基于單片機(jī)的公交報(bào)站系統(tǒng)

畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：基于單片機(jī)的公交報(bào)站系統(tǒng)所屬院（系）：電子信息工程學(xué)院2012年5月30日畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)學(xué)院（直屬系）：電子信息工程時(shí)間：2012年4月21日學(xué)生姓名指導(dǎo)教師設(shè)計(jì)（論文）題目基于單片機(jī)的公交報(bào)站系統(tǒng)主要研究?jī)?nèi)容1．能準(zhǔn)確地播報(bào)一條公交線路的站名，包括上行線路和下行線路。2．利用SPR4096模組存儲(chǔ)大量的語(yǔ)音素材，并使用凌陽(yáng)SPCE061A單片機(jī)進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)。3．能在SPLC501液晶顯示屏上顯示站點(diǎn)信息、日期、時(shí)間。4．實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)報(bào)站和手動(dòng)報(bào)站兩種報(bào)站功能。5．采用GPS定位技術(shù)，準(zhǔn)確、自動(dòng)地播報(bào)站名、廣告、服務(wù)語(yǔ)等。研究方法該系統(tǒng)主要針對(duì)系統(tǒng)控制核心SPCE061A單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)，采用匯編語(yǔ)言和c語(yǔ)言相結(jié)合的辦法進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，使用凌陽(yáng)自行研發(fā)的16位單片機(jī)開(kāi)發(fā)環(huán)境IDE和自帶的編程函數(shù)庫(kù)對(duì)GPS采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并自動(dòng)語(yǔ)音播報(bào)和在SPLC501上顯示信息。main.c主文件中負(fù)責(zé)調(diào)用相關(guān)函數(shù)，Gps.c文件中為L(zhǎng)CD液晶初始化程序、GPS串口UART初始化程序和數(shù)據(jù)采集獲取程序。主要技術(shù)指標(biāo)(或研究目標(biāo))1．設(shè)置多個(gè)功能按鍵，以便在GPS信號(hào)受到外界信號(hào)干擾時(shí)保證報(bào)站器能夠正常工作。2．使用SPLC501液晶，可以同時(shí)顯示多個(gè)漢字和數(shù)字符號(hào)。3．利用SPR4096(512K×8BitsBusFlash)模組擴(kuò)展存儲(chǔ)空間。4．電源為5V直流。5．GPS定位精度在10m以?xún)?nèi)。教研室意見(jiàn)教研室主任（專(zhuān)業(yè)負(fù)責(zé)人）簽字：年月日說(shuō)明：一式兩份，一份裝訂入學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）內(nèi)，一份交學(xué)院（直屬系）目錄摘要 IIIAbstract IV第一章緒論 11.1近年來(lái)國(guó)內(nèi)外公交車(chē)報(bào)站器的研制狀況 11.2主要設(shè)計(jì)內(nèi)容 21.3技術(shù)指標(biāo)與參數(shù)設(shè)計(jì) 2第二章設(shè)計(jì)方案及論證 42.1公交車(chē)報(bào)站器的硬件框圖 42.2公交車(chē)報(bào)站器工作流程及各部分功能 42.3設(shè)計(jì)方案的可行性分析和預(yù)期目標(biāo) 5第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 73.1SPCE061A單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 73.1.1SPCE061A單片機(jī)簡(jiǎn)介 73.1.2SPCE061A單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 103.1.3SPCE061A單片機(jī)電源設(shè)計(jì) 123.2SPLC501液晶顯示屏電路設(shè)計(jì) 123.2.1SPCE061A實(shí)現(xiàn)SPLC501液晶顯示方案 133.2.2SPLC501顯示控制線連接設(shè)計(jì) 143.3音頻輸出電路設(shè)計(jì) 173.4鍵盤(pán)電路設(shè)計(jì) 183.5SPR4096模組設(shè)計(jì) 193.5.1SPR4096芯片簡(jiǎn)介 193.5.2SPR4096硬件連接框圖 203.5.3SPR4096模組電路原理圖 203.6GPS接收電路設(shè)計(jì) 223.6.1GPS系統(tǒng)組成及特點(diǎn) 223.6.2GPS基本工作原理 243.6.3GPS器件的選擇 253.6.4HOLUXGR87芯片簡(jiǎn)介 253.6.5GR87的輸出語(yǔ)句格式 28第四章系統(tǒng)數(shù)據(jù)的壓縮與處理 314.1數(shù)據(jù)的壓縮與預(yù)存 314.1.1凌陽(yáng)音頻的壓縮與存儲(chǔ) 314.1.2顯示文字信息的壓縮與存儲(chǔ) 324.1.3定位信息的壓縮與存儲(chǔ) 324.2GPS距離差距的處理與識(shí)別 33第五章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 355.1系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì) 365.2初始化程序設(shè)計(jì) 375.3播放語(yǔ)音程序設(shè)計(jì) 385.4GPS自動(dòng)報(bào)站流程圖 39第六章系統(tǒng)可靠性和誤差分析 416.1系統(tǒng)可靠性分析 416.2GPS誤差源的分析 426.3車(chē)輛行進(jìn)中產(chǎn)生的偏差 42第七章結(jié)論及展望 43參考文獻(xiàn) 44致謝 45附錄 46附錄I電路原理圖 46附錄Ⅱ程序清單 47

基于單片機(jī)的公交報(bào)站系統(tǒng)摘要近年來(lái)，GPS(GlobalPositioningSystem)全球定位系統(tǒng)在各種行業(yè)，特別是車(chē)輛監(jiān)控與全球定位系統(tǒng)的應(yīng)用中蓬勃發(fā)展。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)公交運(yùn)輸也提出更高的要求。隨著全國(guó)各大城市公交公司的人員逐步精減，目前各公交公司都在每輛公交車(chē)上只配備了一個(gè)司機(jī)，進(jìn)行無(wú)人售票。為了公交運(yùn)輸?shù)陌踩紤]，目前迫切需要智能化、自動(dòng)化的公交語(yǔ)音報(bào)站系統(tǒng)。本次設(shè)計(jì)的公交車(chē)報(bào)站器是以凌陽(yáng)十六位單片機(jī)SPCE061A為控制核心，結(jié)合GPS全球定位系統(tǒng)，對(duì)車(chē)輛的運(yùn)行狀態(tài)（方向、位置、時(shí)間、速度等）進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，當(dāng)車(chē)輛達(dá)到預(yù)定位置時(shí)，通過(guò)凌陽(yáng)單片機(jī)語(yǔ)音功能進(jìn)行播報(bào)站名、提示語(yǔ)、音樂(lè)、時(shí)間、廣告等信息，并在LCD點(diǎn)陣上顯示，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)報(bào)站功能。當(dāng)GPS信號(hào)受外界影響時(shí)，還可通過(guò)鍵盤(pán)進(jìn)行手動(dòng)報(bào)站功能。此外，將大量的語(yǔ)音素材存儲(chǔ)在SPR4096模組中，使報(bào)站器更具人性化。由于該報(bào)站器可以提供自動(dòng)報(bào)站，因此對(duì)公交車(chē)的行車(chē)安全提供了保障。此外，它不僅可以應(yīng)用到公交車(chē)上，還可以應(yīng)用到火車(chē)及長(zhǎng)途汽車(chē)上，結(jié)合LCD點(diǎn)陣進(jìn)行報(bào)站顯示，提供車(chē)上的宣傳用語(yǔ)、廣告、時(shí)間等信息服務(wù)。關(guān)鍵詞：自動(dòng)報(bào)站，GPS，凌陽(yáng)單片機(jī)

DesignofAutomaticStationReportSystemforBusBasedonGPSAbstractSincerecentyears,GPS(GlobalPositioningSystem)hasvastlybeenusedanddevelopedineveryindustry,especiallyinthevehicle-monitoringandpositioningsystem.Withthesustainedgrowingoftheeconomy,thedemandtothebustransportationisincreasingtoo.Nowadaysthebuscompanyallocatesonlyonedriveroneverybusbecauseofthecuttingofthewholeindustry.Consideringthesafeofthebusindustry,iturgentlyneedsanintelligent;automatevoice-broadcastsystemforbustransport.Voice-broadcastequipmentforbusinthisdesigngatherparameters(suchasdirection,location,time,velocity)ofthebusinrealtimeandthenanalyzethedatathedesignusesSunplusMCUasitscore,whichintegratesGPSaspartofit.Whenthebusreachesonelocation,ittakesadvantageofthevoicefunctionofSunplusMCUandLCDMatrixScreenwhenitbroadcastsanddisplaysthelocationname,music,time,note,adandotherinformationautomatically.WhenthesignalofGPSbeingaffectedbytheouterfactor,wecanhandleitbymanualoperation.Inaddition,wecanmakeitmorehumanizationbymakinggooduseofgreatwavematerialsitstores.Thisequipmentprovidestheserviceofauto-broadcast,soguaranteesthesafeofthebus.Itappliesthebusaswellasthetrainandthecoach.Itprovidespromotionalspeech,advertisementandtimeonthevehicleassociatewithLCDMatrixScreen.Keywords:Automaticbus-stopannouncer,GPS,SunplusMCU

