邱建東，蔣兆遠(yuǎn)，湯旻安

（1 蘭州交通大學(xué) 機(jī)電技術(shù)研究所，甘肅蘭州730070；2 蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅蘭州730050）

機(jī)車運(yùn)行關(guān)鍵位語(yǔ)音提示系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

邱建東1，蔣兆遠(yuǎn)1，湯旻安2

（1 蘭州交通大學(xué) 機(jī)電技術(shù)研究所，甘肅蘭州730070；2 蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅蘭州730050）

根據(jù)鐵路單司機(jī)值乘改革的需要，設(shè)計(jì)了基于高性能AVR單片機(jī)的機(jī)車運(yùn)行關(guān)鍵位語(yǔ)音提示裝置。該裝置從TAX箱中提取數(shù)據(jù)，模仿副司機(jī)對(duì)運(yùn)行關(guān)鍵位的瞭望與語(yǔ)音提示功能。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用，起到了良好的效果。

機(jī)車；關(guān)鍵位；AVR

隨著鐵路改革的進(jìn)一步深化，單司機(jī)值乘已經(jīng)成為現(xiàn)在主要的機(jī)車乘務(wù)員值乘模式。這種值乘模式雖然能有效地節(jié)約成本，但是給機(jī)車乘務(wù)員帶來(lái)了很大的精神和身體壓力，這些壓力極易轉(zhuǎn)化成行車安全隱患。

機(jī)車乘務(wù)員由“雙司機(jī)”模式到“單司機(jī)”模式過渡，需要一個(gè)過程。在這個(gè)過程中，如果能夠模擬原來(lái)雙司機(jī)操作時(shí)的一些工作環(huán)境和場(chǎng)景，不僅能幫助司機(jī)盡快渡過不適應(yīng)階段，還能夠有效促進(jìn)司機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化操作，確保行車安全?；诖怂枷?，通過機(jī)載信息平臺(tái)的數(shù)據(jù)共享方式，設(shè)計(jì)了機(jī)車運(yùn)行關(guān)鍵位語(yǔ)音提示系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠補(bǔ)充LKJ機(jī)車監(jiān)控裝置的報(bào)警提示信息，部分模擬原副司機(jī)的一些工作職能，從而更好地為“單司機(jī)”值乘模式做好服務(wù)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在機(jī)車行駛中的一些關(guān)鍵位置，副司機(jī)會(huì)通過呼喚應(yīng)答的方式提醒正司機(jī)進(jìn)行某些操作或者提高注意力。呼喚應(yīng)答的主要內(nèi)容有注意防護(hù)信號(hào)、注意慢行、注意儀表、機(jī)械間巡查、注意信號(hào)、注意前方道口等。這些呼喚應(yīng)答的內(nèi)容，基本上都是和線路上相對(duì)固定的某些點(diǎn)對(duì)應(yīng)的，例如注意慢行就是在長(zhǎng)大上坡道前，注意信號(hào)就是在進(jìn)站信號(hào)燈、出站信號(hào)燈等位置。因此，這些固定點(diǎn)就是機(jī)車運(yùn)行中需要司機(jī)重點(diǎn)關(guān)注的“關(guān)鍵位”。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)是根據(jù)機(jī)車實(shí)時(shí)運(yùn)行公里坐標(biāo)與關(guān)鍵位比對(duì)，并模擬副司機(jī)播放相對(duì)應(yīng)的提示語(yǔ)音，就能夠?qū)崿F(xiàn)副司機(jī)的提醒提示功能。

目前國(guó)內(nèi)機(jī)車均配備了“機(jī)車安全信息綜合監(jiān)測(cè)裝置”（簡(jiǎn)稱TAX箱）。它是一個(gè)開放式信息平臺(tái)，裝置內(nèi)通訊記錄單元通過RS485串行通信方式從LKJ監(jiān)控裝置中獲得各種信息，并將這些信息通過另一個(gè)485接口周期地傳送到裝置內(nèi)各個(gè)功能單元。所有與列車運(yùn)行及安全檢測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)信息均能夠從TAX箱通過RS485總線獲取，這為本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

