多功能嵌入式公交电子站牌硬件系统设计

姚卫国

（西安外事学院，陕西西安，710077）

随着中国经济的发展，汽车数量迅速增加，城市道路拥堵问题日益严重。而同时，城市中人们的生活节奏也越来越快---特别是上班族，于是人们希望出行的效率要越来越高。一方面为了缓解城市道路交通压力，确保城市道路行车通畅；另一方面为了保护环境，节能减排，绿色出行，采用公共交通应当作为我们出行的首选。因此，城市中应建立高效、快捷、便利的公交系统，以满足人们出行的需求。

虽然，现在城市的公交管理系统功能已经相当强大，但它的功能主要是为公交管理公司提供各种管理公交车的相关服务信息，以便公交管理企业提升企业管理水平，帮助公交管理企业提高公汽车的调度效率、降低公交车的能源消耗。在现有的公交管理系统中，乘客一般只被动的通过公交站牌静态的接受公交信息，无法了解公交车行驶时的动态情况，也不能以系统操作员的身份直接的访问公交管理系统，获取相应的公交车乘车服务信息。比如：乘客一般情况下是无法获知公交车进入公交站点的具体时间；公交站牌功能相对单一，公交站牌上只能静态显示乘车路线、乘车的站点名和早晚发车的时间，无法提供相应公交信息的查询等功能。因此，本文站在乘车乘客的角度，介绍了一种基于嵌入式微处理器为核心的公交电子站牌硬件原理设计方案，可以为乘车乘客提供公交站进站等待时间的显示功能，为乘车乘客提供公交路线的查询服务功能等。

1 公交管理系统架构

一个成熟的、实用的公交管理系统，能够实现对公交车辆进行定位监控的管理，并根据公交车辆的行驶信息进行合理、高效的调度管理。同时，本系统要实现智能公交站牌为乘车乘客提供服务，因此将公交管理系统分成以下三个部分，见图1。

在公交管理系统中，通过车载设备将公交车辆的运营信息传递给公交后台管理中心。公交后台管理中心可以实现对车辆实时的监控定位，记录、汇总公交车辆的运营情况，并分析、优化公交车辆的调度方案，适时调度公交车辆的运行。通过多功能公交站牌，乘客可以与公交后台管理中心实现互动，完成公交路线、换乘车辆等信息的查询。车载设备也可以将公交车辆的运行信息传递给智能公交站牌，由智能公交站牌显示进过站点的公交车的线路号及到站所剩时间。

2 多功能嵌入式公交电子站牌的基本功能

智能公交站牌实际是一个公交查询、显示系统，主要包括的功能有：公交到站报站功能、公交线路查询功能、视频播放功能、时钟显示功能等。

站牌报站功能能够显示将要进站点的公交车的线路号及到站所剩时间，以便及时提醒乘客做好乘车准备。

公交查询功能有三种公交信息查询方式：查询公交路线、查询公交站点、查询换乘公交路线。通过公交查询功能，使乘客可以便利地查询到乘车站点路线，以便快速得到达目的地点。

视频播放功能是通过视频播放器播放新闻或一些企业的广告信息，让乘客在等车的过程中可以了解到最新的新闻动态和各种广告信息。也可以显示城市的新风貌，向乘客展现城市的精神文明面貌，向乘客介绍城市的发展、变迁。

时钟显示功能可以显示当前的时间。

3 多功能嵌入式公交电子站牌硬件电路原理框图

4 多功能嵌入式公交电子站牌硬件器件选择

4.1 微控制器

在硬件设计中，微处理器采用的是基于ARM7TDMI 核的芯片S3C44B0X，工作频率66MHz，它有丰富的片上资源，包括了：8KB Cache，外部存储器控制器；LCD 控制器；4个DMA 通道；2 通道UART、1个多主I2C 总线控制器、1个IIS 总线控制器；5 通道PWM 定时器及一个内部定时器；71个通用I/O 口；8个外部中断源；8 通道10位ADC；实时时钟等。因此，利用S3C44B0X 芯片完全能够搭建出实现多媒体信息处理和满足系统功能需求的最小系统。

4.2 Zigbee 模块

Zigbee 是一组符合IEEE 802.15.4 标准的双向无线通信技术，具有近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的特点，适用于数据吞吐量小、网络建设投资小、网络安全要求高、耗电低的场合。

Zigbee 协议定义了三种网络拓扑结构：星形、树形、网状。Zigbee 网络中的节点可以作为全功能设备（FFD）和精简功能设备（RFD）使用。FFD 具有控制器的功能，不仅能够提供数据的交换，还能实现路由功能。RFD 电路简单且使用较小的存储空间，只传送数据给FFD 或从FFD 接收数据。

