肖湘江，鐘清梅，周玲，游珍珍

（湖南科技學(xué)院 智能制造學(xué)院，湖南永州， 425199）

0 引言

近些年來，越來越完善的公交系統(tǒng)，對公交車內(nèi)的環(huán)境改變也提出了要求，將傳統(tǒng)的人工售票改為無人售票，傳統(tǒng)的人工報站逐漸轉(zhuǎn)為報站器報站。因此，公交車語音自動報站的發(fā)展趨勢越來越明顯。傳統(tǒng)的汽車報站器都是采用專用語音合成芯片制成的，語音合成芯片受信息容量、語音音質(zhì)的限制，且更換信息需專業(yè)設(shè)備及人士[1]，顯得非常的麻煩。手動電子報站系統(tǒng)給行駛中的車輛帶來一定的安全隱患[2]，GPS衛(wèi)星定位報站系統(tǒng)投資昂貴，且在接收信號時容易受干擾[3]，利用車輛行駛軌跡設(shè)計(jì)的一種報站系統(tǒng)：該報站方法根據(jù)公交車起步后的行駛距離、開關(guān)門信號和進(jìn)站打轉(zhuǎn)向燈的方式綜合判斷車輛是否到站[4]，這種方式雖然在一定程度上是做到了自動報站，但是它要求駕駛員要有很好的駕駛技術(shù)，嚴(yán)格按照駕駛規(guī)范操作，稍有錯誤就有可能導(dǎo)致公交車報站錯誤，且技術(shù)安裝也比較復(fù)雜。因此，本次提出的是一款使用STM32F103RCT6芯片作為主控制器，外加433M無線模塊、語音播報模塊以及OLED顯示模塊設(shè)計(jì)的公交車語音自動報站系統(tǒng)，它不僅可以讓公交車公司節(jié)省人工開支費(fèi)用，也可以用更為標(biāo)準(zhǔn)的普通話播報站點(diǎn)信息，使乘客有更好更舒適的體驗(yàn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)所研究的系統(tǒng)是以STM32F103RCT6單片機(jī)芯片為核心，總體可以劃分為MP3語音播報模塊，433M無線模塊和OLED屏模塊。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，MP3語音播報模塊顧名思義就是用來語音報站的；433M無線模塊分為兩部分，一部分是發(fā)射模塊，放在公交站點(diǎn)，一部分是解碼接收模塊，放在公交車上，用來自動識別公交站點(diǎn)；OLED屏用來實(shí)時顯示當(dāng)前時間和當(dāng)前公交車所在站點(diǎn)，以方便乘客隨時了解時間和當(dāng)前站點(diǎn)，避免出現(xiàn)坐過站的尷尬。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

■2.1 STM32介紹

STM32F103RCT6使用的是ARM Cortex-M3內(nèi)核，工作頻率最高可以設(shè)置成72MHz；支持睡眠、待機(jī)、停機(jī)三種低功耗模式，開發(fā)者完全可以根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目要求選擇合適的模式；有兩個DMA，能夠在有效的管理MCU在工作時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳輸，減少CPU功耗；有多個定時器，可以應(yīng)用在普通定時、PWM控制、看門狗定時等，能夠滿足用戶的實(shí)際需求。其控制系統(tǒng)電路圖如圖2所示。

圖2 STM32最小控制系統(tǒng)電路圖

■2.2 433M無線模塊

PT2262/2272是一對帶地址、數(shù)據(jù)編碼功能的紅外遙控發(fā)射/接收芯片[5]。發(fā)射模塊使用的是PT2262-IR芯片，該芯片集成了編碼器、載波振蕩器以及發(fā)射芯片，從而在一定程度上簡化了發(fā)射電路。PT2262發(fā)射電路如圖3 所示。