運(yùn)行關(guān)鍵位語(yǔ)音提示系統(tǒng)設(shè)計(jì)從TAX箱中獲得機(jī)車實(shí)時(shí)公里標(biāo)數(shù)據(jù)，并和在軟件中設(shè)置好的“關(guān)鍵位”坐標(biāo)進(jìn)行比對(duì)，然后根據(jù)關(guān)鍵位的不同，播報(bào)不同的語(yǔ)音，給司機(jī)以提醒。如果和機(jī)車音頻、視頻監(jiān)控裝置結(jié)合，可以要求司機(jī)聽到語(yǔ)音播報(bào)后進(jìn)行應(yīng)答，部分實(shí)現(xiàn)了副司機(jī)的工作職能。

該系統(tǒng)基于高性能單片機(jī)設(shè)計(jì)，主要由通信模塊、中央處理模塊、語(yǔ)音播放模塊組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。通信模塊提取TAX平臺(tái)的RS485信號(hào)，并根據(jù)傳輸協(xié)議進(jìn)行解析，中央處理模塊根據(jù)解析結(jié)果，和設(shè)置參數(shù)進(jìn)行比對(duì)處理，需要播放提示語(yǔ)音的時(shí)候，發(fā)出播放指令，由語(yǔ)音播放模塊進(jìn)行播音。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)選型及中央控制單元設(shè)計(jì)

單片機(jī)選擇了ATMEL公司的ATMEGA128，這款單片機(jī)性價(jià)比很高，具有32×8個(gè)通用寄存器，128 kb的系統(tǒng)內(nèi)可編程flash，可進(jìn)行萬(wàn)次擦寫，片內(nèi)還有萬(wàn)次可擦寫4 kb EEPROM，以及4 kb SRAM等。AT-mega128資源豐富，通過相關(guān)寄存器的設(shè)置可以很容易的控制具有SPI接口的語(yǔ)音芯片，ATMEGA128這些功能不僅可滿足系統(tǒng)的要求還有利于系統(tǒng)的擴(kuò)展。中央控制單元圍繞單片機(jī)設(shè)計(jì)，主要還有晶振電路、指示燈電路、復(fù)位電路、JTAG電路等［1-2］。

2.2 通信模塊設(shè)計(jì)

TAX箱作為機(jī)務(wù)部門對(duì)外提供的一個(gè)信息管理記錄平臺(tái)，對(duì)外提供9個(gè)插槽，編號(hào)3～11，其中7，9，10，11插槽是備用插槽，為用戶擴(kuò)展開放。為了實(shí)現(xiàn)和TAX箱通訊，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了“數(shù)據(jù)接口板”，安裝在7＃插槽上，用于從TAX箱中引出RS485信號(hào)。接口板的作用相當(dāng)于導(dǎo)線延長(zhǎng)線，一端使用TAX標(biāo)準(zhǔn)48針插座，485信號(hào)的正端A＋、副端B－和地線分別從插座的18D、18B、18C引腳接出，連接另一端DB9通信插頭的2，3，5引腳，然后通過DB9插座和通信線纜相連。

機(jī)車上TAX箱輸出的是RS485信號(hào)，而單片機(jī)能夠識(shí)別的是RS232信號(hào)，通信單元的主要設(shè)計(jì)功能就是將485信號(hào)轉(zhuǎn)化為232信號(hào)，考慮到抗干擾因素，系統(tǒng)選用MAX1480B做信號(hào)處理。MAX1480B是完備的電氣隔離型的RS485/RS232數(shù)據(jù)通信接口芯片，采用混合微電路結(jié)構(gòu)?？纱_保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴Ｍㄐ艈卧娐穲D如圖2所示。74 HC86芯片的3腳和9腳連接到MCU的串口，其12腳是該模塊的使能端［3］。

圖2 數(shù)據(jù)通信模塊

2.3 語(yǔ)音模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)語(yǔ)音模塊由語(yǔ)音芯片和功率放大電路組成。語(yǔ)音芯片選用美國(guó)ISD公司的ISD4003，可進(jìn)行8 min的長(zhǎng)時(shí)語(yǔ)音錄放，將需要播報(bào)的語(yǔ)音都提前錄制在芯片中，按照地址調(diào)用。考慮到機(jī)車嘈雜的環(huán)境，播放的語(yǔ)音聲音要大，系統(tǒng)采用了二級(jí)功率放大設(shè)計(jì)，分別選用LM386和TDA2822芯片，可獲得清晰大音量的聲音。其設(shè)計(jì)電路如圖3所示［4］。

圖3 語(yǔ)音處理單元

2.4 工藝設(shè)計(jì)