第一章緒論城市公共交通是城市發(fā)展和建設(shè)的重要組成部分，是影響社會(huì)發(fā)展和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的具有先導(dǎo)性、全局性的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，加快城市公共交通事業(yè)的發(fā)展，也是加快城市化進(jìn)程的一項(xiàng)重要內(nèi)容。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，目前各公交公司在每輛公交車(chē)上只配備了一個(gè)司機(jī)，進(jìn)行無(wú)人售票，報(bào)站也由原先的隨車(chē)售票員報(bào)站改為由司機(jī)按鍵報(bào)站了。但是由于公交司機(jī)既要開(kāi)車(chē)，又要兼顧按鍵報(bào)站，所以常常出現(xiàn)漏報(bào)、誤報(bào)等現(xiàn)象，不僅不能夠滿足公交系統(tǒng)的要求，而且由于司機(jī)為報(bào)站分散精力影響開(kāi)車(chē)，對(duì)公交行車(chē)的安全埋下了隱患。因此，對(duì)自動(dòng)化、智能化的公交自動(dòng)語(yǔ)音報(bào)站系統(tǒng)的需求也日益強(qiáng)烈。自動(dòng)報(bào)站系統(tǒng)的應(yīng)用即可以節(jié)省職工開(kāi)支，提高公司效益，又可以用標(biāo)準(zhǔn)的普通話播報(bào)站名，使各大城市更利于發(fā)展和交流，方便人們出行。利用GPS（全球定位系統(tǒng)）進(jìn)行公交車(chē)自動(dòng)報(bào)站系統(tǒng)是最近幾年的一個(gè)熱門(mén)課題。衛(wèi)星定位語(yǔ)音報(bào)站系統(tǒng)具有自動(dòng)播報(bào)語(yǔ)音、定位精度高等特點(diǎn)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求車(chē)輛的定位精度要高于20m，每臺(tái)公交車(chē)報(bào)站器的成本價(jià)格不能高于1500元。自動(dòng)報(bào)站系統(tǒng)要適用于全國(guó)各大城市，若遇GPS信號(hào)受外界影響還可恢復(fù)成手動(dòng)操作進(jìn)行報(bào)站。本次設(shè)計(jì)的目標(biāo)是利用GPS（全球定位系統(tǒng)）系統(tǒng)結(jié)合凌陽(yáng)單片機(jī)語(yǔ)音技術(shù)開(kāi)發(fā)一套車(chē)輛自動(dòng)報(bào)站系統(tǒng)，包括系統(tǒng)的硬件與軟件，且系統(tǒng)應(yīng)具有維護(hù)費(fèi)用低、建設(shè)費(fèi)用少、定位精度高等特點(diǎn)。該系統(tǒng)的研究?jī)?nèi)容包括：車(chē)輛定位系統(tǒng)的硬件與軟件的設(shè)計(jì)與制作，即利用凌陽(yáng)單片機(jī)；對(duì)GPS接收機(jī)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并結(jié)合SPLC501液晶顯示屏和SPCE061A的語(yǔ)音播報(bào)功能，使用控制按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)報(bào)站器的全自動(dòng)報(bào)站和手動(dòng)報(bào)站的功能，以及系統(tǒng)的整體測(cè)試和實(shí)際運(yùn)行。1.1近年來(lái)國(guó)內(nèi)外公交車(chē)報(bào)站器的研制狀況城市公共交通是市民出行的主要交通工具之一。提供舒適，安全、便捷的乘車(chē)環(huán)境，對(duì)于公交企業(yè)來(lái)說(shuō)，不僅是應(yīng)盡的責(zé)任，亦是不斷追求的目標(biāo)。而公交車(chē)自動(dòng)報(bào)站器的設(shè)計(jì)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)人工報(bào)站的落后方式，能夠在進(jìn)站、出站時(shí)自動(dòng)播報(bào)站名及服務(wù)用語(yǔ)等相關(guān)信息，為市民提供更完善，更人性化的服務(wù)。目前各大城市公交語(yǔ)音報(bào)站器技術(shù)主要有以下幾種情況：第一種是一般語(yǔ)音報(bào)站器,先通過(guò)序號(hào)來(lái)記錄各個(gè)站點(diǎn)，到站前由司機(jī)按進(jìn)站按鈕開(kāi)始報(bào)站，出站時(shí)由司機(jī)按下出站按鈕，開(kāi)始預(yù)報(bào)下站的站名；第二種是門(mén)控語(yǔ)音報(bào)站器，將開(kāi)門(mén)、關(guān)門(mén)信號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)換與語(yǔ)音報(bào)站器連接，實(shí)現(xiàn)開(kāi)門(mén)和關(guān)門(mén)時(shí)自動(dòng)報(bào)站；第三種是無(wú)線信標(biāo)語(yǔ)音報(bào)站器，它在每個(gè)公交車(chē)站點(diǎn)設(shè)置發(fā)射信號(hào)點(diǎn)，當(dāng)公交車(chē)接近站點(diǎn)時(shí)會(huì)收到信標(biāo)信號(hào)，開(kāi)始自動(dòng)報(bào)站，出站后信號(hào)消失，開(kāi)始預(yù)報(bào)下一站。該報(bào)站器雖報(bào)站準(zhǔn)確，卻需要為每個(gè)公交站點(diǎn)組建無(wú)線發(fā)射信標(biāo)，費(fèi)用高且復(fù)雜，公交公司修改站點(diǎn)非常不方便，而且公交車(chē)數(shù)量多時(shí)頻率干擾問(wèn)題嚴(yán)重，維護(hù)成本太高；第四種是GPS自動(dòng)語(yǔ)音報(bào)站器，該報(bào)站器是在公交車(chē)上安裝GPS自動(dòng)語(yǔ)音報(bào)站器，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別站點(diǎn)并播報(bào)站點(diǎn)信息。由于無(wú)需人工操作，報(bào)站準(zhǔn)確，無(wú)需修建其他車(chē)外設(shè)施，被各大城市廣泛使用。1.2主要設(shè)計(jì)內(nèi)容公交車(chē)自動(dòng)報(bào)站器的設(shè)計(jì)包括以下內(nèi)容：1．能準(zhǔn)確地播報(bào)一條公交線路的站名，包括上行線路和下行線路。2．利用SPR4096模組存儲(chǔ)大量的語(yǔ)音素材，并使用凌陽(yáng)SPCE061A單片機(jī)進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)，使報(bào)站器更具人性化。3．能在SPLC501液晶顯示屏上顯示站點(diǎn)信息、日期、時(shí)間。4．實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)報(bào)站和手動(dòng)報(bào)站兩種報(bào)站功能。5．采用GPS衛(wèi)星定位技術(shù)，準(zhǔn)確、自動(dòng)地播報(bào)站名、廣告、服務(wù)語(yǔ)等。1.3技術(shù)指標(biāo)與參數(shù)設(shè)計(jì)主要技術(shù)指標(biāo)如下：1．設(shè)置多個(gè)功能按鍵，以便在GPS信號(hào)受到外界信號(hào)干擾時(shí)保證報(bào)站器能夠正常工作。2．使用128×64的SPLC501液晶，可以同時(shí)顯示多個(gè)漢字和數(shù)字符號(hào)，字體字號(hào)可以按8×8，16×16等格式顯示。3．利用SPR4096(512K×8BitsBusFlash)模組擴(kuò)展存儲(chǔ)空間。4．電源為5V直流。5．GPS定位精度在10m以?xún)?nèi)。

第二章設(shè)計(jì)方案及論證隨著GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的成熟，定位的穩(wěn)定性和精確度的提高，使得利用GPS衛(wèi)星定位進(jìn)行公交自動(dòng)報(bào)站成為可能。通過(guò)查閱相關(guān)資料，分析近年來(lái)國(guó)內(nèi)外公交車(chē)報(bào)站器的發(fā)展及實(shí)際應(yīng)用情況，本設(shè)計(jì)采用了全自動(dòng)報(bào)站和手動(dòng)報(bào)站兩種工作方式，通過(guò)凌陽(yáng)單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理和分析，控制語(yǔ)音播報(bào)和液晶顯示屏顯示，來(lái)實(shí)現(xiàn)公交車(chē)報(bào)站器的功能設(shè)計(jì)。2.1公交車(chē)報(bào)站器的硬件框圖圖2-1所示為公交車(chē)自動(dòng)報(bào)站器的硬件框圖，主要由凌陽(yáng)SPCE061A單片機(jī)、GPS信號(hào)接收電路、音頻輸出電路、電源模塊、SPLC501液晶顯示電路、SPR4096存儲(chǔ)模塊和鍵盤(pán)控制電路組成。音頻輸出電路音頻輸出電路GPS模塊按鍵模塊SPLC501液晶顯示屏SPR4096模組凌陽(yáng)單片機(jī)電源模塊圖2-1公交車(chē)報(bào)站器設(shè)計(jì)方框圖2.2公交車(chē)報(bào)站器工作流程及各部分功能總體工作流程：首先將站名信息、廣告信息和提示信息存儲(chǔ)到外擴(kuò)存儲(chǔ)器SPR4096存儲(chǔ)模塊中，凌陽(yáng)單片機(jī)上電工作后先檢查是手動(dòng)按鍵報(bào)站工作方式還是全自動(dòng)報(bào)站工作方式。當(dāng)系統(tǒng)工作在全自動(dòng)報(bào)站方式時(shí)，凌陽(yáng)單片機(jī)接收GPS的信息，其中包括速度、方向、時(shí)間、地理位置等信息，GPS通信遵循NMEA0138v2.2協(xié)議，凌陽(yáng)單片機(jī)按照協(xié)議提取出用信息，結(jié)合公交車(chē)的實(shí)時(shí)運(yùn)行信息，進(jìn)行上行、下行判斷，在SPLC501液晶顯示屏上顯示，并通過(guò)揚(yáng)聲器播放站點(diǎn)信息、廣告及提示語(yǔ)。當(dāng)系統(tǒng)工作在手動(dòng)按鍵工作方式時(shí)，通過(guò)鍵盤(pán)直接控制液晶屏顯示和語(yǔ)音播報(bào)。凌陽(yáng)SPCE061A單片機(jī)：是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，主要是執(zhí)行鍵盤(pán)控制電路發(fā)出的指令和接收GPS定位信息，并對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，然后控制語(yǔ)音的播報(bào)和液晶顯示屏幕顯示。由于SPCE061A內(nèi)部集成了D/A轉(zhuǎn)換器，不需任何語(yǔ)音芯片就可直接實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音播報(bào)功能。SPLC501液晶顯示屏部分：采用LCD點(diǎn)陣顯示形式，利用單片機(jī)對(duì)其逐點(diǎn)掃描，實(shí)現(xiàn)報(bào)站信息和廣告的顯示。單片機(jī)外部擴(kuò)展部分：主要是按鍵和SPR4096模組。按鍵主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的人為控制；SPR4096模組主要是為了擴(kuò)展單片機(jī)的存儲(chǔ)空間，以便存儲(chǔ)大量的語(yǔ)音素材，使報(bào)站器更具人性化。GPS接收部分：捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測(cè)衛(wèi)星的信號(hào)，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行，對(duì)所接收到的GPS信號(hào)進(jìn)行變換、放大和處理，以便測(cè)量出GPS信號(hào)從衛(wèi)星到接收機(jī)天線的傳播時(shí)間，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，實(shí)時(shí)地計(jì)算出測(cè)站的三維位置，以及時(shí)間、速度、航向等定位信息。2.3設(shè)計(jì)方案的可行性分析和預(yù)期目標(biāo)凌陽(yáng)SPCE061A單片機(jī)最高可工作在49MHz的主頻下，較高的處理速度使μ’nSP能夠非常快速地、容易地處理各種復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)，并且內(nèi)置D/A、A/D轉(zhuǎn)換器，這使得凌陽(yáng)SPCE061A的語(yǔ)音處理能力更加靈活，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音播報(bào)功能更加容易。凌陽(yáng)SPCE061A還具有32位通用可編程輸入/輸出端口，多達(dá)十四個(gè)中斷源和一個(gè)通用串口等豐富的片內(nèi)資源，還可擴(kuò)展鍵盤(pán)和SPR4096模組，實(shí)現(xiàn)SPLC501液晶顯示屏顯示。GPS接收機(jī)選用差分模式產(chǎn)品HOLUXGR87模塊，它的安裝調(diào)試簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，非常適合測(cè)試或?qū)W習(xí)使用；數(shù)據(jù)接口簡(jiǎn)單并直接提供TTL電平輸出，可以滿足車(chē)載要求，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)。該設(shè)計(jì)方案從理論上符合實(shí)際運(yùn)行的要求，工作原理可行，各單元電路采用模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)用性強(qiáng)，易檢修，若能應(yīng)用于實(shí)際應(yīng)該對(duì)公交行業(yè)提供較好的技術(shù)支持。設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)：全面了解GPS接收原理和凌陽(yáng)單片機(jī)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)流程，按照任務(wù)書(shū)的設(shè)計(jì)要求，結(jié)合公交車(chē)報(bào)站器運(yùn)行的實(shí)際情況，力求從理論上研究出更先進(jìn)、實(shí)用、廉價(jià)的公交車(chē)報(bào)站器，爭(zhēng)取設(shè)計(jì)出實(shí)物。

