車載機(jī)車綜合無(wú)線通信操作顯示終端仿真研究

孫 宇，孔繁虹

（同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 201804）

車載機(jī)車綜合無(wú)線通信操作顯示終端仿真研究

孫 宇，孔繁虹

（同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 201804）

車載CIR操作顯示終端是列車正常行駛必不可少的部分，它集車次號(hào)注冊(cè)、語(yǔ)音通話、調(diào)度命令傳輸?shù)裙δ苡谝惑w。本文在通過(guò)嵌入式技術(shù)構(gòu)建Windows系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)軟件操作界面，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)列車車載CIR操作顯示終端的仿真研究。

車載操作顯示終端； 綜合無(wú)線通信；網(wǎng)絡(luò)通信；嵌入式

機(jī)車無(wú)線通信包括語(yǔ)音、數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)，隨著通信技術(shù)的發(fā)展和業(yè)務(wù)需求的不斷增加，機(jī)車無(wú)線通信的內(nèi)容也得到了完善與發(fā)展，并形成了機(jī)車綜合無(wú)線通信平臺(tái)。根據(jù)實(shí)際運(yùn)用需求進(jìn)行功能模塊配置，機(jī)車綜合無(wú)線通信（CIR，Cab Integrated Radio）設(shè)備可覆蓋450 MHz、GSM-R調(diào)度通信系統(tǒng)（語(yǔ)音通信，調(diào)度命令，列尾，列車車次號(hào)等），并具有列車安全預(yù)警，高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

1 CIR概述

1.1 CIR組成

車載CIR操作終端由主機(jī)、操作顯示終端、送受話器、揚(yáng)聲器、打印終端、天線及連接電纜組成。

1.1.1 主機(jī)

CIR主機(jī)用于數(shù)據(jù)處理，操作系統(tǒng)硬件環(huán)境的支持，是整個(gè)CIR操作終端的核心。

1.1.2 操作顯示終端

CIR操作顯示終端用于顯示數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)功能操作。可通過(guò)操作顯示終端顯示調(diào)度信息，安全警告；也可實(shí)現(xiàn)呼叫，掛斷和查詢調(diào)度信息等操作。

1.1.3 送受話器

送受話器主要具有語(yǔ)音錄入與播放功能，用于語(yǔ)音信息的采集與處理，將語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)處理電路后輸入設(shè)備主機(jī)進(jìn)行傳輸或輸入揚(yáng)聲器進(jìn)行播放。

1.1.4 打印終端

打印終端主要用于調(diào)度信息，行車信息以及其它文本的打印工作。

1.1.5 天線

CIR具有GSM-R天線、GPRS天線、450 MHz天線、800 MHz天線等通信天線，用于不同網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸。列車車載CIR實(shí)物如圖1所示。

1.2 CIR功能

1.2.1 機(jī)車電臺(tái)功能

車載CIR具有《列車無(wú)線調(diào)度系統(tǒng)制式及主要技術(shù)條件》中規(guī)定的車載電臺(tái)功能，能夠接收無(wú)線電臺(tái)信號(hào)。

1.2.2 數(shù)據(jù)信息傳輸功能

車載CIR能夠向調(diào)度無(wú)線傳輸包括列車車次號(hào)，尾部風(fēng)壓等數(shù)據(jù)，也可接收調(diào)度文本命令。

圖1 列車車載CIR實(shí)物

1.2.3 GSM-R調(diào)度通信系統(tǒng)功能

車載CIR具有與調(diào)度、車站間語(yǔ)音通話功能，接受語(yǔ)音調(diào)度命令。同時(shí)還具有組呼功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)車站的鄰站組呼。

1.2.4 GPS定位功能

車載CIR能夠獲取本車位置信息，并向調(diào)度等發(fā)送位置信息。

2 CIR仿真環(huán)境搭建

根據(jù)CIR的組成，對(duì)其重要功能部件進(jìn)行仿真研究，實(shí)現(xiàn)CIR的基本功能。使用工控板作為主機(jī)，基于微軟基礎(chǔ)類（MFC，Microsoft Foundation classes）編寫操作顯示終端顯示界面，基于STC15F2K60S2單片機(jī)設(shè)計(jì)PS/2操作鍵盤，并利用Socket技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸。仿真環(huán)境框架如圖2所示。

圖2 仿真環(huán)境框架

2.1 CIR仿真硬件環(huán)境

2.1.1 嵌入式平臺(tái)搭建

本文嵌入式硬件平臺(tái)采用嵌入Intel Atom N2800雙核處理器的EPIC-N26主板。通過(guò)附加電源供電，處理器主頻為1.86 GHz，搭配Intel NM10高速芯片組，內(nèi)置Intel GMA3650顯示控制器，支持2.0 GB DDR3 SDRAM。主板提供VGA、HDMI接口顯示輸出，包含2個(gè)USB2.0接口，1個(gè)SATA接口，6個(gè)RS232串口，支持PS/2鍵盤和鼠標(biāo)接入。