本系统具体的实现过程：在公交车上设置一个RFD 节点，作为Zigbee 终端节点使用；每个公交站牌都是一个FFD 节点，作为Zigbee 路由器使用；后台管理中心的工作站部署着Zigbee 协调器，并与工作站通过RS232C 串口进行数据通信。公交车上的Zigbee 终端节点每到达一个公交站牌就由RFD 节点发送信息，公交站牌FFD 节点把数据信息传送给后台工作站，后台工作站进一步对数据进行处理，然后对公交车的位置信息进行更新，公交站牌FFD 节点接受信息并最总显示。

Zigbee 模块部分采用TI 公司推出的CC2430 射频收发器，此芯片数据传输率高达250 kbit/s，只需要极少的外围电路，包括晶振时钟电路、射频输入/输出匹配电路和微控制器接口电路3个部分。CC2430 与S3C44B0X 微控制器向连接时，直接与S3C44B0X所提供的SPI 接口相连传送信息。

4.3 触摸屏显示模块

触摸屏显示模块主要实现智能公交站牌的公交信息查询功能和视频播放功能。触摸屏的基本组成部件分为触摸检测部件和触摸屏控制器。触摸检测部件位于显示器屏幕前面，主要用于检测用户触摸显示器屏幕的位置，并将获取的触摸位置信息传递给触摸屏控制器。触摸屏控制器的主要作用是从触摸检测部件接收用户触摸显示器屏幕的位置信息并转化成触点坐标，同时接收微控制器的命令执行处理触摸坐标信息。

本文采用的触摸控制器是ADS7843。它是Burr-Brown 生产的一款性能优异的触摸屏控制器，具有4 线电阻触摸屏转换接口，工作特点是：能够实现触摸屏的驱动选择控制（X、Y 通道）；对触摸点的电压值进行A/D 转换；12位的模数转换器编程可控制实现8位或12位工作模式；工作电压为2.7--5V，同步串行工作，最高转换速率为125kHz。触摸屏显示模块如下图3。

触摸控制器ADS7843 与外接四线电阻式触摸屏可以采用SPI 接口进行信息传递。SPI 接口是Motorola 推出的一种同步串行接口，采用全双工、四线进行通信。本文将S3C44B0X 的PE 口和PF 口中的五根I/O 线与触摸控制器ADS7843 相连，并通过SPI 接口外接四线电阻式触摸屏（硬件连接原理图如下图3），采用这种方式减少了微处理器与触摸屏控制器间的通讯时间，系统的响应速度更快、灵敏度更高，提高了微处理器的工作效率。

ADS7843 在对触摸点电压值进行A/D 转换，触摸屏坐标位置的转换结果与触摸屏的分辨率有关。转换公式如下:

其中，TchScr_Xmax、TchScr_Xmin、TchScr_Ymax 和TchScr_Ymin 是触摸屏返回电压值x、y 轴的范围，LCDWIDTH、LCDHEIGHT是液晶屏的宽度与高度。

4.4 LED 模块

LED 模块主要由一个点阵显示屏构成，实现智能公交站牌的站牌报站功能。点阵显示屏输出电路的硬件设计有两种方式，串行输出方式和并行输出方式。为了提高传输速度，在本文中使用并行输出方式设计电路。在设计显示屏时，考虑到人眼的视觉特点，特采用逐行扫描和列驱动方式实现显示，可以节省硬件开支。同时，为了解决显示屏刷新时出现的“拖尾”现象，使用两级锁存器锁存列显示数据。本文构成了1个64×32 点阵,将其分成上下两部分,每一部分连接8 组的列数据锁存器。上下两部分采用并行总线数据传输方式,需要1个74HC154 选通使能16 组74HCT573 列锁存器，并且复用1个译码器74HC154,选通驱动1/16 逐行扫描显示。

一个大型LED 屏的结构可分为纵向级联和横向级联。本系统采用1/16 逐行扫描方式,整个显示屏被分为16 行，所以系统使用16位并行总线数据传输方式，而A0--3 作为选通第一级列数据锁存器U0-U15 译码器的译码输入信号,A4-7 作选通横向级联译码器译码输入信号。在横向级联选通时，74HC154(1)-74HC154(8)的输出信号Q0-15 作为列锁存器译码器的使能控制线，依次选通N 级横向级联，并且选通线每到一级应错位一次并传到下一级。LED 模块电路原理图如图4。

5 结论

本文采用模块化的设计思路，介绍了多功能嵌入式公交电子站牌各功能模块的硬件设计方案，以便通过公交站牌，可以方便的为乘客提供某条公交线路的车辆在线路上的具体位置信息，或者可以让乘客直接查询某条公交线路的信息等，或者提供一些天气、新闻等信息，使乘客出行更加便捷。

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