摘要：提出了一種基于ARM7 和CPLD 架構的數字公交站亭系統。系統通過GPRS 模塊與公交控制中心實時通信，使用CA 認證保證通信的安全性，采用兩塊SRAM 組成具有“乒乓邏輯”的高速緩存確保顯示數據的連續性，可實現同一站亭多條線路信息動態顯示、實時車輛到站預報、公眾信息發布、線路信息及時更新以及系統在線升級等功能，具有實時性好、安全性高，可擴展性強等特點。
針對現有印刷公交站亭提供信息少、無法提供車輛到站預報、增加線路或者修改線路信息麻煩等不足，本文提出了一種新數字公交站亭系統。該系統基于ARM7 和CPLD 架構，通過GPRS 與公交控制中心通信，采用CA 認證保證通信的安全性，能實現實時車輛到站預報、公眾信息(如天氣預報、重要新聞、交通路況、緊急狀態信息)發布、線路信息及時更新以及系統在線升級等功能，具有實時性好、安全性高，可擴展性強等特點，有助于全面提升城市公交站的信息服務水平。
1 數字公交站亭系統總體結構及工作原理
該系統分為控制中心、站亭終端通信模塊、站亭終端控制模塊、站亭終端顯示模塊四個部分，總體結構框圖如圖1，各個部分組成和工作原理介紹如下：
(1) 控制中心：負責全市或者某區域公交車運行情況的監控，包括：信息采集、信息處理、公交實時調度、站臺顯示控制等功能。控制中心通過GPRS 與每個站亭終端建立無線通信，實現對站亭終端的相關控制。此外，控制中心還根據安裝在公交車輛上的GPS 定位車輛位置，結合車輛速度和路況信息，實時更新車輛到站時間預報。
(2) 站亭終端控制模塊：由核心芯片 ARM 和其外圍器件組成，通過GPRS 模塊接收控制中心下發的信息幀，執行由控制中心發出的控制命令，并根據控制中心發出的顯示信息，完成字庫查找，寫入由兩塊SRAM 組成的高速數據緩存，兩塊SRAM 采用“乒乓邏輯”，即某一時刻ARM 芯片向一片SRAM 寫入顯示數據，另一片此時被CPLD 讀取，二者輪流切換，保證數據的高速性和顯示的連續性。為保證系統的安全性，每個站亭終端都有一個密鑰，此密鑰在設備初始化的時候寫入，外部接口不能訪問到此密鑰信息，ARM 根據此密鑰完成對接收信息幀的解密，如果遇到無法完成驗證的信息幀，系統認為該信息幀被篡改，予以丟棄。此外，由于每個站亭終端需長時間連續工作，為了防止溫度過高使系統工作不正常甚至導致火災，每個站亭終端裝有散熱裝置，包括溫度傳感器和散熱風扇， ARM 通過溫度傳感器獲取站亭終端內部的溫度，一旦發現溫度超過設定值，立即啟動散熱風扇，保證系統能長期工作。
(3) 站亭終端顯示模塊：由 CPLD、LED 掃描驅動電路、LED 點陣顯示屏組成，CPLD讀取由兩塊SRAM 組成的高速緩存中的數據，完成對LED 顯示屏的掃描驅動過程，其內部固化的數字邏輯產生屏幕顯示控制信號，包括串行數據移位信號、數據鎖存信號、行掃描信號等，LED 顯示屏行掃描電路和列數據電路根據這些信號驅動LED顯示屏。
圖 1 系統總體結構框圖
2 系統硬件設計
2.1 站亭終端控制模塊
站亭終端控制模塊的核心芯片 ARM 向上通過GPRS 模塊連接控制中心，并完成對控制中心下發的數據幀(包括控制命令和顯示信息) CA 驗證；向下將需要顯示的漢字點陣信息寫入由兩塊SRAM 采用“乒乓邏輯”組成的高速數據緩存，控制CPLD 對緩存中的數據準確讀取。GPRS 模塊選用BenQ M22 GPRS 無線模塊，該模塊可以實現自動網絡連接和協議處理，無需后臺計算機支持，它與ARM 之間采用RS-232 串口通信標準實現通信，波特率為57.6k。ARM 選用NXP 公司生產的LPC2378，LPC2378 是ARM7TDMI-S 處理器，可在高達72MHz 的工作頻率下運行，芯片內部具有UART、硬件I2C、SPI 和定時器外圍部件[2],它豐富的片內外資源、快速的響應性和較高的性價比都很適合用于高速串口通信和CA 認證。此外，基于安全考慮，與ARM 相連的還有散熱裝置，包括溫度傳感器和散熱風扇， ARM通過溫度傳感器實時監控站亭終端的溫度，一旦發現溫度超過設定值，立即啟動散熱風扇，保證系統能長時間不間斷工作。站亭終端控制模塊還包括Flash、JTAG 調試端口等。
2.2 站亭終端顯示模塊
站亭終端顯示模塊由 CPLD、LED 掃描驅動電路、LED 顯示點陣組成。LED 顯示屏的掃描驅動電路部分是由CPLD 來實現的。 CPLD 讀取高速緩存中的數據，其內部固化的數字邏輯產生屏幕顯示控制信號，包括串行數據移位信號、數據鎖存信號、行掃描信號等，完成對LED 顯示屏的掃描驅動過程。CPLD 功能用硬件描述語言VHDL 編程實現,從而可以大大縮短開發周期,使設計靈活、修改方便，同時CPLD 高集成度、高速高可靠性、開發周期短的特點,大大改善了電路性能。在此CPLD 選用ALTERA 公司MAXⅡ系列EPM1270 芯片，它有116 個I/O 口，1270 個邏輯單元，具有高性能，低功耗等性能特點，滿足要求。
