一种新的基于GPS公交车自动报站器的设计

１．引言随着社会经济发展和人民生活水平的提高，人们生活节奏越来越快，出行频率越来越高。

传统的“粗放型”交通管理方法在现代市场经济条件下，性价比越来越差，服务也越发不能满足人们的要求。

一种新型的、高效的智能公交系统的开发也显的越来越必要。

智能公交自动报站系统，可以及时准确的为出行乘客提供高质量服务；降低驾驶员工作强度，提高行车的安全系数；为公交公司实时提供公交车的各项参数，为科学调度，优化企业资源提供现场材料。

另外这种智能公交报站系统采取了以人为本的设计思想使其工作更加人性化，更加符合人们的思维和生活习惯，充分满足乘客对高质量服务的要求，提升城市形象。

２．智能公交报站系统发展现状最开始的自动报站器就是一个录音机：通过驾驶员手动方式将报站信息传递给乘客，这种报站方式技术成熟，工作稳定，至今还在市场占据主要位置。

但是报站需要驾驶员手动操作，工作烦琐，误报、错报、漏报现象时有发生，服务质量得不到保障。

随着信息技术、微电子技术和网络技术的发展，各种智能公交报站系统也应运而生。

基于ＧＰＳ的智能报站系统也随着ＧＰＳ技术的成熟逐渐由军用向民用方向发展。

３．报站器的硬件设计本智能报站器主要有以下部分组成：键盘设置单元，ＧＰＳ接收单元，信号处理单元，语音播报单元，显示电路单元、通讯单元等。

键盘设置部分主要完成对报站器功能的设置；ＧＰＳ接收部分主要完成ＧＰＳ卫星信号的接收，并通过滤波得到该点的经纬度坐标、时间等信息；信号处理单元主要完成对接收到信息的处理计算，并将其转化为报站信息；语音播报单元主要完成对处理单元所给出信号的放大和滤波；显示单元主要完成站点和时间的显示；通讯单元主要完成公交车参数信息的传递；ＵＳＢ模块主要完成语音资源的下载；ＲＳ－２３２主要完成数据的传输；局域网模块主要为公交信息的网络化提供依据。

图３－１该方案的系统原理图如图３－１所示，它有两片ＳＰＡＣＥ０６１Ａ组成。

两片芯片之间通过ＲＳ－２３２通讯协议，进行通讯。

其中一块通过扩展存贮器（ＦＬＡＳＨ）来构成主控制器，主要完成从ＰＣ机下载语音信息；从ＧＰＳ模块、温度传感器单元、麦克单元的接收和处理；音频单元输出语音信息。

另一块主要完成车速传感器，陀螺仪传感器信息的采集；通过ＲＳ－２３２从主机接收报站和显示信息；公交车实时信息的发送，大屏幕ＬＥＤ的显示。

ＧＰＳ信号通过接收天线，前置放大电路，ＧＰＳ模块后送入单片机，在接收不到ＧＰＳ信号的时候，系统自动导入自屡导航程序，此时车速传感器和陀螺仪传感器单元被启用，下位机对收到的信息进行处理后将标准的车速和方向信息发送给上位机。

温度信号由温度传感器得到，并通过继电器控制空调机来调节车内温度。

语音算法为单片机内置算法。

４．理论分析与计算本章主要从理论上阐述系统中各主要模块的功能和设计原理并通过数学方法作以理论推导。

主要涉及的基础理论包括ＧＰＳ的导航原理，ＧＰＳ接收天线原理，ＧＰＳ接收机原理，ＧＰＳ接收模块原理；ＰＩＤ控制算法，模糊算法，自屡导航算法。

４．１ＧＰＳ导航原理全球卫星导航的基本原理是：卫星发射导航电文，其中包括测距精度因子、开普勒参数、轨道摄动参数、卫星钟差参数νｔｉ、大气传播迟延修正参数等。

地面接收机根据码分多址ＣＤＭＡ（ＣｏｄｅＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅＡｃ－ｃｅｓｓ）或频分多址ＦＤＭＡ（ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅＡｃｃｅｓｓ）的特点区分各导航卫星，接收并识别相应的导航电文，测量发来信号的传播时间Δｔｉ，利用导航电文中的一系列参数逐步计算出卫星的位置（ｘｉ，ｙｉ，ｚｉ）。

设接收机所在待测点位置为（ｘ，ｙ，ｚ），接收机时钟钟差为ｖｔ０，接收机只要能接收到至少４颗卫星信号，就可确定其位置和钟差：式中，Ｃ为电磁播的空中传播速度，即光速。

