基于MSP的公交控制系統(tǒng)

1、題 目：基于MSP430的公交控制系統(tǒng) 摘要： 這個(gè)系統(tǒng)中，我們選用恰當(dāng)?shù)男酒脛?chuàng)新性的思想實(shí)現(xiàn)了部分的公交自動(dòng)控制系統(tǒng)整個(gè)系統(tǒng)以TI的MSP430F169為核心控制芯片，主要由站牌與公交車的通信模塊，站牌間通信模塊，顯示模塊三大模塊組成。經(jīng)過實(shí)際測試，證明我們的設(shè)計(jì)方案確實(shí)可實(shí)現(xiàn)可靠通信，達(dá)到了以低成本實(shí)現(xiàn)了公交車自動(dòng)控制功能的目的Abstract:In this system, we establish a partly bus selfcontrol system by using the appropriate chips in a creative way. The whole sy

2、stem is based on the MSP430F169, which works as the core dominative chip , and is mainly consisted of three segments :the communication between the station and bus, the communication between stations, and the display segment. Passing the real tests, our design has been proven to be practical and rel

3、iable, reaching the goals of acquiring the bus selfcontrol ability at a low cost.關(guān)鍵詞：無線通信芯片NRF24L01無線數(shù)傳芯片APC220-43 單片機(jī)MSP430F169 LED顯示器 Key words: Single chip transceiver NRF24L01 Wireless serial data transfer module APC220-43 Single-chip MSP430F169 LED display 1. 引言 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們的生活節(jié)奏日益加快，對(duì)于交通出行的效

4、率要求也越來越高。目前廈門、廣州、濟(jì)南、無錫等一線城市已經(jīng)部分實(shí)現(xiàn)了智能公交系統(tǒng)，其主要是基于GPS、GIS、GPRS等技術(shù)的綜合運(yùn)用。這種方法實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)固然可行，但是其高成本投資卻不容忽視，這或許也是這類智能公交系統(tǒng)仍未能在二三線城市大量普及應(yīng)用的重要原因之一。鑒于這方面原因我們?cè)O(shè)計(jì)了本系統(tǒng)，利用無線通信芯片NRF24L01特定的通信距離特點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)對(duì)于公交車輛的位置定位，用無線數(shù)據(jù)傳輸芯片APC220-43來實(shí)現(xiàn)站牌與站牌間的通信，這兩種芯片均價(jià)格低廉，且其特定的通信距離十分符合系統(tǒng)的要求，相信我們這種合理使用恰當(dāng)?shù)男⌒酒越档蜕a(chǎn)應(yīng)用成本的方法，定可推進(jìn)公交智能控制系統(tǒng)的普及。2. 系統(tǒng)方

5、案 2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)：u 站牌與公交車的通信模塊:當(dāng)前成熟的方法均使用昂貴的GPS來實(shí)現(xiàn)車輛定位,這樣能夠做到基本10m范圍精確度的準(zhǔn)確定位，對(duì)乘客來說這么高的精度是不需要的，因?yàn)槌丝拖胍赖囊簿褪谴蟾诺能囕v位置信息，考慮到城市一般的站牌之間距離就是1000m左右，也就是說公交車一般在兩個(gè)站牌之間也就是用2、3分鐘左右，這個(gè)時(shí)間乘客完全可以忍受的誤差范圍。因此，在車輛到站距離約為20m左右時(shí)，在公交車與站牌之間來實(shí)現(xiàn)通信即可說明車輛目前在這一站，以達(dá)到對(duì)車輛定位的目的。u 站牌間通信模塊：目前的方法是由GPS定位得到車輛精確位置后，利用GPRS的傳輸網(wǎng)絡(luò)來直接發(fā)布到各個(gè)站牌上，這樣需要耗

6、費(fèi)很大一筆信息費(fèi)，因此我們考慮用一種適合站牌間距離（1000m左右）相互通信的數(shù)據(jù)傳輸模塊，此站牌將獲得的車輛信息傳至一個(gè)站牌，下一個(gè)站牌再往下一站傳輸，這樣依次往下傳的思想，如此避免了長距離的數(shù)據(jù)傳輸，大大的降低了信息發(fā)布成本。2.2 系統(tǒng)流程概述： 本系統(tǒng)由MSP430F169作為系統(tǒng)的MCU，由MSP430F169控制站牌與公交車的通信模塊，站牌間通信模塊，顯示模塊這三個(gè)子模塊。通過相應(yīng)通信芯片實(shí)現(xiàn)公交車定位，站牌間通信，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)最終的LED顯示。 車載NRF24L01子模塊發(fā)送車輛信息，當(dāng)公交車即將靠站時(shí)，站牌NRF24L01子模塊獲得公交車的進(jìn)站信息，并將站牌信息反饋給車載NRF24

