智能公交電子站牌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、電子站牌總體設(shè)計(jì)

所謂電子站牌]，就是以電子屏幕形式顯示的指示牌。電子站牌是智能公交系統(tǒng)的子系統(tǒng)，呈現(xiàn)了所有功能的集成結(jié)果，也是乘客能直接感受到系統(tǒng)便利性的最佳媒介。它集成了計(jì)算機(jī)、通訊與現(xiàn)代控制技術(shù)，是城市公交信息化、現(xiàn)代化的標(biāo)志之一。它主要完成兩個(gè)功能，第一，為候車乘客提供經(jīng)過該站臺(tái)的公交車輛的到站信息，如某路公交車當(dāng)前的區(qū)間位置，大約還要多長(zhǎng)時(shí)間到達(dá)本站，改變了以往候車乘客被動(dòng)等車的局面。第二，完成與相鄰站牌之間的通信連接，通過站牌的通信連接從而組成整個(gè)公交系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。圖4.1所示為電子站牌工作原理。

2、電子站牌硬件設(shè)計(jì)

電子站牌主要完成接收信息(包括對(duì)上游站牌及到站公汽信息的接收)、發(fā)送信息以及顯示信息。其電氣框圖如圖4.3所示。

4.2.1微處理器選型

盡管每家芯片廠商生產(chǎn)的ARM微處理器都各有不同，但都不外乎下面幾個(gè)系列[33]:ARM7系列、ARM9系列、ARM9E系列、ARM10E系列、SecurCore系列和Intel的StrongARM等，各系列處理器處理除了具有ARM體系結(jié)構(gòu)的共同特點(diǎn)以外，每個(gè)系列的ARM微處理器都有各自的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域。如如ARM7系列適用于工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、移動(dòng)電話等應(yīng)用;ARM9系列、ARM9E系列和ARM10E系列則更適合無線設(shè)備、消費(fèi)類電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì);SecurCore系列專門為安全要求高的應(yīng)用設(shè)計(jì);Intel的StrongARM處理器是便攜式通信產(chǎn)品和消費(fèi)類電子產(chǎn)品的理想選擇。

從應(yīng)用的角度說，微處理器選型的時(shí)候要考慮以下幾個(gè)方面[10][31]：①ARM內(nèi)核的選擇眾所周知，ARM微處理器包含很多系列的內(nèi)核結(jié)構(gòu)，以適用不同應(yīng)用領(lǐng)域。比如用戶希望使用Windows CE操作系統(tǒng)以減少軟件開發(fā)時(shí)間，就需要選擇ARM720T以上帶有MMU(Memory Management Unit)功能的ARM芯片，因?yàn)?strong>ARM7TDMI沒有MMU，不支持Windows CE。

②ARM芯片內(nèi)存儲(chǔ)器容量

大多數(shù)的ARM微處理器片內(nèi)存儲(chǔ)器的容量都不太大，需要用戶在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)外擴(kuò)存儲(chǔ)器。但也有部分芯片具有相對(duì)較大的片內(nèi)存儲(chǔ)空間，自身的內(nèi)存空間就可以滿足工程要求，從而達(dá)到簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的。

③ARM芯片片內(nèi)外圍電路接口除ARM微處理器核以外，幾乎所有的ARM芯片均根據(jù)各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域，擴(kuò)展了相關(guān)功能模塊，并集成在芯片之中，即為片內(nèi)外圍電路。設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)工程的需求，盡可能采用片內(nèi)外圍電路完成所需的功能，這樣既可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，又可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

從研究可行性出發(fā)，本文方案采用了ARM體系結(jié)構(gòu)的ARM7TDMI內(nèi)核。它是目前廣泛使用的32位嵌入式RISC處理器，主要用于低端的電子設(shè)備。此外，由于ARM有著極高的指令效率，極高的時(shí)鐘頻率。因此其運(yùn)算能力非常強(qiáng)大，內(nèi)部資源也十分豐富，以ARM微處理器為核心的硬件方案比較多，也較為成熟，這樣極大的簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)的難度，縮短了開發(fā)周期。

本系統(tǒng)中主控處理器主要任務(wù)包括:

