DSP芯片在自动报站系统中的应用

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引言：

当前国内主要大城市的公交车大都采用人工语音报站，即每到一站由司机或者乘务员按语音键来进行报站。但有时由于受到各种因素如雨雪天路滑、车上拥挤、乘务员心情的变化等的影响，会出现报错站，漏报站的情况，给乘客特别是不熟悉本市地形的乘客带来了不必要的麻烦，从而影晌到了一个城市的窗口形象工程建设，于是开发研制自动报站系统成为必然。系统中由于要求对接收到的公交车GPS定位信息（经纬度信息等）进行处理，由经纬度信息生成站牌与公交车之间的距离信息，这之间会经历繁琐的计算，用一般的微控制器难于实现，而当采用DSP处理芯片时，这一问题就很好解决了。

1.    自动报站系统的总体结构

整个自动报站系统主要由车载设备及电子站牌两大部分组成。系统结构框架如图1.1所示。车载设备主要用于对公交车定位数据的提取以实现自动报站，而站牌设备主要用于对该位置信息的显示。由于公交车的位置信息是不断变化的，而站牌的位置则是相对固定的，所以两者之间要建立联系，必须要建立在无线通信的基础之上。

自动报站原理如下：车载GPS接收机不断接收公交车的定位信息，在经过DSP处理器处理之后提取有用信息并通过无线收发信机将此定位信息发送出去，电子站牌在接收到该定位信息后，将此定位信息与自己的静态位置信息（由GPS接收机预先测得）进行对比，如果其差值在规定的范围之内（比如公交车进站时），就由电子站牌返回特定的指示报站站点信息给公交车，在公交车接收到该特定的指示站点命令后，由DSP处理器通过并口向语音芯片写入特定的播放地址，语音芯片通过该播放地址，滤波后由扬声器播放该特定的语音信息，这样就实现了公交车的自动报站功能。

1．1车载设备

所谓车载设备也就是指安装在公交车辆上的设备，它是公共交通信息服务系统中重要的组成部分。要实现公共交通信息系统所具有的功能，即具有GPS卫星定位信息接收、公交车自动报站以及与电子站牌的双向通信等功能，就硬件构成而言，车载设备必须由GPS接收天线、GPS接收机、通信控制器、自动报站设备以及无线收发信机等几个重要的部分组成。

（1）GPS接收机

公交车车载设备中的GPS接收机主要是用来获取公交车的定位信息的，它能够接收卫星发出的定位资料，并可以对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时的计算出观测站的三维位置、三维速度和时间等信息[10]。车载GPS接收机可以选用可供二次开发的Garmin（高明）GPS25 OEM，它拥有并行12通道，能够同时跟踪12颗GPS导航卫星，灵敏度高、定位速度快、功耗低、性价比高，有2个兼容RS-232的双向通道，能同时传输标准的NMEA-0183数据，其无差分定位精度在10米以内，功耗非常小，数据更新率较快，可以达到1次/秒。

在处理GPS接收机所接收到的数据时，一般先通过对帧头的判断确定是否为"$GPRMC"帧结构，然后再对该帧进行数据的提取处理。如果情况特殊，需要从其他帧获取数据，处理方法与之也是完全类似的。由于帧内各数据段由逗号分割，因此在处理缓存数据时一般是通过搜寻ASCII码"$"来判断是否是帧头，在对帧头的类别进行识别后再通过对所经历逗号个数的计数来判断出当前正在处理的是哪一种定位导航参数，并作出相应的处理。

处理的过程主要分四步进行：首先要确定当前传送过来的数据字节是否合法，即该数据字节是否是属于我们所需要的数据包中的数据；然后确定传来的数据字节在这个数据包中的位置；接着对采集到的数据字节进行保存；最后当整个数据包传送结束时，交由处理程序部分进行计算处理。

（2）通信控制器

通信控制器采用DSP处理芯片TMS320VC5402，它是TI公司推出的一款性价比极高的定点DSP芯片。其性能特点如下：操作速率可达100MIPS；具有先进的多总线结构，三条16位数据存储器总线和一条程序存储器总线；40位算术逻辑单元(ALU)，包括一个40位桶形移位器和两个40位累加器；一个17×17乘法器和一个40位专用加法器，允许16位带/不带符号的乘法；整合维特比加速器，用于提高维特比编译码的速度；单周期正规化及指数译码；8个辅助寄存器及一个软件栈，允许使用业界最先进的定点DSP C语言编译器；数据/程序寻址空间为1M×16bit，内置4K×16bit ROM和16k×16bit RAM；内置可编程等待状态发生器、锁相环(PLL)时钟产生器、两个多通道缓冲串口、一个与外部处理器通信的8位并行HPI口、两个16位定时器以及6通道DMA控制器且低功耗。与C54X系列的其它芯片相比，C5402具有高性能、低功耗和低价格等特点。它采用6级流水线，且当RPT(重复指令)时，一些多周期的指令就变成了单周期的指令；芯片内部RAM和ROM可根据PMST寄存器中的OVLY和DROM位灵活设置。这些都有利于算法的优化。

