記重收費用費額顯示器中語音和顯示功能的設計與實現

中北大學 趙 婷 姚竹亭

山西百得開放有限公司 劉春力

1.引言

山西省交通信息通信公司自主研究開發的XT-FX-Y系列一體化費額顯示器，可顯示車型、金額、總重、超限、余額等數字和語音提示信息等，同時具有通行指示燈、聲光報警等功能。XT-FX-Y型費額顯示器設計先進，功能齊全，質量可靠。用于高速公路、國道、省道收費站等交通控制場所，安裝于收費站計重收費出口車道的左前方，顯示車輛的收費、通行及報警信息。

2.硬件電路設計

2.1 主控部分

費額顯示器采用的是STC89C52單片機作為MCU主控制部分，其中單片機的P10-P17口接AP89085芯片的S1-S8腳(觸發引腳)，用于控制語音芯片部分；單片機P0口接上拉電阻，P00-P02口接數碼顯示板接口，用于控制數碼顯示板。單片機的口接AP89085芯片的SBT引腳(觸發引腳)，用于觸發AP89085芯片，T0引腳接AP89085芯片的OUT3腳(可編程輸出引腳)，可對AP89085芯片進行編程。

2.2 語音功能實現

費額顯示器的語音播報功能是使用AP89085芯片完成的，如圖1所示為語音芯片硬件電路設計，AP89085芯片是3.3V電壓供電的，是一次性編程(OTP)語音芯片，是采用4-bit ADPCM或8-bit PCM壓縮方式。在6K采樣率下時間長度可達到85秒；通過M0和M1可以選擇按鍵或CPU方式觸發，圖中M0接上拉電阻置高電平，M1接地置低電平，當M1=0，M0=1設置成CPU芯片并行命令方式；按鍵可以觸發32段，CPU可以觸發254段；3個輸出端可以選擇LED、STOP、BUSY不同組合；聲音輸出可外接三極管放大輸出(COUT)或直接推喇叭(VOUT)方式。單片機P1口與觸發引腳S1-S8腳相連接，因為單片機為5V供電，AP89085芯片為3.3V供電，為了實現電平轉換，在單片機P1口和AP89085芯片之間增加R6-R13電阻。COUT端外接到功放電路，實現對語音信號的放大作用。

2.3 功放電路

費額顯示器的語音芯片AP89085A的COUT端外接到功放電路，功放電路(如圖2所示)采用的是TDA2030A功率放大器的應用電路。其中RA9為可調電阻，用于音量調節；CA4為濾波電容，CA1為高頻退偶電容；RA6、RA2、RA3、CA7為TDA2030A功放電路的偏置電路；RA7、RA8、CA6組成負反饋電路，改變RA7的大小可改變負反饋系數；CA5是輸入耦合電容，CA8是輸出耦合電容；當電路接有感性負載揚聲器時，接入RA5和CA2，可確保高頻穩定性；DA1和DA2二極管為保護二極管。UA1構成正向放大，UB1構成反向放大，這樣接入ADIOE喇叭接口就可把來自信號源的微弱電信號進行放大以驅動揚聲器發出聲音。

2.4 顯示功能實現

51單片機通過P0-P2口對數碼板進行控制，信號再接入74HC245芯片，該芯片是一個三態輸出的八總線收發器，具有信號功率放大的作用，信號通過74HC245芯片功率放大之后再接人LED驅動芯片74HC595。電路如圖3所示。

圖1 語音芯片電路

圖2 功放部分電路

圖3 數碼管顯示電路

圖4 亮度可調部分

圖5 軟件設計流程

圖6 程序流程圖

數碼板共有5為數碼管顯示，選擇其中一路為例作說明。數碼管顯示部分采用的是74HC595芯片，該芯片是一個8位移位寄存器，為LED驅動芯片，其中SER、STB、CLK為控制端，用于單片機控制74HC595芯片，控制8路行選信號；LC接入信號為調節數碼管亮度的作用。信號通過Q0-Q7端輸出接入ULN2803芯片，該芯片是一個八個NPN達林頓晶體管連接的低電平有效，輸出的8路反相驅動信號接8個限流電阻，再接入LG30012BU數碼管，進行數碼顯示。

2.5 亮度可調部分

亮度可調部分(如圖4)是由NE555和74F08芯片組成，其中NE555是一個能產生精確定時脈沖的高穩度控制器，其輸出驅動電路可達200mA。在多諧振蕩器工作方式時，其輸出的脈沖占空比由兩個外接電阻和一個外接電容確定；在單穩態工作方式時，其延時時間由一個外接電阻和一個外接電容確定，可延時數微秒到數小時。光敏電阻通過J8端口接入，光敏電阻通過感應光的強弱從而改變PWM脈沖信號，進而改變NE555的脈沖占空比，由OUT引腳輸出的PWM脈沖信號與單片機P03口信號通過74F08芯片與門之后產生一個脈沖信號，從而調節數碼管亮度。單片機P03口可輸出高電平和低電平，當輸出為高電平時，與OUT引腳信號邏輯與之后可調節數碼管亮度；當輸出為低電平時，與OUT引腳信號邏輯與之后為低電平，不調節數碼管亮度，74F08芯片是一個四2輸入與門，相當于開關作用。顯示亮度5級軟件可編程自動調整（環境光檢測自動調整）或手動調整（軟件設定），以防止在夜間產生玄光；長期暴露在太陽光下，其可見性不能降低。

3.軟件設計

3.1 軟件設計流程

本設計說明書是針對計重收費用費額顯示器其功能的軟件實現進行描述。通過主控芯片51單片機對系統進行編程，產品的軟件設計流程如圖5所示，圖中清晰分析了軟件設計的一般流程及對產品功能的分析與調試。

3.2 編程部分設計

程序設計了費額顯示器顯示并播報數據的功能。費額顯示器受車道控制機控制，接收指令執行并給車道控制機應答。通信采用標準三線雙向RS-232串口傳送數據，為半雙工方式，速率為9600bps，8位數據位，1位停止位，無奇偶校驗位。

首先，51單片機各口賦初值，串口初始化，開始準備工作。之后，關閉各信號燈，數碼管顯示清屏，通過上位機發送檢測信息，費額顯示器進行自檢。檢測無誤后，接收串口數據，并通過判斷數據是否有效做出相應動作。數據有效則顯示并播報數據，數據無效則給上位機發送錯誤報告。依次進行工作流程，如圖6所示。

4.檢測部分

確認費額顯示器連接端子接線無誤后，給費額顯示器加電。系統自檢正常后，點陣顯示“客貨”信息、數碼管全部顯示8，語音報出“祝您一路平安”，稍候熄滅。如果沒有顯示和語音或顯示不正確，請確認連接線。

上述過程正常后，找到控制主板上的JP_TEST端子，用短路塊將其短接，系統進入自動檢測狀態，車型點陣輪流顯示客貨車型的示例，數碼管全部顯示從0到9循環，小數點間歇亮滅，語音報出示例語音內容。確認自檢后，將JP_TEST端子上的短路塊取出，恢復接收命令控制狀態。

5.結論

本文系統的論述了記重費額顯示器語音播報及數碼顯示功能的設計與實現，給出了各功能單元的設計方法，詳細分析了其中的原理。并通過了真實的實驗驗證，實驗表明該記重費額顯示器功能完善，記重顯示準確，播報無誤，已經用于各高速路收費路口，符合實際需要。

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