1、应用技术学院本科毕业论文题目：基于 ARM 的年级：专业：班号：学号 ： 学生姓名： 指导教师： 职称：论文提交日期： 年 月 日目录摘要3Abstract3前 言3第一章 总体设计41.1 系统概述41.2 系统设计4第二章 硬件模块介绍52.1 控制电路设计模块52.1.1 主芯片介绍52.1.2 控制电路设计52.2 车站识别电路设计模块62.2.1 GPS 硬件结构62.2.2 GPS 设计72.3 语音播报电路设计模块82.4 显示电路设计模块82.4.1 串口显示介绍82.4.2 串口屏原理92.5 按键电路设计模块9第三章 系统软件设计93.1 主程序93.2 GPS 数据解析程
2、序103.3 串口触摸屏驱动程序153.4 语音合成驱动程序163.5 按键程序18第四章 测试分析20总结与展望20参考文献20致谢20摘要随着国民经济的不断发展和城市人口的不断增长，城市中的公交车日益凸显出了其特有的优势：方便、快捷、价格低廉、运载量大、能耗低、低污染， 因此公交车逐渐成为了广大人民出行首选的交通工具。近些年来手动按键报站方式仍然是公交车上比较普遍采用的报站方式，但其报站不准确，并且报站时需要由驾驶员进行手动操作，这给行驶中的车辆带来了一定的安全隐患。现阶段虽然国内已经有些大中城市的公交车上已经采用了基于 GPS 定位系统的自动报站方式，但其昂贵的成本，目前难以实现普及。本
3、设计主要目的是针对目前公交车常见报站方式的主要缺陷，探索设计出一种物美价廉的公交报站器。本文介绍一种基于 GPS 模块和 STM32 单片机设计的自动语音报站系统。利用 STM32F103C8T6 串行口通信接收 GPS 模块输出的经纬度信息，通过对比存储经、纬度数据和相应的站点名字。确认公交车是否进入设定站台范围内，以达到自动报站的目的；再设计的过程中给出硬件电路的设计方案、主要软件流程图、数据处理及其程序设计的方法。本设计解决了以住公交车报站系统人工操作不便、误报站多、故障时不报站等问题。关键词：公交语音报站、GPS、STM32、单片机AbstractWith the continuous
4、 development of the national economy and the continuous growth of the city population, the city bus is increasingly protruding shows its unique advantages: convenient, fast, low cost, high carrying capacity, low energy consumption, low pollution, so the bus gradually become the majority of people tr
5、avel the preferred means of transport. In recent years, the manual button station mode is still more commonly used in the bus station, but its newspaper station is not accurate, and the station is required to operate manually, which brings a certain security risks to the vehicle. Although there are
6、already some large and medium cities in the domestic bus has been used based on the GPS positioning system to automatically stop way, but its expensive cost, is difficult to achieve universal. The main purpose of this design is to design a kind of cheap and good quality public transportation station
