The Application of NRF401 in Bus Auto-Reporting-Calling System
西南石油大學(xué) 王勇 王章瑞 中石油西南油氣田分公司 張林霞
引言
目前大多數公交車(chē)報站系統設計主要考慮為公交車(chē)內的乘客服務(wù)，沒(méi)有考慮到在站臺等車(chē)乘客的需求。雖然站臺有站牌，但對于盲人、識字不多以及對乘座公交車(chē)不太熟悉的人來(lái)說(shuō)，還不是很方便；再加之，到達同一站臺的公交車(chē)較多，也很容易引起乘客的混淆。
本文在原公交報站系統的基礎上應用射頻芯片NRF401設計了一款無(wú)線(xiàn)公交車(chē)報站系統，在該系統中，公交車(chē)內通過(guò)半自動(dòng)報站設計的同時(shí)把該車(chē)的相關(guān)信息通過(guò)由NRF401組建的無(wú)線(xiàn)電路傳送到站臺，完成即將到站車(chē)輛的預報以及顯示該車(chē)所經(jīng)路線(xiàn)基本情況。通過(guò)在站臺增加語(yǔ)音播報和動(dòng)態(tài)文字顯示設計，使原來(lái)僅有一個(gè)站牌來(lái)提供簡(jiǎn)單靜態(tài)線(xiàn)路信息的站臺成為一個(gè)公交信息亭。方便了乘客乘車(chē)，有效地提高了公交運營(yíng)公司的服務(wù)質(zhì)量。
系統硬件設計
在系統中無(wú)線(xiàn)通信電路采用無(wú)線(xiàn)射頻收發(fā)一體型芯片NRF401組建，當公交車(chē)快到達站臺時(shí)，車(chē)內司機通過(guò)按鍵報站，同時(shí)通過(guò)無(wú)線(xiàn)收發(fā)電路把該路車(chē)車(chē)次、上下行等情況傳輸到站臺，站臺接收電路收到信息后送給單片機，由單片機控制完成站臺的語(yǔ)音播報和液晶顯示。
系統的硬件設計中充分考慮了性?xún)r(jià)比，用最少的器件設計出滿(mǎn)足要求的硬件電路。該系統的總體結構以AT89C52單片機為核心，由ISD1420語(yǔ)音電路、模擬射頻電路、LCD顯示電路等組成?？傮w結構框圖如圖1所示。硬件原理圖如圖2所示，下面分別予以介紹。
圖 1 NRF401原理框圖(略)
圖2 硬件原理圖（略）
單片機電路
AT89C52是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS 8位單片機，片內含8K bytes的可反反復擦寫(xiě) 的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數據存儲器(RAM )， 器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)。與標準MCS-51指令系統及8052產(chǎn)品引腳兼容，片內置通用8位中央處理器和Flash存儲單，功能強大。
根據設計要求，片內閃爍存儲器作為程序存儲器，內部RAM用作數據存儲器。P0口作為語(yǔ)音芯片的地址線(xiàn)，P2口作為L(cháng)CD芯片的數據線(xiàn)。P1.0作為看門(mén)狗芯片MAX813L的信號輸入端，P1.1、 P1.2用作兩個(gè)按鍵設置信號輸入，P1.3為L(cháng)CD的片選信號， P1.4為語(yǔ)音芯片電平觸發(fā)放音使能，P1.5作為NRF401的頻道選擇端，P1.6為NRF401的節電控制輸入端，P1.7作為NRF401的發(fā)射/接收控制輸入端口，TXD和RXD分別作為作為NRF401的數據輸入和輸出端口。
語(yǔ)音合成電路
系統中語(yǔ)音部分主要涉及到車(chē)上和站臺兩部分，要求采用漢語(yǔ)語(yǔ)音播出，在車(chē)上播報“XXX站到了，請要下車(chē)的乘客做好下車(chē)準備，依次下車(chē)，下車(chē)時(shí)注意安全”。在站臺上播報“各位乘客你好，XX路車(chē)快到本站了，請要乘座該路車(chē)的乘客做好上車(chē)準備，依次上車(chē)”。
