脚，用户使用时这9个空余脚接地。
图3.1.1为SPEC061A内部结构图3.1.2为SPEC061A引脚结构图
图3.1.1SPEC061A内部结构
图3.1.2SPEC061A引脚结构图
、
3.1.2SPCE061A单片机最小系统设计
最小系统接线如图3.1.3所示，在OSCO、OSCI端接上晶振及谐振电容，在锁相环压控振荡器的阻容输入VCP端接上相应的电容电阻，复位电路其他不用的电源端和地端接上0.1μF的去耦电容提高抗干扰能力。
图3.1.3SPCE061A单片机最小系统原理图
3.1.3单片机电源设计
直流5V电源经过SPY0029后产生3.3V电压给整个系统供电。
SPY0029是凌阳公司设计的电压调整IC，采用CMOS工艺，具有静态电流低、线性调整出色等特点。
图3.1.4图中的VDDH为SPCE061A的I/O电平参考，接SPCE061A的51、52、75脚；VDDP为PLL锁相环电源，接SPCE061A的7脚；VDD和VDDA分别为数字电源与模拟电源，分别接SPCE061A的15脚和36脚；AVSS1是模拟地，接SPCE061A的24脚；VSS是数字地，接SPCE061A的38脚；AVSS2接音频输出电路的AVSS2。
图3.1.4电源模块电路
3.2LCD显示模块设计
3.2.1LCD128X64简介及功能
带中文字库的128X64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64,内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。
可以显示8×4行16×16点阵的汉字.也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。
由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。
基本特性及功能:
（1）、低电源电压（VDD:
+3.0--+5.5V）
（2）、显示分辨率:
128×64点（3）、内置汉字字库，提供8192个16×16点阵汉字（简繁体可选）（4）、内置128个16×8点阵字符（5）、2MHZ时钟频率（6）、显示方式：
STN、半透、正显（7）、驱动方式：
1/32DUTY，1/5BIAS（8）、视角方向：
6点（9）、背光方式：
侧部高亮白色LED，功耗仅为普通LED的1/5—1/10（10）、通讯方式：
串行、并口可选（11）、内置DC-DC转换电路，无需外加负压（12）、无需片选信号，简化软件设计（13）、工作温度:
0℃-+55℃,存储温度:
-20℃-+60℃。
表3.2管脚说明
管脚号
管脚名
电平
管脚功能描述
1
VSS
0V
电源地
2
VCC
3.0+5V
电源负
3
V0
-
对比亮度调整
4
RS（CS）
H/L
RS=“H”，表示DB7——DB0为显示数据
RS=“L”,表示DB7——DB0为指令数据
5
R/W（SID）
H/L
R/W=“H”，E=“H”，数据被读到DB7——DB0
RW=“L”，E=“H—>L”,DB7——DB0的数据被写到IR或DR
6
E（SCLK）
H/L
使能信号
7
DB0
H/L
三态数据线
8
DB1
H/L
三态数据线
9
DB2
H/L
三态数据线
10
DB3
H/L
三态数据线
11
DB4
H/L
三态数据线
12
DB5
H/L
三态数据线
13
DB6
H/L
三态数据线
14
DB7
H/L
三态数据线
15
PSB
H/L
H:
8位或4位并口方式，L：
串口方式
16
NC
—
空脚
17
/RESET
H/L
复位端，低电平有效
18
VOUT
—
LCD驱动电压输出端
19
A
VDD
背光源正端（+5V）
20
K
背光源负端
3.2.2控制器接口信号说明：
1、RS，R/W的配合选择决定控制界面的4种模式：
RS
R/W
功能说明
L
L
MPU写指令到指令暂存器（IR）
L
H
读出忙标志（BF）及地址记数器（AC）的状态
H
L
MPU写入数据到数据暂存器（DR）
H
H
MPU从数据暂存器（DR）中读出数据
2、E信号
E状态
执行动作
结果
高——>低
I/O缓冲——>DR
配合/W进行写数据或指令
高
DR——>I/O缓冲
配合R进行读数据或指令
低/低——>高
无动作
●忙标志:
BF BF标志表明内部工作情况.BF=1时才能对模块进行内部操作,此时模块不接受外部指令和数据.BF=0时,模块为准备状态,能够接受外部指令和数据.每次操作之前最好先进行状态字检测,只有在确认BF=0之后,才能访问模块。
●字型产生ROM（CGROM） 字型产生ROM（CGROM）提供8192个此触发器是用于模块屏幕显示开和关的控制。
DFF=1为开显示（DISPLAYON）,DDRAM的内容就显示在屏幕上，DFF=0为关显示（DISPLAYOFF）。