7、, which is aimed at the main defects of the bus station.This paper introduces an automatic speech system based on GPSmodule and STM32 MCU. STM32F103C8T6 serial port communication to receive the output of the GPS module latitude and longitude information, through the comparison of storage, latitude d
8、ata and the corresponding site name. Confirm whether the bus entered the platform to achieve the purpose of automatic reporting station. The design of hardware circuit, the main software flow chart, data processing and program design method are given in the process of design. This design solves the
9、problem of the inconvenience of manual operation, the false alarm station and the station of the fault in the station system.Keywords: Public Transportation Voice Station, GPS, STM32, MicrocontrollersWritten by Zhu Biwei Supervised by Peng Jingyu前 言随着我国国民经济快速增长，人民生活水平不断提高，工业化、城镇化、机动化进程深入推进，公交车因其方便、快
10、捷、价格低廉、运载量大、能耗低、低污染等特点逐渐成为了广大人民出行首选的交通工具。近些年来手动按键报 站方式仍然是公交车上比较普遍采用的报站方式，但其报站不准确，并且报站 时需要由驾驶员进行手动操作，这给行驶中的车辆带来了一定的安全隐患。现 阶段虽然国内已经有些大中城市的公交车上已经采用了基于 GPS 定位系统的自动报站方式，但其昂贵的成本，目前难以实现普及。针对目前公交车常见报站 方式的主要缺陷，本设计探索设计出一种运用 GPS 卫星定位与语音合成技术相结合的公交报站器。目前，国内 GPS 语音自动报站系统处于试验阶段，仅有广州、青岛等几个城市有几条试验线路采用 GPS 语音自动报站技术。第
11、一章 总体设计1.1 系统概述该系统采用了更先进的卫星定位技术和语音合成技术相结合的办法，以前， 必须有司机操控，公交车语音报站器才可以工作，现在本系统的实现改善了这 一环节，能够实现自动播报站名及服务用语，进站和出站，且及时、准确、不 要靠人工介入，实现了公交车报站器的完全智能化。本设计的主要特点有：(1 采用 GPS 卫星定位技术，可以自动地、准确地播报当前所到达的站名、服务用语以及广告等等。(2) 能够与显示屏直接连接，同步显示报站信息、当前经纬度位置以及速度等。(3) 可存储多条线路，方便公交车临时更换运营线路。GPS 总线自动站系统包括两部分硬件和软件两者。硬件是以 STM32F01
12、3 处理器核心，必要的外围配置存储器，I/O 设备，通讯模块；软件则是以嵌入式软件为核心，以提供应用程序编程接口（API），能够向下屏蔽具体的硬件板级支持包 BSP。嵌入式系统中，软件和与协调工作的硬件紧密配合，完成系统预定的功能。1.2 系统设计本本设计的一种比较先进的基于 GPS 的公交车语音报站系统的基本原理如下图所示。通过 GPS 模块获取 GPS 工作卫星的导航数据，通过对接收到的数据分析从而计算出公交车当前的经纬度信息、速度等数据；根据 GPS 定位数据计算出公交车的实时坐标，将其与站点坐标相比较，当公交车驶入站点一定距离范围内时，不用进行人工的干预，系统可以自动为乘客报站。将位置