在全球导航系统下，用户接收机根据卫星导航电文不断地核准其时钟钟差，可以得到很高的时钟精度，这就是精确的卫星授时；根据导航电文的规律性的时序特征，通过计数器，可以得到高精度的同步秒脉冲ＰＰＳ（ＰｕｌｓｅＰｅｒＳｅｃｏｎｄ）信号，用于同／异地多通道数据采集与控制的同步操作。

４．２ＧＰＳ接收模块原理本设计采用美国罗克韦儿公司生产的ＧＰＳＴＵ－３０模块。

其控制内核是一个ＤＳＰ处理器，该处理器具有很强的数据运算处理能力，并有两个串口和时钟输出；外围电路有实时时钟，并带有Ｅ２ＰＲＯＭ（保存重要参数）、ＳＲＡＭ、ＲＯＭ等存储器，可对相关重要信息数据进行存储、交换；此外，还留有ＤＧＰＳ接口。

该模块的卫星采集启动方式分为４种模式：热启动方式、初始启动方式、冷启动方式、冻结启动方式；而导航模式则有３维模式、２维模式和ＤＧ－ＰＳ模式３种。

此模块的串口通信协议主要包括数据的类型与信息格式如下：其中数据类型主要有二进制信息和ＮＭＥＡ全国海洋电子学会数据信息。

这两类信息可以通过串口与ＧＰＳ接收机进行通信。

这里重点介绍ＴＵ－３０的二进制信息字格式与字结构。

ＴＵ－３０的传输速率为９６００ｂｐｓ，无奇偶校验，有８位数据位，１位停止位。

其二进制信息字格式包括信息头、头校验、数据、数据校验等。

以上相关信息通常都保存到模块的ＥＥＰＲＯＭ中。

本设计只取其中的经度、纬度、高度、时间信息，就可以满足设计要求，其它相关信息作为保留功能。

４．３自屡导航算法ＧＰＳ导航是有ＧＰＳ接收机接收ＧＰＳ卫星信号，得到该点的经纬度坐标、速度、时间等信息。

为提高汽车导航定位的精度，通常采用差分ＧＰＳ技术。

当汽车行驶到底下隧道、高层楼群、高速公路等掩饰物而捕捉不到ＧＰＳ信号时，系统可自动导入自屡导航系统，此时有车速传感器检测出汽车的行进速度，通过微处理单元的数据处理，从速度和时间中直接导入自律导航系统，此时有车速传感器检测出汽车的行进速度，通过微处理单元的数据处理，从速度和时间中直接算出前进的距离，有陀螺传感器直接检测出前进的方向，陀螺仪还能自动存储各种数据，即使在更换轮胎的暂时停车时，系统也可以重新设定。

５．系统硬件设计系统的硬件电路是系统进行设计的基础和前提。

此系统硬件电路设计主要包括：电源电路、ＧＰＳ电路、音频电路、检测电路、显示电路、ＵＳＢ、ＲＳ－２３２电路、发射电路、电机及驱动电路。

下面主要就ＧＰＳ硬件电路的设计和无线通讯单元做以说明。

５．１ＧＰＳ硬件电路的设计本设计采用集成的接收天线系统和ＧＰＳ接收模块ＴＵ－３０，其接线图如下：一种新的基于GPS公交车自动报站器的设计神马实业股份有限公司动力二厂苏亚超中平能化集团尼龙化工四厂谢文姬［摘要］本文介绍了一种新的基于ＧＰＳ的高性能公交车自动报站器，它通过ＧＰＳ接收模块及外围传感器将接收到信息传递给单片机进行数据和逻辑处理，它具有功能强、集成度高、设计人性化等特点，可以满足人们对未来公共交通的要求。

［关键词］ＧＰＳ单片机自动报站器２２４——图５－１ＴＵ－３０模块接线图ＴＵ－３０给用户提供２０Ｐｉｎ的应用接口。

如图所示Ｐｉｎ１接天线接口（前置放大电源接口）；Ｐｉｎ２接５Ｖ电源，Ｐｉｎ３接电池电源输入；Ｐｉｎ５为主复位输入信号；Ｐｉｎ７为ＮＭＥＡ协议选择端；Ｐｉｎ８为ＲＯＭ默认选择；Ｐｉｎ１１为串口１数据输出；Ｐｉｎ１２为串口１数据输入；Ｐｉｎ４，６，９，１７悬空；Ｐｉｎ１０，１３，１６，１８接地。