DFF的状态是指令DISPLAYON/OFF和RST信号控制的。
●显示数据RAM（DDRAM）模块内部显示数据RAM提供64×2个位元组的空间，最多可控制4行16字（64个字）的中文字型显示，当写入显示数据RAM时，可分别显示CGROM与CGRAM的字型；此模块可显示三种字型，分别是半角英数字型（16*8）、CGRAM字型及CGROM的中文字型，三种字型的选择，由在DDRAM中写入的编码选择，在0000H—0006H的编码中（其代码分别是0000、0002、0004、0006共4个）将选择CGRAM的自定义字型，02H—7FH的编码中将选择半角英数字的字型，至于A1以上的编码将自动的结合下一个位元组，组成两个位元组的编码形成中文字型的编码BIG5（A140—D75F），GB（A1A0-F7FFH）。
●字型产生RAM（CGRAM） 字型产生RAM提供图象定义（造字）功能,可以提供四组16×16点的自定义图象空间，使用者可以将内部字型没有提供的图象字型自行定义到CGRAM中，便可和CGROM中的定义一样地通过DDRAM显示在屏幕中。
●地址计数器AC地址计数器是用来贮存DDRAM/CGRAM之一的地址,它可由设定指令暂存器来改变，之后只要读取或是写入DDRAM/CGRAM的值时，地址计数器的值就会自动加一，当RS为“0”时而R/W为“1”时，地址计数器的值会被读取到DB6——DB0中。
3.2.3液晶模块串行时序图
串行数据传送共分三个字节完成：
第一字节：
串口控制—格式11111ABC
A为数据传送方向控制：
H表示数据从LCD到MCU，L表示数据从MCU到LCD
B为数据类型选择：
H表示数据是显示数据，L表示数据是控制指令
C固定为0
第二字节：
（并行）8位数据的高4位—格式DDDD0000
第三字节：
（并行）8位数据的低4位—格式0000DDDD
注意：
模块在接收指令前，向处理器必须先确认模块内部处于非忙状态，即读取BF标志时BF需为“0”，方可接受新的指令。
如果在送出一个指令前不检查BF标志，则在前一个指令和这个指令中间必须延迟一段较长的时间，即等待前一个指令确定执行完成。
指令执行的时间请参考指令表中的指令执行时间说明
3.2.4LCD模块与MCU的串口连接图
图3.2.4LCD原理电路
其中CS端为串行方式片选信号端，低电平有效；PSB端为并/串行接口选择端：
H-并行；L-串行；RET端为复位端，低电平有效；SID为串行数据输入端，SCLK为串行时钟输入端；只要当时钟信号端SCLK为负跳沿时，将SID端的数据输入液晶模块，因而并不需要SCLK端有连续的稳定频率的时钟信号输入，也就方便了MCU通过其位处理功能方便地进行数据传输。
3.3音频输出模块
SPCE061A内置2路10位精度的DAC，只需要外接功放电路即可完成语音的播放。
图3.3是音频输出电路图。
图3.3音频输出电路
3.4SPR4096外接存储器模块
公交车自动报站系统需要存储大量的语音文字信息，这就要求系统扩展外部存储空间，本设计采用凌阳公司的SPR4096模组电路，配合PC机使用ResWriter工具，通过EZ-probe下载线，完成对R4096存储器芯片的擦除、写入、校验等功能。
并且SPR4096可以直接与SPCE061A单片机相连，实现SPCE061A单片机存储空间的扩展。
SPR4096是一个高性能的4M位FLASH，分为256个扇区，每个扇区为2K字节。
内嵌512K×8位高性能Flash存储器同时内嵌4K×8位SRAM。
芯片具有BMI（BusMemoryInterface）并行接口总线与SIF（SerialInterface）串行接口总线。
在SPR4096芯片中，使用两种电源供电，VDDI与VDDQ。
VDDI范围在2.25V-2.75V，这个电源是给内部的Flash与逻辑控制单元供电的。
VDDQ范围在2.25V-3.6V，只给I/O口供电。
SPR4096最高工作在5.0MHz频率下，最大读电流为2.0mA，最大编程/擦写电流6.0mA。
这里采用SPR4096的串行接口模式工作，CF0-2接低电平，CF7接低电平，硬件电路如图3.5所示。
图3.4SPR4096原理电路图
3.5GPS接收模块
GPS是英文NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositioningSystem的缩写，译为利用卫星导航进行测时和测距/全球卫星定位系统。
全球定位系统（GlobalPositioningSystem-GPS）是美国从20世纪70年代开始研制，历时20年，耗资300亿美元，于1994年全面建成，为高精度导航和定位而研制的全球被动式无线电卫星系统，是集成无线电导航、定位和定时于一体的多功能系
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