第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)公交車(chē)自動(dòng)報(bào)站器硬件電路包括：凌陽(yáng)SPCE061A單片機(jī)、GPS信號(hào)接收電路、音頻輸出電路、SPLC501液晶顯示電路、SPR4096存儲(chǔ)模塊和鍵盤(pán)控制電路組成。3.1SPCE061A單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中采用了凌陽(yáng)16位單片機(jī)SPCE061A作為控制芯片，CPU最高可工作在49MHz的主頻下，較高的處理速度使μ’nSP能夠非?？焖俚?、容易地處理復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)，這使得SPCE061A具有相對(duì)靈活的語(yǔ)音處理能力。在語(yǔ)音功能的應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)品中是一種十分經(jīng)濟(jì)的選擇。3.1.1SPCE061A單片機(jī)簡(jiǎn)介繼μ’nSP?系列產(chǎn)品SPCE500A等之后SPCE061A是凌陽(yáng)科技推出的又一款16位結(jié)構(gòu)的微控制器。與SPCE500A不同的是，SPCE061A在存儲(chǔ)器資源方面考慮到便于程序調(diào)試以及用戶的較少資源的需求等功能。SPCE061A的主要性能特點(diǎn)是：采用16位μ’nSP?微處理器，工作電壓(CPU)VDD為2.4~3.6V，(I/O)VDDH為2.4~5.5V，當(dāng)系統(tǒng)處于備用狀態(tài)下(時(shí)鐘處于停止?fàn)顟B(tài))，耗電僅為2μA@3.6V，CPU時(shí)鐘為0.32MHz~49.152MHz，內(nèi)嵌32K字（Word）閃存（FLASH），2K字（Word）SRAM，內(nèi)置十位ADC、DAC，可編程音頻處理，2個(gè)16位可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，32位通用可編程輸入/輸出端口，1個(gè)UART和SIO接口，有多達(dá)十四個(gè)中斷源等豐富的片內(nèi)資源，同時(shí)還具備觸鍵喚醒、在線仿真、文件保密、WatchDog（看門(mén)狗）等功能。SPCE061A的結(jié)構(gòu)如圖3-1所示：16位微16位微控制器μ’nSP?＋I(xiàn)CEFlashRAM雙16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器時(shí)基中斷控制器鎖相環(huán)振蕩器CPU時(shí)鐘實(shí)時(shí)時(shí)鐘7通道10ADC單通道ADC+AGC雙通道10位DAC串行輸入輸出接口32管腳的通用輸入輸出管腳低電壓檢測(cè)/低電壓復(fù)位Watchdog串行異步通信接口IOB7(RXD)IOB10(TXD)IOB0(SCK)IOB1(SDA)……IOA15~0IOB15~0AUD2MIC_INAUD1ICE_ENICE_SCKICE_SDAXI/RVcpXO圖3-1SPCE061A的結(jié)構(gòu)其各部分功能介紹如下：（一）輸入/輸出（I/O）接口：61板將SPCE061A的32個(gè)I/O口全部引出：IOA0~IOA15，IOB0~IOB15，對(duì)應(yīng)的SPCE061A引腳為：A口，41～48、53、54～60；B口，5～1、81～76、68～64。而且該I/O口是可編程的，即可以設(shè)置為輸入或輸出：設(shè)置為輸入時(shí)，分為懸浮輸入或非懸浮輸入，非懸浮輸入又可以設(shè)置為上拉輸入或是下拉輸入；在5V情況下，上拉電阻為150K，下拉電阻為110K；設(shè)置為輸出時(shí)，可以選擇同相輸出或者反相輸出。（二）音頻輸入/輸出接口：語(yǔ)音的MIC輸入端，自帶自動(dòng)增益（AGC）控制，一個(gè)2pin的插針外接喇叭，由DAC輸出引腳21或22經(jīng)語(yǔ)音集成放大器SPY0030A放大，然后輸出，SPY0030A是凌陽(yáng)的一款芯片，功能相當(dāng)于LM386，但是比LM386音質(zhì)好，它可以工作在2.4~6.0V范圍內(nèi)，最大輸出功率可達(dá)700mW（LM386必須工作在4V以上，而且功率只有100mW）。（三）在線調(diào)試器PROBE和EZ_PROBE接口：SPCE061A的開(kāi)發(fā)可通過(guò)在線調(diào)試器PROBE來(lái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)際上，PROBE既是一個(gè)編程器（即程序燒寫(xiě)器），又是一個(gè)實(shí)時(shí)在線調(diào)試器，其接口有5pin，我們就是通過(guò)它將PROBE與PC機(jī)連接起來(lái)進(jìn)行調(diào)試、仿真和下載程序的。這樣，就不需要再用仿真器和編程器了。它可在單片機(jī)應(yīng)用項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)過(guò)程中替代常用的兩種工具——硬件在線實(shí)時(shí)仿真器和程序燒寫(xiě)器。它利用了SPCE061A內(nèi)置的在線仿真電路ICE和凌陽(yáng)公司的在線串行編程技術(shù)。PROBE可工作于凌陽(yáng)IDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境軟件包下,其5芯的仿真頭可直接連接到目標(biāo)電路板上SPCE061A的相應(yīng)管腳。并可直接通過(guò)目標(biāo)電路板上的CPU(SPCE061A)來(lái)調(diào)試并運(yùn)行用戶編制的程序PROBE的另一頭是標(biāo)準(zhǔn)的25針打印機(jī)接口?？芍苯舆B接到計(jì)算機(jī)的打印口"它與上位機(jī)的通訊可在計(jì)算機(jī)IDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境軟件包下完成。圖3-2是計(jì)算機(jī)，PROBE，用戶目標(biāo)板三者之間在線調(diào)試時(shí)的外圍連線接口電路。圖3-2PC、PROBE、用戶目標(biāo)板和SPCE061A的外圍連線接口電路圖（四）電源接口61板的內(nèi)核SPCE061A電壓要求為3.3V，而I/O端口的電壓可以選擇3.3V也可以選擇5V。所以，在板子上具有兩種工作電壓：5V和3.3V。對(duì)應(yīng)的引腳中15、36和7必須為3.3V,對(duì)于I/O端口的電壓51、52、75可以為3.3V也可以是5V，這兩種電平的選擇通過(guò)跳線J5來(lái)選擇。61板的供電電源系統(tǒng)采用用戶多種選擇方式：1、5V供電：用戶可以用3節(jié)電池，5V直流電壓直接通過(guò)SPY0029（相當(dāng)于一般3.3V穩(wěn)壓器）穩(wěn)壓到3.3V，為整個(gè)61板提供了5V和3.3V兩種電平的電壓。另外也可以直接外接5V的直流穩(wěn)壓源供電，5V電壓再通過(guò)SPY0029穩(wěn)壓到3.3V。2、3.3V供電：用戶可以提供直流3.3V電壓為實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行供電，此時(shí)整個(gè)板子只有3.3V電壓，I/O端口電壓此時(shí)只有一種選擇。（五）外部復(fù)位復(fù)位是對(duì)61板的硬件初始化，61板本身具有兩種復(fù)位功能：上電復(fù)位功能，即通電就自動(dòng)復(fù)位；外部復(fù)位功能，即在引腳6上外加一個(gè)低電平就可令其復(fù)位。根據(jù)公交車(chē)報(bào)站器的硬件設(shè)計(jì)要求，對(duì)SPCE061A單片機(jī)的硬件資源分配見(jiàn)表3-1。表3-1硬件資源分配表WATCHDOG看門(mén)狗。復(fù)位時(shí)間：0.75s。IOA口IOA0接鍵盤(pán)KEY1IOA1接鍵盤(pán)KEY2IOA8~IOA15用于SPLC501液晶顯示的數(shù)據(jù)線。IOB口IOB0用于SPR4096的SCK信號(hào)。IOB1用于SPR4096的SDK信號(hào)。IOB7用于通用串口Rx。IOB4、IOB5、IOB6、IOB9分別接SPLC501的四條控制線。Timer使用情況TimerA放音時(shí)使用。DAC音頻輸出。中斷使用情況FIQ_TimerA中斷用于放音。IRQ3_EXT中斷掃描外部按鍵。IRQ7_UART中斷掃描串口數(shù)據(jù)。3.1.2SPCE061A單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖3-3所示為最小系統(tǒng)接線圖，在OSCO、OSCI端接上晶振及諧振電容，在鎖相環(huán)壓控振蕩器的阻容輸入VCP端接上相應(yīng)的電容電阻后即可工作，其他不用的電源端和地端接上0.1μF或100μF的去耦電容提高系統(tǒng)的抗干擾能力。 圖3-3SPCE061A最小系統(tǒng)原理圖SPCE061A單片微控制器的內(nèi)部共有84個(gè)引腳，封裝形式為PLCC84其各引腳的功能如表3-2所列。表3-2SPCE061A管腳功能表3.1.3SPCE061A單片機(jī)電源設(shè)計(jì)SPCE061A的工作電壓要求為3.3V，而I/O端口的電壓可以是3.3V也可以是5V。因此，該電路設(shè)計(jì)上具有兩種工作電壓：3.3V和5V。而SPY0029為凌陽(yáng)公司設(shè)計(jì)的電壓調(diào)整IC，采用CMOS工藝且具有靜態(tài)電流低、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、線性調(diào)整出色等特點(diǎn)，故本電路采用SPY0029芯片作為直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì),對(duì)應(yīng)的SPCE061A引腳中15、36和7必須為3.3V,對(duì)于I/O端口的電平參考引腳51、52、75可以為3.3V也可以是5V，這兩種電平的選擇通過(guò)跳線J501來(lái)選擇。圖3-3圖中的VDDH為SPCE061A的I/O電平參考，接SPCE061A的51、52、75腳；VDDP為PLL鎖相環(huán)電源，接SPCE061A的7腳；VDD和VDDA分別為數(shù)字電源與模擬電源，分別接SPCE061A的15腳和36腳；AVSS1是模擬地，接SPCE061A的24腳；VSS是數(shù)字地，接SPCE061A的38腳；AVSS2接音頻輸出電路的AVSS2。 圖3-4SPCE061A電源電路原理圖3.2SPLC501液晶顯示屏電路設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)采用SPLC501液晶顯示模組為128*64點(diǎn)陣，面板采用STN（SuperTwistedNematic）超扭曲向列技術(shù)制成并且由128Segment和64Common組成，LCM非常容易通過(guò)接口被訪問(wèn)。模組上的液晶顯示器采用凌陽(yáng)科技的SPLC501芯片作為L(zhǎng)CD驅(qū)動(dòng)和控制器，為128*64點(diǎn)陣圖形液晶顯示器。