地鐵列車廣播控制盒的仿真研究

徐子興，錢雪軍

（同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 200331）

列車廣播和乘客信息顯示系統(tǒng)是地鐵列車和城市軌道列車的配套設(shè)備，其主要功能是根據(jù)地鐵列車在運(yùn)行過程中的速度和開關(guān)門等信號，使廣播系統(tǒng)按指定的內(nèi)容自動或手動播放列車到站的動態(tài)音/視頻運(yùn)營信息[1]。

作為列車廣播和乘客信息顯示系統(tǒng)的重要組成部分，地鐵列車廣播控制盒需要實現(xiàn)自動或手動對乘客報站、緊急信息廣播以及乘客與列車司機(jī)緊急對講等多種功能。其作用是使旅客及時了解列車的運(yùn)行情況、到站信息等，方便旅客換乘其他線路，減少旅客下錯站的可能性。在發(fā)生災(zāi)害或其他緊急情況下，進(jìn)行緊急廣播，指揮旅客疏散，調(diào)度工作人員搶險救災(zāi)，或由乘客向地鐵列車司機(jī)緊急對講，報告緊急情況，從而使司機(jī)和控制中心可以做出及時的反應(yīng)，減少意外造成的損失[2]。

目前，廣播控制盒的仿真研究中，關(guān)于自動或緊急報站、緊急對講和廣播主要側(cè)重于策略的研究[3-4]，本文將以北京地鐵S1號線列車駕駛員培訓(xùn)系統(tǒng)中列車廣播控制盒仿真方案為背景，介紹廣播控制盒的仿真。

1 仿真的總體方案

1.1 人機(jī)界面

廣播控制盒的人機(jī)界面如圖1所示，主要由液晶顯示屏（LCD），發(fā)光二極管（LED）指示燈，帶燈按鈕，麥克風(fēng)和音量旋鈕組成。

圖1 列車廣播控制盒實物圖

LCD顯示的廣播類型包括“前方”、“到站”、“緊急”、“起始站”、“終點站”，分別代表不同的廣播模式。當(dāng)按下“手動/自動”按鈕，該按鈕燈常亮，表示處于手動模式，可以通過操作對應(yīng)的按鈕進(jìn)行手動報站、緊急廣播和起始、終點站設(shè)置等操作，操作后廣播控制盒的狀態(tài)信息會更新，發(fā)送給旅客信息系統(tǒng)（PIS）主機(jī)。

無論在手動還是自動模式下，都可以按下“人工”按鈕進(jìn)入人工廣播模式，通過司機(jī)室麥克風(fēng)對乘客進(jìn)行廣播。同樣，當(dāng)乘客按下車廂上的報警器，對應(yīng)的報警區(qū)號碼會變換顯示樣式以提示司機(jī)。司機(jī)按下“報警”按鈕即可以應(yīng)答并進(jìn)行緊急對講。

1.2 仿真總體框架

仿真總體框架如圖2所示，廣播控制盒的所有功能都集成在一塊印刷電路板（PCB）上，PCB固定在廣播控制盒外殼上，PCB上的人機(jī)交互模塊和外殼共同構(gòu)成廣播控制盒的人機(jī)界面。

圖2 仿真總體框架

單片機(jī)接收到來自其他模塊的信息，做出響應(yīng)，對外發(fā)出控制指令或者狀態(tài)信息。廣播控制盒和PIS主機(jī)可以通過預(yù)留的接口進(jìn)行通信，并且單片機(jī)程序也通過預(yù)留的接口進(jìn)行升級。

2 系統(tǒng)仿真實現(xiàn)

2.1 硬件電路

總電路原理圖如圖3所示。廣播控制盒接入24 V的電源，通過一個LM2596降壓到5 V，供音頻放大電路使用。5 V電壓通過LM1117降壓到3.3 V，給PCB上其他模塊供電。所用的單片機(jī)型號為STC15L2K60S2，該單片機(jī)有兩個通用異步收發(fā)器（UART）。UART1通過MAX3232芯片和MAX3490芯片與PIS主機(jī)RS-232、RS-485通信。UART2連接LCD模塊，向LCD模塊發(fā)送顯示指令和接收其返回值。音量旋鈕對應(yīng)的電位器通過單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）采集信號，再通過串口發(fā)送給主機(jī)，控制揚(yáng)聲器的音量。單片機(jī)還控制指示燈的亮、滅，以及閃爍。

圖3 總電路原理圖

音頻放大電路原理圖如圖4所示，從麥克風(fēng)采入的音頻信號先經(jīng)過一個LM358運(yùn)算放大器放大100倍，此信號可以作為line in信號輸出到PC。該信號也可以通過PAM8403二級放大電路繼續(xù)放大，輸出信號可以直接驅(qū)動無源小揚(yáng)聲器。麥克風(fēng)還輸出掛機(jī)（HOOK）信號和一鍵通（PTT）信號，這些信號發(fā)送給單片機(jī)，產(chǎn)生控制信號，控制音頻的輸出。

帶燈按鈕驅(qū)動電路原理圖如圖5所示，15個按鈕由兩片級聯(lián)的74HC165驅(qū)動，按鍵信號并行輸入，串行輸出，通過串行外設(shè)接口（SPI）發(fā)送給單片機(jī)。15個按鈕上的燈由兩片級聯(lián)的74HC595驅(qū)動，單片機(jī)發(fā)出的控制信號由SPI串行輸入，并行輸出，控制燈的亮或滅。