圖3 PT2262發(fā)射電路

PT2262發(fā)射的載波信號為433MHz，PT2262-IR芯片產(chǎn)生的載波信號是自帶原始信號的，相對于沒有IR標(biāo)識的PT2262非紅外芯片，電路要簡單得多，因?yàn)镻T2262非紅外芯片需要提供一個載波信號發(fā)射電路。

PT2262中A0～A5這六根線為地址線，若解碼器沒有數(shù)據(jù)線，則A6～A11作為地址線使用，這種情況下，A0～A11共12根地址線，每線都可以設(shè)置成“1”、“O”、“開路”三種狀態(tài)之一，因此共有編碼數(shù)312 =531441種[6]；此次設(shè)計(jì)使用的是PT2272解碼芯片，其有數(shù)據(jù)線，所以PT2262編碼芯片的A6～A11只能用作數(shù)據(jù)線，并且只有“1”和“0”兩種狀態(tài)，因此PT2262編碼芯片地址線只有六根，只能組合成36 = 729種編碼。PT2272接收電路如圖4所示。

圖4 PT2272接收電路

接收芯片PT2272根據(jù)其芯片的命名方式的不同，決定了該芯片的存儲方式和有幾個數(shù)據(jù)輸出位，該命名后綴有“M”和“L”兩種，分別為“暫存型”和“鎖存型”，后面接的數(shù)值則表示數(shù)據(jù)輸出為幾位。在這里，使用的是PT2272-M4，則表示數(shù)據(jù)輸出為4位的暫存型紅外遙控接收芯片[7]。

■2.3 JQ8900-16P語音播報模塊

JQB8900-16P語音播報模塊選用的是SOC方案，集成了一個16位的MCU以及一個專門針對音頻解碼的ADSP，采用硬解碼的方式，更加保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和音質(zhì)[8]。傳統(tǒng)的語音芯片想要更換語音，需要開發(fā)者通過上位機(jī)來操作，但此芯片使用SPI-FLASH直接模擬成U盤，更改

語音就跟直接拷貝U盤文件一樣方便，更有優(yōu)勢。JQB8900-16P語音播報模塊原理圖如圖5 所示。

圖5 JQB8900-16P語音播報模塊原理圖

■2.4 OLED屏

本次設(shè)計(jì)使用的是中景園電子的0.96寸OLED屏顯示車站等信息。OLED屏顯示技術(shù)與常見的LCD屏顯示方式有所差異，最大的特點(diǎn)就是其不需要使用背光燈，因其使用特殊的有機(jī)材料，所以只要上電工作，使用命令就可以驅(qū)動OLED屏發(fā)光。LCD屏因?yàn)樾枰彻庠床趴梢园l(fā)光，所以無法將屏幕做得很輕薄，這一點(diǎn)，OLED屏就有很大的發(fā)展空間。因?yàn)橹恍枰碗妷壕涂梢则?qū)動，所以低功耗也是它的一個優(yōu)點(diǎn)。

OLED屏電路圖電路如圖6所示。

圖6 OLED屏電路圖

3 軟件設(shè)計(jì)

■3.1 軟件設(shè)計(jì)流程圖

整個系統(tǒng)軟件主要通過GPIO口、SPI通信、Systick滴答定時器、USART串口、定時器、中斷實(shí)現(xiàn)無線接收模塊等待發(fā)射模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，當(dāng)433M無線接收模塊接收到來自站點(diǎn)信的發(fā)射模塊發(fā)出的有效信號時，通過輸出高電平告訴MCU，MCU檢測到高電平，驅(qū)動語音播報模塊播放語音信息，同時驅(qū)動OLED屏顯示到達(dá)站點(diǎn)信息，LED燈一秒閃爍一次提示乘客。本次設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。

圖7 軟件設(shè)計(jì)流程圖

■3.2 JQB8900-16P語音播報模塊程序設(shè)計(jì)