SPLC501液晶顯示模組主要有以下幾個(gè)主要部件：1、液晶顯示器（帶驅(qū)動(dòng)、控制器的液晶面板）；2、復(fù)位按鍵；3、電源指示燈；4、模組接口及跳線；下圖是SPLC501液晶顯示器的結(jié)構(gòu)示意圖：圖3-5SPLC501液晶顯示器的結(jié)構(gòu)示意圖3.2.1SPCE061A實(shí)現(xiàn)SPLC501液晶顯示方案鑒于凌陽(yáng)SPCE061A單片機(jī)（16位單片機(jī)）比傳統(tǒng)的51系列（8位單片機(jī)）具有更加豐富的資源，而且數(shù)據(jù)處理速度更快，可將顯示數(shù)據(jù)通過(guò)并行(一般為8位)方式送入驅(qū)動(dòng)電路，這樣的好處是：相對(duì)于串行控制而言，數(shù)據(jù)的刷新速度快，在處理同等數(shù)量的數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)處理速度要求可以大大降低，從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。要用SPLC501液晶顯示屏來(lái)顯示漢字、字母和數(shù)字等信息，首先要能夠提取出其字模數(shù)據(jù)，即一個(gè)16*8的點(diǎn)陣數(shù)字、字母的字模數(shù)據(jù)共有16個(gè)字節(jié)，一個(gè)16*16的點(diǎn)陣漢字的字模數(shù)據(jù)共有32個(gè)字節(jié)。點(diǎn)陣信息提取方案如下：方案一：固定漢字顯示，就是將要顯示的語(yǔ)句中全部漢字和字母數(shù)據(jù)依次提取出來(lái)，按順序存放在存儲(chǔ)器中，當(dāng)有顯示任務(wù)時(shí)，直接取出字模數(shù)據(jù)送至顯示器即可。這種方法占用空間少，程序?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)單，顯示速度快。本系統(tǒng)中的顯示數(shù)據(jù)較少，對(duì)預(yù)存點(diǎn)陣信息的提取和存儲(chǔ)就是采用這種方案。但是，要想顯示大量的漢字信息或直接對(duì)顯示信息進(jìn)行更新，則幾乎是不可能的事。因此，要實(shí)現(xiàn)這樣的功能就要采用第二種方案。方案二：將標(biāo)準(zhǔn)的點(diǎn)陣信息字模數(shù)據(jù)的字庫(kù)文件（可以采用漢字庫(kù)文件HZK16、ASCII碼庫(kù)文件ASC16）裝入外擴(kuò)ROM存儲(chǔ)器，采用與PC機(jī)相同的編碼（機(jī)內(nèi)碼），先進(jìn)行基于PC機(jī)的預(yù)處理，提取需顯示內(nèi)容的機(jī)內(nèi)碼，通過(guò)串口發(fā)給單片機(jī)，單片機(jī)首先進(jìn)行判斷，若是ASCII碼，則直接計(jì)算出起始地址，在ASC16文件中指定位置取出連續(xù)的16個(gè)字節(jié)即為其字模信息；若為漢字，單片機(jī)將機(jī)內(nèi)碼轉(zhuǎn)換為區(qū)碼和位碼，再計(jì)算出起始地址，在HZK16文件中指定位置取出連續(xù)的32個(gè)字節(jié)即為其字模信息，然后送到顯示器去顯示。另外，PC機(jī)與單片機(jī)之間串口通信只是傳輸機(jī)內(nèi)碼，而不是傳輸字模信息，傳輸信息量小，不需要復(fù)雜的通信協(xié)議。這樣既可以減輕單片機(jī)的負(fù)擔(dān)，而且可以根據(jù)要求隨時(shí)改變顯示內(nèi)容，非常簡(jiǎn)單靈活。針對(duì)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求來(lái)說(shuō)，第一種方案就可以很容易實(shí)現(xiàn)，且編程簡(jiǎn)單，顯示速度也能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。3.2.2SPLC501顯示控制線連接設(shè)計(jì)一、功能說(shuō)明SPLC501液晶顯示模組采用的驅(qū)動(dòng)控制芯片為凌陽(yáng)科技的SPLC501A芯片，SPLC501A為液晶顯示控制驅(qū)動(dòng)器，集行、列驅(qū)動(dòng)器和控制器于一體，廣泛應(yīng)用于小規(guī)模液晶顯示模塊。SPLC501A單芯片液晶驅(qū)動(dòng)，可以直接與其他微控制器接口總線相連。微控制器可以將顯示數(shù)據(jù)通過(guò)8位數(shù)據(jù)總線或者串行接口寫(xiě)到SPLC501A的顯存中。下列是SPLC501A的特點(diǎn)：內(nèi)置8580位顯示RAM。RAM中的一位數(shù)據(jù)控制液晶屏上的一個(gè)象素點(diǎn)的亮、暗狀態(tài)?！?”亮“0”暗。具有65行驅(qū)動(dòng)輸出和132列驅(qū)動(dòng)輸出（注：模組中的液晶顯示面板僅為64行、128列）。可以直接與8080系列和6800系列微處理器相連。內(nèi)置晶振電路，也可以外接晶振。工作溫度范圍為－40攝氏度～＋85攝氏度。該系統(tǒng)采用凌陽(yáng)SPCE061A單片機(jī)的IOB4、IOB5、IOB6、IOB9分別接SPLC501的四條控制線CS1、A0、R/W、EP、IOA(8～15)共8個(gè)口對(duì)SPLC501連接數(shù)據(jù)線進(jìn)行控制。表3-3SPLC501引腳功能說(shuō)明接口引腳名說(shuō)明CS1片選，低有效RES復(fù)位腳A0數(shù)據(jù)命令選擇腳R/W對(duì)于6800系列MPU的讀/寫(xiě)信號(hào)（R/W）對(duì)于8080系列MPU的寫(xiě)信號(hào)（W/R）EP對(duì)于6800系列MPU的時(shí)鐘信號(hào)使能腳（EP）對(duì)于8080系列MPU的讀信號(hào)（RD）DB08位數(shù)據(jù)總線DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7VR端口輸出電壓C86C86=’H’選擇6800MPU系列C86=’L’選擇8080MPU系列PS串、并行時(shí)序選擇二、控制方法及控制指令SPLC501液晶顯示模組共有23種顯示指令，常用的功能種指令有：1、顯示開(kāi)關(guān)指令2、顯示起始行設(shè)置這個(gè)指令設(shè)置了對(duì)應(yīng)顯示屏上首行的顯示RAM行號(hào)。有規(guī)律的修改該行號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)滾屏功能。3、頁(yè)地址設(shè)置4、設(shè)置列地址由上圖可以看出顯示RAM被分成9頁(yè)每頁(yè)132個(gè)字節(jié)，當(dāng)設(shè)置了頁(yè)地址和列地址后，就確定了顯示RAM中的唯一單元，該單元由低到高各個(gè)數(shù)據(jù)位對(duì)應(yīng)于顯示屏上的某一列的8行數(shù)據(jù)位。注：在本模組中與LCD屏上對(duì)應(yīng)的顯示RAM僅為8頁(yè)有效（0~7），每頁(yè)128字節(jié)。列地址的設(shè)置需要連續(xù)寫(xiě)兩次指令，如上圖所示，指令數(shù)據(jù)為0001XXXXB和0000XXXXB，都是用低四位放置有8位地址的高低四位數(shù)據(jù)，而指令的DB4指明當(dāng)前設(shè)置的是高四位地址還是低四位地址。5、讀狀態(tài)BUSY當(dāng)BUSY為1時(shí)，忙狀態(tài)；當(dāng)BUSY為0時(shí)，準(zhǔn)備好狀態(tài)，ADC表示行和列的關(guān)系A(chǔ)DC:1正常輸出（n－131==SEGn），ADC:0為反向輸出（131－n==SEGn）ON/OFF表示液晶顯示開(kāi)和關(guān)0：顯示打開(kāi)，1：顯示關(guān)閉RESET0：正常工作狀態(tài)，1：復(fù)位6、寫(xiě)顯示數(shù)據(jù)這條指令可以將顯示數(shù)據(jù)（8位）寫(xiě)到RAM中，顯示地址自動(dòng)加一。3.3音頻輸出電路設(shè)計(jì)如前所述，SPCE061A內(nèi)置2路精度為10位的DAC，只需要外接功放電路即可完成語(yǔ)音的播放。圖3-6SPCE061A音頻輸出電路原理圖圖3-6是音頻輸出電路圖。圖中的SPY0030也是凌陽(yáng)公司的產(chǎn)品，和LM386相比，SPY0030還具有下述優(yōu)勢(shì)，比如LM386工作電壓需在4V以上，SPY0030僅需2.4V即可工作(兩顆電池即可工作)；LM386輸出功率100mW以下，SPY0030約700mW。3.4鍵盤(pán)電路設(shè)計(jì)由于凌陽(yáng)SPCE061A單片機(jī)具有可編程的I/O口，所以只需將要接按鍵的I/O口設(shè)置為帶上拉電阻的輸入口，按鍵的另一端接到低電平上即可。電路原理圖如圖3-7所示。 圖3-7鍵盤(pán)電路原理圖各按鍵的功能定義如下：K1：逐次播放上行各站提示語(yǔ)，每按一次按順序播放一個(gè)。K2：逐次播放下行各站提示語(yǔ)，每按一次按順序播放一個(gè)。K3：語(yǔ)音預(yù)留鍵，用于播放廣告和文明宣傳語(yǔ)等。在啟用自動(dòng)報(bào)站時(shí)，屏蔽按鍵操作；在啟用手動(dòng)報(bào)站時(shí)，關(guān)閉串口接收GPS數(shù)據(jù)，按K1、K2鍵，分別執(zhí)行上行/下行報(bào)站操作。3.5SPR4096模組設(shè)計(jì)凌陽(yáng)SPCE061A芯片具有語(yǔ)音播放的硬件條件，而且還提供了大量的語(yǔ)音播放的函數(shù)可供調(diào)用，為了使報(bào)站器更具人性化，需要存儲(chǔ)大量的語(yǔ)音文字信息。但是由于SPCE061A片內(nèi)只有32K的FLASH存儲(chǔ)器，在播放大量語(yǔ)音資源時(shí)需要外擴(kuò)存儲(chǔ)器。這就要求系統(tǒng)擴(kuò)展外部存儲(chǔ)空間，本次設(shè)計(jì)采用凌陽(yáng)公司的SPR4096模組電路，配合PC機(jī)使用ResWriter工具，通過(guò)EZ-probe下載線，完成對(duì)SPR4096存儲(chǔ)器芯片的擦除、寫(xiě)入、校驗(yàn)等功能。并且SPR4096可以直接與SPCE061A單片機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)SPCE061A單片機(jī)存儲(chǔ)空間的擴(kuò)展。3.5.1SPR4096芯片簡(jiǎn)介SPR4096內(nèi)嵌512K*8位高性能FLASH存儲(chǔ)器同時(shí)內(nèi)嵌4K*8位SRAM。芯片具有BMI（BusMemoryInterface）并行接口總線與SIF（SerialInterface）串行接口總線。在SPR4096芯片中，使用兩種電源供電，VDDI與VDDQ。VDDI范圍在2.25V-2.75V，這個(gè)電源是給內(nèi)部的FLASH與邏輯控制單元供電的。VDDQ范圍在2.25V-3.6V，只給I/O口供電。SPR4096可以工作在5.0MHz頻率下，最大讀電流為2.0mA，最大編程/擦寫(xiě)電流6.0mA。SPR4096特性如下：