設 計中采用了美國ISD公司1994年推出的新型語(yǔ)音合成芯片ISD1420——一種建立在所謂直接模擬存儲這一全新概念上的語(yǔ)音芯片。有128 K存儲單，相當于采用A/ D采樣技術(shù)的1024 K(I兆位)的容量，通過(guò)外部8條 地址線(xiàn)A0-A7管理這些單。在語(yǔ)音錄入時(shí)，語(yǔ)音信號經(jīng)微音器直接輸人M IC‘端，并存入不易失模擬存儲單。語(yǔ)音重放時(shí)，地址線(xiàn)有效，選擇該存儲單的語(yǔ)音，送到引腳SP+、SP?，由揚聲器發(fā)聲，完成語(yǔ)音的重放。
REC引腳為錄音控制端，低電平有效。PL引腳為放音控制端，低電平有效。A0-A7為地址線(xiàn)或操作模式控制端，A6或A7任一位為低電平“0”時(shí)為直接尋址方式。A0-A7決定錄放起始地址。每個(gè)地址錄放時(shí)間為0.125秒，共160個(gè)地址，錄放時(shí)間共20秒。
如：A7-A0=OOH 第1段 第0秒 O1H 第2段 0.125秒
O 2 H 第3段 第 0.25秒
………………………………
9FH 第160段 第19.875秒
錄音時(shí)可連續多個(gè)地址存放，只需給出起始地址，直到REC引腳變高，建立結束標志，錄音結束。放音時(shí)只需給出該起始地址，PL放音控制為低電平，就會(huì )重放該段語(yǔ)音直到遇到結束標志，停止放音。
本設計中，語(yǔ)音均預先錄制存放好，工作時(shí)只完成放音功能，因此，REC引腳、RE引腳、PE引腳均通過(guò)電阻固定接高電平。A CC為自動(dòng)增益控制端，通過(guò)一個(gè)電阻和一個(gè)電容并聯(lián)接地。
模擬射頻電路
在 本系統設計中模擬射頻電路采用NRF401芯片組建，該芯片采用FSK調制解調技術(shù)，最高工作速率可達到20 Kbit/s；發(fā)射功率可以調整，最大發(fā)射功率是+10dBm。
NRF401的天線(xiàn)接口設計為差分天線(xiàn)，以便于使用低成本的PCP天線(xiàn)。它所需外圍件少，無(wú)需聲表濾波器、變容管等昂貴的件，只需要便宜且易于獲得的4MHz晶體，收發(fā)天線(xiàn)合一，無(wú)需進(jìn)行初始化和配置，不需要對數據進(jìn)行曼徹斯特編碼，有2個(gè)工作頻寬(433.92/434.33 MHz)，工作電壓為2.7~5 V，還具有待機模式，可以更省電和高效。NRF401無(wú)線(xiàn) 收發(fā)芯片的結構框圖如圖3所示。
圖 3 NRF401結構框圖(略)
NRF401有3種工作模式：收模式(RX)、發(fā)模式(TX)和等待模式(Std.by)，工作模式可由3個(gè)引腳設定，分別是TXEN、CS和PW R-UP。因此通過(guò)單片機控制NRF401的工作模式，使其處于接收、發(fā)射、等待任一種狀態(tài)，實(shí)現半雙工通信。若PW R=0，TXEN和CS任意，系統為待機狀態(tài)，若TXEN=1，為發(fā)送狀態(tài)；TXEN=0，為接收狀態(tài)。CS為信道的選通端，CS=0選通信道為433.92 MHz；CS=1選通信道為434.33 MHz，其主要特性如下：
1)工作頻率為國際通用的數傳頻段；
2)工作速率最高可達20 Kbi/s；
3)FSK調制，抗干擾能力強；
4)采用PLL頻率合成技術(shù)，頻率穩定性極好；
5)靈敏度高達-105dBm；
6)功耗小，接收狀態(tài)250 uA，待機狀態(tài)僅為8uA；
7)最大發(fā)射功率達+10 dBm；
8)低工作電壓(2.7 V)，可滿(mǎn)足低功耗設備的要求；
9 )具有多個(gè)頻道，可方便地切換工作頻率；
10)因采用了低發(fā)射功率、高接收靈敏度的設計，使用無(wú)需申請許可證，開(kāi)闊地的使用距離最遠可達1000 m。
NRF401接收機使用頻移鍵控(FSK)調制方式，改善了噪聲環(huán)境下的系統性能。NRF401另一個(gè)非常重要的特性是接收機的頻帶外阻抗很高，這意味著(zhù)它不需要外部聲表面波(SAW)濾波器。此外NRF401的解調器是DC平衡的，因此可以使用任何一種協(xié)議，也可以使用各種“0”、“1”序列，因而無(wú)需浪費單片機寶貴的處理資源來(lái)進(jìn)行曼徹斯特編碼。
本系統的無(wú)線(xiàn)通信模塊發(fā)送部分是通過(guò)單片機串行口送到模塊由模塊發(fā)送，而接收部分是由模塊接收到數據以后，由單片機控制相應部件工作。這兩部分的連接示意圖如圖4所示。
圖4 單片機和NRF401連接示意圖(略)