①接收公交車信號(hào)以及其他電子站牌發(fā)送過來的信號(hào)，并對(duì)它們進(jìn)行處理后送本電子站牌顯示屏,顯示車輛到站和車輛行車路況。

②再通過無線模塊將相應(yīng)的信息送到下一站電子站牌,通過接力的方式將整個(gè)路線的當(dāng)前正在行駛的車輛的信息在不同的站牌上動(dòng)態(tài)顯示，以便完成了整條線路信息的實(shí)時(shí)傳遞。

結(jié)合本系統(tǒng)要完成的主要任務(wù)要求，綜合考慮處理器性能、價(jià)格應(yīng)用前景等多方面的因素，Philip公司生產(chǎn)的LPC2214芯片成為本系統(tǒng)選用的較為理想的一款處理器，該款處理器的芯片內(nèi)部集成了兩個(gè)UATR、I2C串行接口、SPI串行接口、通用I/O口等多個(gè)功能模塊，同時(shí)它還是一款支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI CPU的微控制器，很適合終端類產(chǎn)品的開發(fā)。

4.2.2微處理器LPC2214特性

本文中所選用的LPC2214[8]微處理器是一款基于支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI-S CPU的微控制器，它具有256KB的高速Flash存儲(chǔ)器，片內(nèi)位寬度接口及獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)為32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行提供了硬件基礎(chǔ)，同時(shí)其16位Thumb模式可以將代碼規(guī)模降低30%，而很少對(duì)其性能造成損失。LPC2214的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖4.4所示，其特性主要有[13]：

①16/32位ARM7TDMI-S微控制器;

②16KB靜態(tài)RAM;

③256KB片內(nèi)FLASH程序存儲(chǔ)器，128位寬度接口/加速器可實(shí)現(xiàn)高達(dá)60MHz的操作頻率;

④LQFP144腳封裝;

⑤片內(nèi)Boot裝載程序?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)編程(ISP)和在應(yīng)用中編程(IAP);

⑥8路10位A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間低至2.44us;

⑦2個(gè)32位定時(shí)器(帶4路捕獲和4路比較通道)、PWM單元(6路輸出)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和看門狗;

⑧多個(gè)串行接口，包括2個(gè)16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UART、高速I2C接口(400Kbps)和2個(gè)SPI接口;

⑨通過片內(nèi)PLL可實(shí)現(xiàn)最大為60MHZ的CPU操作頻率;

⑩向量中斷控制器?？膳渲脙?yōu)先級(jí)和向量地址;?112個(gè)通用I/O口(可承受5V電壓)，12個(gè)獨(dú)立外部中斷引腳(EINT和CAP功能);

?片內(nèi)晶振頻率范圍：1～30MHz;

?通過外部中斷將處理器從掉電模式中喚醒;

?可通過個(gè)別使能/禁止外部功能來優(yōu)化功耗;

?雙電源：CPU操作電壓范圍：1.65～l.95v(1.8V×(l±8.3%));

?I/O操作電壓范圍：3.0～3.6V(3.3V×(1±10%))

3輔助電路設(shè)計(jì)

1.電源電路

由于LPC2214微控制器有兩組電源，一是I/O口供電電源電壓為3.3V，二是內(nèi)核供電電源電壓為1.8V，所以系統(tǒng)必須要有兩組電源電壓轉(zhuǎn)換電路，電路分別如圖4.5和圖4.6所示，其中圖4.5為3.3V電源供電電路，圖4.6為1.8V電源供電電路。

號(hào)后，TSOP1738接收器輸出端引腳會(huì)輸出低電平，否則引腳輸出高電平，這樣可以將“時(shí)斷時(shí)續(xù)”的紅外光信號(hào)解調(diào)成一定周期的連續(xù)方波信號(hào)，經(jīng)微處理器通過鍵盤中斷引腳或者外中斷IRQ引腳對(duì)TSOP1738的輸出信號(hào)進(jìn)行處理，便可以恢復(fù)出原數(shù)據(jù)信號(hào)。本文采用微處理器的外中斷IRQ處理。