●512K*8位的FLASH，256個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)為2K字節(jié)

●可重復(fù)擦寫(xiě)20000次

●在自然條件下數(shù)據(jù)保存10年

●4K*8位的SRAM

●供電要求：

VDDI：2.25V-2.75V

VDDQ：2.25V-3.6V

●最大工作頻率：5.0MHz

●最大擦除、燒錄電流：6.0mA

●最大讀取電流：2.0mA3.5.2SPR4096硬件連接框圖SPR4096模組連接框圖如圖3-8所示，SPR模組有兩個(gè)接口，一個(gè)接口是EZ-probe，這是在使用ResWriter工具對(duì)SPR4096進(jìn)行燒寫(xiě)時(shí)連接使用的，另一個(gè)接口主要提供電源以及SCK和SDA與SPCE061A連接使用。SPR模組使用3.3V電源供電，注意不要使電源接反。PCSPR4096PCSPR4096SCKSDASPCE061AIOB0IOB1圖3-8SPR4096硬件連接框圖3.5.3SPR4096模組電路原理圖SPR模組的硬件電路主要分為兩部分，如下介紹：第一部分：ResWriter工具對(duì)SPR4096進(jìn)行燒寫(xiě)的下載緩沖電路，此部分電路主要是控制SCK、SDA信號(hào)的作用，通過(guò)74HC244可以控制SDA信號(hào)的高低電平，這樣可以使用ResWriter工具發(fā)出符合燒寫(xiě)芯片的時(shí)序信號(hào)，完成對(duì)芯片的擦除、寫(xiě)入與校驗(yàn)功能。第二部分：SPR4096的工作電路，此部分電路是為了使SPR4096存儲(chǔ)器正常工作的外圍電路，通過(guò)SCK、SDA與SPCE061A單片機(jī)相連。如圖3-9所示為SPR模組電路原理圖：圖3-9SPR4096模組電路原理圖如圖3-10所示為SPR4096模組實(shí)物圖：圖3-10SPR4096模組實(shí)物圖3.6GPS接收電路設(shè)計(jì)GPS是英文NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositioningSystem的縮寫(xiě)，譯為利用衛(wèi)星導(dǎo)航進(jìn)行測(cè)時(shí)和測(cè)距/全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)。全球定位系統(tǒng)(GlobalPositioningSystem-GPS)是美國(guó)從20世紀(jì)70年代開(kāi)始研制，歷時(shí)20年，耗資300億美元，于1994年全面建成，為高精度導(dǎo)航和定位而研制的全球被動(dòng)式無(wú)線電衛(wèi)星系統(tǒng)，是集成無(wú)線電導(dǎo)航、定位和定時(shí)于一體的多功能系統(tǒng)。GPS以全天候、自動(dòng)化、高精度、高效益等顯著特點(diǎn)，贏得廣大使用者的信賴(lài)，并成功地應(yīng)用于導(dǎo)航、授時(shí)、高精度測(cè)量等領(lǐng)域。3.6.1GPS系統(tǒng)組成及特點(diǎn)（一）GPS（全球定位系統(tǒng)）的主要組成部分：GPS定位技術(shù)是利用高空中的GPS衛(wèi)星，向地面發(fā)射L波段的載頻無(wú)線電測(cè)距信號(hào)，由地面上用戶接收機(jī)實(shí)時(shí)地連續(xù)接收，并計(jì)算出接收機(jī)天線所在的位置。因此，GPS定位系統(tǒng)是由以下三個(gè)部分組成：GPS衛(wèi)星星座（空間部分）、GPS信號(hào)接收機(jī)（用戶設(shè)備部分）和地面監(jiān)控系統(tǒng)（地面控制部分）。1．GPS衛(wèi)星星座GPS衛(wèi)星星座由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成，記作（21+3）GPS星座。24顆衛(wèi)星距地表20～200公里的上空，均勻分布在6個(gè)軌道平面內(nèi)，軌道傾角為55度，各個(gè)軌道平面之間相距60度，即軌道的升交點(diǎn)赤經(jīng)各相差60度。每個(gè)軌道平面內(nèi)各顆衛(wèi)星之間的升交角距相差90度，同一軌道平面上的衛(wèi)星比西邊相鄰軌道平面上的相應(yīng)衛(wèi)星超前30度。衛(wèi)星每11小時(shí)58分環(huán)繞地球一次，即當(dāng)?shù)厍驅(qū)阈莵?lái)說(shuō)自轉(zhuǎn)一周時(shí)，它們繞地球運(yùn)行兩周。位于地平線以上的衛(wèi)星顆數(shù)隨著時(shí)間和地點(diǎn)的不同而不同，最少可見(jiàn)到4顆，最多可見(jiàn)到11顆。衛(wèi)星提供全球全天候，每秒一次，持續(xù)不斷的定位訊號(hào)。2．GPS信號(hào)接收機(jī)GPS信號(hào)接收機(jī)（用戶部分）是接收、跟蹤、變換和測(cè)量GPS信號(hào)的無(wú)線電設(shè)備，由天線、接收機(jī)、處理器控制顯示單元、電源組成，GPS信號(hào)接收機(jī)接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的無(wú)線電信號(hào)，以獲得必要的定位信息和觀測(cè)量，并經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理而完成定位工作。用戶使用GPS信號(hào)接收機(jī)定位導(dǎo)航時(shí)，為了計(jì)算出三維坐標(biāo)（包括：經(jīng)緯度坐標(biāo)、高度、速度、加速度、時(shí)間等），必須接收到3顆以上GPS衛(wèi)星信號(hào)。而且接收到衛(wèi)星信號(hào)的數(shù)量和幾何位置分布對(duì)定位精度有一定的影響。3．地面監(jiān)控系統(tǒng)地面監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)控全球定位系統(tǒng)的工作：監(jiān)測(cè)衛(wèi)星是否正常工作，是否沿預(yù)定的軌道運(yùn)行；跟蹤計(jì)算衛(wèi)星的軌道參數(shù)并發(fā)送給衛(wèi)星，由衛(wèi)星通過(guò)導(dǎo)航電文發(fā)送給用戶；保持各顆衛(wèi)星的時(shí)間同步；必要時(shí)對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行調(diào)度。GPS的地面監(jiān)控系統(tǒng)由分布在全球的5個(gè)地面站組成，其中包括：一個(gè)主控站、五個(gè)衛(wèi)星監(jiān)測(cè)站和三個(gè)注入站。主控站協(xié)調(diào)和管理地面監(jiān)控系統(tǒng)的主要任務(wù)是：1）根據(jù)本站和其它監(jiān)測(cè)站的觀測(cè)資料，推算編制各衛(wèi)星的星歷、衛(wèi)星鐘差和大氣修正參數(shù)，并將數(shù)據(jù)傳送到注入站。2）提供全球定位系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn)。各監(jiān)測(cè)站和GPS衛(wèi)星的原子鐘，均應(yīng)與主控站的原子鐘同步，測(cè)出其間的鐘差，將鐘差信息編入導(dǎo)航電文，送入注入站。3）調(diào)整偏離軌道的衛(wèi)星，使之沿預(yù)定軌道運(yùn)行。4）啟用備用衛(wèi)星代替失效工作衛(wèi)星。監(jiān)測(cè)站是主控站直接控制下的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集中心。觀測(cè)資料由計(jì)算機(jī)進(jìn)行初步處理，存儲(chǔ)并傳輸?shù)街骺卣?，以確定衛(wèi)星軌道。注入站主要任務(wù)是在主控站的控制下，將主控站推算和編制的衛(wèi)星星歷、鐘差、導(dǎo)航電文和其它控制指令等，注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲(chǔ)系統(tǒng)，并監(jiān)測(cè)注入信息的正確性。（二）GPS（全球定位系統(tǒng)）的主要特點(diǎn)：GPS（全球定位系統(tǒng)）能在全球、全天候工作，且功能多、應(yīng)用廣，采用差分定位，精度可達(dá)厘米級(jí)和毫米級(jí)。其主要特點(diǎn)如下：1、定位精度高應(yīng)用實(shí)踐已經(jīng)證明，GPS相對(duì)定位精度在50KM以?xún)?nèi)可達(dá)10-6，100-500KM可達(dá)10-7，1000KM可達(dá)10-9。在300-1500M工程精密定位中，1小時(shí)以上觀測(cè)的解其平面其平面位置誤差小于1mm，與ME-5000電磁波測(cè)距儀測(cè)定得邊長(zhǎng)比較，其邊長(zhǎng)較差最大為0.5mm，校差中誤差為0.3mm。2、觀測(cè)時(shí)間短隨著GPS系統(tǒng)的不斷完善，軟件的不斷更新，目前，20KM以?xún)?nèi)相對(duì)靜態(tài)定位，僅需15-20分鐘；快速靜態(tài)相對(duì)定位測(cè)量時(shí)，當(dāng)每個(gè)流動(dòng)站與基準(zhǔn)站相距在15KM以?xún)?nèi)時(shí)，流動(dòng)站觀測(cè)時(shí)間只需1-2分鐘，然后可隨時(shí)定位，每站觀測(cè)只需幾秒鐘。3.6.2GPS基本工作原理GPS的基本定位原理是：測(cè)量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機(jī)之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道接收機(jī)的具體位置。要達(dá)到這一目的，衛(wèi)星的位置可以根據(jù)星載時(shí)鐘所記錄的時(shí)間在衛(wèi)星星歷中查出。而用戶到衛(wèi)星的距離則通過(guò)記錄衛(wèi)星信號(hào)傳播到用戶所經(jīng)歷的時(shí)間，再將其乘以光速得到，由于大氣層電離層的干擾，這一距離并不是用戶與衛(wèi)星之間的真實(shí)距離，而是偽距（PR）：當(dāng)GPS衛(wèi)星正常工作時(shí)，會(huì)不斷地用1和0二進(jìn)制碼元組成的偽隨機(jī)碼（簡(jiǎn)稱(chēng)偽碼）發(fā)射導(dǎo)航電文。GPS系統(tǒng)使用的偽碼一共有兩種，分別是民用的C/A碼和軍用的P(Y)碼。C/A碼頻率1.023MHz,重復(fù)周期一毫秒，碼間距1微秒，相當(dāng)于300m；P碼頻率10.23MHz，重復(fù)周期266.4天，碼間距0.1微秒，相當(dāng)于30m。而Y碼是在P碼的基礎(chǔ)上形成的，保密性能更佳。導(dǎo)航電文包括衛(wèi)星星歷、工作狀況、時(shí)鐘改正、電離層時(shí)延修正、大氣折射修正等信息。它是從衛(wèi)星信號(hào)中解調(diào)制出來(lái)，以50b/s調(diào)制在載頻上發(fā)射的。導(dǎo)航電文每個(gè)主幀中包含5個(gè)子幀每幀長(zhǎng)6s。前三幀各10個(gè)字碼；每三十秒重復(fù)一次，每小時(shí)更新一次。后兩幀共15000b。導(dǎo)航電文中的內(nèi)容主要有遙測(cè)碼、轉(zhuǎn)換碼、第1、2、3數(shù)據(jù)塊，其中最重要的則為星歷數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶接受到導(dǎo)航電文時(shí)，提取出衛(wèi)星時(shí)間并將其與自己的時(shí)鐘做對(duì)比便可得知衛(wèi)星與用戶的距離，再利用導(dǎo)航電文中的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)推算出衛(wèi)星發(fā)射電文時(shí)所處位置，用戶在WGS-84大地坐標(biāo)系中的位置速度等信息便可得知?？梢?jiàn)GPS導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星部分的每顆衛(wèi)星時(shí)刻發(fā)布其位置和時(shí)間數(shù)據(jù)信號(hào)，用戶接收機(jī)可以測(cè)量每顆衛(wèi)星的信號(hào)到接收機(jī)的時(shí)間延遲，根據(jù)信號(hào)傳輸?shù)乃俣染涂梢杂?jì)算出接收機(jī)到不同衛(wèi)星距離。同時(shí)收集至少4顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)時(shí)，就可以計(jì)算出三維坐標(biāo)、速度和時(shí)間。民用導(dǎo)航系統(tǒng)常常采用的GPS定位方法是偽距法。GPS接收機(jī)根據(jù)接收所選的衛(wèi)星發(fā)來(lái)的導(dǎo)航信息和時(shí)鐘校正參數(shù)的時(shí)間，能計(jì)算出接收機(jī)到衛(wèi)星的“距離”。如果測(cè)量到3顆衛(wèi)星的“距離”，則分別以3顆衛(wèi)星發(fā)射時(shí)刻的衛(wèi)星位置（根據(jù)發(fā)射的星歷參數(shù)確定）為中心，根據(jù)測(cè)得的“距離”畫(huà)出3個(gè)球，其交點(diǎn)就是用戶的三維位置。但是，由于接收機(jī)的本機(jī)鐘對(duì)星載原子鐘存在偏差，上面所測(cè)的“距離”并不是衛(wèi)星接收機(jī)的真實(shí)距離，因此稱(chēng)為“偽距離”，偽距法由此得名。正因?yàn)橛脩翮娕cGPS時(shí)間不能精確同步，故每次測(cè)量總會(huì)存在一個(gè)固定的偏差，這使得定位產(chǎn)生不定性。如果在測(cè)量出到第4顆衛(wèi)星的偽距，則此時(shí)由用戶鐘偏差造成的定位不定性就產(chǎn)生一個(gè)由4個(gè)相交球面所圍成的誤差體積。從每個(gè)偽距測(cè)量中加上或減去這個(gè)固定的值就消去了該體積，結(jié)果使得4個(gè)球面相交于一點(diǎn)，這就是用戶的三維位置。3.6.3GPS器件的選擇在實(shí)際使用中，并不是需要關(guān)心如何去計(jì)算坐標(biāo)數(shù)據(jù)，GPS器件本身會(huì)提供詳細(xì)的定位信息。GPS技術(shù)目前已經(jīng)較為成熟，市場(chǎng)上的GPS產(chǎn)品很多，可以分為下面的3類(lèi)。1）單點(diǎn)模式產(chǎn)品，如MOTOROLAM12、GARMINGPS25LP等，其定位精度為15m左右。2）雙系統(tǒng)模式產(chǎn)品，如ARGO-16GPS/GLONASS，其定位精度與單點(diǎn)模式產(chǎn)品相似，但在精度上高一些，價(jià)格上也略高一些。3）差分模式產(chǎn)品，如HOLUXGR87，其實(shí)就是使用單點(diǎn)模式產(chǎn)品的差分功能進(jìn)行差分的GPS（DGPS）定位，其定位精度大大提高。經(jīng)過(guò)綜合考慮，選用差分模式產(chǎn)品HOLUXGR87模塊作為本次設(shè)計(jì)的GPS器件，它的價(jià)格相對(duì)便宜，定位精度高，啟動(dòng)時(shí)間短且能直接提供TTL電平輸出，其他的指標(biāo)也能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。3.6.4HOLUXGR87芯片簡(jiǎn)介HOLUXGR87模塊的性能指標(biāo)如下：1、相關(guān)特性：