7、L01子模塊，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)定位。該站牌將車輛信息通過無線數(shù)傳芯片APC220-43傳送給下一個(gè)站牌，下一個(gè)站牌再依次傳下去，讓每一個(gè)站牌都收到此時(shí)車輛的位置信息。每一站牌MCU根據(jù)本站牌所收到的公交車信息更新顯示模塊的顯示內(nèi)容，以提醒乘客。系統(tǒng)流程框圖如下：3. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)分為：站牌與公交車的通信模塊，站牌間通信模塊，顯示模塊共三個(gè)大模塊。3.1站牌與公交車間通信模塊本模塊又分為兩個(gè)子模塊：車載NRF24L01子模塊，站牌NRF24L01子模塊。主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)各路公交車的定位。當(dāng)公交車即將靠站時(shí)，站牌NRF24L01子模塊能獲得公交車的進(jìn)站信息，并將站牌信息反饋給車載NRF24L01子模

8、塊，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)定位。無線通信芯片NRF24L01適合進(jìn)行短距離高速通信，實(shí)際通信半徑約20m。故在公交車距站牌較遠(yuǎn)時(shí)車載NRF24L01子模塊與站牌NRF24L01子模塊之間不進(jìn)行通信，站牌NRF24L01子模塊不會(huì)檢測到公交車信息。只有當(dāng)公交車距離站牌20m以內(nèi)時(shí)，車載NRF24L01子模塊與站牌NRF24L01子模塊才會(huì)實(shí)現(xiàn)通信，也就證明公交車即將到站，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)公交車的定位。如下圖所示，兩個(gè)圓的面積分別代表公交車上無線通信芯片NRF24L01與站牌上的無線通信芯片NRF24L01的通信范圍。當(dāng)兩圓有重疊時(shí)即可實(shí)現(xiàn)站牌與公交車的通信，代表公交車進(jìn)站。站牌NRF24L01子模塊車載NRF24L

9、01子模塊20m 3.2.站牌間通信模塊本模塊的主要功能是使公交車線路上的各個(gè)站牌能獲得公交車的當(dāng)前位置信息。無線數(shù)傳芯片APC220-43適合于在強(qiáng)干擾惡劣的環(huán)境下通信，且通信距離能達(dá)到1500米左右，故在每個(gè)站牌部分中置入無線數(shù)傳芯片APC220-43，進(jìn)行站牌間通信，本站牌APC220-43將本站所獲得的公交車位置信息發(fā)往下一站牌的APC220-43，下一站牌的APC220-43又將本站牌所獲取的公交車位置信息發(fā)往下下個(gè)站牌APC220-43，依次傳遞。既可在保證實(shí)現(xiàn)功能的同時(shí)，又比常用的方法經(jīng)濟(jì)簡單許多。站牌間無線數(shù)傳芯片APC220-43間通信簡明過程如下圖：A站牌B站牌C站牌D站牌

10、公交車信息公交車信息公交車信息3.3顯示模塊本模塊又分為：站牌顯示模塊，車載顯示模塊共兩個(gè)子模塊。主要功能是實(shí)現(xiàn)信息的顯示。u 站牌顯示模塊：本站的MCU根據(jù)本站所接收到的所有信息進(jìn)行處理，在站牌顯示器上顯示經(jīng)過本站的每一路公交車中距離本站最近的公交車的當(dāng)前位置信息，并實(shí)時(shí)更新，以提醒候車乘客。站牌顯示器如下圖：車次 當(dāng)前位置916路 鐘樓站400路 西北大學(xué)233路 西安電子科技大學(xué)9路 火車站u 車載顯示模塊：車載MCU根據(jù)本車所接收到的所有信息進(jìn)行處理，在車載顯示器上顯示下一站的名稱。并實(shí)時(shí)更新，以提醒下車乘客。車載顯示器如下圖：下一站： 鐘樓站 請(qǐng)您提前準(zhǔn)備下車 4. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本系

