跨平台船岸两用VHF模拟器仿真

李少伟，施朝健，余立立

(1.同济大学电子与信息工程学院，上海 201804;2.上海海事大学商船学院，上海 201306)

0 引言

船用甚高频(VHF)是海事语音通信中重要的组成部分，同时也是航海模拟器教学中重要的教学辅助设备。但是由于VHF各终端之间是通过无线电进行数据交换，如果使用不当完全可能造成无线电干扰而酿成灾难事故，故其使用受到各国无线电管理委员会的严格控制［1］。船用VHF仿真模拟器由于其不发射射频无线电波，同时可以真实模拟VHF全部功能，现在已经逐步成为航海模拟器教学中的标准组成模块［2-3］。

上海海事大学余立立采用专用语音处理芯片的方式，设计了基于因特网的船用VHF模拟器［4］。这种方式采用专用语音处理芯片实现对语音数据的采集与处理，并将采集的数据通过单片机的RS232接口传输到上位机，再通过因特网传输到远程终端。一方面，由于增加了专用语音处理芯片，其生产成本必然有所增加;另一方面，由于芯片与因特网之间的数据交换是通过速度较慢的RS232接口中转实现。本文选定的接口传输速率仅为19200kbps。根据奈奎斯特采样定律，在8位采样精度的情况下，其采样效率为:

根据公式(1)，系统能处理的语音带宽仅为1200Hz，其效率较低，无法满足实际需求。中国海洋大学丁峰等开发了基于Flash的VHF模拟器系统［5］，但其研究仅停留在理论上，未有提及具体的实现方法且缺乏有效的结论，无法得知模拟器的最终实现效果;再者，纯粹采用Flash软件方法实现VHF模拟器必然缺乏真实感，会大大影响教学效果。

本文依托上海海事大学与上海海事局联合研制项目“VTS值班人员操作、训练、评估系统”为研发平台，以上海吴淞海事处ATLAS 9760型VTS配套的VHF为仿真对象，设计一种跨平台船、岸两用VHF模拟器系统。模拟器软硬件部分在顶层设计上实现船岸两用VHF的功能复用，其在硬件上充分利用现有的计算机及网络资源，在仅增加最少的人机交互硬件的基础上，实现语音数据的采集处理;软件上以跨平台开发工具Qt为基础，实现软件在不同操作系统上的代码重用。模拟器总体结构框如图1所示。

图1 模拟器系统结构

1 模拟器系统

VHF模拟器系统由人机交互硬件、上位机、配置文件以及计算机网络组成。人机交互硬件以低成本、开发简单的单片机作为核心处理单元，实时监控用户的各项操作，并将用户操作经过编码后通过RS232接口传输到上位机［6］;上位机根据配置文件以及下位机当前状态，利用计算机的硬件资源，实现语音数据的采集、处理以及收发。图2为模拟器系统工作流程图。

从图2可以看到，单片机在时钟脉冲的驱动下，周期性对各种按键进行扫描，一旦发现有键按下，便将按键信息经过编码后发送到上位机;上位机根据不同的按键信息，调用相应的处理例程，实现对用户操作的响应。

图2 模拟器工作流程图

2 VHF模拟器关键技术

2.1 硬件组成及复用

VHF模拟器硬件以51系列单片机作为核心处理单元［9］，围绕其设计收发开关模块、矩阵键盘模块、音量调节模块、液晶屏显示模块以及数据通信模块。模拟器硬件组成如图3所示。

图3 硬件设备组成图

根据图3，模拟器硬件设备由5部分组成。这5部分为岸基及船载VHF模拟器所共有，其不同之处仅体现在硬件外观以及按键数量上。所以在硬件设计上，2种模拟器可以实现除外观以外的其他部分相互通用。根据图3，VHF功能描述如下:

(1)单片机。系统的控制核心部件。

(2)串口模块。负责硬件人机交，互硬件与上位机的数据通信。串口速率设定为9600kbps。

(3)显示模块。将系统当前状态以图符的方式展示给用户。

(4)矩阵键盘模块。用以采集用户对系统的功能选择。岸基VHF模拟器外部键盘拥有32个按键，采用矩阵键盘的方式实现对输入按键的处理，使用12路引脚资源实现对外部键盘的扫描。按照矩阵键盘理论，12路引脚最大可以对6×6的键盘进行扫描，完全满足系统需求;船载VHF模拟器外部仅拥有6个按键，为了不改动硬件设计，对于岸基VHF模拟器中多出的26个按键，直接采取屏蔽的措施。

(5)A/D转换模块。采用电位器方式实现对音量的控制，采用A/D转换模块读取电位器状态，调节系统音量。

2.2 语音数据的采集与播放

为了减少硬件成本，本系统利用上位机中的声卡芯片实现对语音的采集与回放［7］。语音数据的处理流程如图4所示。

图4 语音采集/播放流程

在跨平台开发工具Qt中已经内置有语音数据采集及播放接口，其实现名称分别为QAudioInput和QAudioOutput［8］。为了接口能够正常工作，在使用以上接口进行语音数据处理前，传输如表1所示的参数以便对接口进行初始化。