4.2.5紅外接收系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在實(shí)際紅外通信過程中，除了隨機(jī)錯(cuò)誤外，往往還會(huì)出現(xiàn)突發(fā)錯(cuò)誤。在紅外通信中，突發(fā)錯(cuò)誤往往是由于光的干擾或空氣中灰塵顆粒、霧氣對(duì)紅外線的散射與吸收所引發(fā)的連續(xù)錯(cuò)位錯(cuò)誤[36]。在誤碼區(qū)間內(nèi)，碼元變?yōu)槿?ldquo;0”或全“1”。對(duì)于這類突發(fā)錯(cuò)誤，簡(jiǎn)單的奇偶校驗(yàn)方式無能為力，但采用數(shù)據(jù)取反重發(fā)方式就能檢測(cè)出這類錯(cuò)誤。微處理器接收子程序流程圖如圖4.12所示。接收端利用兩次接收的數(shù)據(jù)來判斷正誤，在有外部干擾時(shí)，在正常數(shù)據(jù)信號(hào)和其反碼信相對(duì)應(yīng)的位置上受到相反干擾的幾率是極小的，因此，接收端能利用此方式檢測(cè)出信號(hào)是否為誤碼。

4.2.6無線通信系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

1.通信方式

一般來說，城市兩公交候車站臺(tái)間的距離為1Km左右，如果通過有線方式傳輸信息，有諸多不妥的地方。其一是架線的成本高而且維護(hù)費(fèi)用較大，其二是城市發(fā)展迅速，站臺(tái)經(jīng)常變動(dòng)，隨之通訊鏈路也要改變，這樣將十分麻煩。因此，我們考慮選用無線通訊方式?，F(xiàn)有的無線通訊方式有移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、無線模塊等。由于通訊技術(shù)的發(fā)展，高精度的無線通訊模塊基本可以滿足現(xiàn)有的公交候車站臺(tái)間的傳輸距離。在基本可以滿足的前提下，我們首選無線通訊方式中的無線模塊傳輸方式，畢竟租用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，其使用費(fèi)用會(huì)比較高。如果系統(tǒng)運(yùn)行中，發(fā)現(xiàn)采用無線模塊傳輸方式無法滿足要求，則我們采用GSM短信方式[38]作為備選方案。

本系統(tǒng)中無線收發(fā)設(shè)備的可靠性和有效的通信距離是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[38][39]，為此本系統(tǒng)選用上海桑銳電子科技有限公司生產(chǎn)的SRWF-508[40]芯片作為無線收

發(fā)設(shè)備，它是一款工作頻率比較寬的芯片。SRWF-508型無線數(shù)傳模塊采用高效FEC前向糾錯(cuò)技術(shù)結(jié)合高性能的無線射頻IC,以及高速微處理器相結(jié)合開發(fā)出的一線通信模塊。該無線通信模塊提供RS-232接口，可一次性傳輸無線長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)，其傳輸距離最遠(yuǎn)可以達(dá)到4.5KM以上，基于GFSK的調(diào)制方式[39]，采

用高效通信協(xié)議，提供透明的數(shù)據(jù)接口，能適應(yīng)任何標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)的用戶協(xié)議，自動(dòng)過濾掉空中產(chǎn)生的噪音信號(hào)及假數(shù)據(jù)，具有很強(qiáng)的抗干擾能力和低誤碼率,客使用時(shí)不需要任何編碼技術(shù)，無需擴(kuò)展外圍電路即可完成良好的無線數(shù)據(jù)傳輸。其技術(shù)指標(biāo)如表4.1所示[40]：

本系統(tǒng)中，各個(gè)公交站牌上都安裝了無線收發(fā)模塊SRWF-508，因此各站牌間通過該模塊相互進(jìn)行信息的收發(fā)。由于在同一時(shí)刻，下游某幾個(gè)電子站牌有可能都接收到上游電子站牌的信息，為了防止誤傳，我們采用了加入地址辨別的方式傳遞[41]，只有與本地址相同的電子站牌才能接收信息。站牌、管控中心和站牌間組成一個(gè)閉合回路[41][42]，終端電子站牌把相關(guān)車輛運(yùn)行信息通過移動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)傳送給管控中心，管控中心通過各線路終端電子站牌反饋的信息，作出相應(yīng)的調(diào)整，使道路暢通。