11、統(tǒng)軟件分為兩個(gè)部分：車載部分軟件、站牌部分軟件。4.1車載部分軟件此程序功能是實(shí)現(xiàn)車載NRF24L01子模塊與站牌NRF24L01子模塊之間的信息交互及車載顯示模塊的顯示控制。采用子程序輪詢方式工作，為站牌與公交車間通信模塊子程序、按鍵處理子程序、車載顯示模塊子程序這三個(gè)子程序分配MCU的使用時(shí)間。由于這3個(gè)子程序的優(yōu)先級(jí)不同，從高到低依次為：站牌與公交車間通信模塊子程序、按鍵處理子程序、車載顯示模塊子程序。輪詢工作的實(shí)現(xiàn)是利用定時(shí)器A進(jìn)行加計(jì)數(shù)，將計(jì)數(shù)結(jié)果對(duì)6取余，余數(shù)為3或4或5這三種情況下運(yùn)行站牌與公交車間通信模塊子程序，余數(shù)為1或2這兩種情況下運(yùn)行按鍵處理子程序，余數(shù)為0時(shí)運(yùn)行車載顯示

12、模塊子程序。程序流程圖如下：系統(tǒng)初始化定時(shí)器A加計(jì)數(shù)將計(jì)數(shù)結(jié)果對(duì)6取余得a車載顯示模塊子程序按鍵處理子程序站牌與公交車間通信模塊子程序開始a=3 a=1 a=0a=4 a=2a=5u 站牌與公交車間通信模塊子程序公交到站后，車載NRF24L01子模塊給站牌NRF24L01子模塊發(fā)送到站信息，在通信距離內(nèi)，站牌NRF24L01子模塊才會(huì)接收到公交車到站信息，及時(shí)回復(fù)車載NRF24L01子模塊應(yīng)答信息。若車載NRF24L01子模塊在設(shè)定時(shí)間內(nèi)未收到應(yīng)答，則重新發(fā)送到站信息，直到收到站牌NRF24L01子模塊的應(yīng)答為止。由于將NRF24L01置為Enhanced ShockBurst 收發(fā)模式，若站

13、牌模塊通過CRC校驗(yàn)碼發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，則發(fā)送請(qǐng)求信息請(qǐng)求公交模塊重新發(fā)送到站信息。無線通信芯片NRF24L01通信過程示意如下:車載NRF24L01通信模塊站牌NRF24L01通信模塊應(yīng)答信息到站信息 數(shù)據(jù)幀設(shè)計(jì)如下:無線通信芯片NRF24L01每次可以以約1Mbps的高速率發(fā)送8bit大小的數(shù)據(jù)。我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)幀的大小為3個(gè)字節(jié)。選用第一字節(jié)數(shù)據(jù)表示公交車車次信息，存儲(chǔ)公交車次的編號(hào)，可最多為256路公交車編號(hào)。選用第二字節(jié)數(shù)據(jù)表示公交車控制信息。考慮到上行和下行公交站牌的距離可能較近，為區(qū)分上行與下行公交車信息，在本字節(jié)中選用1bit數(shù)據(jù)作為公交車行駛方向的標(biāo)志位。因?yàn)樵诿總€(gè)站點(diǎn)處有三種數(shù)

14、據(jù)幀（到站信息數(shù)據(jù)幀，請(qǐng)求數(shù)據(jù)幀，應(yīng)答數(shù)據(jù)幀）在傳輸，故在本字節(jié)中設(shè)置2bit的數(shù)據(jù)幀類型標(biāo)識(shí)位。剩于5bit作為保留位,暫不使用。選用第三字節(jié)數(shù)據(jù)表示公交站牌的地址信息。無線通信芯片NRF24L01數(shù)據(jù)幀格式如下：位7 6 5 4 3 2 1 0 公交車ID方向標(biāo)志幀類型標(biāo)識(shí)保留公交站牌地址信息程序流程圖如下：開始發(fā)送公交車請(qǐng)求數(shù)據(jù)幀是否收到應(yīng)答數(shù)據(jù)幀公交車進(jìn)站標(biāo)志位置1 否 是u 按鍵處理子程序本子程序主要由兩個(gè)函數(shù)構(gòu)成： Key-event()函數(shù)通過調(diào)用check-key()函數(shù)完成對(duì)4*4矩陣鍵盤的掃描以及鍵值的獲取來檢測是否有有效按鍵被按下。 Key-ctr()函數(shù)對(duì)鍵值進(jìn)行處理，