JQB8900-16P語音播報模塊有多種控制方式，一線串口控制方式、兩線串口控制方式和按鍵方式等。本次設(shè)計(jì)只需要控制語音播報，因此，使用一線串口控制方式，就可以滿足設(shè)計(jì)要求了。

(1)一線串口通信協(xié)議

通信協(xié)議是指通信各方在通信前先定好的規(guī)則，可以簡單理解為各個通信模塊之間進(jìn)行通信時所用到的共同的語言。MCU想要控制JQB8900-16P語音播報模塊，也需要有一個通信協(xié)議。

由時序圖可知，發(fā)送數(shù)據(jù)之前要把SDA拉高，穩(wěn)定之后發(fā)送一個低電平引導(dǎo)碼，引導(dǎo)碼要求至少延遲2ms，之后才開始發(fā)送數(shù)據(jù)，每個數(shù)據(jù)位用兩個脈沖表示，根據(jù)脈沖的比例來判斷該位是高電平還是低電平。

(2)控制說明

0x00～0x09：用來表示數(shù)字0到9的數(shù)值。

0x0a：控制指令，用來將前一次接收到的數(shù)據(jù)清零。

0x0b～0x10：控制指令，與第一條數(shù)據(jù)指令一起使用。

0x11～0x1c：控制相關(guān)操作的指令。

(3)一線串口語音文件名命名方式

文件名由5位數(shù)字組成，有且僅有5位，這5位數(shù)字不僅作為文件名。播放指令0x0b還需要通過這個5位數(shù)的數(shù)值來判斷播放哪一個語音文件。所以在使用過程中如果沒有按照這個格式命名，就無法播放語音文件。

■3.3 433M無線模塊程序設(shè)計(jì)

(1)編解碼芯片工作原理

PT2262發(fā)射芯片產(chǎn)生的編碼信號是由地址碼、數(shù)據(jù)碼、同步碼組成。PT2272接收芯片在接收到PT2262發(fā)出來的信號后，將對地址碼進(jìn)行兩次核查，VT腳在兩次比較都相同的時候會輸出高電平，接收芯片上對應(yīng)的數(shù)據(jù)腳也是輸出高電平。PT2262每次發(fā)射時至少發(fā)射4組碼字，因?yàn)闊o線發(fā)射的特點(diǎn)，第一組字碼非常容易受零電平干擾，往往會產(chǎn)生誤碼，所以PT2272在有在連續(xù)兩次檢測到相同的地址碼加數(shù)據(jù)碼中的“1”驅(qū)動相應(yīng)的數(shù)據(jù)輸出端為高電平和驅(qū)動VT端同步為高電平[16]。

(2)編碼芯片的編碼格式

PT2262/PT2272的編碼格式為：

0：用高電平寬度：總寬度（2周期）為1:3的波形表示；

1：用高電平寬度：總寬度（2周期）為2:3的波形表示；

開路：用高電平：總寬度（1周期）為1:3的波形緊隨著高電平：總寬度（1周期）為2:3的波形表示。

地址碼和數(shù)據(jù)碼與的信號有所不同，是采用寬度不同的脈沖表示，“0”用兩個窄脈沖來表示，“1”則用兩個寬脈沖來表示；地址碼的懸空，也就是“F”，是用一個窄脈沖和一個寬脈沖來表示。

(3)PT2272接收模塊的程序代碼

在本次設(shè)計(jì)中，為了方便調(diào)試，采用的是學(xué)習(xí)型PT2262遙控器發(fā)射編碼信號，PT2272接收模塊通過IO口

與主控芯片連接，當(dāng)接收到發(fā)射模塊的信號時，進(jìn)行兩次檢測后數(shù)據(jù)正確才將對應(yīng)的數(shù)據(jù)引腳輸出高電平，主控芯片接收到信息之后驅(qū)動語音模塊播報和顯示模塊顯示。

■3.4 OLED顯示模塊程序設(shè)計(jì)

