地鐵列車廣播控制盒的仿真研究

徐子興，錢雪軍

（同濟大學 電子與信息工程學院，上海 200331）

列車廣播和乘客信息顯示系統是地鐵列車和城市軌道列車的配套設備，其主要功能是根據地鐵列車在運行過程中的速度和開關門等信號，使廣播系統按指定的內容自動或手動播放列車到站的動態音/視頻運營信息[1]。

作為列車廣播和乘客信息顯示系統的重要組成部分，地鐵列車廣播控制盒需要實現自動或手動對乘客報站、緊急信息廣播以及乘客與列車司機緊急對講等多種功能。其作用是使旅客及時了解列車的運行情況、到站信息等，方便旅客換乘其他線路，減少旅客下錯站的可能性。在發生災害或其他緊急情況下，進行緊急廣播，指揮旅客疏散，調度工作人員搶險救災，或由乘客向地鐵列車司機緊急對講，報告緊急情況，從而使司機和控制中心可以做出及時的反應，減少意外造成的損失[2]。

目前，廣播控制盒的仿真研究中，關于自動或緊急報站、緊急對講和廣播主要側重于策略的研究[3-4]，本文將以北京地鐵S1號線列車駕駛員培訓系統中列車廣播控制盒仿真方案為背景，介紹廣播控制盒的仿真。

1 仿真的總體方案

1.1 人機界面

廣播控制盒的人機界面如圖1所示，主要由液晶顯示屏（LCD），發光二極管（LED）指示燈，帶燈按鈕，麥克風和音量旋鈕組成。

圖1 列車廣播控制盒實物圖

LCD顯示的廣播類型包括“前方”、“到站”、“緊急”、“起始站”、“終點站”，分別代表不同的廣播模式。當按下“手動/自動”按鈕，該按鈕燈常亮，表示處于手動模式，可以通過操作對應的按鈕進行手動報站、緊急廣播和起始、終點站設置等操作，操作后廣播控制盒的狀態信息會更新，發送給旅客信息系統（PIS）主機。

無論在手動還是自動模式下，都可以按下“人工”按鈕進入人工廣播模式，通過司機室麥克風對乘客進行廣播。同樣，當乘客按下車廂上的報警器，對應的報警區號碼會變換顯示樣式以提示司機。司機按下“報警”按鈕即可以應答并進行緊急對講。

1.2 仿真總體框架

仿真總體框架如圖2所示，廣播控制盒的所有功能都集成在一塊印刷電路板（PCB）上，PCB固定在廣播控制盒外殼上，PCB上的人機交互模塊和外殼共同構成廣播控制盒的人機界面。

圖2 仿真總體框架

單片機接收到來自其他模塊的信息，做出響應，對外發出控制指令或者狀態信息。廣播控制盒和PIS主機可以通過預留的接口進行通信，并且單片機程序也通過預留的接口進行升級。

2 系統仿真實現

2.1 硬件電路

總電路原理圖如圖3所示。廣播控制盒接入24 V的電源，通過一個LM2596降壓到5 V，供音頻放大電路使用。5 V電壓通過LM1117降壓到3.3 V，給PCB上其他模塊供電。所用的單片機型號為STC15L2K60S2，該單片機有兩個通用異步收發器（UART）。UART1通過MAX3232芯片和MAX3490芯片與PIS主機RS-232、RS-485通信。UART2連接LCD模塊，向LCD模塊發送顯示指令和接收其返回值。音量旋鈕對應的電位器通過單片機的模數轉換器（ADC）采集信號，再通過串口發送給主機，控制揚聲器的音量。單片機還控制指示燈的亮、滅，以及閃爍。

圖3 總電路原理圖

音頻放大電路原理圖如圖4所示，從麥克風采入的音頻信號先經過一個LM358運算放大器放大100倍，此信號可以作為line in信號輸出到PC。該信號也可以通過PAM8403二級放大電路繼續放大，輸出信號可以直接驅動無源小揚聲器。麥克風還輸出掛機（HOOK）信號和一鍵通（PTT）信號，這些信號發送給單片機，產生控制信號，控制音頻的輸出。

帶燈按鈕驅動電路原理圖如圖5所示，15個按鈕由兩片級聯的74HC165驅動，按鍵信號并行輸入，串行輸出，通過串行外設接口（SPI）發送給單片機。15個按鈕上的燈由兩片級聯的74HC595驅動，單片機發出的控制信號由SPI串行輸入，并行輸出，控制燈的亮或滅。