．

最多可同時(shí)接收20個(gè)衛(wèi)星

．

接收碼:

L1，C/A

碼

．

更新速率:

1HZ

．

時(shí)間標(biāo)示：

1脈波/秒,

GPS時(shí)間

+/-0.1秒誤差

．

支援通訊協(xié)定：NMEA-0183

v2.2版本規(guī)格輸出及SiRF二位元編碼

．

晶片內(nèi)建

200,000

個(gè)衛(wèi)星追蹤運(yùn)算器

．

運(yùn)算程式：ARM7TDMI

．

內(nèi)建快閃記憶體

1Mb

．

最低追蹤信號(hào)感度：-159dBm

．

尺寸：25.4

×

25.4

×

7公厘

．

重量：2g

．

操作溫度：

-10℃

to

+

60℃

．

存放溫度：

-20℃

to

+

85℃

．

操作濕度：

5%

to

95%

無(wú)壓縮條件下

．

2、位置精準(zhǔn)度

．Autonomous：<

10

公尺

2DRMS

．SBAS：7公尺，(二維RMS,

WAAS修正\u7bc4圍)

．差分修正輸入

(DGPS)：1-5

公尺CEPS

3、定位時(shí)間

．定位時(shí)間（平均值）

．

重新抓?。?.1

秒

．

熱開(kāi)機(jī)：

1

秒

．

暖開(kāi)機(jī)：

38

秒

．

冷開(kāi)機(jī)：

42

秒

4、輸出入規(guī)格及介面

．NMEA

輸出協(xié)議：

．

支援通訊協(xié)定：

．

NMEA-0183

v2.2版本規(guī)格輸出、SiRF二位元編碼及AI3/FHOLUXGR87在加電后開(kāi)始運(yùn)行，其基本運(yùn)行過(guò)程如下。1、自檢：加電后開(kāi)始自檢，并通過(guò)輸出通道報(bào)告自檢結(jié)果，自檢過(guò)程將檢測(cè)、接收器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和晶振。2、初始化：自檢完畢后，將開(kāi)始衛(wèi)星探測(cè)和跟蹤過(guò)程。整個(gè)探測(cè)過(guò)程是完全自動(dòng)的，正常情況下，HOLUXGR87將用45s的時(shí)間獲取位置定位信息（已知星歷表時(shí)只需要15s），之后通過(guò)輸出通道傳送有效的位置、速度和時(shí)間信息。3、導(dǎo)航：探測(cè)完畢后，HOLUXGR87將通過(guò)輸出通道發(fā)送有效的導(dǎo)航信息，包括經(jīng)緯度、海拔、速度、日期/時(shí)間、誤差估計(jì)、衛(wèi)星和接收器狀態(tài)。4、衛(wèi)星數(shù)據(jù)收集：在運(yùn)行時(shí)，HOLUXGR87將自動(dòng)更新衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)。HOLUXGR87提供一個(gè)單排的6針對(duì)外硬件接口，如圖3-11所示。圖3-11HOLUXGR87對(duì)外硬件接口其引腳功能如下：TXA(2腳)：第1路串行數(shù)據(jù)發(fā)送腳。RXA(3腳)：第1路串行數(shù)據(jù)接收腳。RXB(4腳)：第2路串行數(shù)據(jù)接收腳。VCC(1腳)：電源，接3.3V~5V電源。GND(5腳)：接地。GR87和SPCE061A單片機(jī)的具體連接方式如圖3-12所示。圖3-12GR87與SPCE061A單片機(jī)連接示意圖3.6.5GR87的輸出語(yǔ)句格式GPS上電后，每隔一定的時(shí)間就會(huì)返回一定格式的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式為：$信息類(lèi)型，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x每行開(kāi)頭的字符都是‘$’，接著是信息類(lèi)型，后面是數(shù)據(jù)，以逗號(hào)分隔開(kāi)。一行完整的數(shù)據(jù)如下：$GPRMC,080655.00,A,4546.40891,N,12639.65641,E,1.045,328.42,170809,,,A*60HOLUXGR87的信息類(lèi)型有六種：GPGSV：可見(jiàn)衛(wèi)星信息；GPGLL：地理定位信息；GPRMC：推薦最小定位信息；GPVTG：地面速度信息；GPGGA：GPS定位信息；GPGSA：當(dāng)前衛(wèi)星信息；結(jié)合本系統(tǒng)只需要判斷公交車(chē)的位置和方向即可，不需要很高的精確度，故采用推薦最小定位信息GPRMC。其語(yǔ)句格式如下。$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>,*hh<CR><LP><1>：UTC當(dāng)?shù)貢r(shí)間，“時(shí)時(shí)分分妙妙”的格式。<2>：工作狀態(tài)，A為可用，V為接收器報(bào)警，不可用。<3>：緯度，“度度分分.分分分分”格式(前面的0也會(huì)傳送)。<4>：緯度半球，N或者S。<5>：經(jīng)度，“度度分分.分分分分”的格式(前面的0也會(huì)傳送)。<6>：經(jīng)度半球，E或者W。<7>：對(duì)地速度，000.0～999.9節(jié)(前面的0也會(huì)傳送)。<8>：對(duì)地的航向，000.0°～359.9°(前面的0也會(huì)傳送)。<9>：UTC當(dāng)?shù)厝掌?，“天天月月年年”格式?lt;10>：磁變，磁偏角地球磁場(chǎng)在不同的時(shí)間、不同地點(diǎn)的偏差，000.0°～180.0°。<11>：磁變方向，E或者W。<12>：工作模式，A為自主，D為差分，E為評(píng)估。N為數(shù)據(jù)無(wú)效。*hh：為數(shù)據(jù)校驗(yàn)和。解析內(nèi)容如下：1．時(shí)間，這個(gè)是格林威治時(shí)間，是世界時(shí)間（UTC），我們需要把它轉(zhuǎn)換成北京時(shí)間（BTC），BTC和UTC差了8個(gè)小時(shí)，要在這個(gè)時(shí)間基礎(chǔ)上加8個(gè)小時(shí)；2．定位狀態(tài)，在接收到有效數(shù)據(jù)前，這個(gè)位是‘V’，后面的數(shù)據(jù)都為空，接到有效數(shù)據(jù)后，這個(gè)位是‘A’，后面才開(kāi)始有數(shù)據(jù)；3．緯度，我們需要把它轉(zhuǎn)換成度分秒的格式，計(jì)算方法：如接收到的緯度是：4546.408914546.40891/100=45.4640891可以直接讀出45度4546.40891–45*100=46.40891可以直接讀出46分46.40891–46=0.40891*60=24.5346讀出24秒所以緯度是：45度46分24秒。4．南北緯，這個(gè)位有兩種值‘N’（北緯）和‘S’（南緯）；5．經(jīng)度的計(jì)算方法和緯度的計(jì)算方法一樣；6．東西經(jīng)，這個(gè)位有兩種值‘E’（東經(jīng)）和‘W’（西經(jīng)）；7．速率，這個(gè)速率值是海里/時(shí)，單位是節(jié)，要把它轉(zhuǎn)換成千米/時(shí)，根據(jù)：1海里=1.85公里，把得到的速率乘以1.85；8．航向，指的是偏離正北的角度；9．日期，這個(gè)日期是準(zhǔn)確的，不需要轉(zhuǎn)換；實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)示例如下：$GPRMC,031604.719,A,3201.3255,N,12054.1669,E,20.15,298.21,250411,,,,*11則表示日期11年4月25日，UTC時(shí)間為3時(shí)16分4.719秒，北京時(shí)間11時(shí)16分4.719秒。地點(diǎn)是北緯32度1.3255分，東經(jīng)120度54.1669