2.通信模塊工作原理

微處理器將數(shù)據(jù)利用串口方式傳送給SRWF-508后，SRWF-508判斷接收的碼流是命令還是數(shù)據(jù)，如果是命令則執(zhí)行命令，如果是待發(fā)送的數(shù)據(jù)則先將要發(fā)送的數(shù)據(jù)送到發(fā)送緩沖區(qū)，由于模塊的通信方式是半雙工通信，所以要將模塊由接收狀態(tài)轉(zhuǎn)換成發(fā)送狀態(tài)，這個(gè)轉(zhuǎn)換過程小于10ms，狀態(tài)轉(zhuǎn)換完成后啟動(dòng)發(fā)送打包程序。發(fā)送打包程序的功能是將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)打包成適合無線發(fā)送的數(shù)據(jù)包，并將這個(gè)數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)送到模塊中的數(shù)據(jù)調(diào)制口以GFSK的調(diào)制方式、其發(fā)射頻率為433MHz發(fā)射出去，其發(fā)射功率為30dB，當(dāng)天線高度大于3m時(shí)，傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)4.5Km。SRWF-508模塊接口電路如圖4.15所示。

本系統(tǒng)中，由于車輛運(yùn)行為雙向，本系統(tǒng)采用兩種工作頻率區(qū)分車輛的去與回，SRWF-508的工作頻率采用425MHz和433MHz，發(fā)射功率為30dB，接收靈敏度為-120dB，由公式(4-1)可以計(jì)算出在理想條件下傳播距離大約為50Km。

4.SRWF-508工作參數(shù)測(cè)試

功率損耗的大小對(duì)一個(gè)系統(tǒng)能否穩(wěn)定工作有至關(guān)重要的影響，因此我們對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試。無線模塊工作電壓為+5V，工作頻率為433MHz，工作環(huán)境溫度大概為18°，測(cè)試結(jié)果如表4.2所示，從表中我們可以看到，模塊在工作時(shí)功耗比較低，在休眠即待機(jī)時(shí)功耗更低。

表4.2無線模塊SRWF-508測(cè)試參數(shù)

參數(shù)大小

接收電流27mA

發(fā)射電流520mA

休眠電流21μA4.2.7無線收發(fā)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1.通信協(xié)議格式

要實(shí)現(xiàn)站牌間信息的傳遞，我們必須要建立一套適合的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，才能方便信息的實(shí)時(shí)傳遞，保證網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。所謂通信協(xié)議[39][42]是指通信雙方的一種約定。約定包括對(duì)數(shù)據(jù)格式、同步方式、傳送速度、傳送步驟、檢糾錯(cuò)方式以及控制字符定義等問題做出統(tǒng)一規(guī)定，通信雙方必須共同遵守。通信協(xié)議中，通信信息格式很重要，通信信息大體可以分為以下二類：

①命令信息。它包括請(qǐng)求命令、響應(yīng)命令、控制命令幾種。在本系統(tǒng)中，命令信息包含請(qǐng)求命令和響應(yīng)命令。

②數(shù)據(jù)信息。在整個(gè)公交信息服務(wù)系統(tǒng)中，其主要傳送的是車輛位置信息，是電子站牌實(shí)際所要接收的有用數(shù)據(jù)。對(duì)于命令信息，其信息格式為：

由于在信息傳輸過程中，可能存在干擾信號(hào)。如果在通信協(xié)議中加入前導(dǎo)碼，可以有效抑制干擾信號(hào)，另外前導(dǎo)碼可以起到一個(gè)位同步作用，使接收模塊在接收有用信息前，有個(gè)緩沖過程。根據(jù)相關(guān)測(cè)試和實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)無線傳輸過程中，數(shù)字信號(hào)0容易被干擾，而0XFF后跟0XAA、0X55時(shí)噪聲不易產(chǎn)生。因此，前導(dǎo)碼由3個(gè)字節(jié)構(gòu)成:FF AA 55。

命令類型標(biāo)識(shí)碼表示本次傳送的信息是命令信息，而不是數(shù)據(jù)信息。本協(xié)議中，我們規(guī)定命令類型標(biāo)識(shí)碼為：0XEE，由1個(gè)字節(jié)構(gòu)成。命令代碼由1個(gè)字節(jié)組成，在本協(xié)議中，我們規(guī)定：請(qǐng)求命令代碼為0XCC，應(yīng)答正確命令代碼為0XAA，應(yīng)答出錯(cuò)命令代碼為0XBB。