設(shè)計好原理圖后，將元件按照人機(jī)界面的要求放置、布線、焊制和調(diào)試，最終完成硬件電路的制作。PCB實物如圖6所示。

圖4 音頻放大電路原理圖

圖5 帶燈按鈕驅(qū)動電路原理圖

圖6 PCB實物圖

2.2 廣播控制盒外殼

廣播控制盒的外殼起著固定PCB的作用，并且由于廣播控制盒的所有功能都集成在PCB上，外殼的形狀要和PCB上的元件布局相配。

用AutoCAD繪制了廣播控制盒外殼模型，包括前面板和后蓋。根據(jù)模型，通過數(shù)控機(jī)床加工出實物，再經(jīng)過磨砂噴漆處理和激光打標(biāo)，完成外殼的制作。

2.3 單片機(jī)程序設(shè)計

單片機(jī)程序通過KEIL開發(fā)。程序分為3層，底層是驅(qū)動層，用于各個模塊初始化，中間層是調(diào)用底層程序來實現(xiàn)特定功能的模塊層，上層是通過調(diào)用下層程序來實現(xiàn)廣播控制盒操作和控制邏輯的應(yīng)用層。

根據(jù)與PIS主機(jī)的通信協(xié)議定義結(jié)構(gòu)體，包含廣播控制盒發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)，由15個byte組成。為了確保傳輸無誤，數(shù)據(jù)包包含4個byte的幀頭，并且進(jìn)行循環(huán)冗余碼校驗（CRC）。

廣播控制盒的主程序采用定時器中斷的方式。每50 ms讀取一次按鍵信息和更新按鍵燈的顯示狀態(tài)，按鍵讀取經(jīng)過了消抖處理。讀取按鍵信息后，如果廣播控制盒的狀態(tài)更新了，即按下了有效的按鍵，則向LCD模塊發(fā)送顯示指令，LCD會更新顯示內(nèi)容，同時，廣播控制盒的狀態(tài)信息會馬上發(fā)送給PIS主機(jī)。每200 ms讀取一次來自PIS主機(jī)的數(shù)據(jù)，也向PIS主機(jī)發(fā)送廣播控制盒的狀態(tài)信息。程序流程如圖7所示。

2.4 上位機(jī)測試軟件

上位機(jī)測試軟件以 VS2010 為開發(fā)平臺，基于MFC 庫實現(xiàn)。該軟件的重點在于串口通信模塊。串口通信通過Windows API被單獨封裝成一個Serial類，包含串口配置、初始化、打開串口、串口讀寫、關(guān)閉串口等功能。同時，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院驼_性，測試軟件和廣播控制盒的串口通信模塊均進(jìn)行了CRC。

圖7 廣播控制盒程序流程圖

PIS主機(jī)與廣播控制盒的通信協(xié)議中，所有字節(jié)都可以通過該測試軟件實時顯示出來，在廣播控制盒的開發(fā)過程中，該測試軟件可以認(rèn)為是一個虛擬的PIS主機(jī)。上位機(jī)界面如圖8所示。

圖8 上位機(jī)測試軟件界面

3 仿真結(jié)果

完成后的廣播控制盒實物圖如圖9所示，仿真廣播控制盒具有自動或手動對乘客進(jìn)行報站廣播、緊急信息廣播，以及緊急對講等功能，并且在地鐵列車駕駛模擬器中得到應(yīng)用。

（1）當(dāng)按下緊急廣播按鈕，進(jìn)入緊急廣播模式，“緊急”按鈕燈常亮，LCD上的廣播類型變?yōu)椤熬o急”，廣播站名變?yōu)椤熬o急疏散”，此時按下“↓”，緊急廣播變?yōu)椤盎鹁?。再按下“播?停止”按鈕，該按鈕燈常亮，廣播控制盒向PIS主機(jī)發(fā)送播放請求，PIS主機(jī)收到請求播放預(yù)先錄制好的緊急廣播。而在自動模式下，廣播控制盒接收到來自PIS主機(jī)的指令自動更新狀態(tài)信息。

圖9 廣播控制盒仿真實物圖

（2）當(dāng)有兩個報警器1-1和2-1先后被按下，先按下的報警器1-1將默認(rèn)被選中，閃爍以提示，同時，“報警”按鈕燈將閃爍，通過按下“→”按鈕改變選中的報警器為2-1，按下“報警”按鈕進(jìn)行應(yīng)答，并通過麥克風(fēng)（MIC）與乘客緊急通話。

（3）在手動模式下，按下“起始”按鈕，進(jìn)入起始站設(shè)置模式，“起始”按鈕燈常亮，顯示屏左上角的廣播類型變?yōu)椤捌鹗颊尽?，此時，按下“↑”或者“↓”，可以改變起始站名，再按下“確定”按鈕，起始站名也將改變。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)廣播控制盒的人機(jī)界面和功能，提出了低成本、高可靠性的地鐵列車廣播控制盒仿真設(shè)計方案，介紹了其軟件及硬件的實現(xiàn)方法，完成了廣播控制盒的仿真。該仿真廣播控制盒已經(jīng)應(yīng)用到地鐵列車駕駛模擬器中,取得了較好的培訓(xùn)效果，具有一定的實用價值。