13、信息与数据库中电子矢量地图进行匹配，根据公交车位置的不同，显示屏上显示不同的站点信息等。在离站、到站阈值范围内语音提示的同时，在显示屏上显示同类信息，也可通过按键设置播报音量的大小。其硬件模块可分为电源、主控芯片、语音合成模块、按键模块、GPS 模块和串口触摸屏模块，如下图所示。1.3 硬件选型主控芯片：方案一：采用 STM32F103C8T6 芯片。STM32F103C8T6 是一款由 ST 公司设 计的低功耗、高度集成的 32 位 RISC 处理器，它采用 64 脚 LQFP 封装，为手持设备和一般类型应用提供了低价格、低功耗、高性能小型微控制器的解决方案。STM32F103C8T6 的显
14、著特性是其 CPU 核心为一个 32 位的 CORTEX-M3 处理器。通过提供一系列完整的系统外围设备，STM32F103C8T6 可大大减少整个系统的成本，不需要为系统配置额外器件。方案二：利用 MSP430 微处理器作为主控芯片。MSP430 微处理器称为混合信号处理器，它可以是一个数字模拟电路、数字集成电路模块和微处理器的单个芯片上的不同功能的，MSP430 微控制器是德州仪器（TI）的 1996 年开始向市场投放了 16 位的超低功率，降低了指令集（RISC）混合信号处理器（混合信号处理器）。该设备需要电池供电，在便携式仪器仪表上的应用更好。所以在一些大型、昂贵的的设计上不宜使用。G
15、PS 模块：SiRFstarIVGSD4eWLCSP芯片。CPU内核为方案一：采用 SIRF 公司最新数据。采用 3.3VCMOS通用串行接口,UART 波特率默认 4800bps,最高1.25Mbps 可调，预留 I2C 接口，方便扩展 DR 功能，可通过外接 GPS 天线实ARM7ROM48内核处理架构。采用通道“全视野”追踪卫星,提供最准确的定位的灵敏度采用标准 NMEA0183DGPS 协议:WAAS,EGNOS现 NMEA 输出模块定位精度高，-163dbm码，支持方案二：采用 ublox 公司 GPS 模块。LEA-4H/LEA-4S 是目前 u-blox 推出的小型化的第四代 G
16、PS 模块定位产品本年度主力品种，,模块体积竟然不到一元硬币大小，以突出的 65mW 的低功耗及竟达到-158db 的高感度信号追踪,更重要的是它可以支持无源/有源天线，采用陶瓷无源天线的优势是整个可以做到很小， 甚至可以内置于手机当中，也可以外接有源天线来扩展更强的外围信号,各项性能指标在同类 GPS 模块轻松胜出.显示模块：方案一：利用 LED 数码管动态扫描显示。LED 数码管价格相对低廉，用于显示简单的字母和数字较为合适。但是采用动态扫描法所需单片机的 IO 口较多， 然而因为单片机 IO 口输出的电流太小，所以还要设计一个驱动电路，利用驱动电路对电流放大后才能控制数码管，如果采用数码
17、管显示的内容多了，电路的焊接的难度会增大比较容易发生错误。方案二：采用串口屏。串口屏是由液晶屏+单片机+存储器三部分构成的， 由计算机将图片和汉字点阵通过 GpuMaker 程序预先存储到串口屏的存储器中， 然后由单片机通过串口发送指令调用显示就可以，单片机部分的编程就会变得异常简单。语音合成模块：方案一：采用语音合成芯片 SC805 。SC8065 是一款单芯片 CMOS 一次性可编程语音芯片，该语音芯片采用最新的架构 EPROM OTP（一次性可编程），具有输入 PWM 脚和两个 I / O 引脚，拥有准确性和抗干扰性，只有一组 PWM 输出的，因此无需多余的外部电路。方案二：采用 SYN
18、6288 语音合成模块。SYN6288 是北京宇音天下科技有限公司于 2010 年初推出的采用 PSOLA 拼接合成技术的一款语音合成芯片。SYN6288 通过异步串口(UART)通信方式，接收待合成的文本数据，实现文本到语音(或 TTS 语音)的转换，可直接通过 PWM 输出方式驱动扬声器或外接功率放大电路驱动扬声器，进行语音输出，并可以通过读取 BUSY 管脚的电平获取芯片当前的状态。综合上述的描述，最终根据本设计中的功能要求和成本考虑主控芯片采用STM32F103XC8T6，GPS 模块采用 Ublox 公司 GPS 模块，显示模块采用串口屏以及语音合成模块采用 SYN6288 模块较合