對(duì)于數(shù)據(jù)信息，其信息格式為：

數(shù)據(jù)類型標(biāo)識(shí)碼表示本次傳送的信息為數(shù)據(jù)信息，而不是命令信息。其標(biāo)

識(shí)碼為：0XE5，占一個(gè)字節(jié)。

由3.2.2節(jié)關(guān)于站臺(tái)編碼的方式，我們可以知道城市中每個(gè)站臺(tái)塊均有一

個(gè)表示其唯一身份的特定的地址碼，由2個(gè)字節(jié)來表示。例如電子站牌Ⅰ地址

為0x0000，電子站牌Ⅱ地址為0x0001，依次下去，最大可以標(biāo)識(shí)65536個(gè)站臺(tái)。

只有與目的地址相同的站牌才會(huì)接收信息內(nèi)容。

數(shù)據(jù)信息內(nèi)容占2個(gè)字節(jié)。用2個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)表示公交車輛的線路號(hào)及本線

路車輛編號(hào)，其中這2個(gè)字節(jié)中前10位數(shù)據(jù)用來編制公共汽車線路，這樣可以

保證每個(gè)城市開通210=1024條線路的公共汽車，后6位數(shù)據(jù)用來編制該條線路

公共汽車的數(shù)量，這樣可以保證每條線路可以開通26=64輛公共汽車。

本系統(tǒng)通信協(xié)議中采用CRC

校驗(yàn)，占2個(gè)字節(jié)。發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)信息時(shí)，將CRC校驗(yàn)碼放在發(fā)送的信令中。接收端接收完數(shù)據(jù)信息后進(jìn)行CRC校驗(yàn)，將CRC校驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，根據(jù)比對(duì)結(jié)果發(fā)送相應(yīng)的應(yīng)答信號(hào)，以便發(fā)送端做出相應(yīng)處理。

2.軟件流程

在本公交系統(tǒng)中，由于我們是自行搭建的通信網(wǎng)絡(luò)，所以我們必須制定一個(gè)適合的通信標(biāo)準(zhǔn)，以建立實(shí)時(shí)的、可靠的通訊網(wǎng)絡(luò)。

電子站牌除了要實(shí)現(xiàn)顯示公交車區(qū)間位置信息外，還要負(fù)責(zé)向下一個(gè)電子站牌傳送車流量信息以及切換到對(duì)下一車次信息的檢測(cè)，這樣依次接力下去，

電子站牌就可以完成對(duì)所有車次的公交車的全線路通信。為了減少無效的傳輸，每站我們?cè)黾恿诵畔⑽锤聞t不發(fā)送的策略，否則發(fā)送的是無效信息，其工作流程如圖4.16所示。電子站牌中的微控制器初始化后，設(shè)置定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間為10ms。由于每個(gè)車站站牌都有唯一識(shí)別的地址，在整個(gè)通信鏈路中，只有地址相符的電子站牌間才能夠建立起通信路徑。

本系統(tǒng)中，公交車輛與電子站牌間以紅外傳送方式建立通信鏈路，電子站牌間以無線模塊SRWF-508建立通信鏈路。兩種方式的通信鏈路以每10ms進(jìn)行切換，這樣可以使電子站牌能夠及時(shí)應(yīng)答任何一種通信鏈路方式的狀態(tài)請(qǐng)求。由于車輛運(yùn)行都是雙向的，為了區(qū)分站牌接收的信息是上行數(shù)據(jù)還是下行數(shù)據(jù)，

我們制定以下規(guī)則：上行時(shí)，模塊SRWF-508采用425MHz的工作頻率;下行時(shí)，模塊SRWF-508采用433MHz的工作頻率。當(dāng)電子站牌檢測(cè)到上一電子站牌的發(fā)送給它的數(shù)據(jù)信息時(shí)，電子站牌準(zhǔn)備接收上一電子站牌發(fā)送給它的數(shù)據(jù)信息，電子站牌將接收到的數(shù)據(jù)信息放入緩存，進(jìn)行CRC校驗(yàn)，校驗(yàn)結(jié)果正確，就送至本站牌中的LCD屏顯示，同時(shí)將要傳送的數(shù)據(jù)信息與下一站臺(tái)編號(hào)疊加后，打成新的數(shù)據(jù)發(fā)送包發(fā)送給下一站;若校驗(yàn)結(jié)果不正確，則會(huì)請(qǐng)求上一電子站牌重新