15、設(shè)計(jì)了四個(gè)有效的按鍵：按鍵1：顯示幫助菜單按鍵2：通過串口發(fā)送新站點(diǎn)信息到車載無線通信芯片NRF24L01，覆蓋原站點(diǎn)信息，以對(duì)存儲(chǔ)器中存取的站點(diǎn)信息修改。按鍵3：手動(dòng)報(bào)站。當(dāng)公交車靠站后，若車載NRF24L01子模塊與站牌NRF24L01子模塊通信失敗的情況下，通過此按鍵強(qiáng)制更新公交車的站點(diǎn)顯示信息。按鍵4：當(dāng)公交車到達(dá)終點(diǎn)站后，司機(jī)按下此鍵以更改公交車信息中的上行下行標(biāo)志位。其余按鍵為日后做功能擴(kuò)展備用。程序流程圖如下：開始按鍵是否被按下獲取鍵值key-Flag顯示幫助修改信息手動(dòng)報(bào)站修改方向標(biāo)志 否 是 按鍵1 按鍵2 按鍵3 按鍵4u 車載顯示模塊子程序當(dāng)公交車進(jìn)站后，車載顯示器的站點(diǎn)

16、信息應(yīng)予以更新。顯示公交車?？康恼军c(diǎn)名稱及下一站點(diǎn)的名稱。程序流程圖如下：開始公交車進(jìn)站標(biāo)置是否被置1從EEPROM中讀取站點(diǎn)信息更新顯示器 否 是4.2站牌部分軟件此程序功能是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)站牌間無線數(shù)傳芯片APC220-43之間的信息交互、車載NRF24L01子模塊與站牌NRF24L01子模塊之間的信息交互及站牌顯示模塊的顯示控制。同樣采用子程序輪詢方式工作，為站牌間通信模塊子程序、站牌與公交車間通信模塊子程序、站牌顯示模塊子程序這三個(gè)子程序分配MCU的使用時(shí)間。由于這3個(gè)子程序的優(yōu)先級(jí)不同，從高到低依次為：站牌間通信模塊子程序、站牌與公交車間通信模塊子程序、站牌顯示模塊子程序。輪詢工作的實(shí)現(xiàn)是

17、利用定時(shí)器A進(jìn)行加計(jì)數(shù)，將計(jì)數(shù)結(jié)果對(duì)6取余，余數(shù)為3或4或5這三種情況下運(yùn)行站牌間通信模塊子程序，余數(shù)為1或2這兩種情況下運(yùn)行站牌與公交車間通信模塊子程序，余數(shù)為0時(shí)運(yùn)行站牌顯示模塊子程序。程序流程圖如下：定時(shí)器A加計(jì)數(shù)將計(jì)數(shù)結(jié)果對(duì)6取余得a站牌顯示模塊子程序站牌與車公交車間通信模塊子程序站牌間通信模塊子程序開始系統(tǒng)初始化a=3 a=1 a=0a=4 a=2a=5站牌間通信模塊子程序若公交車Car1已到達(dá)A站，下一站將前往B站。則A站站牌APC220-43子模塊給B站站牌APC220-43子模塊發(fā)送公交車Car1的位置信息，B站站牌APC220-43子模塊收到信息后，利用無線數(shù)傳芯片APC22

18、0-43的高效的循環(huán)交織糾錯(cuò)編碼機(jī)制進(jìn)行校驗(yàn)，無錯(cuò)誤則回復(fù)應(yīng)答信息給A站牌APC220-43子模塊，若A站站牌APC220-43子模塊在設(shè)定時(shí)間內(nèi)仍未收到應(yīng)答，則重新發(fā)送該信息。若發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，則發(fā)送請(qǐng)求信息請(qǐng)求A站站牌APC220-43子模塊重新發(fā)送公交車Car1的位置信息。若發(fā)送兩次以后A站牌APC220-43子模塊仍未收到應(yīng)答信息，則廣播公交車Car1的到站信息。其他站牌APC220-43子模塊（例如站牌C站牌D等）接收該信息后給B站牌APC220-43子模塊轉(zhuǎn)發(fā)該信息。引入廣播機(jī)制是考慮到城市中公交站牌數(shù)眾多，存在上行和下行兩路站牌，可充分利用這些可用的通信硬件資源，在A站牌與B站牌不

