機車運行關(guān)鍵位語音提示系統(tǒng)設(shè)計*

邱建東，蔣兆遠，湯旻安

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

機車運行關(guān)鍵位語音提示系統(tǒng)設(shè)計*

邱建東1，蔣兆遠1，湯旻安2

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

根據(jù)鐵路單司機值乘改革的需要，設(shè)計了基于高性能AVR單片機的機車運行關(guān)鍵位語音提示裝置。該裝置從TAX箱中提取數(shù)據(jù)，模仿副司機對運行關(guān)鍵位的瞭望與語音提示功能。經(jīng)現(xiàn)場實際使用，起到了良好的效果。

機車；關(guān)鍵位；AVR

隨著鐵路改革的進一步深化，單司機值乘已經(jīng)成為現(xiàn)在主要的機車乘務(wù)員值乘模式。這種值乘模式雖然能有效地節(jié)約成本，但是給機車乘務(wù)員帶來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。

機車乘務(wù)員由“雙司機”模式到“單司機”模式過渡，需要一個過程。在這個過程中，如果能夠模擬原來雙司機操作時的一些工作環(huán)境和場景，不僅能幫助司機盡快渡過不適應(yīng)階段，還能夠有效促進司機標準化操作，確保行車安全。基于此思想，通過機載信息平臺的數(shù)據(jù)共享方式，設(shè)計了機車運行關(guān)鍵位語音提示系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠補充LKJ機車監(jiān)控裝置的報警提示信息，部分模擬原副司機的一些工作職能，從而更好地為“單司機”值乘模式做好服務(wù)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

在機車行駛中的一些關(guān)鍵位置，副司機會通過呼喚應(yīng)答的方式提醒正司機進行某些操作或者提高注意力。呼喚應(yīng)答的主要內(nèi)容有注意防護信號、注意慢行、注意儀表、機械間巡查、注意信號、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固定的某些點對應(yīng)的，例如注意慢行就是在長大上坡道前，注意信號就是在進站信號燈、出站信號燈等位置。因此，這些固定點就是機車運行中需要司機重點關(guān)注的“關(guān)鍵位”。本系統(tǒng)設(shè)計是根據(jù)機車實時運行公里坐標與關(guān)鍵位比對，并模擬副司機播放相對應(yīng)的提示語音，就能夠?qū)崿F(xiàn)副司機的提醒提示功能。

目前國內(nèi)機車均配備了“機車安全信息綜合監(jiān)測裝置”（簡稱TAX箱）。它是一個開放式信息平臺，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485接口周期地傳送到裝置內(nèi)各個功能單元。所有與列車運行及安全檢測設(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)計奠定了基礎(chǔ)。

運行關(guān)鍵位語音提示系統(tǒng)設(shè)計從TAX箱中獲得機車實時公里標數(shù)據(jù)，并和在軟件中設(shè)置好的“關(guān)鍵位”坐標進行比對，然后根據(jù)關(guān)鍵位的不同，播報不同的語音，給司機以提醒。如果和機車音頻、視頻監(jiān)控裝置結(jié)合，可以要求司機聽到語音播報后進行應(yīng)答，部分實現(xiàn)了副司機的工作職能。

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

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 單片機選型及中央控制單元設(shè)計

單片機選擇了ATMEL公司的ATMEGA128，這款單片機性價比很高，具有32×8個通用寄存器，128 kb的系統(tǒng)內(nèi)可編程flash，可進行萬次擦寫，片內(nèi)還有萬次可擦寫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)的擴展。中央控制單元圍繞單片機設(shè)計，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

TAX箱作為機務(wù)部門對外提供的一個信息管理記錄平臺，對外提供9個插槽，編號3～11，其中7，9，10，11插槽是備用插槽，為用戶擴展開放。為了實現(xiàn)和TAX箱通訊，系統(tǒng)設(shè)計了“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。接口板的作用相當于導(dǎo)線延長線，一端使用TAX標準48針插座，485信號的正端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。

機車上TAX箱輸出的是RS485信號，而單片機能夠識別的是RS232信號，通信單元的主要設(shè)計功能就是將485信號轉(zhuǎn)化為232信號，考慮到抗干擾因素，系統(tǒng)選用MAX1480B做信號處理。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)。可確保數(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 語音模塊設(shè)計

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

圖3 語音處理單元

2.4 工藝設(shè)計

機車運行環(huán)境非常惡劣。電磁干擾、灰塵、噪聲、振動等都嚴重影響本系統(tǒng)的正常工作。電路EMC設(shè)計主要措施有①將電源功率區(qū)、數(shù)字電路區(qū)、模擬電路區(qū)設(shè)計成相對獨立區(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信號線按照功率強弱分開布設(shè)，信號線上開孔盡量少；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，并遠離振蕩器，具有存儲記憶的電路相互靠近，并與CPU總線靠近。

為了適應(yīng)機車運行振動大、灰塵大、噪聲大的環(huán)境要求，本系統(tǒng)在第1次設(shè)計運行基礎(chǔ)上又進行了2次改版設(shè)計。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)實際運行考驗，滿足不了現(xiàn)場要求，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)計了揚聲器的位置，電路板預(yù)留梯形槽安裝揚聲器（第1版揚聲器懸掛安裝在外殼上蓋上，易脫落，且音響效果不好），揚聲器從側(cè)面發(fā)聲，音響效果得到了大大提升。同時系統(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)場要求。