2.1.2 語(yǔ)音處理電路

語(yǔ)音處理電路采用了LM386、LM258等放大器設(shè)計(jì)電壓放大電路、功率放大電路，對(duì)輸入語(yǔ)音信號(hào)與輸出語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行處理。語(yǔ)音輸入為麥克風(fēng)端采集的語(yǔ)音數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)接口傳輸數(shù)據(jù)，麥克風(fēng)采集的語(yǔ)音數(shù)據(jù)經(jīng)功率放大電路處理之后輸入數(shù)據(jù)傳輸接口，數(shù)據(jù)接口傳輸來(lái)的語(yǔ)音數(shù)據(jù)經(jīng)處理電路后輸出至聽(tīng)筒，從而實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音的錄入與播放以及發(fā)送。語(yǔ)音處理電路如圖3所示。

圖3 語(yǔ)音處理電路

2.1.3 PS/2鍵盤硬件電路

車載CIR操作面板使用PS/2鍵盤輸入，實(shí)現(xiàn)呼叫、掛斷、設(shè)置等操作功能。本文基于STC15F2K60S2單片機(jī)設(shè)計(jì)8x4、8x2矩陣鍵盤，利用MAX232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，使用PS/2接口協(xié)議，實(shí)現(xiàn)操作信號(hào)的掃描輸入與處理。

PS/2鍵盤接口電路如圖4所示。

2.2 CIR仿真軟件環(huán)境

軟件仿真環(huán)境主要包括操作系統(tǒng)，圖形用戶界面開(kāi)發(fā)等。主流操作系統(tǒng)主要有Windows，Linux等。

圖形用戶界面（GUI）是指采用圖形方式顯示計(jì)算機(jī)操作用戶界面，具有很強(qiáng)的直觀性，可以優(yōu)化產(chǎn)品性能，使操作人性化，減輕用戶的認(rèn)知負(fù)擔(dān)，更符合使用者的需求。

圖4 PS/2鍵盤接口電路

系統(tǒng)車載CIR軟件仿真環(huán)境采用Windows操作系統(tǒng)，使用VS2010作為圖形用戶界面開(kāi)發(fā)工具，編寫信息顯示界面及不同功能界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)操作終端軟件環(huán)境的高真實(shí)性仿真。

3 CIR仿真功能實(shí)現(xiàn)

3.1 軟件界面實(shí)現(xiàn)

本文使用VS2010作為軟件界面開(kāi)發(fā)工具，編寫CIR操作顯示終端的主界面、設(shè)置界面、線路切換界面以及實(shí)現(xiàn)警號(hào)顯示等。CIR主界面主要顯示車次號(hào)，列尾狀態(tài)，警告消息，呼叫信息等；設(shè)置界面主要顯示車次號(hào)注冊(cè)，線路選擇，音量調(diào)整等操作功能。

C++語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)在于它的封裝性，使用C++的類可以方便高效地開(kāi)發(fā)顯示效果。通過(guò)CDialog類自定義對(duì)話框數(shù)組，插入對(duì)話框資源并關(guān)聯(lián)相關(guān)類，在類中實(shí)現(xiàn)顯示界面的自定義開(kāi)發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)不同功能界面的顯示。

CIR的設(shè)置界面如圖5所示。

圖5 設(shè)置界面

3.2 外接PS/2鍵盤操作實(shí)現(xiàn)

外接PS/2鍵盤通過(guò)嵌入式主板上的PS/2接口接入，主機(jī)通過(guò)不斷掃描外設(shè)接口產(chǎn)生中斷，根據(jù)相應(yīng)的掃描碼實(shí)現(xiàn)具體的功能操作。

在VS環(huán)境下，通過(guò)PreTranslateMessage函數(shù)獲取消息產(chǎn)生事件，由于Windows環(huán)境下外設(shè)掃描碼與虛擬鍵碼一一對(duì)應(yīng)，在VS環(huán)境下通過(guò)虛擬鍵碼獲取與判斷可在軟件中實(shí)現(xiàn)外設(shè)操作信息的讀取與處理。如虛擬鍵VK_RETURN對(duì)應(yīng)鍵盤回車鍵，VK_ESCAPE對(duì)應(yīng)鍵盤Esc鍵，VK_NUMPAD0代表小鍵盤0，字符‘A’則表示鍵盤A鍵。

3.3 數(shù)據(jù)信息傳輸功能實(shí)現(xiàn)