19、能直接通信的情況下，借助這些資源以實(shí)現(xiàn)更加有保障的通信。程序流程圖如下：開始收到位置信息判斷是否為廣播消息轉(zhuǎn)發(fā)此廣播消息· 是否收到請(qǐng)求消息收到應(yīng)答消息發(fā)送應(yīng)答消息并將此消息發(fā)給顯示模塊子程序重新發(fā)送位置信息消息是否正確是· 否發(fā)送請(qǐng)求消息否是是否結(jié)束站牌間無線數(shù)傳芯片APC220-43正常通信過程原理圖：A站牌D站牌C站牌B站牌Car1到站信息應(yīng)答信息站牌間無線數(shù)傳芯片APC220-43廣播通信過程原理圖：A站牌D站牌C站牌B站牌廣播信息廣播信息廣播信息Car1到站信息廣播消息Car1到站信息 圖22 無線數(shù)傳芯片APC220-43廣播通信過程 數(shù)據(jù)幀設(shè)計(jì)：無線數(shù)傳芯片A

20、PC220-43內(nèi)設(shè)256bytes大容量緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)幀做如下設(shè)置：我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)幀的大小為3個(gè)字節(jié)。選用第一字節(jié)數(shù)據(jù)表示公交車車次信息，存儲(chǔ)公交車次的編號(hào)，可最多為256路公交車編號(hào)。選用第二字節(jié)數(shù)據(jù)表示公交車控制信息?？紤]到上行和下行公交站牌的距離可能較近，為區(qū)分上行與下行公交車信息，在本字節(jié)中選用1bit數(shù)據(jù)作為公交車行駛方向的標(biāo)志位。因?yàn)樵诿總€(gè)站點(diǎn)處有三種數(shù)據(jù)幀（到站信息數(shù)據(jù)幀，請(qǐng)求數(shù)據(jù)幀，應(yīng)答數(shù)據(jù)幀）在傳輸，故在本字節(jié)中設(shè)置2bit的數(shù)據(jù)幀類型標(biāo)識(shí)位。選用1bit數(shù)據(jù)作為廣播標(biāo)志位，置1時(shí)為廣播信息，置0時(shí)位非廣播信息。剩于4bit數(shù)據(jù)用于表示數(shù)據(jù)幀累計(jì)通過的站點(diǎn)數(shù)。選用第三字節(jié)數(shù)

21、據(jù)表示公交站牌的地址信息。無線數(shù)傳芯片APC220-43Car到站數(shù)據(jù)幀格式如下:位7 6 5 4 3 2 1 0公交車ID方向標(biāo)志幀類型標(biāo)識(shí)廣播標(biāo)志累計(jì)通過站點(diǎn)數(shù)公交站牌地址信息u 站牌與公交車間通信模塊子程序流程圖如下：否是是開始發(fā)送應(yīng)答數(shù)據(jù)幀是否收到進(jìn)站數(shù)據(jù)幀是否數(shù)據(jù)是否正確否是請(qǐng)求公交車重新發(fā)送進(jìn)站信息開始發(fā)送應(yīng)答數(shù)據(jù)幀是否收到進(jìn)站數(shù)據(jù)幀是否數(shù)據(jù)是否正確否是請(qǐng)求公交車重新發(fā)送進(jìn)站信息否是 通信數(shù)據(jù)幀同車載部分軟件中站牌與公交車間通信模塊子程序中的數(shù)據(jù)幀格式相同。u 站牌顯示模塊子程序當(dāng)公交站牌APC220-43子模塊收到某公交車位置信息時(shí)(假設(shè)此公交車靠站于A站點(diǎn))，若此時(shí)本站牌顯示器上顯示此路公交車目前所在站點(diǎn)為B站點(diǎn)，將A站點(diǎn)與B站點(diǎn)二者與本站點(diǎn)的距離進(jìn)行比較，即比較二者離本站點(diǎn)的站點(diǎn)數(shù)的大小，若A站點(diǎn)離本站牌更近，則更新顯示器信息，否則不作處理。以保證站牌顯示器上顯示的公交車位置信息是距離本站牌最近的公交車位置。程序流程圖如下：否開始更新顯示器是否收到公交車位置信息是是否否a<b?獲取此公交距離本站的站點(diǎn)數(shù)a獲取顯示器上顯示的此路公交車距離本站的站點(diǎn)數(shù)b是是否 是5. 系統(tǒng)創(chuàng)新：本公交系統(tǒng)的創(chuàng)新性主要體現(xiàn)在公交車的定位以及將公交車位置信息發(fā)送到各個(gè)站牌這兩個(gè)部分的實(shí)現(xiàn)上。5.1公交車定位 現(xiàn)有的公交系統(tǒng)多是采用GPS技術(shù)來實(shí)現(xiàn)公交車的精