機(jī)車運(yùn)行環(huán)境非常惡劣。電磁干擾、灰塵、噪聲、振動(dòng)等都嚴(yán)重影響本系統(tǒng)的正常工作。電路EMC設(shè)計(jì)主要措施有①將電源功率區(qū)、數(shù)字電路區(qū)、模擬電路區(qū)設(shè)計(jì)成相對(duì)獨(dú)立區(qū)域，盡量減少互相干擾；②各集成元器件地線電源線間分別100%接入去耦電容；③信號(hào)線按照功率強(qiáng)弱分開布設(shè)，信號(hào)線上開孔盡量少；④雙面印刷版3總線互相垂直，盡可能短。地線和電源線盡量成梳狀布設(shè)；⑤數(shù)字電路中的有關(guān)邏輯器件相互靠近，并遠(yuǎn)離振蕩器，具有存儲(chǔ)記憶的電路相互靠近，并與CPU總線靠近。

為了適應(yīng)機(jī)車運(yùn)行振動(dòng)大、灰塵大、噪聲大的環(huán)境要求，本系統(tǒng)在第1次設(shè)計(jì)運(yùn)行基礎(chǔ)上又進(jìn)行了2次改版設(shè)計(jì)。第1版系統(tǒng)采用了塑料外殼，連接線也采用普通的DB9接頭，經(jīng)實(shí)際運(yùn)行考驗(yàn)，滿足不了現(xiàn)場(chǎng)要求，易發(fā)生器件脫落而停止工作的情況。第2版采用鐵質(zhì)外殼，航空插頭，并重新設(shè)計(jì)了揚(yáng)聲器的位置，電路板預(yù)留梯形槽安裝揚(yáng)聲器（第1版揚(yáng)聲器懸掛安裝在外殼上蓋上，易脫落，且音響效果不好），揚(yáng)聲器從側(cè)面發(fā)聲，音響效果得到了大大提升。同時(shí)系統(tǒng)整體剛度和穩(wěn)定性也得到了極大提升，完全滿足了現(xiàn)場(chǎng)要求。

圖4 二級(jí)功率放大電路

3 軟件設(shè)計(jì)

該裝置在設(shè)計(jì)軟件的時(shí)候，主要分單片機(jī)軟件和系統(tǒng)測(cè)試軟件2部分。

單片機(jī)軟件基于ATmega128設(shè)計(jì)，采用C語(yǔ)言編程，AVR Studio 4編譯環(huán)境下調(diào)試。主要實(shí)現(xiàn)功能有①?gòu)腡AX箱中捕獲數(shù)據(jù)幀；②提取相關(guān)信息并轉(zhuǎn)化；③按照系統(tǒng)功能要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)處理；④實(shí)現(xiàn)播放語(yǔ)音功能。

軟件實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)有：

（1）串口獲取TAX數(shù)據(jù)幀，如何有效捕捉幀頭，以確保讀取數(shù)據(jù)的正確性；

（2）數(shù)據(jù)提取并快速轉(zhuǎn)換成需要制式；

（3）如何在比對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中定位下一個(gè)比對(duì)數(shù)據(jù)；

（4）比對(duì)數(shù)據(jù)和語(yǔ)音對(duì)照的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.1 實(shí)時(shí)運(yùn)行公里標(biāo)數(shù)據(jù)提取

機(jī)車實(shí)時(shí)運(yùn)行的公里標(biāo)數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在TAX箱內(nèi)。正常情況下，TAX箱通訊記錄單元每隔50 ms周期地向各檢測(cè)單元（或使用數(shù)據(jù)的設(shè)備）發(fā)送統(tǒng)一內(nèi)容的列車運(yùn)行情況信息，每幀40個(gè)字節(jié)，以0x39開頭，內(nèi)含年月日、時(shí)分秒、公里標(biāo)、實(shí)速、車次、機(jī)車號(hào)等，各檢測(cè)單元同時(shí)接收此幀信息，并不斷刷新自己的坐標(biāo)系統(tǒng)。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收傳輸路徑為“TAX箱數(shù)據(jù)源→數(shù)據(jù)通信板→DB9插頭→雙芯屏蔽電纜→系統(tǒng)航空接頭→1480B芯片（轉(zhuǎn)化成232電平）→單片機(jī)串口”，所以接收信息的方式設(shè)計(jì)為串口接收中斷的方式。通過判別0x39捕獲幀頭以后，采用Static變量，統(tǒng)計(jì)接收幀的字節(jié)，直到獲取16，17，18這3個(gè)公里標(biāo)字節(jié)。