本文基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信原理，利用VS環(huán)境下Socket網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中對(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送與接收。

Socket技術(shù)主要是通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)包發(fā)送至指定IP地址的計(jì)算機(jī)。本文采用UDP傳輸協(xié)議，無(wú)需握手，建立通信信道。首先利用MFC消息響應(yīng)機(jī)制，獲取網(wǎng)絡(luò)事件發(fā)生消息，再定義Socket套接字，通過(guò)消息處理函數(shù)，使用套接字recvfrom函數(shù)獲取網(wǎng)絡(luò)事件發(fā)生處的IP地址及端口號(hào)等地址信息，通過(guò)數(shù)據(jù)頭判斷數(shù)據(jù)類別，利用套接字sendto函數(shù)發(fā)送相應(yīng)的響應(yīng)數(shù)據(jù)，完成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信。

當(dāng)發(fā)生狀況時(shí)，CIR能接收來(lái)自調(diào)度的調(diào)度信息，以文本形式顯示，司機(jī)閱讀完畢后自動(dòng)儲(chǔ)存，也可通過(guò)“查詢”按鍵進(jìn)入查詢界面進(jìn)行調(diào)度信息的查看。調(diào)度信息顯示界面如圖6所示。

圖6 調(diào)度信息顯示

3.4 調(diào)度通話功能實(shí)現(xiàn)

本文利用VS環(huán)境下音頻處理函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)音頻數(shù)據(jù)的打包與網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。當(dāng)呼叫與接聽(tīng)時(shí)，錄音與放音流程如圖7所示。

圖7 音頻處理流程

其中waveInOpen為打開(kāi)錄音設(shè)備函數(shù)；wave-InPrepareHeader為錄音設(shè)備準(zhǔn)備緩存函數(shù)；wave-InAddBuffer為給輸入設(shè)備增加緩存函數(shù)；wave-InStart為開(kāi)始錄音函數(shù)；waveInUnprepareHeader為清除緩存函數(shù)；waveInReset為停止錄音函數(shù)；waveInClose為關(guān)閉錄音設(shè)備函數(shù)；waveOutOpen為打開(kāi)放音設(shè)備函數(shù)；waveOutPrepareHeader為放音設(shè)備準(zhǔn)備緩存函數(shù)；waveOutWrite為放音函數(shù)。

當(dāng)開(kāi)始錄音后Buffer已滿時(shí)，將收到MM_ WIM_DATA消息，處理該消息可以保存已錄好數(shù)據(jù)。在消息處理函數(shù)中捕獲MM_WIM_DATA消息，將已錄好的語(yǔ)音信息通過(guò)Socket進(jìn)行無(wú)線發(fā)送。CIR呼叫調(diào)度界面如圖8所示，調(diào)度顯示CIR呼入界面如圖9所示。

圖8 CIR呼叫

CIR通過(guò)按鍵呼叫指定對(duì)象（以調(diào)度為例），界面顯示呼叫信息“↗XXXX....”，對(duì)方接通后呼叫狀態(tài)變化為“XXXX...”，開(kāi)始接收話筒采集的語(yǔ)音信息， 經(jīng)語(yǔ)音處理電路后通過(guò)網(wǎng)卡進(jìn)行無(wú)線發(fā)送。有語(yǔ)音呼入時(shí),顯示呼入消息“↙XXXX....”，接通后顯示“XXXX...”接收語(yǔ)音信號(hào)，經(jīng)處理電路后送至揚(yáng)聲器，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音通話。

圖9 調(diào)度顯示CIR呼入

4 結(jié)束語(yǔ)

本文利用嵌入式硬件平臺(tái)與基于VS2010環(huán)境的軟件開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)列車車載CIR的仿真研究，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，完成CIR的基本功能與操作實(shí)現(xiàn)。本方法對(duì)于現(xiàn)實(shí)車載終端具有一定的參考意義，也可用于模擬駕駛等培訓(xùn)課程，具有實(shí)用價(jià)值。

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責(zé)任編輯 陳 蓉

Simulation of train CIR operation and display terminal

SUN Yu, KONG Fanhong
( School of Electronic and Information Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China )

The vehicle-mounted CIR( Cab Integrated Radio ) operation and display terminal was an essential part of the train in normal running, it combined train number registion, voice calling, dispatching command transmission and other functions together. Based on the Windows System constructed by embedded technology, the paper developed the user interface and implemented the simulation of vehicle-mounted CIR operation and display terminal combined with network communication technology.

vehicle-mounted operation and display terminal; Cab Integrated Radio (CIR); network communication；embedded technology

U285.211∶TP39

A

1005-8451（2015）07-0053-04

2014-12-10

孫 宇，在讀碩士研究生；孔繁虹，副教授。