發(fā)送相關(guān)內(nèi)容，如果連續(xù)發(fā)送3次都無法正確接收信息，則放棄本次接收，直到進(jìn)入下一個(gè)通信過程。電子站牌在接收上一電子站牌信息同時(shí)，會(huì)以每10ms的時(shí)間隔轉(zhuǎn)換一次通信鏈路，檢測(cè)是否有公交車輛向本站發(fā)送信息，如果有發(fā)送請(qǐng)求，電子站牌通過紅外模塊向該公交車輛回送應(yīng)答信號(hào)，同時(shí)做好接收數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)備，接收數(shù)據(jù)信息后微處理器將上一站和本站的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行重新打包處理存入緩存，進(jìn)行顯示以及將新數(shù)據(jù)包發(fā)送到下一站。

4.2.8顯示系統(tǒng)中LCD顯示方式

電子站牌顯示系統(tǒng)部分主要是顯示公交車車輛區(qū)間位置信息，當(dāng)公汽在某兩站之間時(shí)，由線路和車號(hào)標(biāo)志的方塊在該兩站中間來回移動(dòng)以表示該公汽在該兩站之間運(yùn)行。圖4.17所示為武漢公交724線路中車號(hào)為n的公汽的行駛路線圖。比如，該線路汽車?？吭跇?biāo)號(hào)為23的公交站牌時(shí)，它會(huì)向該站牌發(fā)出信息，該站牌接收到信息后，疊加上本站的信息，打成新的數(shù)據(jù)包發(fā)送給下一電子站牌，在圖4.17中即為標(biāo)號(hào)24的站牌。標(biāo)號(hào)24的站牌接收到該信息后，經(jīng)微處理器處理后，調(diào)出預(yù)先編制好的724線路的行駛路線圖，然后在該站牌的LCD屏上顯示該車輛的行駛區(qū)間，顯示形式即為標(biāo)號(hào)23與標(biāo)號(hào)24之間有個(gè)帶數(shù)字的方塊在這兩站之間來回移動(dòng)，以告知在該站候車的乘客。

液晶是透明的物質(zhì)，其特性介于液體與固體之間。常態(tài)下，液晶分子成固態(tài)狀，分子有序地排列在一起，外界光線可直接穿過它。在外加電場(chǎng)作用下，液晶分子的排列秩序會(huì)發(fā)生變化，液晶分子成液態(tài)狀，光線的穿透會(huì)受影響。LCD顯示原理是什么呢?那就是通過加電壓的方式，使液晶分子狀態(tài)發(fā)生變化，

從而改變背景光線穿過液晶分子的穿透率，使液晶板上可以顯示出不同的圖像。也就是說LCD屏上顯示效果是由于在顯示像素上施加了電場(chǎng)的緣故，像素前后兩電極上的電位差決定了像素顯示狀態(tài)及效果。

2.LCD驅(qū)動(dòng)方式[44]

根據(jù)上面介紹，LCD顯示是在電壓驅(qū)動(dòng)作用下實(shí)現(xiàn)的。其驅(qū)動(dòng)方式與LED顯示類似，分為靜態(tài)驅(qū)動(dòng)和動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)兩種。

①靜態(tài)驅(qū)動(dòng)方式

在靜態(tài)驅(qū)動(dòng)的液晶顯示器件上，各像素的背電極并聯(lián)在一起作為一個(gè)引腳引出，而各個(gè)字段像素的段電極作為獨(dú)立引腳分別引出。如果顯示某段，則使這個(gè)像素的背電極與段電極之間產(chǎn)生電勢(shì)場(chǎng);如果不顯示某段，則使其之間無電勢(shì)場(chǎng)。在顯示像素兩極加電勢(shì)場(chǎng)容易，但長(zhǎng)期加電勢(shì)場(chǎng)，容易使液晶材料老化，影響液晶屏使用壽命。所以我們必須采用以脈沖電壓形勢(shì)產(chǎn)生的交流驅(qū)動(dòng)方式。那該如何實(shí)現(xiàn)呢?我們可以通過以下方法實(shí)現(xiàn)：在背電極上施加一個(gè)正脈沖序列，在需要顯示的像素段電極上施加一個(gè)與背電極等幅的正脈沖序列，但它們的相位相差180°，則在該像素上則會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)場(chǎng);在不顯示的像素段電極上加入一個(gè)與背電極同相位的等幅正脈沖序列，則在該像素上不會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)場(chǎng)。這就是液晶顯示的靜態(tài)驅(qū)動(dòng)方式。