第四章系統(tǒng)數(shù)據(jù)的壓縮與處理本章主要闡述對(duì)微處理器中的數(shù)據(jù)如何進(jìn)行處理，并對(duì)各存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)如何存放、處理、調(diào)用進(jìn)行了說(shuō)明。為了提高數(shù)據(jù)運(yùn)算效率、降低硬件成本，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了壓縮處理。4.1數(shù)據(jù)的壓縮與預(yù)存在公交車(chē)報(bào)站器的系統(tǒng)中，判別車(chē)輛行駛的位置以及播報(bào)站名和顯示信息時(shí)，需要對(duì)播報(bào)點(diǎn)的語(yǔ)音編碼、文字信息、經(jīng)緯度坐標(biāo)、方向、運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行預(yù)存。為了節(jié)約存儲(chǔ)空間，必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理與壓縮。4.1.1凌陽(yáng)音頻的壓縮與存儲(chǔ)凌陽(yáng)SPCE061A是16位單片機(jī)，具有DSP功能，有很強(qiáng)的信息處理能力，最高時(shí)鐘頻率可以達(dá)到49MHz，具備運(yùn)算速度高的優(yōu)勢(shì)等。這些無(wú)疑為語(yǔ)音播放提供了條件。凌陽(yáng)常用的音頻形式和壓縮算法：1．波形編碼：sub-band即SACM_A2000。特點(diǎn)：高質(zhì)量、高碼率，適于高保真語(yǔ)音和音樂(lè)。本方案采用該編碼方式。2．參數(shù)編碼：聲碼器（vocoder）模型表達(dá)，抽取參數(shù)與激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行編碼。如：SACM_S240。特點(diǎn)：壓縮比大，計(jì)算量大，音質(zhì)不高，廉價(jià)。3．混合編碼：CELP即SACM_S480。特點(diǎn)：綜合參數(shù)和波形編碼之優(yōu)點(diǎn)。除此之外,還具有FM音樂(lè)合成方式即SACM_MS01。在此系統(tǒng)中，可由使用計(jì)算機(jī)預(yù)先將要播報(bào)的報(bào)站、廣告、音樂(lè)、提示語(yǔ)等音頻信息錄制屬性為8.000KHz，16位，單聲道，15KB/秒的wav格式語(yǔ)音文件，然后使用凌陽(yáng)音頻壓縮工具將該音頻文件壓縮成A2000的凌陽(yáng)音頻格式。最后利用凌陽(yáng)ResWriter工具將其燒錄到SPR4096存儲(chǔ)單元中。4.1.2顯示文字信息的壓縮與存儲(chǔ)首先利用DMTool工具進(jìn)行字模提取，將要顯示的文字信息利用凌陽(yáng)ResWriter工具將其燒錄到SPR4096存儲(chǔ)單元中，再通過(guò)凌陽(yáng)SPCE061A單片機(jī)編程控制SPLC501液晶顯示屏顯示文字信息。如圖4-1所示為SPLC501液晶顯示屏示例，整個(gè)演示程序的演示過(guò)程中，無(wú)需用戶進(jìn)行操作。程序初始運(yùn)行時(shí)，會(huì)將液晶屏初始顯示為黑白相間的橫線，隨后，將演示畫(huà)點(diǎn)、ASCII碼字符顯示、畫(huà)矩形、字符串顯示、畫(huà)圓、畫(huà)直線、漢字顯示以及滾屏顯示等；演示最后的環(huán)節(jié)為滾屏顯示。圖4-1“凌陽(yáng)科技”的顯示圖4.1.3定位信息的壓縮與存儲(chǔ)由于我國(guó)陸地地處東經(jīng)73度到136度之間，所以在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中將采集到的經(jīng)度數(shù)據(jù)首先減去73度，變換使得經(jīng)度范圍在0-63度之間。對(duì)經(jīng)緯度值的預(yù)存可以使用存儲(chǔ)每次的增量值的辦法，這樣可使數(shù)據(jù)長(zhǎng)度變短，但處理起來(lái)要麻煩一些，并且可能產(chǎn)生誤差積累；另外一種方法就是存儲(chǔ)變換后的絕對(duì)經(jīng)緯度值，這樣雖然數(shù)據(jù)略長(zhǎng)一些，但處理起來(lái)比較簡(jiǎn)單。經(jīng)過(guò)權(quán)衡，本例使用存儲(chǔ)變換后的絕對(duì)經(jīng)緯度值。GPS提供的經(jīng)緯度為1/10000分，實(shí)際上它的最低位值，是不穩(wěn)定的，所以現(xiàn)只取到1/1000分。由于地球的半徑約為R=6378137m，這樣每1/1000分所對(duì)應(yīng)的弧長(zhǎng)約為：2πR/(360度×60(分/度))/1000≈1.86m，所以這里只取小數(shù)點(diǎn)后3位。以1/1000分為單位，經(jīng)度的最大值為63×60×1000=3780000。我國(guó)緯度的最高值不超過(guò)北緯60度，同樣以1/1000分為單位，最大值為60×60×1000=3600000，經(jīng)緯度以二進(jìn)制形式存儲(chǔ)各用24位((3個(gè)字節(jié))是足夠了。經(jīng)緯度共需要6個(gè)字節(jié)即可。方向數(shù)據(jù)，GPS可提供1/10度的精度，實(shí)際使用中以2度為單位已經(jīng)足夠了，所以對(duì)采集的數(shù)據(jù)整數(shù)部分除以2，范圍在0-180之間，這樣只須1個(gè)字節(jié)就可以了。4.2GPS距離差距的處理與識(shí)別由于一般車(chē)輛行使的范圍都是比較小的，所以可以將經(jīng)緯度直接看作直角坐標(biāo)來(lái)處理。GPS距離的差距測(cè)算有如下兩種方法：方案一：用距離長(zhǎng)度測(cè)算法。設(shè)預(yù)存的經(jīng)度為，預(yù)存的緯度為，車(chē)輛位置實(shí)時(shí)采集的經(jīng)度為x，緯度為y。根據(jù)距離公式，兩點(diǎn)間的距離為：×1.86m如果二將距離控制在小于20m（實(shí)際要求10m）進(jìn)行播報(bào)，則20/1.86≈10.75，這也就是說(shuō)車(chē)輛的位置(x,y)與預(yù)存的位置(EQ,)之間的值小于10.75即滿足播報(bào)的條件，由于單片機(jī)對(duì)開(kāi)平方運(yùn)算較為復(fù)雜，故兩端平方后得：＜115，實(shí)際處理時(shí)，當(dāng)(x-)，(y-)只有兩個(gè)值均小于10.75時(shí)，才需要計(jì)算是否滿足上式，當(dāng)滿足上式時(shí)即達(dá)到了播報(bào)的距離。方向的判別主要用于往返同一站點(diǎn)，在不同方向的運(yùn)行的狀況，所以要求的精度并不高，只要在預(yù)存的方向值的基礎(chǔ)上±15(30°)范圍內(nèi)即可。再加上運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)的識(shí)別，即可準(zhǔn)確的進(jìn)行播報(bào)。方案二：區(qū)域范圍估算法。我們此次設(shè)計(jì)采用這種方法。它只利用固定站點(diǎn)設(shè)計(jì)，在站點(diǎn)附近采取站點(diǎn)GPS數(shù)據(jù)信息，將其設(shè)置為預(yù)定值的辦法，在站點(diǎn)附近自動(dòng)報(bào)站的模式。在實(shí)測(cè)中對(duì)于距離誤差的處理采用模糊估算的辦法，采用經(jīng)度[E-0.05，E+0.05]距差設(shè)計(jì)，緯度[N-0.05，N+0.05]，這樣的一個(gè)矩形區(qū)域內(nèi)測(cè)算的辦法，保證在站點(diǎn)附近的報(bào)站播報(bào)。方案一的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量準(zhǔn)確，按距離播報(bào)，可以預(yù)知前方到站距離和大概時(shí)間，缺點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，計(jì)算量大；方案二可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程，容易實(shí)現(xiàn)，雖誤差較大，但對(duì)于本次設(shè)計(jì)要求并不要求高精度定位的情況已完全可以滿足，并且誤差可以通過(guò)利用GR87的高精度差分測(cè)量得到抑制。

第五章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件部分主要是針對(duì)系統(tǒng)控制核心SPCE061A單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)，采用匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言?xún)煞N語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，使用凌陽(yáng)自行研發(fā)設(shè)計(jì)的16位單片機(jī)開(kāi)發(fā)環(huán)境IDE，此工具支持Windows環(huán)境下操作，支持標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言，集編譯、編程、鏈接、調(diào)試和仿真于一體，應(yīng)用方便簡(jiǎn)單易學(xué)，同時(shí)還提供大量的編程函數(shù)庫(kù)，大大加快了軟件開(kāi)發(fā)的進(jìn)程。整個(gè)軟件系統(tǒng)完成的功能在程序中分為如下文件實(shí)現(xiàn)：main.c文件：整個(gè)工程的主文件，負(fù)責(zé)調(diào)用相關(guān)函數(shù)完成相關(guān)功能。ISR.c文件：此文件中包含所有工程中要調(diào)用的中斷程序，定義中斷接口和中斷子程序過(guò)程及需要返回的值，包括了定時(shí)中斷voidFIQ(void),在FIQ_TimerA中斷中調(diào)用語(yǔ)音播放服務(wù)函數(shù)完成，在FIQ_TimerB中調(diào)用PWM驅(qū)動(dòng)音頻播放順序；UART串行通訊中斷voidIRQ7(void),IRQ7中斷中接收GPS的數(shù)據(jù)，并對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如果判斷為進(jìn)行播報(bào)，則調(diào)用顯示程序和語(yǔ)音播放程序。EXT外部中斷程序voidIRQ3(void)掃描鍵盤(pán)鍵盤(pán)與得到鍵盤(pán)程序。Gps.c文件：此文件包含LCD液晶初始化程序；GPS串口UART初始化程序；GPS數(shù)據(jù)采集獲取程序，既站點(diǎn)信息提取。SPLC501USER.c文件：此文件中包含有與LCD點(diǎn)陣顯示操作有關(guān)的函數(shù)，包括LCD點(diǎn)陣的處始化、LCD點(diǎn)陣的驅(qū)動(dòng)、LCD點(diǎn)陣的顯示。SPLC501USER_IO.ASM文件：此文件定義了501的操作函數(shù)，包括初始化，讀、寫(xiě)、狀態(tài)字讀取、底層子模定義等。RW_4096.asm文件：與SPR4096存儲(chǔ)器相關(guān)的操作函數(shù)，包括初始化，讀、寫(xiě)、擦除操作等。另外將與播放語(yǔ)音的相關(guān)操作函數(shù)寫(xiě)在main.c文件中。在語(yǔ)音處理方面采用了凌陽(yáng)科技的sacmv26e.lib函數(shù)庫(kù)完成語(yǔ)音播放功能，只需要調(diào)用幾條函數(shù)就可以播放語(yǔ)音。漢字字模顯示保存在1.c文件中，用于LCD中漢字的顯示。5.1系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)開(kāi)始初始化局部變量開(kāi)總中斷，初始化SPR4096、串口、GPS、LCD顯示、外部中斷初始化GPS數(shù)據(jù)讀取是否有鍵按下NY關(guān)閉GPS數(shù)據(jù)開(kāi)始初始化局部變量開(kāi)總中斷，初始化SPR4096、串口、GPS、LCD顯示、外部中斷初始化GPS數(shù)據(jù)讀取是否有鍵按下NY關(guān)閉GPS數(shù)據(jù)中斷手動(dòng)播報(bào)程序GPS自動(dòng)站點(diǎn)播報(bào)清中斷，返回圖5-1主程序流程圖5.2初始化程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)要對(duì)SPR4096、GPS串口通訊、鍵盤(pán)外部輸入中斷初始化設(shè)置及SPLC501LCD進(jìn)行初始化，程序流程圖如圖5-2、圖5-3、圖5-4、圖5-5所示。設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘為49MHHH開(kāi)設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘為49MHHH開(kāi)始設(shè)置IOB0、IOB1為高電平輸出結(jié)束初始化顯示緩沖區(qū)和顯示變量開(kāi)始設(shè)置IOA高8位為輸出口結(jié)束打開(kāi)4KHz中斷設(shè)置IOB7為高電平輸入口（秒）—開(kāi)始結(jié)束設(shè)置IOA0、IOA1、IOB2、IOB3為上拉電阻輸入口開(kāi)始打開(kāi)EXT1、EXT2中斷（IRQ3）結(jié)束圖5-2SPR4096初始化圖5-3串口UART中斷的初始化圖5-5鍵盤(pán)外部中斷的初始化初始化鍵盤(pán)變量設(shè)置UART串口波特率4800打開(kāi)UART中斷（IRQ7），設(shè)置command1、command2，清除緩存數(shù)據(jù)顯示默認(rèn)漢字顯示信息圖5-4LCD顯示初始化5.3播放語(yǔ)音程序設(shè)計(jì)由于語(yǔ)音資源存儲(chǔ)在SPR4096上面，需要獲得語(yǔ)音資源，關(guān)鍵解決語(yǔ)音資源的起始地址，然后通過(guò)讀取函數(shù)獲得語(yǔ)音資源。函數(shù)流程圖如圖5-6所示。獲得語(yǔ)音資源語(yǔ)音資源解碼獲得語(yǔ)音資源語(yǔ)音資源解碼語(yǔ)音播放結(jié)束YNNYN取得語(yǔ)音資源的開(kāi)始地址和結(jié)束地址初始化放音隊(duì)列與解碼結(jié)束放音Y清看門(mén)狗開(kāi)始判斷解碼隊(duì)列為空?是否播放結(jié)束?是否有鍵按下?圖5-6播放語(yǔ)音程序流程圖5.4GPS自動(dòng)報(bào)站流程圖串口IRQ7中斷程序就是利用串口接收GPS數(shù)據(jù)，根據(jù)NMEA0183協(xié)議提取公交車(chē)的經(jīng)緯度、運(yùn)動(dòng)的方向和速度等信息。程序的流程圖如圖5-7所示。開(kāi)始提取GPS中的經(jīng)緯度、方向等定位信息開(kāi)始提取GPS中的經(jīng)緯度、方向等定位信息是’$’嗎？是’G’嗎？是’P’嗎？是’R’嗎？是’M’嗎？是’C’嗎？NNNNNNYYYYYY返回圖5-7GPS接收數(shù)據(jù)流程圖GPS自動(dòng)報(bào)站的實(shí)現(xiàn)就是依靠GPS采集公交車(chē)實(shí)時(shí)運(yùn)行的數(shù)據(jù)(x，y，n），與預(yù)存的數(shù)據(jù)（，，）進(jìn)行比較，由單片機(jī)控制是否要播報(bào)語(yǔ)音和顯示，并調(diào)用相應(yīng)的操作。程序流程圖如圖5-8所示，其中公交車(chē)當(dāng)前運(yùn)行位置（x,y），站點(diǎn)位置（，），公交車(chē)與第i站站點(diǎn)信息在（[x-0.01,x+0.00],[y-0.01,y+0.01]）范圍內(nèi)時(shí)播報(bào)i站信息。采用區(qū)域播報(bào)的方式報(bào)站。是否在站點(diǎn)區(qū)域？?jī)?nèi)？關(guān)閉串口中斷是否在站點(diǎn)區(qū)域？?jī)?nèi)？關(guān)閉串口中斷GPS信息提取經(jīng)度E，緯度NNYKey=?站點(diǎn)1站點(diǎn)k站點(diǎn)3站點(diǎn)2…將站點(diǎn)i的信息存入當(dāng)前站單元播報(bào)：xxx車(chē)站信息打開(kāi)串口，并清看門(mén)狗結(jié)束是否有鍵中斷？YNGPS串口數(shù)據(jù)接收開(kāi)始圖5-8GPS自動(dòng)報(bào)站流程圖

