《电子技术应用》
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基于无线收发芯片CC1020的电子公交站牌设计

2008-07-21
吴嘉澍,郭寒军,王志强

    摘 要:为提高公共交通服务的质量和城市形象,设计了一种基于收发芯片CC1020的电子公交站牌。它可为乘客提供公交车所处位置的实时信息,并使公交总站能够通过无线收发" title="无线收发">无线收发电路收发各公交站台上车辆运行数据,进行公交车的运行管理和车辆调度。结果表明,该电子站牌传输可靠性高,功耗低。数据传输通过UHF专用通信网,数据传输成本为零。
    关键词:无线收发芯片CC1020  电子站牌  太阳能供电

 

    电子公交系统作为现代城市交通研究的一种主要方向,将先进的信息技术(包括数据通信、计算机)、传感器技术、运筹学、人工智能等综合运用于城市公交运营管理、动态信息发布、手机交通信息查询等系统之中。智能公交系统是我国“十五”期间重点支持的科技领域之一。而作为智能公交的核心技术支持——通信技术,可以利用无线通讯专网超高频段以低成本实现公交企业运营数据的实时采集、快速传输以及无线通讯系统车载智能设备及控制系统的实时通信,使公交企业能够充分利用无线通讯系统真正实现现代城市公交的客流管理、运营调度、车辆管理及信息查询的智能化,从而为城市交通问题提供一个良好的解决方案[1]
1 系统方案
    电子公交站牌和公交车上的控制器由嵌入式微处理器和CC1020收发芯片[2]为核心的无线收发电路组成。
    公交车到达站台时的固定动作(如到站开门、报站名等)使车载控制器通过收发电路发出信号,电子公交站牌会自动获取车辆的基本信息(车次、站号等),并通过站牌上的显示电路显示出到站的车次和站名,再由站牌内的收发电路将这一信息传至该路车及行车线路站牌中其他站的电子公交站牌中,并在该线路上的其他电子站牌上显示出该辆车的实时信息。在公交站(调度室)PC机通过无线收发电路收集各条线路终点站牌无线收发电路发出的实时信息,在显示屏上显示出各条线路上车辆实时运行图[3]。系统组成见图1。

              
    当电子站牌接收信号时,如果附近有多辆公交车同时发送到站信号,就可能会发生通信碰撞。防止通信碰撞出现的常见方法是将信号的应答在时间、频率或相位上错开,具体可通过软件实现。本系统在参考 ALOHA 和IEEE802.3 CSMA/CD随机访问技术的基础上,采用了一种基于时分的“随机延时”防碰撞的方法[4]。车载收发设备发送询问命令,发送完之后等待一段时间接收电子站牌的应答。这段等待时间将分为若干时隙" title="时隙">时隙,电子站牌以相等的概率随机选取一个时隙应答。如果某时隙只有一个信号被电子站牌选中,则该站牌的应答将被车载收发设备收到,否则该时隙内将发生冲突。图2 给出了一轮询问过程的示意图。本轮未应答成功的车载收发设备,下一轮自动继续向电子站牌发送询问命令;已成功应答的车载收发设备,下一轮则不再发送。

                 
2 电子站牌的电路设计
    电子站牌由太阳能供电电源(或交流供电电源)、无线收发电路、高性能" title="高性能">高性能微处理器及外围电路组成。整个站牌的电路结构如图3所示。