軟件中根據(jù)需要設(shè)計(jì)了全局互控標(biāo)志，例如串口中斷中，用到了全局標(biāo)志Uart＿RecvFlag。如果一幀數(shù)據(jù)成功接收完成，該標(biāo)志置1，進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)處理，同時(shí)清空接收計(jì)數(shù)器，閃爍計(jì)數(shù)器等。數(shù)據(jù)處理完成后，該標(biāo)志清0，用以接收下一幀數(shù)據(jù)［5］。

3.2 數(shù)據(jù)處理

公里標(biāo)3個(gè)字節(jié)是十六進(jìn)制，需要轉(zhuǎn)化成10進(jìn)制。這種轉(zhuǎn)化有幾種常用方式，例如左移位等，但是算法不僅計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，滿足不了實(shí)時(shí)性要求，同時(shí)非常占用CPU寶貴的資源。本系統(tǒng)采用了共用體的方式，僅僅簡(jiǎn)單幾句就能夠?qū)崿F(xiàn)功能，其代碼如下，根據(jù)編譯后的代碼效率對(duì)比，這種解決方案能夠比移位計(jì)算節(jié)省70%的空間。

3.3 關(guān)鍵位置坐標(biāo)設(shè)置、數(shù)據(jù)比對(duì)與語(yǔ)音播報(bào)

機(jī)車運(yùn)行公里標(biāo)數(shù)據(jù)經(jīng)過采集、傳輸、讀取轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)后，需要和系統(tǒng)預(yù)設(shè)的關(guān)鍵位置坐標(biāo)進(jìn)行比對(duì)，以便進(jìn)行下一步工作。系統(tǒng)預(yù)設(shè)的關(guān)鍵位置坐標(biāo)是根據(jù)線路實(shí)際的里程坐標(biāo)設(shè)置的，分成上行和下行兩組數(shù)據(jù)。例如寧東地方鐵路公司70 km線路上有38個(gè)平交道口，這些道口的絕對(duì)公里坐標(biāo)數(shù)據(jù)經(jīng)過準(zhǔn)確測(cè)量核實(shí)后，都作為系統(tǒng)關(guān)鍵位置坐標(biāo)錄入。關(guān)鍵位置不同，播放的語(yǔ)音不同，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)采用了結(jié)構(gòu)體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)和需要播放的語(yǔ)音編號(hào)一一對(duì)應(yīng)。同時(shí)設(shè)置標(biāo)志位，每一個(gè)已經(jīng)比對(duì)過的參數(shù)都會(huì)打上標(biāo)志，這樣新的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)需要比對(duì)時(shí)，能夠快速定位、提取要比對(duì)的預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)。實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)與比對(duì)數(shù)據(jù)相差達(dá)到預(yù)設(shè)的閾值范圍，則系統(tǒng)提取該比對(duì)數(shù)據(jù)的語(yǔ)音播放編號(hào)，播放相應(yīng)語(yǔ)音。

由于ATMEGA128內(nèi)部具有128 kb flash存儲(chǔ)空間，完全能夠滿足預(yù)設(shè)比對(duì)公里標(biāo)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)要求，加之這些數(shù)據(jù)在線路固定以后，一般不會(huì)變動(dòng)。因此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)將這些數(shù)據(jù)直接寫入源程序代碼中。同時(shí)系統(tǒng)預(yù)留外部存儲(chǔ)器接口，可以設(shè)計(jì)“數(shù)據(jù)寫入軟件程序”，通過本系統(tǒng)外接RS485口，經(jīng)轉(zhuǎn)換后和CPU進(jìn)行RS232通訊，將比對(duì)數(shù)據(jù)寫入外部存儲(chǔ)器。

系統(tǒng)單片機(jī)軟件主函數(shù)流程圖如圖5所示。

3.4 其他設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用了模塊化的編程思想，將主要的功能實(shí)現(xiàn)都封裝在函數(shù)內(nèi)，書寫在不同的C文件中。例如data.c文件中主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理操作，就分別有公里標(biāo)獲取、上行比對(duì)、下行比對(duì)、比對(duì)數(shù)據(jù)定位、方向判別、交路判別以及LED燈操作等函數(shù)，這樣主函數(shù)內(nèi)容就很簡(jiǎn)潔，條理清晰，可讀性好［6］。

3.5 模擬測(cè)試源

系統(tǒng)需要在試驗(yàn)室試驗(yàn)和調(diào)試，但是沒有TAX源是個(gè)掣肘環(huán)節(jié)。為此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的同時(shí)，還專門設(shè)計(jì)了模擬源軟件。

