地铁列车广播控制盒的仿真研究

2019-09-19徐子兴钱雪军

铁路计算机应用 2019年9期

徐子兴，钱雪军

（同济大学电子与信息工程学院，上海 200331）

列车广播和乘客信息显示系统是地铁列车和城市轨道列车的配套设备，其主要功能是根据地铁列车在运行过程中的速度和开关门等信号，使广播系统按指定的内容自动或手动播放列车到站的动态音/视频运营信息[1]。

作为列车广播和乘客信息显示系统的重要组成部分，地铁列车广播控制盒需要实现自动或手动对乘客报站、紧急信息广播以及乘客与列车司机紧急对讲等多种功能。其作用是使旅客及时了解列车的运行情况、到站信息等，方便旅客换乘其他线路，减少旅客下错站的可能性。在发生灾害或其他紧急情况下，进行紧急广播，指挥旅客疏散，调度工作人员抢险救灾，或由乘客向地铁列车司机紧急对讲，报告紧急情况，从而使司机和控制中心可以做出及时的反应，减少意外造成的损失[2]。

目前，广播控制盒的仿真研究中，关于自动或紧急报站、紧急对讲和广播主要侧重于策略的研究[3-4]，本文将以北京地铁S1号线列车驾驶员培训系统中列车广播控制盒仿真方案为背景，介绍广播控制盒的仿真。

1 仿真的总体方案

1.1 人机界面

广播控制盒的人机界面如图1所示，主要由液晶显示屏（LCD），发光二极管（LED）指示灯，带灯按钮，麦克风和音量旋钮组成。

图1 列车广播控制盒实物图

LCD显示的广播类型包括“前方”、“到站”、“紧急”、“起始站”、“终点站”，分别代表不同的广播模式。当按下“手动/自动”按钮，该按钮灯常亮，表示处于手动模式，可以通过操作对应的按钮进行手动报站、紧急广播和起始、终点站设置等操作，操作后广播控制盒的状态信息会更新，发送给旅客信息系统（PIS）主机。

无论在手动还是自动模式下，都可以按下“人工”按钮进入人工广播模式，通过司机室麦克风对乘客进行广播。同样，当乘客按下车厢上的报警器，对应的报警区号码会变换显示样式以提示司机。司机按下“报警”按钮即可以应答并进行紧急对讲。

1.2 仿真总体框架

仿真总体框架如图2所示，广播控制盒的所有功能都集成在一块印刷电路板（PCB）上，PCB固定在广播控制盒外壳上，PCB上的人机交互模块和外壳共同构成广播控制盒的人机界面。

图2 仿真总体框架

单片机接收到来自其他模块的信息，做出响应，对外发出控制指令或者状态信息。广播控制盒和PIS主机可以通过预留的接口进行通信，并且单片机程序也通过预留的接口进行升级。

2 系统仿真实现

2.1 硬件电路

总电路原理图如图3所示。广播控制盒接入24 V的电源，通过一个LM2596降压到5 V，供音频放大电路使用。5 V电压通过LM1117降压到3.3 V，给PCB上其他模块供电。所用的单片机型号为STC15L2K60S2，该单片机有两个通用异步收发器（UART）。UART1通过MAX3232芯片和MAX3490芯片与PIS主机RS-232、RS-485通信。UART2连接LCD模块，向LCD模块发送显示指令和接收其返回值。音量旋钮对应的电位器通过单片机的模数转换器（ADC）采集信号，再通过串口发送给主机，控制扬声器的音量。单片机还控制指示灯的亮、灭，以及闪烁。

图3 总电路原理图

音频放大电路原理图如图4所示，从麦克风采入的音频信号先经过一个LM358运算放大器放大100倍，此信号可以作为line in信号输出到PC。该信号也可以通过PAM8403二级放大电路继续放大，输出信号可以直接驱动无源小扬声器。麦克风还输出挂机（HOOK）信号和一键通（PTT）信号，这些信号发送给单片机，产生控制信号，控制音频的输出。

带灯按钮驱动电路原理图如图5所示，15个按钮由两片级联的74HC165驱动，按键信号并行输入，串行输出，通过串行外设接口（SPI）发送给单片机。15个按钮上的灯由两片级联的74HC595驱动，单片机发出的控制信号由SPI串行输入，并行输出，控制灯的亮或灭。

设计好原理图后，将元件按照人机界面的要求放置、布线、焊制和调试，最终完成硬件电路的制作。PCB实物如图6所示。

图4 音频放大电路原理图

图5 带灯按钮驱动电路原理图

图6 PCB实物图

2.2 广播控制盒外壳

广播控制盒的外壳起着固定PCB的作用，并且由于广播控制盒的所有功能都集成在PCB上，外壳的形状要和PCB上的元件布局相配。

用AutoCAD绘制了广播控制盒外壳模型，包括前面板和后盖。根据模型，通过数控机床加工出实物，再经过磨砂喷漆处理和激光打标，完成外壳的制作。

2.3 单片机程序设计

单片机程序通过KEIL开发。程序分为3层，底层是驱动层，用于各个模块初始化，中间层是调用底层程序来实现特定功能的模块层，上层是通过调用下层程序来实现广播控制盒操作和控制逻辑的应用层。

根据与PIS主机的通信协议定义结构体，包含广播控制盒发送和接收的数据，由15个byte组成。为了确保传输无误，数据包包含4个byte的帧头，并且进行循环冗余码校验（CRC）。

广播控制盒的主程序采用定时器中断的方式。每50 ms读取一次按键信息和更新按键灯的显示状态，按键读取经过了消抖处理。读取按键信息后，如果广播控制盒的状态更新了，即按下了有效的按键，则向LCD模块发送显示指令，LCD会更新显示内容，同时，广播控制盒的状态信息会马上发送给PIS主机。每200 ms读取一次来自PIS主机的数据，也向PIS主机发送广播控制盒的状态信息。程序流程如图7所示。

2.4 上位机测试软件

上位机测试软件以 VS2010 为开发平台，基于MFC 库实现。该软件的重点在于串口通信模块。串口通信通过Windows API被单独封装成一个Serial类，包含串口配置、初始化、打开串口、串口读写、关闭串口等功能。同时，为了保证数据传输的完整性和正确性，测试软件和广播控制盒的串口通信模块均进行了CRC。

图7 广播控制盒程序流程图

PIS主机与广播控制盒的通信协议中，所有字节都可以通过该测试软件实时显示出来，在广播控制盒的开发过程中，该测试软件可以认为是一个虚拟的PIS主机。上位机界面如图8所示。

图8 上位机测试软件界面

3 仿真结果

完成后的广播控制盒实物图如图9所示，仿真广播控制盒具有自动或手动对乘客进行报站广播、紧急信息广播，以及紧急对讲等功能，并且在地铁列车驾驶模拟器中得到应用。

（1）当按下紧急广播按钮，进入紧急广播模式，“紧急”按钮灯常亮，LCD上的广播类型变为“紧急”，广播站名变为“紧急疏散”，此时按下“↓”，紧急广播变为“火警”。再按下“播音/停止”按钮，该按钮灯常亮，广播控制盒向PIS主机发送播放请求，PIS主机收到请求播放预先录制好的紧急广播。而在自动模式下，广播控制盒接收到来自PIS主机的指令自动更新状态信息。