河北中岗通讯工程有限公司 河北省 石家庄市 050035
随着我国高速公路的快速发展，公路的收费里程不断增加，公路的收费方式也在发生着变化。从早期的人工收费发展到计算机收费、计重收费、ETC收费。费额显示器的要求也越来越高，显示内容从早期的车型、金额，演化到现在显示车牌、车重、金额、余额、站名等各种信息。其控制电路早期多采用基本MCS51系列的单片机来实现，现在多采用基于ARM的控制芯片。本文详细介绍了一款基于ST公司的ARM芯片的费额显示器解决方案，经过实际应用，该方案成本低廉并已获得很好的效果。
1、费额显示器功能简介
为适应各高速公路各种收费的需求，费额显示器要求具有显示内容多样化、语音报价功能集成化以及便于升级扩展等特点。我们这套方案，将费额显示器、车道通行灯、黄闪报警器、语音播报器合为一体，由STM32数据处理器、XF3031P语音合成芯片组成控制电路，能够适用于公路收费站、停车场等各种场所。费额显示器主要包括外部壳体、点阵内容显示控制部分和语音报价部分、车道通行和黄闪报警、通讯传输等几部分组成，各部分相互独立，功能上互不干扰。
2、费额显示器外部壳体部分
整机外壳采用不锈钢拉丝制成，显示部分采用钢化玻璃密封而成，壳体生产采用激光数据切割工艺，显示部分与壳体的固定采用牢固的高焊接栽柱固定，此结构外观美观大方、防水耐用；与地面基础的连接体为钢制喷塑立柱，表面经过酸洗磷化喷塑处理，底座的固定设计可根据基础位置调节，安装方式简单牢靠，立柱表面采用大众亚银色细腻光滑，抗腐蚀耐用。
3、费额显示器点阵显示控制和语音报价部分
（1）、显示部分简介
显示部分采用点阵显示方式，分辨率为128*64；显示汉字采用16*16点阵方式，每行显示8个汉字，最多可显示4行内容；显示选用点阵模块为直径3.75mm、点间距为业内通用的4.75mm的单红色超高亮管芯。选用的点阵模块要求亮度高，半功率角大，适用于各种天气，可以从多个角度看清显示区域上的内容；显示区域可以显示任意国标GB2312一二级汉字或中英文字符且可由串口发送命令任意组合； 点阵驱动电路选用台湾聚积的LED驱动芯片MBI5024，此芯片功率小易操作，可输出恒定电流维持LED亮度不变，另外此芯片性价比极高能为费额显示器的生产节约一定成本。
在静止显示的基础上，设计时还添加了移动功能，显示方式多种可调，可以实现上下、左右滚屏显示，滚屏速度可调。汉字的移动需要占用大量的内存，STM32F103c8t6内部集成有60K的内存空间，完全可以满足显示的需要，节省了内存扩展，降低了成本。
（2）控制电路芯片功能
控制电路部分是费额显示器的核心部分，控制电路的设计要包括费额显示器的显示控制功能、语音报价功能、手动自动调光功能、串口功能等等。显示内容在静态的基础上可以根据设置进行上、下、左、右移动，汉字和字符移动需要占用大量内存，另外费额显示器还需要根据各省收费软件的不同进行逻辑程序的编写，这需要存储速度和运算速度较快、效率较高的微处理器，STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核。增强型系列时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最高的产品。我们经过比对，选用了STM32F103增强型系列芯片。此芯片的特点和功能如下：
①内核：ARM32位Cortex-M3 CPU，最高工作频率72MHz，1.25DMIPS/MHz。单周期乘法和硬件除法。
②存储器：片上集成32-512KB的Flash存储器，6-64KB的SRAM存储器。存储空间大，可以存储大量的字库信息，满足显示的不同需求。
③时钟、复位和电源管理：2.0-3.6V的电源供电和I/O接口的驱动电压；POR、PDR和可编程的电压探测器（PVD），4-16MHz的晶振，内嵌出厂前调校的8MHz RC振荡电路，内部40 kHz的RC振荡电路，用于CPU时钟的PLL；带校准用于RTC的32kHz的晶振；A/D范围为0-3.6 V，双采样和保持能力。
④低功耗：3种低功耗模式：休眠，停止，待机模式，为RTC和备份寄存器供电的VBAT。调试模式包括串行调试（SWD）和JTAG接口，12通道DMA控制器。
⑤定时器：4个16位定时器，每个定时器有4个IC/OC/PWM或者脉冲计数器；2个16位的6通道高级控制定时器中最多6个通道可用于PWM输出；2个看门狗定时器（独立看门狗和窗口看门狗）；Systick定时器：24位倒计数器。2个16位基本定时器用于驱动DAC。
⑥通信接口：最多多达13个通信接口，2个IIC接口（SMBus/PMBus），5个USART接口（ISO7816接口，LIN，IrDA兼容，调试控制），3个SPI接口（18 Mbit/s），两个和IIS复用。CAN接口（2.0B）、USB 2.0全速接口。
本设计主要用到的功能有串口通讯功能（与上位机通讯）、IO功能（控制通行灯、黄闪报警灯等）、AD转换功能（检测外部光线）、SPI接口（字库扩展）等。
控制电路如图1：
（3）控制芯片的主要优势
高性能：ARM公司的高性能”Cortex-M3”内核，1.25DMips/MHz,而ARM7TDMI 只有0.95DMips/MHz
一流的外设：1μs的双12位ADC，4兆位/秒的UART，18兆位/秒的SPI， 18MHz的I/O翻转速度
低功耗： 在72MHz时消耗20mA(所有外设处于工作状态)，待机时下降到2μA
最大的集成度：复位电路、低电压检测、调压器、精确的RC振荡器等多调试模式，串行调试(SWD)和JTAG接口。最多高达112个的快速I/O端口、11个定时器、13个通信接口等，以上优势均是设计电路时的决定因素。
（4）语音播报
语音播报部分选用了XF3031P语音合成芯片，该芯片植入了国内比较先进的TTS语音合成系统，省去了找录音棚录制语音和芯片烧制语音的麻烦，其支持任意中文文本的合成，可以采用GB2312、GBK、BIG5和UNICODE四种编码方式直接访问。功放部分采用二级放大电路，通过合理配置电路参数，在音量很大的情况下，保证不失真，无杂音。
控制电路图2：
备注说明：1、异或校验字节等于从包头到包尾所有数据的异或和，包括包头和包尾。（为方便调试，此字节可为任意值）
2、数据长度等于从包头到包尾所有数据个数，包括包头和包尾。
3、每次发数据包间隔应在10毫秒以上，以防止数据覆盖。
采用该数据格式，可以灵活的设置各种命令字。在设备功能升级的时候，也可通过命令字的拓展，实现产品的升级换代。
论文作者:王聘,齐飞
论文发表刊物:《防护工程》2017年第13期
论文发表时间:2017/11/15
标签：功能论文; 芯片论文; 显示器论文; 接口论文; 点阵论文; 定时器论文; 语音论文; 《防护工程》2017年第13期论文;