②動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)方式

在橫向一組像素的背電極并聯(lián)在一起作為一個(gè)引腳引出，稱之為行電極，在縱向一組像素的段電極并聯(lián)在一起作為一個(gè)引腳引出，稱之為列電極。這種結(jié)構(gòu)構(gòu)成了一個(gè)矩陣陣列，液晶屏上任一像素位置都能其所在的行與列唯一確定。液晶顯示控制器在時(shí)序脈沖信號(hào)下，循環(huán)給行電極施加脈沖，同時(shí)給該行像素的所有列電極施加脈沖，使其實(shí)現(xiàn)所有顯示像素的驅(qū)動(dòng)，由于掃描循環(huán)周期很短，且是不斷循環(huán)進(jìn)行的，這樣能夠使液晶顯示屏上呈現(xiàn)穩(wěn)定的圖像效果。

我們把這種掃描驅(qū)動(dòng)方式稱為動(dòng)態(tài)驅(qū)。

為了節(jié)省I/O口，減少大規(guī)模的驅(qū)動(dòng)電路，本文中LCD屏采用動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)方式。ARM微處理器將圖文信息轉(zhuǎn)化為特定格式的點(diǎn)陣信息，將其存儲(chǔ)在SDRAM存儲(chǔ)器中，SCALER MST8131從SDRAM中接收信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為Panel可以識(shí)別的LVDS信號(hào)。

4.2.9顯示系統(tǒng)中的信號(hào)處理

目前市面上面板分辨率越來越大，相應(yīng)地信號(hào)頻率也越來越高，電磁干擾成為一種必須克服的問題，LVDS信號(hào)以其在低電壓和抗電磁干擾上的優(yōu)勢(shì)，受到大部分面板制造商的認(rèn)可，因此LVDS接口在面板上的應(yīng)用越來越普遍。

LVDS是一種差分信號(hào)技術(shù)，能有效控制電磁干擾，其低壓與低電流驅(qū)動(dòng)輸出實(shí)現(xiàn)了低噪聲和低功耗。

圖4.18所示為TTL信號(hào)與LVDS信號(hào)的轉(zhuǎn)換原理圖，TTL信號(hào)經(jīng)過信號(hào)轉(zhuǎn)換后變?yōu)榉纫粯佣鴺O性相反的兩信號(hào)。通過一級(jí)電壓比例衰減器后，可以將原來的高電壓信號(hào)變?yōu)橐粚?duì)低電壓信號(hào)，減少損耗。

①時(shí)鐘恢復(fù)回路

MST8313有一個(gè)內(nèi)部的時(shí)鐘恢復(fù)回路，這個(gè)回路由一個(gè)數(shù)字時(shí)鐘合成器和模擬電路PLL組成。它用來產(chǎn)生取樣時(shí)鐘信號(hào)，以采集模擬的RGB數(shù)據(jù)。這個(gè)回路鎖定于輸入的行同步信號(hào)，時(shí)鐘恢復(fù)回路用來調(diào)整源時(shí)鐘頻率(SCLK);在每個(gè)行同步信號(hào)輸入的上升沿產(chǎn)生反饋信號(hào)。包括第一個(gè)和最后一個(gè)行同步信號(hào)都可以產(chǎn)生60MHz的頻率。在工作電壓及溫度要求的范圍內(nèi)，可以在1ms之內(nèi)實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)面板的時(shí)鐘信號(hào)與源時(shí)鐘信號(hào)(或一半)不同時(shí)，有一個(gè)象素時(shí)鐘用來驅(qū)動(dòng)面板。它是由一個(gè)和時(shí)鐘恢復(fù)回路一樣的回路產(chǎn)生的。它們的區(qū)別在于：源時(shí)鐘信號(hào)鎖定于行同步輸入信號(hào)，而目的時(shí)鐘信號(hào)鎖定于源時(shí)鐘信號(hào)。