設計好原理圖后，將元件按照人機界面的要求放置、布線、焊制和調試，最終完成硬件電路的制作。PCB實物如圖6所示。

圖4 音頻放大電路原理圖

圖5 帶燈按鈕驅動電路原理圖

圖6 PCB實物圖

2.2 廣播控制盒外殼

廣播控制盒的外殼起著固定PCB的作用，并且由于廣播控制盒的所有功能都集成在PCB上，外殼的形狀要和PCB上的元件布局相配。

用AutoCAD繪制了廣播控制盒外殼模型，包括前面板和后蓋。根據模型，通過數控機床加工出實物，再經過磨砂噴漆處理和激光打標，完成外殼的制作。

2.3 單片機程序設計

單片機程序通過KEIL開發。程序分為3層，底層是驅動層，用于各個模塊初始化，中間層是調用底層程序來實現特定功能的模塊層，上層是通過調用下層程序來實現廣播控制盒操作和控制邏輯的應用層。

根據與PIS主機的通信協議定義結構體，包含廣播控制盒發送和接收的數據，由15個byte組成。為了確保傳輸無誤，數據包包含4個byte的幀頭，并且進行循環冗余碼校驗（CRC）。

廣播控制盒的主程序采用定時器中斷的方式。每50 ms讀取一次按鍵信息和更新按鍵燈的顯示狀態，按鍵讀取經過了消抖處理。讀取按鍵信息后，如果廣播控制盒的狀態更新了，即按下了有效的按鍵，則向LCD模塊發送顯示指令，LCD會更新顯示內容，同時，廣播控制盒的狀態信息會馬上發送給PIS主機。每200 ms讀取一次來自PIS主機的數據，也向PIS主機發送廣播控制盒的狀態信息。程序流程如圖7所示。

2.4 上位機測試軟件

上位機測試軟件以 VS2010 為開發平臺，基于MFC 庫實現。該軟件的重點在于串口通信模塊。串口通信通過Windows API被單獨封裝成一個Serial類，包含串口配置、初始化、打開串口、串口讀寫、關閉串口等功能。同時，為了保證數據傳輸的完整性和正確性，測試軟件和廣播控制盒的串口通信模塊均進行了CRC。

圖7 廣播控制盒程序流程圖

PIS主機與廣播控制盒的通信協議中，所有字節都可以通過該測試軟件實時顯示出來，在廣播控制盒的開發過程中，該測試軟件可以認為是一個虛擬的PIS主機。上位機界面如圖8所示。

圖8 上位機測試軟件界面

3 仿真結果

完成后的廣播控制盒實物圖如圖9所示，仿真廣播控制盒具有自動或手動對乘客進行報站廣播、緊急信息廣播，以及緊急對講等功能，并且在地鐵列車駕駛模擬器中得到應用。

（1）當按下緊急廣播按鈕，進入緊急廣播模式，“緊急”按鈕燈常亮，LCD上的廣播類型變為“緊急”，廣播站名變為“緊急疏散”，此時按下“↓”，緊急廣播變為“火警”。再按下“播音/停止”按鈕，該按鈕燈常亮，廣播控制盒向PIS主機發送播放請求，PIS主機收到請求播放預先錄制好的緊急廣播。而在自動模式下，廣播控制盒接收到來自PIS主機的指令自動更新狀態信息。

圖9 廣播控制盒仿真實物圖

（2）當有兩個報警器1-1和2-1先后被按下，先按下的報警器1-1將默認被選中，閃爍以提示，同時，“報警”按鈕燈將閃爍，通過按下“→”按鈕改變選中的報警器為2-1，按下“報警”按鈕進行應答，并通過麥克風（MIC）與乘客緊急通話。

（3）在手動模式下，按下“起始”按鈕，進入起始站設置模式，“起始”按鈕燈常亮，顯示屏左上角的廣播類型變為“起始站”，此時，按下“↑”或者“↓”，可以改變起始站名，再按下“確定”按鈕，起始站名也將改變。

4 結束語

本文根據廣播控制盒的人機界面和功能，提出了低成本、高可靠性的地鐵列車廣播控制盒仿真設計方案，介紹了其軟件及硬件的實現方法，完成了廣播控制盒的仿真。該仿真廣播控制盒已經應用到地鐵列車駕駛模擬器中,取得了較好的培訓效果，具有一定的實用價值。