５．２无线通讯单元的设计图５－２发射单元原理图无线发射电路如５－２所示，电路以ＭＩＣＲＦ１０２为核心。

ＭＩＣＲＦ１０２是Micrel公司推出的一个单片UHF ASK发射器，采用SOP(M)－8封装，芯片内包含有：由基准振荡器、相位检波器、分频器、带通滤波器、压控振荡器构成的合成器、发射偏置控制、ＲＦ功率放大器、天线调谐控制和变容二极管等电路，是一个真正的“数据输入－无线输出”的单片无线发射器件。

ＵＨＦ合成器产生载频和正交信号输出。

输入相位信号（Ｉ）用来驱动ＲＦ功率放大器。

天线调谐正交信号（Ｑ）用来比较天线信号相位。

天线调谐控制部分检测天线通道中发射信号的相位和控制变容二极管的电容，以调谐天线，实现天线自动调谐。

功率放大器输出收发射偏置控制单元控制。

ＡＳＫ／ＯＯＫ调制，提供低功耗模式，数据传输速率为２０ｋｂ／ｓ。

６．软件设计６．１主程序的设计图６－１主程序流程图如图６－１系统上电以后，先进行系统初始化，接着采集端口信息。

随即根据采集到的信息送显示程序：车外ＬＥＤ点阵上随机显示欢迎词后显示本站———下站，车内ＬＣＤ第一行：用小字体显示当时的经度、纬度、时间、温度信息；第二行大字体显示本站———下站，用小字体显示预测的剩余时间；第三行左下角小字体显示当前状态（是自动还是手动），右下角小字体显示工作还是通讯状态。

以后ＬＥＤ点阵、ＬＣＤ显示通过中断，每隔一段时间进行一次刷新，接着查询键盘，看是否有键按下，如果有键按下进入相应的键处理程序，如果没有键按下时，程序跳至采集端口信息处。

如此反复循环达到公交车自动报站的目的。

（注：需要显示的站名显示语和经度纬度的对应信息均被存在表中）６．２ＵＳＢ主程序流程图图６－２ＵＳＢ主程序流图如图６－２为实现ＵＳＢ操作的主程序流程图。

在系统与ＰＣ机连接时，系统将自动调用ＵＳＢ程序：首先系统对所用端口的状态进行初始化，然后查询总线是否复位，如果有则进入总线复位程序，随后查询系统是否挂起，如果是则进入系统挂起程序，然后检测是否为Ｓｅｒｕｐ包，如果是则进入协议层处理程序，接着查询端点２的接收数据标志是否为真如果是则进入上传和下载程序，如果假，则系统将返回总线复位查询程序。

７．系统扩展随着现代信息技术和网络技术的发展，一个产品升级换代的速度越来越快，为了适应这种变化提高系统的使用年限降低客户成本。

一方面，本系统不但可以通过下载软件进行功能升级，而且可以扩展局域网模块，ＵＳＢ、ＲＳ－２３２转换模块以增强系统的网络功能。

另一方面，本系统的各个模块独立性很强，不但为维护提供了方便，而且还很容易改造以适应不同层次，不同需求的客户群体。

例如：本产品将ＬＥＤ显示模块去除后即可装入其它车辆为其它车辆提供导航服务，另外本系统的温度检测、方向检测、电机控制，麦克风等都可以作为可选模块。

参考文献［１］张陪仁，张志坚，高修峰编著．十六位单片微处理器原理与应用．北京：清华大学出版社，２００５［２］彭家政．ＧＰＳ技术在公交车上的应用研究．北京：世界电子元器件，２００６［３］范军辉，田斌，王勇，田红心，易克初．ＧＰＳ抗干扰技术研究．北京：世界电子元器件［４］ＺＨＡＯＹｉ２ｌｉｎ．ＶｅｈｉｃｌｅＬｏｃａｔｉｏｎａｎｄＮａｖｉｇａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ［Ｍ］．ＡｒｔｅｃｈＨｏｕｓｅＩｎｃ，１９９７．４３２７９［５］ＬａｕｒｅｎｃｅＷ，ＣａｒｓｔｅｎｓｅｎＪｒ．ＧＰＳａｎｄＧＩＳ：ＥｎｈａｎｃｅｄａｃｃｕｒａｃｙｉｎｍａｐｍａｔｃｈｉｎｇｔｈｒｏｕｇｈｅｆｆｅｃｔｉｖｅｆｉｌｔｅｒｉｎｇｏｆａｕｔｏｎｏｍｏｕｓＧＰＳｐｏｉｎｔｓ［Ｊ］．ＣａｒｔｏｇｒａｐｈｙａｎｄＧｅｏｇｒａｐｈｉｃＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍｓ，１９９８，２５（１）：５１２６２２２５——。