                  
2.1 CC1020无线收发电路设计
    在这个系统中无线收发电路的可靠性和有效的通信距离是设计的关键,该部分由集成收发芯片CC1020和低成本、高性能的ATmega8单片机及外围电路组成,如图4。

               
    CC1020是Chipcon公司用0.35μm CMOS工艺生产的单片无线数据传送专用射频芯片。与其他型号的无线数据通信芯片相比,其接收灵敏度较高,且芯片的发射端和接收端互相独立,特别适合远距离数据通信。其频率范围为424MHz~470MHz,在12.5kHz带宽的信道中,灵敏度可以达到-119dBm;数据速度达到153.6kBaud。CC1020有ASK、FSK和GFSK数据调制方式,设计中采用了抗干扰能力极强的窄带GFSK调制技术和软件纠错技术。
    AtmegA8L是AVR系列的低功耗8位单片机,用它完成对CC1020工作参数配置的初始化以及发射数据时对数据的编码打包和接收数据时对数据的解码等工作,减轻控制器主CPU的工作负担[5],增强系统的可靠性和实时性。
    HMC154S8是天线切换集成电路。发射状态时接通CC1020射频输出端,接收状态时接通CC1020射频输入端。其切换动作受CC1020控制。
    MAXR30为低噪声、高频放大管,电路增益可由20dB增大到28dB,通信距离在1Km~3Km,满足相邻电子公交站牌的通信要求。
2.2 高性能微处理器主控电路
    电子公交站牌的主控电路" title="主控电路">主控电路采用高速、高可靠、低功耗的STC89C52单片机。该单片机具有宽温度、宽供电电压范围、超强抗干扰能力和内置看门狗、EEROM等功能,满足系统工作环境恶劣及可任意设置公交线路和站台号的要求。
2.3 人机接口和输出电路
    人机接口板采用可编程键盘LED驱动芯片ZLG7290。该芯片采用I2C串行接口,可接8位共阴极数码管和64个按键。本系统中采用4位数码管和6个按键组成人机交互接口,完成1~10条公交线路号和站台号的设置。输出电路" title="输出电路">输出电路采用74HC595级联方式驱动N个发光二极管,完成每条公交线上任意一个站台位置的显示。
2.4 太阳能供电装备
    电子公交站牌采用太阳能电源供电(也可以用交流电供电)。太阳能供电装置由太阳能光伏板和太阳能控制器、5Ah/6V蓄电池组成。太阳能控制器具有蓄电池最优充放电控制和设备保护等功能,即使连续五六天阴雨,供电装置也能正常工作。
3 软件设计
    电子公交站牌的软件设计包括主控电路CPU控制软件和发射电路中ATMEA8单片机工作软件两部分。发射电路中单片机软件流程见图5。

                 
    主控电路CPU控制软件除了公交线路号、站号的设置和输出电路的显示刷新外,主要负责与公交车的通信及与相邻电子公交站牌的通信联络。它们之间的通信采用如表1所示的通信格式。

                     
    其中:地址3字节,分别为2字节公交线路号和1字节站台号。功能代码1字节,表示是公交车发的信号或电子站台发来的信号等。数据数量2字节,表明后面接收的数据字节数。
    控制软件中,当收到通信信息后,首先逐一比较地址是否和站内的已存地址相同,如不同则退出;如果相同,再读功能码。若是公交车发来的到站信息,则送本站输出电路显示,并回发应答信号给公交车,同时还要将这一信息发送到下一电子站牌。关于这一部分的流程就不再表述了。
4 实验测试
    进行CC1020收发电路的传输距离测试,结果见表2。

                
    经过实际测试和试用表明,系统工作可靠,电子站牌上公交车到站显示信息正确、直观。公交调度室的计算机上也能正确反映出线路上车辆的运行情况,有推广应用前景。
参考文献
[1] 田忠和,陈虎.在智能交通系统(ITS)中应用GPRS技术[J].计算机与数字工程,2004,32(5):39-42.
[2] 黄智伟.单片无线数据通信IC原理与应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004:257-298.
[3] 于泠,陈波.基于无线城域网的公路交通信息系统[J].电视技术,2005,274(4):95-98.
[4] 韦日华,张春,王志华.一种点对多点无线数据传输系统的设计[J].电讯技术,2003,(4):29-33.
[5] 周立功.ZLG7290 I2C接口键盘及LED驱动器[DBPOL].http://www.zlgmcu.com.2006.