3 系統軟件設計
3.1 CA 認證
控制中心和站亭終端通過 GPRS 建立無線通信，為了保證數據在通信過程中的完整性,本設計采用基于hmac-sha1 算法的CA 消息認證確保信息不受非法攻擊和篡改。hmac-sha1是一種基于密鑰的報文完整性的驗證方法，其安全性是建立在Hash 算法基礎上的。它要求通信雙方共享密鑰、約定算法、對報文進行Hash 運算，形成固定長度的認證碼(MAC)。通信雙方通過認證碼的校驗來確定報文的合法性。這個算法廣泛用作加密、數字簽名、報文驗證等，它能有效的抵抗窮舉攻擊,防止信息幀數據被任意地篡改和顛覆,最大限度地保證系統運行的安全性。
基于 hmac-sha1 算法的CA 認證步驟如下：
設 K、N 分別為控制中心和站亭終端約定的密鑰和同步序列號，B 表示數據塊的大?。ㄎ粸閱挝唬琄0 為B 長度的密鑰K。
發送方
Step1：利用密鑰K，求出相應的B 長度的K0。
Step2：利用hmac-sha1 算法，生成消息摘要MAC 碼。
Step3：N 加1，并同時更新本地的N。
Step4：采用DES 數字簽名技術，對消息和消息摘要MAC 碼等進行加密，并發送給站亭終端。
接收方
Step5：先對接收到的數據運用對應的解密算法進行解密，再重復Step1 和Step2 的計算，生成一個MAC 碼，如果和收到的消息摘要MAC 碼相符，則表明數據合法。
Step6：如果收到的N 小于本地存儲的N，則屬于重傳，可以進行同步或丟棄，否則表示數據是新鮮的、合法的。
3.2 ARM 的軟件設計
ARM是站亭終端的核心芯片，為了保證整個站亭終端系統運行的速度和穩定性，它的軟件設計是基于嵌入式實時操作系統μC/OS-Ⅱ[5]進行的，這樣可充分利用操作系統高效的任務調度算法，并且使得程序的開發和擴展變得更加方便。其任務結構如圖2。
圖 2 ARM 軟件總體結構圖
ARM 上電或復位后，首先進行系統初始化，包括操作系統的初始化和硬件中斷、定時器、通信接口的初始化，系統初始化之后，先后創建如下任務：
Task_RS232Com：串口通信任務，完成與GPRS 模塊之間的通信，接收控制中心下發的信息幀；
Task_LEDControl：LED 顯示控制任務，將需要顯示的數據(包括線路信息和實時車輛到站預報等)寫入由SRAM2 和SRAM3 組成的高速數據緩存，并把寫入的地址傳送給CPLD，控制CPLD 讀取緩存中的數據；
Task_LineProcess：線路信息管理任務，保存公交線路信息的更新；
Task_TempProtect：溫度保護任務，定時讀取溫度傳感器提供的溫度值，一旦發現超過設定值，系統立即開啟散熱風扇進行散熱，確保系統正常工作；
Task_update：系統更新任務，完成系統在線升級；
3.4 CPLD 的軟件設計
CPLD 通過產生串行數據移位信號、數據鎖存信號、行掃描信號等，完成對LED 顯示屏的掃描驅動過程。它的軟件設計框圖如圖3，主要包括以下幾個部分：(1)時鐘產生器：產生各種頻率的時鐘信號；(2)讀切換電路：受ARM 的控制，在兩塊SRAM 之間切換，完成對高速數據緩存的讀取；(3)讀地址產生器：使CPLD 能在由兩塊SRAM 組成的高速緩存中準確尋址；(4)掃描控制電路：根據高速緩存中讀取的數據，產生相應的掃描控制信號，通過LED 驅動電路接口，送入列數據電路和行掃描電路；(5)JTAG 口：提供在線調試的接口。
圖 3 CPLD 軟件設計框圖
本文提出的基于 ARM7 和CPLD 的數字公交站亭系統，通過GPRS 模塊與控制中心實時通信并且采用CA 認證保證系統運行的實時性和安全性，能有效解決現有的公交站亭存在公交站牌提供的信息少、無法提供車輛到站預報，增加線路或者修改線路信息麻煩等許多不足。該系統提供的實時車輛到站預報使乘客在公交車站候車區可通過站亭終端的LED 顯示屏查看所有等候車輛的線路信息和到站時間，使他們做到心中有數，能夠有效緩解候車乘客等車的焦慮心情；同時公眾信息發布能及時提供包括天氣預報、交通路況和其它重要信息，為乘客們的出行帶來方便。此外，系統具有在線升級功能，方便日后系統的更新和維護?？傊?，數字公交站亭系統有助于全面提升城市公交車站的信息服務水平，在未來城市智能交通的建設當中有著廣闊的應用前景。