徐子興,錢雪軍
(同濟大學(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緊急對講等多種功能。其作用是使旅客及時了解列車的運行情況、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緊急對講,報告緊急情況,從而使司機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。
廣播控制盒的人機界面如圖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。
無論在手動還是自動模式下,都可以按下“人工”按鈕進入人工廣播模式,通過司機室麥克風(fēng)對乘客進行廣播。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。司機按下“報警”按鈕即可以應(yīng)答并進行緊急對講。
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上的人機交互模塊和外殼共同構(gòu)成廣播控制盒的人機界面。
圖2 仿真總體框架
單片機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主機可以通過預(yù)留的接口進行通信,并且單片機程序也通過預(yù)留的接口進行升級。
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。所用的單片機型號為STC15L2K60S2,該單片機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的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)采集信號,再通過串口發(fā)送給主機,控制揚聲器的音量。單片機還控制指示燈的亮、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)動無源小揚聲器。麥克風(fēng)還輸出掛機(HOOK)信號和一鍵通(PTT)信號,這些信號發(fā)送給單片機,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。15個按鈕上的燈由兩片級聯(lián)的74HC595驅(qū)動,單片機發(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
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。
單片機程序通過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。每200 ms讀取一次來自PIS主機的數(shù)據(jù),也向PIS主機發(fā)送廣播控制盒的狀態(tài)信息。程序流程如圖7所示。
上位機測試軟件以 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行了CRC。
圖7 廣播控制盒程序流程圖
PIS主機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。上位機界面如圖8所示。
圖8 上位機測試軟件界面
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主機發(fā)送播放請求,PIS主機收到請求播放預(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。
本文根據(jù)廣播控制盒的人機界面和功能,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。