該軟件用VB設(shè)計(jì)，按照TAX的協(xié)議格式和不同的測(cè)試要求，主要能夠?qū)崿F(xiàn)如下模擬功能：

（1）持續(xù)地按照選定波特率和上下行方式發(fā)送數(shù)據(jù)幀，數(shù)據(jù)幀中的16～18字節(jié)每一幀累加1（下行）或者遞減1（上行）；

（2）以單幀方式，直接輸入測(cè)試公里標(biāo)，點(diǎn)擊發(fā)送數(shù)據(jù)幀，以利于單片機(jī)軟件調(diào)試；

（3）在數(shù)據(jù)幀中插入“車號(hào)”、“車速”等信息，用于系統(tǒng)的擴(kuò)展功能調(diào)試。

模擬源工作時(shí)，模擬TAX箱，按照28 800的波特率，通過計(jì)算機(jī)串口發(fā)出數(shù)據(jù)幀。調(diào)試時(shí)，還需要外接一個(gè)RS232～RS485的研發(fā)模塊，就能夠完全模擬TAX箱的數(shù)據(jù)源了。模擬源的界面如圖6所示。

圖5 系統(tǒng)軟件主流程圖

圖6 測(cè)試軟件界面

4 裝車運(yùn)行情況與結(jié)論

本系統(tǒng)的1代機(jī)和2代機(jī)已經(jīng)在寧東地方鐵路全部運(yùn)行機(jī)車上裝車應(yīng)用。寧東地方鐵路管轄的線路由于沒有全封閉，線路情況比較復(fù)雜，上文提到，其一條主要線路，羊場(chǎng)灣電廠站到大沙溝站，70 km的線路，僅平交道口就有38處，非常容易出現(xiàn)危及行車安全的狀況。加裝本系統(tǒng)以后，司機(jī)反映有效地起到了安全警示作用。圖7為東風(fēng)4B3936號(hào)機(jī)車實(shí)際裝車照片。

圖7 系統(tǒng)裝車實(shí)景照片

機(jī)車運(yùn)行關(guān)鍵位語(yǔ)音提示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，緊扣鐵路新值乘制度實(shí)行給值乘工作帶來(lái)困難的客觀實(shí)際，結(jié)構(gòu)原理雖然簡(jiǎn)單，但是功能穩(wěn)定，語(yǔ)音播放清晰，關(guān)鍵位置提取準(zhǔn)確，有效地部分替代了副司機(jī)的職能，受到了現(xiàn)場(chǎng)的好評(píng)。

［1］ 馬 潮.AVR單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用實(shí)例［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

［2］ 沈建良.ATmega128單片機(jī)入門與提高［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版，2009.

［3］ 沈立春，林 紅，鄧 欣.自動(dòng)語(yǔ)音提示系統(tǒng)在焦?fàn)t生產(chǎn)中的應(yīng)用［J］.測(cè)控技術(shù)，2012，31（9）：141-143.

［4］ 郭治國(guó)，許新偉，苗衛(wèi)東.全自動(dòng)站場(chǎng)信息無(wú)線語(yǔ)音提示系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.鐵道運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)，2005，27（6）：68-69.

［5］ 王崇華.機(jī)車語(yǔ)音記錄裝置的改進(jìn)［J］.鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2013，22（7）：51-54.

［6］ 顏秋容，等.車站列車進(jìn)路語(yǔ)音提示與報(bào)警系統(tǒng)［J］.鐵道運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)，2007，29（7）：43-45.

Design of Voice Prompt System for Key Running Positions of Locomotive

QIU Jiandong，JIANG Zhaoyuan，TANG Minan
（1 Mechatronic T＆R Institute Lanzhou Jiaotong University LanZhou 730070 Gansu，China；2 School of Mechanical and Electronic Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050 Gansu，China）

According to the need for the reform of the Railway Single Driver system，a set of voice prompt system for key running positions of locomotive based on high-performance microcontroller AVR has been designed in this paper.This device extracts data from the TAX box，and mimics co-driver to lookout key positions and prompt voice.From the effect used in the actual field，it can meet the actual requirements very well.

locomotive；key running positions；AVR

U260

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.03.13

1008－7842（2014）03－0052－05

*甘肅省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（090GKCA009，1304GKCA023）；甘肅省自然科學(xué)基金支持（1208RJZA292）。

4—）男，高級(jí)工程師（

2013－11－17）