孫 宇，孔繁虹

（同濟大學 電子與信息工程學院，上海 201804）

車載機車綜合無線通信操作顯示終端仿真研究

孫 宇，孔繁虹

（同濟大學 電子與信息工程學院，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，它集車次號注冊、語音通話、調(diào)度命令傳輸?shù)裙δ苡谝惑w。本文在通過嵌入式技術(shù)構(gòu)建Windows系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，開發(fā)軟件操作界面，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，實現(xiàn)對列車車載CIR操作顯示終端的仿真研究。

車載操作顯示終端； 綜合無線通信；網(wǎng)絡(luò)通信；嵌入式

機車無線通信包括語音、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，機車無線通信的內(nèi)容也得到了完善與發(fā)展，并形成了機車綜合無線通信平臺。根據(jù)實際運用需求進行功能模塊配置，機車綜合無線通信（CIR，Cab Integrated Radio）設(shè)備可覆蓋450 MHz、GSM-R調(diào)度通信系統(tǒng)（語音通信，調(diào)度命令，列尾，列車車次號等），并具有列車安全預警，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、操作顯示終端、送受話器、揚聲器、打印終端、天線及連接電纜組成。

1.1.1 主機

CIR主機用于數(shù)據(jù)處理，操作系統(tǒng)硬件環(huán)境的支持，是整個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，實現(xiàn)功能操作。可通過操作顯示終端顯示調(diào)度信息，安全警告；也可實現(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音錄入與播放功能，用于語音信息的采集與處理，將語音信號經(jīng)處理電路后輸入設(shè)備主機進行傳輸或輸入揚聲器進行播放。

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實物如圖1所示。

1.2 CIR功能

1.2.1 機車電臺功能

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

1.2.2 數(shù)據(jù)信息傳輸功能

車載CIR能夠向調(diào)度無線傳輸包括列車車次號，尾部風壓等數(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、車站間語音通話功能，接受語音調(diào)度命令。同時還具有組呼功能，實現(xiàn)對車站的鄰站組呼。

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，對其重要功能部件進行仿真研究，實現(xiàn)CIR的基本功能。使用工控板作為主機，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單片機設(shè)計PS/2操作鍵盤，并利用Socket技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸。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 嵌入式平臺搭建

本文嵌入式硬件平臺采用嵌入Intel Atom N2800雙核處理器的EPIC-N26主板。通過附加電源供電，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USB2.0接口，1個SATA接口，6個RS232串口，支持PS/2鍵盤和鼠標接入。

2.1.2 語音處理電路

語音處理電路采用了LM386、LM258等放大器設(shè)計電壓放大電路、功率放大電路，對輸入語音信號與輸出語音信號進行處理。語音輸入為麥克風端采集的語音數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)接口傳輸數(shù)據(jù)，麥克風采集的語音數(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)接口傳輸來的語音數(shù)據(jù)經(jīng)處理電路后輸出至聽筒，從而實現(xiàn)了語音的錄入與播放以及發(fā)送。語音處理電路如圖3所示。

圖3 語音處理電路

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，實現(xiàn)呼叫、掛斷、設(shè)置等操作功能。本文基于STC15F2K60S2單片機設(shè)計8x4、8x2矩陣鍵盤，利用MAX232芯片進行電平轉(zhuǎn)換，使用PS/2接口協(xié)議，實現(xiàn)操作信號的掃描輸入與處理。

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算機操作用戶界面，具有很強的直觀性，可以優(yōu)化產(chǎn)品性能，使操作人性化，減輕用戶的認知負擔，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發(fā)工具，編寫信息顯示界面及不同功能界面，實現(xiàn)對現(xiàn)實操作終端軟件環(huán)境的高真實性仿真。

3 CIR仿真功能實現(xiàn)

3.1 軟件界面實現(xiàn)

本文使用VS2010作為軟件界面開發(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現(xiàn)警號顯示等。CIR主界面主要顯示車次號，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注冊，線路選擇，音量調(diào)整等操作功能。

C++語言的優(yōu)勢在于它的封裝性，使用C++的類可以方便高效地開發(fā)顯示效果。通過CDialog類自定義對話框數(shù)組，插入對話框資源并關(guān)聯(lián)相關(guān)類，在類中實現(xiàn)顯示界面的自定義開發(fā)，從而實現(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鍵盤操作實現(xiàn)

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

在VS環(huán)境下，通過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應(yīng)，在VS環(huán)境下通過虛擬鍵碼獲取與判斷可在軟件中實現(xiàn)外設(shè)操作信息的讀取與處理。如虛擬鍵VK_RETURN對應(yīng)鍵盤回車鍵，VK_ESCAPE對應(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)信息傳輸功能實現(xiàn)

本文基于無線網(wǎng)絡(luò)通信原理，利用VS環(huán)境下Socket網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)，實現(xiàn)在無線網(wǎng)絡(luò)中對通信數(shù)據(jù)進行發(fā)送與接收。

Socket技術(shù)主要是通過無線網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)包發(fā)送至指定IP地址的計算機。本文采用UDP傳輸協(xié)議，無需握手，建立通信信道。首先利用MFC消息響應(yīng)機制，獲取網(wǎng)絡(luò)事件發(fā)生消息，再定義Socket套接字，通過消息處理函數(shù)，使用套接字recvfrom函數(shù)獲取網(wǎng)絡(luò)事件發(fā)生處的IP地址及端口號等地址信息，通過數(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)，完成點對點的無線網(wǎng)絡(luò)通信。

當發(fā)生狀況時，CIR能接收來自調(diào)度的調(diào)度信息，以文本形式顯示，司機閱讀完畢后自動儲存，也可通過“查詢”按鍵進入查詢界面進行調(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)度通話功能實現(xiàn)

本文利用VS環(huán)境下音頻處理函數(shù)，實現(xiàn)對音頻數(shù)據(jù)的打包與網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。當呼叫與接聽時，錄音與放音流程如圖7所示。

圖7 音頻處理流程

其中waveInOpen為打開錄音設(shè)備函數(shù)；wave-InPrepareHeader為錄音設(shè)備準備緩存函數(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為打開放音設(shè)備函數(shù)；waveOutPrepareHeader為放音設(shè)備準備緩存函數(shù)；waveOutWrite為放音函數(shù)。

當開始錄音后Buffer已滿時，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，將已錄好的語音信息通過Socket進行無線發(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通過按鍵呼叫指定對象（以調(diào)度為例），界面顯示呼叫信息“↗XXXX....”，對方接通后呼叫狀態(tài)變化為“XXXX...”，開始接收話筒采集的語音信息， 經(jīng)語音處理電路后通過網(wǎng)卡進行無線發(fā)送。有語音呼入時,顯示呼入消息“↙XXXX....”，接通后顯示“XXXX...”接收語音信號，經(jīng)處理電路后送至揚聲器，實現(xiàn)語音通話。

圖9 調(diào)度顯示CIR呼入

4 結(jié)束語

本文利用嵌入式硬件平臺與基于VS2010環(huán)境的軟件開發(fā)實現(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現(xiàn)。本方法對于現(xiàn)實車載終端具有一定的參考意義，也可用于模擬駕駛等培訓課程，具有實用價值。

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責任編輯 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。