第六章系統(tǒng)可靠性和誤差分析整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅要實(shí)現(xiàn)基本功能的實(shí)際要求，還要保障系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的運(yùn)行。本章主要討論公交車(chē)自動(dòng)報(bào)站器設(shè)計(jì)的可靠性和系統(tǒng)運(yùn)行自動(dòng)報(bào)站的誤差分析。6.1系統(tǒng)可靠性分析1．凌陽(yáng)SPCE061A單片機(jī)內(nèi)嵌32K字（Word）閃存（FLASH），2K字（Word）SRAM，內(nèi)置十位DAC、ADC轉(zhuǎn)換器，無(wú)需外部三總線結(jié)構(gòu)，極大減少了外界電磁噪聲的干擾，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2．本次設(shè)計(jì)采用SPCE061A單片機(jī)為PLCC84封裝的，有15個(gè)空余腳，在使用時(shí)確保15個(gè)空余腳懸浮。3．設(shè)置復(fù)位電路，當(dāng)電源失效或電壓降到某一電壓值以下時(shí)，產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。4．在凌陽(yáng)單片機(jī)不用的電源端和地端接上0.1μF或100μF的去耦電容，提高單片機(jī)的抗干擾能力。5．使用SPCE061A自帶的WatchDog功能，復(fù)位時(shí)間為0.75s，以防止單片機(jī)受到干擾或程序運(yùn)行混亂而陷入死循環(huán)。6．GPS信號(hào)容易受到建筑和金屬的阻隔，所以應(yīng)當(dāng)盡量避開(kāi)強(qiáng)磁場(chǎng)和高大建筑群所在地域，以減少對(duì)GPS的屏蔽。7．接地技術(shù)往往是抑制噪音的重要手段，良好的接地可以在很大程度上抑制系統(tǒng)內(nèi)部噪音耦合，防止外部干擾的侵入，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。此外設(shè)備的金屬外殼和屏蔽用的導(dǎo)體必須良好接地；模擬地與數(shù)字地要分開(kāi)，最后只在一點(diǎn)相連，如果兩者不分，則會(huì)互相干擾。以上措施有效的保證了系統(tǒng)的可靠性，確保系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、可靠運(yùn)行。6.2GPS誤差源的分析GPS測(cè)量中出現(xiàn)的各種誤差按其來(lái)源大致可分為三種類(lèi)型：1．信號(hào)傳播誤差：因?yàn)镚PS衛(wèi)星是在距地面20000km的高空中運(yùn)行，GPS信號(hào)向地面?zhèn)鞑r(shí)要經(jīng)過(guò)大氣層，因此，信號(hào)傳播誤差主要是信號(hào)通過(guò)電離層和對(duì)流層的影響。此外，還有信號(hào)傳播的多路徑效應(yīng)的影響；2．與衛(wèi)星有關(guān)的誤差：主要包括衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星鐘的誤差、地球自轉(zhuǎn)的影響和相對(duì)論效應(yīng)的影響等；3．觀測(cè)誤差和接收設(shè)備的誤差。前兩項(xiàng)誤差是本次設(shè)計(jì)無(wú)法控制的誤差，在本次設(shè)計(jì)中GPS接收設(shè)備是采用差分模式產(chǎn)品HOLUXGR87，此芯片誤差也以固定，這里不做過(guò)多的考慮。6.3車(chē)輛行進(jìn)中產(chǎn)生的偏差由于實(shí)際上車(chē)輛行使的路線和指定播報(bào)點(diǎn)總是要有一定差距的（如圖6-1所示），這種情況只有在行進(jìn)方向的左右兩側(cè)產(chǎn)生，記此偏差的最大值為，且是不會(huì)超過(guò)2m的；另一個(gè)影響因素是在運(yùn)行狀態(tài)下兩次采集時(shí)間間隔中車(chē)輛行走距離的影響，這種影響只在行進(jìn)方向的前后兩個(gè)方向產(chǎn)生，記此偏差的最大值為，而公交車(chē)在進(jìn)站前的行使速度是限制在30km/s之內(nèi)的，且GPS數(shù)據(jù)采集間隔小于1s，所以?xún)纱尾杉瘯r(shí)間間隔中車(chē)輛行走距離小于8.3m，≤4.15m。實(shí)際行走路線指定行走路線圖6-1車(chē)輛行進(jìn)中偏差分析圖實(shí)際行走路線指定行走路線結(jié)合以上兩種情況，產(chǎn)生的綜合最大誤差為E＝≤4.61m。此值只是理論上的偏差，在實(shí)際中運(yùn)行還需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試，確保定位精度在規(guī)定范圍以?xún)?nèi)。

第七章結(jié)論及展望在科技高速發(fā)展的今天，科技含金量高、環(huán)保型、智能型的公交設(shè)施已成為一個(gè)國(guó)家和地區(qū)發(fā)展水平和國(guó)際形象的重要衡量標(biāo)準(zhǔn)。公交車(chē)在城市交通事業(yè)中占有舉足輕重的地位，它給人們外出提供了方便快捷的服務(wù)，而報(bào)站器直接影響到公交車(chē)的服務(wù)質(zhì)量。公共交通必須依靠科技進(jìn)步來(lái)滿足日益增長(zhǎng)的社會(huì)需求，這一點(diǎn)已經(jīng)成為共識(shí)，其中，十分明顯的趨勢(shì)是客車(chē)檔次在提高、數(shù)量在大幅增加，同時(shí)無(wú)人售票也是必然趨勢(shì)。因此，我認(rèn)為在不久之后，自動(dòng)報(bào)站器將完全取代傳統(tǒng)的人工報(bào)站，普遍使用于各大、中、小城市。以往公交車(chē)報(bào)站器的設(shè)計(jì)，司機(jī)可以通過(guò)鍵盤(pán)進(jìn)行報(bào)站控制，通過(guò)語(yǔ)音和顯示屏進(jìn)行報(bào)站，減輕了乘務(wù)人員的負(fù)擔(dān)。但在控制過(guò)程中，由于要分散司機(jī)的注意力，同時(shí)就存在著安全隱患，本次設(shè)計(jì)對(duì)以往的公交車(chē)報(bào)站器進(jìn)行了改進(jìn)，增加了GPS技術(shù)，使其具備手動(dòng)報(bào)站和GPS自動(dòng)報(bào)站兩種報(bào)站方式，采用先進(jìn)的衛(wèi)星定位技術(shù)與凌陽(yáng)SPCE061A強(qiáng)大的語(yǔ)音播報(bào)技術(shù)相結(jié)合的方式，改變了傳統(tǒng)公交車(chē)語(yǔ)音報(bào)站器必須由司機(jī)操控才能工作的落后方式。進(jìn)站、出站自動(dòng)播報(bào)站名及服務(wù)用語(yǔ)，準(zhǔn)確、及時(shí)、完全不需要人工介入，是公交車(chē)語(yǔ)音報(bào)站器的一項(xiàng)技術(shù)革命，它為公交車(chē)的安全行駛和對(duì)乘客提供報(bào)站服務(wù)及乘坐安全提供了一定的保障，實(shí)現(xiàn)了公交車(chē)報(bào)站器的完全智能化。本課題中公交車(chē)自動(dòng)報(bào)站系統(tǒng)已基本做出實(shí)物，主要功能己基本實(shí)現(xiàn)，在GPS系統(tǒng)不穩(wěn)定的情況下可以由鍵盤(pán)進(jìn)行控制語(yǔ)音播報(bào)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。下一步要做工作是把該系統(tǒng)進(jìn)一步完善，隨著GPS技術(shù)的發(fā)展成熟，GPS產(chǎn)品成本的降低，增強(qiáng)GPS系統(tǒng)的穩(wěn)定性，達(dá)到真正意義的GPS自動(dòng)報(bào)站系統(tǒng)，符合實(shí)際應(yīng)用的要求。

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