19、理。第二章 硬件模块介绍2.1 控制电路设计模块2.1.1 主芯片介绍核心处理器 STM32F103C8T6 是一款由 ST 公司设计的低功耗、高度集成的32 位 RISC 处理器，它采用 64 脚 LQFP 封装，为手持设备和一般类型应用提供了低价格、低功耗、高性能小型微控制器的解决方案。STM32F103C8T6 的显著特性是其 CPU 核心为一个 32 位的 CORTEX-M3 处理器。通过提供一系列完整的系统外围设备，STM32F103C8T6 可大大减少整个系统的成本，不需要为系统配置额外器件。该 STM32F103xx 中等密度的高性能线系列结合了高性能在 72 MHz 的频率，高
20、速 ARMCortex-M332 位 RISC 内核工作嵌入式存储器（闪存高达 128KB 的 SRAM 和高达 20 千字节）和增强的 I/O 和外围设备的广泛连接到两个APB 总线。所有器件提供了两个 12 位的 ADC，三个通用 16 位定时器加一 PWM 定时器，如以及标准和先进的通信接口：多达两个个 I2C 和 SPI，三 USART 接口， 一个 USB 和一个 CAN。该器件采用 2.0 至 3.6 V 电源供电。它们是在两个-40 到可用+85C 的温度范围和-40 至+105C 扩展级温度范围。一个全面的省电模式，可以让低功耗应用的设计。该 STM32F103xx 中等密度的
21、高性能线系列产品包括六种不同的设备封装类型：从 36 针到 100 针。根据选择的设备上，不同组的外围设备包括，下面的描述给出的完整范围的概述在这个家庭提出的外设。这些特点使得 STM32F103xx 中等密度的高性能微控制器线家庭适用于广泛的应用范围，如电机驱动器，应用控制，医疗和手持设备，PC 和游戏外设，GPS 平台，工业应用的 PLC，变频器，打印机，扫描仪，报警系统，视频对讲，和 HVACs。2.1.2 控制电路设计最小系统原理图如下所示：1011SY6288_RX12SY6288_TX13 1415161729GPU_RX30GPS_TXC1313233343738Cap 22pF
22、 C2Y1 8M234PA0-WKUP PA1PA2 PA3 PA4 PA5 PA6 PA7PA8 PA9 PA10 PA11 PA12 PA13 PA14 PA15PC13-TAMPER-RTC PC14-OSC32_IN PC15-OSC32_OUTPB0 PB1 PB2 PB3 PB4 PB5 PB6 PB7PB8 PB9 PB10 PB11 PB12 PB13 PB14 PB15PD0-OSC_INPD1BOOT0 NRST1819203940414243454621222526272856447GND VCC12436489U1BVBATVDD_1 VDD_2 VDD_3VDDAVS
23、S_1 VSS_2 VSS_3VSSA2335478STM32F103C8T6GNDCap 22pFSTM32F103C8T6GNDR1Res2 10KC3Cap 10uFS1SW-PBVCCU1A21GND图 2-1-2 控制电路原理图本设计将 PA9 和 PA10 引脚连接 GPS 的 RX 和 TX 端，单片机通过 TX 引脚给 GPS 发送指令，GPS 模块由 RX 引脚反馈数据给单片机，单片机通过串口中断的方式接收。PA2 和 PA3 引脚分别连接 SY6288 语音模块的 RX 和 TX 端， 也同样单片机由 TX 端发送指令给语音合成模块从而完成语音播报的控制，RX 端则负责处理
24、反馈的数据。另外，还有 PA4 和 PA5 两个引脚连接了两个按键， 代表音量的增高和降低，通过外部中断的方式触发并处理数据，以达到音量的控制。2.2 车站识别电路设计模块Ublox 公司通过使用其他厂商的 GPS 芯片设计生产 GPS 模块的方式打入GPS 行业，主攻车载 GPS 市场。小有成就之后，开始涉足芯片设计。此后和Atmel 公司合作，U- blox 公司提供 GPS 接收算法，Atmel 则负责芯片的设计生产。这次合作使得 U- blox 成功转型为 GPS 芯片供应商，并采用自己的芯片继续生产 GPS 模块，在欧洲车载 GPS 市场获得巨大成功。当时的 Atmel 也非常看好U
25、- blox，并考虑过收购 U- blox，但当时由于价钱没谈拢，没有成功。转眼间 U-blox 已经成了一个壮汉，显然不再甘心芯片设计生产再受 Atmel 约制，开始自己设计芯片，2006 成功推出 U- blox5 系列芯片组，前瞻性地具备兼容美国 GPS 卫星系统和欧盟伽利略卫星系统引擎，数据刷新频率可小于 1 秒，50 毫瓦的超低功耗和高达-160 dBm 的 SuperSense 跟踪灵敏度等领先性能而终成霸业。在公司成立 10 年后的 2007 年成功在瑞士证券交易所上市。如今，U- blox 在 GPS 行业如同一个标杆，是欧洲汽车 GPS 导航委员会及伽利略委员会委员,参与制定