音頻功放及LCD顯示部分
音頻功放部分選用LM358，它內部包括有兩個(gè)獨立的、高增益、內部頻率補償的雙運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無(wú)關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場(chǎng)合。 其連接電路圖也很簡(jiǎn)單，具體見(jiàn)硬件原理圖。
LCD顯示部分選用了北京精電蓬遠公司的點(diǎn)陣式圖形液晶顯示模塊QH2001，它由128(列)x 64(行)點(diǎn)陣組成，整個(gè)屏幕分左右兩半屏，可以顯示數字和中文。
Q H2001片內含1個(gè)行驅動(dòng)器KS0107B和2個(gè)列驅動(dòng)器KS0108B，CSA跟KS0108B (1)的CSl相連，/CSB跟KS0108B (2)的CSl相連，因此/CSA、/CSB選通組合信號為/CSA，/CSB=O1，選通(1) ； /CSA，/CSB=10，選通(2)。如表1所示。
表1 QH2001片選組合方式(略)
QH2001與微控制器有兩種接口方式：直接訪(fǎng)問(wèn)方式和間接控制方式。本系統采用直接訪(fǎng)問(wèn)方式，即把QH2001作為存儲器或I/0設備直接掛在微控制器總線(xiàn)上，微控制器以訪(fǎng)問(wèn)存儲器或I/O設備的方式操作液晶顯示模塊的工作。接口電路如圖5所示。
圖5 單片機和LCD連接示意圖(略)
系統軟件設計
該機軟件設計采用模塊化，主要由四部分組成，包括：初始化程序模塊，通信程序模塊，顯示程序模塊，語(yǔ)音程序模塊。主程序流程圖如圖6所示。
圖6 主程序流程圖(略)
初始化程序模塊
主要完成各種參數設置，數據存儲區清零，通信波特率設置，定時(shí)器參數設置等。
通信程序模塊
在設計程序時(shí)，要注意各狀態(tài)轉換的時(shí)延。NRF401的通訊速率最高為20Kbit/s，發(fā)送數據之前需將電路置于發(fā)射模式；接收模式轉換為發(fā)射模式的轉換時(shí)間至少為lms；可以發(fā)送任意長(cháng)度的數據；發(fā)射模式轉換為接收模式的轉換時(shí)間至少為3ms。在待機模式時(shí)，電路進(jìn)人待機狀態(tài)，電路不接收和發(fā)射數據。待機模式轉換為發(fā)射模式的轉換時(shí)間至少為4ms；待機模式轉換為接收膜式的轉換時(shí)間至少為5.0ms。
同時(shí)為了保證傳輸數據的高可靠性，本設計采用循環(huán)冗余碼(CRC碼)對單片機通信的差錯進(jìn)行控制。系統中單片機的CRC校驗采用CRC-16碼，能夠保證傳輸的可靠。系統和程序的工作流程見(jiàn)圖7。
圖7 發(fā)射和接收軟件設計流程圖(略)
語(yǔ)音程序模塊
播放的數字語(yǔ)音和各種漢字語(yǔ)音，均已預先錄制好，存放在ISD1420語(yǔ)音芯片的各個(gè)單元中，每個(gè)數字語(yǔ)音占六個(gè)單元，各站站名的漢語(yǔ)詞音占八個(gè)單元。語(yǔ)音播報程序首先完成語(yǔ)音地址計算，將語(yǔ)音地址存放于緩沖區中，待全部算完，建立結束標記。然后，啟動(dòng)定時(shí)器，每隔0.3秒輸出一個(gè)地址信號，完成語(yǔ)音輸出。如站臺要播報“各位乘客你好，36路車(chē)快到本站了，請要乘座該路車(chē)的乘客做好上車(chē)準備，依次上車(chē)”，根 據該數據，調用語(yǔ)音地址計算子程序，將“3”、“6”語(yǔ)音地址存入緩沖區40 H和41H中，依此類(lèi)推，直至結束。再在緩沖區中依次間隔0. 3秒時(shí)間取出語(yǔ)音地址，直至遇到結束標記。語(yǔ)音文件存放緩沖區中 地址如表2所示。
表2 語(yǔ)音文件存放緩沖區中地址對照表(略)
結束語(yǔ)
本系統應用NRF401芯片來(lái)實(shí)現無(wú)線(xiàn)通信降低了系統成本，同時(shí)對單片機數據通信的差錯采用循環(huán)冗余碼(CRC)控制和反饋重傳方式，大大提高了數據通信可靠性，誤碼率很小。語(yǔ)音播報軟件設計，使語(yǔ)音自然流暢，完個(gè)符合人們的自然習慣，同時(shí)為進(jìn)一步設計功能更多、更人性化的公交報站系統做了技術(shù)鋪墊。
