智能公交電子站牌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、電子站牌總體設(shè)計(jì)

所謂電子站牌]，就是以電子屏幕形式顯示的指示牌。電子站牌是智能公交系統(tǒng)的子系統(tǒng)，呈現(xiàn)了所有功能的集成結(jié)果，也是乘客能直接感受到系統(tǒng)便利性的最佳媒介。它集成了計(jì)算機(jī)、通訊與現(xiàn)代控制技術(shù)，是城市公交信息化、現(xiàn)代化的標(biāo)志之一。它主要完成兩個(gè)功能，第一，為候車乘客提供經(jīng)過該站臺(tái)的公交車輛的到站信息，如某路公交車當(dāng)前的區(qū)間位置，大約還要多長(zhǎng)時(shí)間到達(dá)本站，改變了以往候車乘客被動(dòng)等車的局面。第二，完成與相鄰站牌之間的通信連接，通過站牌的通信連接從而組成整個(gè)公交系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。圖4.1所示為電子站牌工作原理。

2、電子站牌硬件設(shè)計(jì)

電子站牌主要完成接收信息(包括對(duì)上游站牌及到站公汽信息的接收)、發(fā)送信息以及顯示信息。其電氣框圖如圖4.3所示。

4.2.1微處理器選型

盡管每家芯片廠商生產(chǎn)的ARM微處理器都各有不同，但都不外乎下面幾個(gè)系列[33]:ARM7系列、ARM9系列、ARM9E系列、ARM10E系列、SecurCore系列和Intel的StrongARM等，各系列處理器處理除了具有ARM體系結(jié)構(gòu)的共同特點(diǎn)以外，每個(gè)系列的ARM微處理器都有各自的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域。如如ARM7系列適用于工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、移動(dòng)電話等應(yīng)用;ARM9系列、ARM9E系列和ARM10E系列則更適合無線設(shè)備、消費(fèi)類電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì);SecurCore系列專門為安全要求高的應(yīng)用設(shè)計(jì);Intel的StrongARM處理器是便攜式通信產(chǎn)品和消費(fèi)類電子產(chǎn)品的理想選擇。

從應(yīng)用的角度說，微處理器選型的時(shí)候要考慮以下幾個(gè)方面[10][31]：①ARM內(nèi)核的選擇眾所周知，ARM微處理器包含很多系列的內(nèi)核結(jié)構(gòu)，以適用不同應(yīng)用領(lǐng)域。比如用戶希望使用Windows CE操作系統(tǒng)以減少軟件開發(fā)時(shí)間，就需要選擇ARM720T以上帶有MMU(Memory Management Unit)功能的ARM芯片，因?yàn)锳RM7TDMI沒有MMU，不支持Windows CE。

②ARM芯片內(nèi)存儲(chǔ)器容量

大多數(shù)的ARM微處理器片內(nèi)存儲(chǔ)器的容量都不太大，需要用戶在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)外擴(kuò)存儲(chǔ)器。但也有部分芯片具有相對(duì)較大的片內(nèi)存儲(chǔ)空間，自身的內(nèi)存空間就可以滿足工程要求，從而達(dá)到簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的。

③ARM芯片片內(nèi)外圍電路接口除ARM微處理器核以外，幾乎所有的ARM芯片均根據(jù)各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域，擴(kuò)展了相關(guān)功能模塊，并集成在芯片之中，即為片內(nèi)外圍電路。設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)工程的需求，盡可能采用片內(nèi)外圍電路完成所需的功能，這樣既可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，又可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

從研究可行性出發(fā)，本文方案采用了ARM體系結(jié)構(gòu)的ARM7TDMI內(nèi)核。它是目前廣泛使用的32位嵌入式RISC處理器，主要用于低端的電子設(shè)備。此外，由于ARM有著極高的指令效率，極高的時(shí)鐘頻率。因此其運(yùn)算能力非常強(qiáng)大，內(nèi)部資源也十分豐富，以ARM微處理器為核心的硬件方案比較多，也較為成熟，這樣極大的簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)的難度，縮短了開發(fā)周期。

本系統(tǒng)中主控處理器主要任務(wù)包括:

①接收公交車信號(hào)以及其他電子站牌發(fā)送過來的信號(hào)，并對(duì)它們進(jìn)行處理后送本電子站牌顯示屏,顯示車輛到站和車輛行車路況。

②再通過無線模塊將相應(yīng)的信息送到下一站電子站牌,通過接力的方式將整個(gè)路線的當(dāng)前正在行駛的車輛的信息在不同的站牌上動(dòng)態(tài)顯示，以便完成了整條線路信息的實(shí)時(shí)傳遞。

結(jié)合本系統(tǒng)要完成的主要任務(wù)要求，綜合考慮處理器性能、價(jià)格應(yīng)用前景等多方面的因素，Philip公司生產(chǎn)的LPC2214芯片成為本系統(tǒng)選用的較為理想的一款處理器，該款處理器的芯片內(nèi)部集成了兩個(gè)UATR、I2C串行接口、SPI串行接口、通用I/O口等多個(gè)功能模塊，同時(shí)它還是一款支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI CPU的微控制器，很適合終端類產(chǎn)品的開發(fā)。

4.2.2微處理器LPC2214特性

本文中所選用的LPC2214[8]微處理器是一款基于支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI-S CPU的微控制器，它具有256KB的高速Flash存儲(chǔ)器，片內(nèi)位寬度接口及獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)為32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行提供了硬件基礎(chǔ)，同時(shí)其16位Thumb模式可以將代碼規(guī)模降低30%，而很少對(duì)其性能造成損失。LPC2214的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖4.4所示，其特性主要有[13]：

①16/32位ARM7TDMI-S微控制器;

②16KB靜態(tài)RAM;

③256KB片內(nèi)FLASH程序存儲(chǔ)器，128位寬度接口/加速器可實(shí)現(xiàn)高達(dá)60MHz的操作頻率;

④LQFP144腳封裝;

⑤片內(nèi)Boot裝載程序?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)編程(ISP)和在應(yīng)用中編程(IAP);

⑥8路10位A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間低至2.44us;

⑦2個(gè)32位定時(shí)器(帶4路捕獲和4路比較通道)、PWM單元(6路輸出)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和看門狗;

⑧多個(gè)串行接口，包括2個(gè)16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UART、高速I2C接口(400Kbps)和2個(gè)SPI接口;

⑨通過片內(nèi)PLL可實(shí)現(xiàn)最大為60MHZ的CPU操作頻率;

⑩向量中斷控制器?？膳渲脙?yōu)先級(jí)和向量地址;?112個(gè)通用I/O口(可承受5V電壓)，12個(gè)獨(dú)立外部中斷引腳(EINT和CAP功能);

?片內(nèi)晶振頻率范圍：1～30MHz;

?通過外部中斷將處理器從掉電模式中喚醒;

?可通過個(gè)別使能/禁止外部功能來優(yōu)化功耗;

?雙電源：CPU操作電壓范圍：1.65～l.95v(1.8V×(l±8.3%));

?I/O操作電壓范圍：3.0～3.6V(3.3V×(1±10%))

3輔助電路設(shè)計(jì)

1.電源電路

由于LPC2214微控制器有兩組電源，一是I/O口供電電源電壓為3.3V，二是內(nèi)核供電電源電壓為1.8V，所以系統(tǒng)必須要有兩組電源電壓轉(zhuǎn)換電路，電路分別如圖4.5和圖4.6所示，其中圖4.5為3.3V電源供電電路，圖4.6為1.8V電源供電電路。

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