26、欧洲汽车 GPS 导航专业标准制定及修正。2.2.1 GPS 硬件结构模块由两个功能部分组成：射频（RF）和基带（Baseband）部分。RF 前端包括输入匹配元件、SAW（声表面波）带通滤波器、u-blox 6 RF-IC（带集成的 LNA）和频率源。基带部分，包括 u-blox 6 基带处理器、RTC 晶体振荡器和附加的元件如：用于扩展编程和灵活性的可选 FLASH 内存。其详细结构如下图所示：VCC：主电源图 2-2-1 GPS 内部结构图主电源接到 VCC 脚。在运行期间，u-blox 6 GPS 模块的消耗的电流变化非常大，特别是节电模式的时候。系统电源应该能提供短时的峰值电流。当从
27、备份模式切换到正常模式或者启动时 u-blox6 模块先给内核域的内部电容充电，这时会产生一个很大的电流，对于低功耗的应用，使用节电或备份模式，电源或在模块输入的低 ESR 电容担负着这个充电电流。V_BCKP：备份电源在 VCC 失去的时候，实时时钟和备份 RAM 的供电通过 V_BCKP 脚。这个备份电源使得 u_blox6 接收器能够以若启动或温启动方式（取决于 VCC 掉电的时间长度）从掉电中恢复过来，可以保持配置信息存储在备份 RAM 中不丢失。如果无备份电池连接，接收器上电的时候会执行冷启动。u-blox 6 具有 UART 接口（RxD1/TxD1），支持波特率 4.8 到 11
28、5.2kBit/s，但注意这个信号输入输出电平是 0V 到 VCC 范围，而不是标准的 RS232 接口电平， 所以需要有电平转换 IC，如 MAX3232。不支持硬件握手信号和同步操作。更多的信息见 LEA-6/NEO-6/MAX-6 的数据手册。2.2.2 GPS 设计通常 GPS 模块支持两种格式:二进制消息格式和 NMEA-0183 ASCII 消息格式。前者的通信协议为 9600b/s、无校验、8 位数据位、1 位停止位；后者的通信协议为 4800b/s、无校验、8 位数据位、1 位停止位。由于 NMEA-0183ASCII 格式直观、易于识别及应用,因此本设备采用 ASCII 格式
29、。系统接收到的 GPS 数据主要由帧头、帧尾和帧内数据组成。根据数据帧的不同，帧头也不相同，主要有GPGGA、GPGSA、GPGSV 以及GPRMC 等。这里选用推荐的GPRMC。各类数据帧分别包含了不同的信息，在此列举出GPRMC 的各项含义：GPRMC，*hh当前位置的格林威治时间，格式为 hhmmss。状态，A 为有效位置，V 为非有效接收警告，即当前天线视野上方的卫星个数少于颗。纬度，格式为 ddmm.mmmm。标明南北半球，N 为北半球、S 为南半球。径度，格式为 dddmmmmmm。标明东西半球，E 为东半球、W 为西半球。地面上的速度，范围为 000.0 节999.9 节(1 节
30、=1.852km/h)。方位角，范围为 000.0 度359.9 度。日期，格式为 ddmmyy。地磁变化，从 000.0 度180.0 度。地磁变化方向，为 E 或 W。由于帧头由逗号分隔的，所以当处理高速缓存的数据每个数据段帧是通常 通过搜索 ASCII 码“$” ，以确定是否首部。之后的类别进行标识的头，然后经通过计算逗号正在处理判断目前的数字是什么样的导航参数，并进行相应的处理。2.3 语音播报电路设计模块语音合成传输电路主要由 SYN6288 模块和扬声器组成。其中 SYN6288 负责实现文本到语音的转换(TTS)，扬声器负责发出声音提示。SYN6288 是北京宇音天下科技有限公司于 2010 年初推出的采用 PSOLA 拼接合成技术的一款语音合成芯片。SYN6288 通过异步串口(UART)通信方式，接收待合成的文本数据，实现文本到语音(或 TTS 语音)的转换，可直接通过 PWM 输出方式驱动扬声器或外接功率放大电路驱动扬声器，进行语音输出，并可以通过读取 BUSY 管脚的电平获取芯片当前的状态。该芯片支持 GB2312 等格式的文本，支持标点符号、汉字、数字、英文字母及