表1 语音采样参数

采用多块缓冲区的目的是为了在当前缓冲区被写满后，后备缓冲区快速切换，实现语音数据的无缝记录。在4块缓冲区的状态下，多缓冲区的切换原理如图5所示。

图5 语音数据缓冲区

2.3 跨平台串口通信模块

由于跨平台开发工具Qt并未实现RS232串行通信口的数据收发功能，为了使程序代码在不同的操作系统平台下获得支持，本文利用现代操作系统普遍具有的动态链接库特性，设计在不同操作系统下的串口操作代码，并封装在相应的动态库中。

为了实现串口通信代码的可移植性，软件将不同操作系统的API经过封装后采用统一的接口引出，针对不同的操作系统，使用C语言中的预定义宏#define加以区分。统一的接口操作函数如表2所示。

表2 通用串口操作函数

表2中，OpenPort函数接受唯一的整数型变量，用以标识当前需要操作的串口编号;SetPort仅仅实现对波特率的设置，其参数为一整型变量，取值为常用的串口波特率;ReadPort/WritePort采用阻塞的方式实现串口读写功能。为了不影响模拟器程序主线程部分的正常运行，串行接口的数据收发必须单独放在专门的线程中进行。

2.4 语音数据压缩

由于局域网具有较大的网络带宽以及较小的网络延时，所以在将VHF模拟器应用于局域网内时，没有必要对语音数据进行压缩。但是若将VHF模拟器应用于基于互联网的多模拟器系统中，那么在对语音数据发送以前，对语音数据的压缩就显得必不可少。

在本模拟器设计中，采用小波算法实现对语音数据进行压缩［9-10］，小波变换定义如下式:

称为小波基函数。在此，选择Harr正交小波基对样本语音信号作三级小波包分解，然后进行重构。

图6 原始数据时域/频域幅值

图7 重构数据时域/频域幅值

图6为原始语音样本数据的时域/频域信息，图7为经过重构后，语音数据的时域/频域信息。从2幅图的对比可以发现，语音数据仅在高频部分有微小的失真，人耳对声音的分辨几乎不会造成影响。

定义信号压缩比:

其中，B为压缩后的数据，A为原始数据，经过计算，样本数据压缩比为0.515。由于样本数据大多集中在低频部分，若增加高频部分的数据量，则压缩比会有一定程度的增大，但样本压缩比不会有较大变化。

3 运行结果

整个模拟器的运行分为2部分:岸站VHF和船用VHF。如图8所示为VHF模拟器的运行结果。其中岸基VHF主要由海事行政单位(如海事局、海洋局等部门)使用;船用VHF模拟器可以安装在航海模拟器等培训设备中。两者的组合可满足当前教学培训对VHF功能的全部需求。另外，由于以Qt［11-13］作为开发平台，所以VHF模拟器可在不修改或少量修改源代码的情况下，运行于桌面Windows平台、WinCE操作系统平台以及Linux平台。

图8 模拟器的实现

4 结束语

在上海海事局的大力支持下，本模拟器系统已在上海吴淞海事处安装完毕。本系统在软硬件设计上很好地实现了船、岸VHF模拟器的功能复用。在Qt跨平台工具的支持下，解决了软件跨平台的运行障碍，有效地减少了系统的开发时间。经过一段时间的实际运行，本模拟器运行状态良好，但是同时也不可避免地暴露出一些问题。其中最主要的是录制的声音不够清晰，据分析，这可能是由于系统的设计仅考虑了语音的数据压缩，而忽略了语音质量。在下一步的设计中，笔者会对这些问题进行改进和完善。

［1］施朝健，陈锦标，胡勤友.船舶操纵模拟器开发和应用的全球协作［J］.上海海事大学学报，2007，28(1):1-6.

［2］施朝健，胡甚平，陈锦标.船舶操纵模拟器技术性能标准研究［J］.上海海事大学学报，2005，26(2):4-8.

［3］刘检平，黄勇，周西柳.云计算科技服务系统平台设计研究［J］.科技通报，2012，28(10):19-21.

［4］余立立，施朝健，黄震民，等.多模拟器集成的船用VHF通信仿真系统［J］.上海海事大学学报，2009，30(1):20-23.

［5］丁峰，魏伟.基于Flash Media Server实现VHF模拟器的语音通信［J］.青岛远洋船员学院学报，2009，30(4):9-11.

［6］吕俊亚.一种基于单片机的温度控制系统设计与实现［J］.计算机仿真，2012，29(7):230-233.

［7］李少伟，庄新庆.基于海事卫星的语音数据通信模块设计［J］.中国航海，2008，31(2):114-116，134.

［8］Jasmin Blanchette，Mark Summerfield.C++GUI Programming with Qt 4(2nd Edition)［M］.Canada:Prentice Hall PTR，2008.

［9］张玺君，王继曾，蔺莹.基于小波变换的语音数据压缩的研究［J］.科学技术与工程，2009，9(2):272-276.

［10］崔静，王雪梅.数字图像压缩算法的仿真与应用研究［J］.计算机仿真，2012，29(8):265-268.

［11］王胜正，施朝健，石永辉.新一代船舶操纵模拟器关键技术［J］.上海海事大学学报，2007，28(1):143-149.

［12］Duane Hanselman，Bruce Littlefield.Mastering Matlab 7［M］.Beijing:Tsinghua University Press，2006.

［13］廖河树.大型船舶操纵模拟器的系统组成及分析［J］.中国航海，2003，55(2):8-11，17.

［14］曾庆军，周耀庭.综合船桥系统研究的核心内容［J］.航海技术，2001(4):24-27.