OLED屏是通過4線串行（SPI）方式與STM32F103RCT6主控制器進(jìn)行通信的。在4線串行模式下，模塊與主控制器只有一根數(shù)據(jù)線，且只能是主控制器往模塊里寫數(shù)據(jù)，不能向模塊獲取數(shù)據(jù)，因?yàn)镺LED屏只用作顯示，所以足以滿足本次設(shè)計(jì)的需求。

在4線SPI模式下，每一個數(shù)據(jù)的長度總共有8位，在時鐘（D0）的上升沿到來時，數(shù)據(jù)從D1一位一位移入SSD1306，而且是高位優(yōu)先。SSD1306將顯存分成8頁，總共有128×64bit大小。

第一個命令共有兩個字節(jié)，用來設(shè)置顯示屏的對比度，先發(fā)送控制命令0x81，緊接著發(fā)送一個不超過0xFF的值，這個值越大，屏幕就越亮。

第二個命令是控制顯示屏的開關(guān)，點(diǎn)亮顯示屏則發(fā)送0xAF控制命令，否則發(fā)送0xAE。

第三個命令共有兩個字節(jié)，用來控制電荷泵的開關(guān)，先發(fā)送控制命令0x8D，在發(fā)送一個數(shù)值，這個數(shù)值只需要設(shè)置第2位，開啟電荷泵將該位置1，否則清零。在對模塊進(jìn)行初始化時，一定要發(fā)送這個命令將電荷泵開啟，不然屏幕就無法顯示。

第四個命令用來設(shè)置頁地址，設(shè)置GRAM的某一頁地址只需要使用該命令對低三位賦對應(yīng)的值。

第五個命令和第六個命令分別用來設(shè)置顯示時起始地址的低四位和高四位。

PCtoLCD2002取模軟件：要將漢字等字符顯示在OLED屏上，還有一個關(guān)鍵的步驟，即通過取模軟件把字符轉(zhuǎn)化成點(diǎn)陣集。PCtoLCD2002取模軟件可以提供各種字符，包括漢字、圖片提取。點(diǎn)擊設(shè)置按鈕，就可以在設(shè)置界面里選擇自己喜歡的取模方式。設(shè)置完取模方式，回到主界面，輸入我們要生成字模的漢字或者符號，點(diǎn)擊生成字模，就可以得到想要的點(diǎn)陣集，把點(diǎn)陣集移植到代碼中，通過相關(guān)的顯示函數(shù)調(diào)用，就可以在OLED屏上顯示出來了。

OLED程序流程如下：

①設(shè)置OLED模塊與主控制器連接的引腳。

D0（SCLK）：PA5

D1（SDIN）：PA7

RES：PD2

DC：PB5

CS：PA4

②對顯示模塊進(jìn)行引腳等初始化。

③編寫相應(yīng)的函數(shù)驅(qū)動顯示模塊顯示。

4 系統(tǒng)測試

代碼整合編譯無誤后，將生成的.hex文件通過串口調(diào)試助手下載到主控制器中，使用PT2262紅外遙控器模擬公交站點(diǎn)發(fā)送信號，該紅外遙控器有四個按鍵，每個按鍵代表一個車站，按下某一個按鍵時，連接在單片機(jī)上的PT2272解碼模塊接收到信號后，對應(yīng)的數(shù)據(jù)輸出引腳輸出高電平告知單片機(jī)，OLED屏成功顯示對應(yīng)的站點(diǎn)名稱，且JQB8900語音播報模塊開始自動播報“xxx站到了，下車的乘客請從后門下車”。測試結(jié)果如圖8所示。

圖8 測試結(jié)果

5 結(jié)束語

本次設(shè)計(jì)的基于STM32開發(fā)的一款無線公交自動報站系統(tǒng)是一款比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用且安全的智能交通輔助設(shè)備。經(jīng)測試，無線公交自動報站系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)語音智能公交報站，達(dá)到設(shè)計(jì)需求，具有一定的使用價值。