②模/數(shù)轉(zhuǎn)換器

MST8313A內(nèi)部集成了3個(gè)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，每一色一個(gè)(R、G、B)。每個(gè)ADC都是8-bits輸出，用于將輸入的模擬RGB信號(hào)轉(zhuǎn)換成8-bits的數(shù)字信號(hào)，分別為R0-R7、G0-G7、B0-B7。信號(hào)支持：MST8313A芯片支持?jǐn)?shù)字分離信號(hào)、數(shù)字混合信號(hào)和模擬混合信號(hào)。支持所有的這些信號(hào)都不需要額外的外圍電路。

③源時(shí)序產(chǎn)生器(STG)

STG模塊定義了一個(gè)圖形抓取窗口，并且發(fā)送數(shù)據(jù)給數(shù)據(jù)通道模塊。圖

4.20顯示了這個(gè)口的定義。

在水平的方向,它被定義在SCLKS(等價(jià)的像素計(jì)算);在縱向的方向,它被定義在行。所有以“Source”開頭的參數(shù)均被定義在MST8313的寄存器中，

SDRAM在復(fù)位信號(hào)作用下將其狀態(tài)驅(qū)動(dòng)到上電狀態(tài)后，微處理器將復(fù)位信號(hào)撤銷，SDRAM進(jìn)行一次預(yù)充電，對(duì)其相應(yīng)的寄存器組、控制引腳信號(hào)進(jìn)行配置。預(yù)充電完成后進(jìn)入空閑狀態(tài)，在該狀態(tài)下，如果有刷新請(qǐng)求或者處于初始化階段，則轉(zhuǎn)入自動(dòng)刷新狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的信號(hào)，啟動(dòng)刷新等待定時(shí)器。自動(dòng)刷新后發(fā)出一個(gè)自動(dòng)刷新應(yīng)答信號(hào)，進(jìn)入刷新等待狀態(tài)，刷新等待定時(shí)器定時(shí)結(jié)束之后，結(jié)束本次刷新，之后再判斷是否是初始化階段，如果是初始化階段，就要要進(jìn)入工作模式設(shè)置狀態(tài)，否則在無讀寫請(qǐng)求操作時(shí)回到空閑狀態(tài)，有讀寫請(qǐng)求操作時(shí)轉(zhuǎn)入行選通工作模式設(shè)置狀態(tài)，行選通后會(huì)有一個(gè)時(shí)鐘周期等待，進(jìn)入列狀態(tài)工作模式設(shè)置。如果此時(shí)是寫請(qǐng)求，相應(yīng)控制信號(hào)選通，同時(shí)置位突發(fā)使能信號(hào)，按照設(shè)定的突發(fā)長(zhǎng)度操作，然后進(jìn)入寫等待狀態(tài)，直到本次突發(fā)狀態(tài)結(jié)束，然后進(jìn)入第二個(gè)寫等待狀態(tài)進(jìn)行緩沖，最后返回預(yù)充電狀態(tài);果是讀請(qǐng)求，在列選通之后按照可編程長(zhǎng)度進(jìn)行列選通潛伏等待，然后SDRAM的數(shù)據(jù)會(huì)在數(shù)據(jù)端口連續(xù)的出現(xiàn)，進(jìn)入等待讀數(shù)據(jù)狀態(tài)。讀操作最后返回預(yù)充電狀態(tài)。

4.3本章小結(jié)

本章節(jié)論述了電子站牌的硬件構(gòu)成，分別給出了紅外接收部分、無線通信部分以及顯示部分的硬件電路圖和軟件設(shè)計(jì)，在本章中重點(diǎn)分析了電子站牌的動(dòng)態(tài)顯示部分，其電子站牌實(shí)圖與武漢目前裝配的類似，其信號(hào)傳輸方式與傳輸流程不同，再者就是我們采用LCD屏顯示車輛信息，對(duì)比武漢目前裝配的電子站牌，其車輛信息顯示量要大很多。