圖4 二級功率放大電路

3 軟件設(shè)計

該裝置在設(shè)計軟件的時候，主要分單片機軟件和系統(tǒng)測試軟件2部分。

單片機軟件基于ATmega128設(shè)計，采用C語言編程，AVR Studio 4編譯環(huán)境下調(diào)試。主要實現(xiàn)功能有①從TAX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)功能要求對數(shù)據(jù)進行比對處理；④實現(xiàn)播放語音功能。

軟件實現(xiàn)的難點和關(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）如何在比對數(shù)據(jù)庫中定位下一個比對數(shù)據(jù)；

（4）比對數(shù)據(jù)和語音對照的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計。

3.1 實時運行公里標數(shù)據(jù)提取

機車實時運行的公里標數(shù)據(jù)都存儲在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)容的列車運行情況信息，每幀40個字節(jié)，以0x39開頭，內(nèi)含年月日、時分秒、公里標、實速、車次、機車號等，各檢測單元同時接收此幀信息，并不斷刷新自己的坐標系統(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）→單片機串口”，所以接收信息的方式設(shè)計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)計接收幀的字節(jié)，直到獲取16，17，18這3個公里標字節(jié)。

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

3.2 數(shù)據(jù)處理

公里標3個字節(jié)是十六進制，需要轉(zhuǎn)化成10進制。這種轉(zhuǎn)化有幾種常用方式，例如左移位等，但是算法不僅計算時間長，滿足不了實時性要求，同時非常占用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比，這種解決方案能夠比移位計算節(jié)省70%的空間。

3.3 關(guān)鍵位置坐標設(shè)置、數(shù)據(jù)比對與語音播報

機車運行公里標數(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)鍵位置坐標進行比對，以便進行下一步工作。系統(tǒng)預(yù)設(shè)的關(guān)鍵位置坐標是根據(jù)線路實際的里程坐標設(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個平交道口，這些道口的絕對公里坐標數(shù)據(jù)經(jīng)過準確測量核實后，都作為系統(tǒng)關(guān)鍵位置坐標錄入。關(guān)鍵位置不同，播放的語音不同，系統(tǒng)軟件設(shè)計時采用了結(jié)構(gòu)體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵位置坐標數(shù)據(jù)和需要播放的語音編號一一對應(yīng)。同時設(shè)置標志位，每一個已經(jīng)比對過的參數(shù)都會打上標志，這樣新的實際運行數(shù)據(jù)需要比對時，能夠快速定位、提取要比對的預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)。實際運行數(shù)據(jù)與比對數(shù)據(jù)相差達到預(yù)設(shè)的閾值范圍，則系統(tǒng)提取該比對數(shù)據(jù)的語音播放編號，播放相應(yīng)語音。

由于ATMEGA128內(nèi)部具有128 kb flash存儲空間，完全能夠滿足預(yù)設(shè)比對公里標數(shù)據(jù)的存儲要求，加之這些數(shù)據(jù)在線路固定以后，一般不會變動。因此本系統(tǒng)設(shè)計時將這些數(shù)據(jù)直接寫入源程序代碼中。同時系統(tǒng)預(yù)留外部存儲器接口，可以設(shè)計“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進行RS232通訊，將比對數(shù)據(jù)寫入外部存儲器。

系統(tǒng)單片機軟件主函數(shù)流程圖如圖5所示。

3.4 其他設(shè)計

系統(tǒng)采用了模塊化的編程思想，將主要的功能實現(xiàn)都封裝在函數(shù)內(nèi)，書寫在不同的C文件中。例如data.c文件中主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理操作，就分別有公里標獲取、上行比對、下行比對、比對數(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)容就很簡潔，條理清晰，可讀性好［6］。

3.5 模擬測試源

系統(tǒng)需要在試驗室試驗和調(diào)試，但是沒有TAX源是個掣肘環(huán)節(jié)。為此，在系統(tǒng)設(shè)計的同時，還專門設(shè)計了模擬源軟件。

該軟件用VB設(shè)計，按照TAX的協(xié)議格式和不同的測試要求，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，直接輸入測試公里標，點擊發(fā)送數(shù)據(jù)幀，以利于單片機軟件調(diào)試；

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

模擬源工作時，模擬TAX箱，按照28 800的波特率，通過計算機串口發(fā)出數(shù)據(jù)幀。調(diào)試時，還需要外接一個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 測試軟件界面

4 裝車運行情況與結(jié)論

本系統(tǒng)的1代機和2代機已經(jīng)在寧東地方鐵路全部運行機車上裝車應(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，司機反映有效地起到了安全警示作用。圖7為東風(fēng)4B3936號機車實際裝車照片。

圖7 系統(tǒng)裝車實景照片

機車運行關(guān)鍵位語音提示系統(tǒng)的設(shè)計思想，緊扣鐵路新值乘制度實行給值乘工作帶來困難的客觀實際，結(jié)構(gòu)原理雖然簡單，但是功能穩(wěn)定，語音播放清晰，關(guān)鍵位置提取準確，有效地部分替代了副司機的職能，受到了現(xiàn)場的好評。

［1］ 馬 潮.AVR單片機嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用實例［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.自動語音提示系統(tǒng)在焦爐生產(chǎn)中的應(yīng)用［J］.測控技術(shù)，2012，31（9）：141-143.

［4］ 郭治國，許新偉，苗衛(wèi)東.全自動站場信息無線語音提示系統(tǒng)設(shè)計［J］.鐵道運輸與經(jīng)濟，2005，27（6）：68-69.

［5］ 王崇華.機車語音記錄裝置的改進［J］.鐵路計算機應(yīng)用，2013，22（7）：51-54.

［6］ 顏秋容，等.車站列車進路語音提示與報警系統(tǒng)［J］.鐵道運輸與經(jīng)濟，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

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

4—）男，高級工程師（

2013－11－17）