C5402采用3.3V和1.8V电源供电，其中I/O采用3.3V电源供电，芯片的核采用1.8V电源供电。

（3）无线收发信机

无线收发信机作为车载设备的一部分，是公交车与电子站牌通信的无线桥梁。它主要完成接收电子站牌发送过来的指示命令，通过通信控制器进行处理以实现自动报站功能。由于只需要在报站的范围内实现站牌与公交车之间的无线通信，所以采用一般的无线收发模块所构成的无线收发信机即可，比如这里可以采用摩托罗拉的两款芯片MC33493发射芯片以及MC33594接收芯片即可，具体无线通信这里不加重点介绍。

1．2电子站牌

电子站牌主要完成与公交车之间信息的交换，另外还可以完成对站点信息的显示功能，所以电子站牌系统主要由无线收发信机 、通信控制器以及LED显示系统构成，其中通信控制器也采用DSP处理芯片TMS320VC5402。由于电子站牌在接收到公交车发回的定位信息之后，要判断公交车是否已经到了报站范围，具体处理过程如下：
设电子站牌的位置信息为：经度 ，纬度为 ；公交车当前的位置信息为：经度 ，纬度为 ，则当前的公交车与电子站牌的距离（高度差值很小，可以忽略不计）为：
                                   (1-1)
TMS320VC5402运算速度快，通过程序设计很简单的就能够得到站牌与公交车此刻的绝对距离，当满足报站范围时就由电子站牌发送相应的报站命令，这样公交车在收到报站命令后就能够实现自动报站了。

2．自动报站系统中相关硬件电路组成

2．1 串行接口电路组成

自动报站系统中GPS接收机、无线收发信机与DSP处理器之间的通信都是通过串口来实现的。系统中采用的TMS320VC5402没有标准的的RS232接口，但可以利用它的XF、BIO，INT0和定时器实现一个最简RS232接口，从而达到串行通信的目的，这里列举了DSP处理芯片与GPS接收机之间的串行通信电路，如图2所示。

2．2 语音报站语音硬件电路组成

语音报站语音硬件电路中可以采用1SD公司生产的1SD4004语音合成芯片，该器件有音质自然、使用方便、单片存放、反复录音、低功耗、抗断电等许多特能。在实际应用中，录音部分预先将收录内容存储到语音芯片中，并分配一个特定的播音地址，当需要报站时，只需要读取该播音首地址，随即报站信息就由语音芯片通过扬声器自动播放出来，以实现报站。在这里就采用1SD4004语音芯片来设计汽车报站器，其外围电路及其简单，如图所示：

从图中可以看出TMS320VC5402和ISD4004之间的线路连接较少，电路结构比较简单。TMS320VC5402中的D1接ISD4004的串行输入引脚MOSI，从该引脚读入放音的地址；D2数据线连接ISD4004的片选引脚/SS，控制ISD4004是否选通；D3和D4分别接ISD4004的串行时钟引脚SCLK和中断引脚/INT。当需要报站时，只需要读取该播音首地址，随即由DSP中的D1管脚在时钟的控制下依次将该地址送入语音芯片，通过滤波由扬声器自动播放出来，实现实时报站。

3.系统功能软件实现

器件上电后，首先完成程序的初始化，随后进入检测接收站点命令状态。如果公交车接收到指示站点命令，则转去执行该站点所指向的数据处理程序。每一个站点命令代表相应的一站，通过判断当前站号，并以该站号为依据获得存放该站放音内容的首地址，然后调用放音子程序，读入预先存储的本站放音内容首地址，开始放音。每一次放音完毕后，ISD4004的中断引脚（25脚）会自动送一低电平信号。在硬件设计中，该引脚与DSP芯片中的D1连接，因此会引起一次中断，在中断子程序中可以进行站点的显示。此外，如果预先测得每一个拐弯的静态GPS定位信息，那么在公交车接收到定位信息之后，将两个定位信息进行对比，如果其差值也在规定范围之内，此时可以使程序转向执行特殊语放音（譬如“拐弯请注意”等语句）。

具体程序流程图如图4所示。公交车在到达每一站的同时，电子站牌都会将自己得位置信息与接收到车子的定位信息对比，当其差值在所定范围之内，此时电子站牌就会发送站点报站命令给公交车。在公交车接收到具体的报站命令之后，通过判断站点号就可以得到相应站点的放音内容首地址，把获得的放音内容的地址送到ISD4004中，即可以完成放音。在公交车完成对本站的自动报站后，马上切换到对下一站报站命令的查询，依次进行下去，就可以实现对整条线路的报站功能。

4．结论

本文所采用的DSP处理芯片在公交车自动报站系统中有及其重要的应用，它不但起到控制的作用，更重要的是对接收到的GPS定位信息进行处理，生成距离信息，是系统实现自动报站功能的关键所在。此外，由于DSP芯片对数据处理的速度极快，结合GPS定位精度的提高，使得整套系统在实际应用中得到很好的体现，极大的方便了公交乘客。