地铁车载电子系统基于PXA270与WinCE的分布式开发

早期车载多媒体播放器多是传统的磁带收音机、CD播放器、DVD播放器等，磁带机的缺点是音质不好且由于传动机械的故障会出现卡带的现象，现基本已淘汰。车载CD播放器最近几年才应用于车载系统，在音质方面有了很大的提高，但只能读取CD光盘不能下载网络媒体，具有歌曲更换不便的缺点，同时缺少可视效果[1]。DVD是采用MPEG2标准压缩的全数字影音光盘，它的特点是音质高、画质高、容量大，但成本相对较高，同时也具有CD播放器媒体文件更换不便的缺点[2]。现阶段的车载媒体播放系统多采用嵌入式技术，如以三星S3C2440A处理器为核心的车载信息服务系统，可实现信息提示、导航定位、多媒体播放等功能[3]。其中媒体播放多基于嵌入式流媒体技术，如通过GStreamer和RTP/RTCP流媒体协议设计流媒体播放器[4]。但此方式对于列车这种单一源多接收端拓扑结构，其带宽占用高，易造成堵塞。

现有公交报站系统仅是音频广播报站，地铁的报站提示是通过三色LED的颜色变化与音频广播来实现的，报站形式单一，且缺少换乘路线、乘车指南等信息的提示，同时与媒体播放系统相分离。例如通过在站台与列车上分别放置RF无线节点来实现自动报站。其系统使用射频与接收芯片CC1100、语音播放芯片VS1003和单片机控制，通过对每一个车站进行ID编码，利用身份识别技术实现自动报站功能[5]。此外，也有基于ZigBee技术的定位解决方案，通过放置无线节点组成ZigBee网络，根据射频接收信号强度指示计算出所需定位的位置[6]，此方法对于实现报站功能成本过高。由于地铁运行于地下，乘客没有可参考的建筑物标识来判断即将到达的站点，因此其报站系统十分重要。而实现地铁的自动报站并非易事，它不能像地面公交系统那样通过GPS定位系统[7]来实现车辆的定位与报站。

针对以上问题，本文开发了一种基于PXA270硬件平台与WinCE嵌入式操作系统的车载媒体报站系统。此系统集媒体播放、站点信息播报与换乘信息提示于一体，媒体文件更换方便快捷。系统采用分布式布局，各车载播放终端通过软件升级后，完全可以作为车载广播中心使用，因此进一步增加了系统的稳定性。系统采用嵌入式技术，专用性强、特色功能易实现，如可根据站点的具体布局提示乘客换乘路线等。同时采用WinCE嵌入式操作系统，具有实时性好的特点。

1 系统硬件平台设计

系统采用Xscale PXA270芯片为核心处理器，主频为520 MHz，SDRAM为64 MB，Flash为32 MB[8-9]。由于报站同步性的需要，通过IP组播的方式将站点信息与媒体文件传输至各节车厢，这样既方便了多媒体文件的更新，同时也减少了系统的成本。系统主体框图如图1所示，采用分布式布局，即在列车的车头放置车载广播中心，实现站点的接收、媒体文件的存储、通过IP组播将到站离站信息与媒体文件传输至各节车厢。在各节车厢放置车载播放终端，负责接收站点信息与媒体文件，并完成多媒体播放与站点信息的广播报站功能。同时各节车厢的车载播放终端也可以作为车载广播中心进行工作，这样系统更加稳定可靠。

 

1.1 车载广播中心

车载广播中心放置在车头，负责站点信息与媒体文件的广播，其框图如图2所示。U盘负责存储媒体文件，触摸屏用于播放列表的制作与更换，按键则用于离站的信号触发，网络控制器则负责将站点信息与媒体文件传输至各车载播放终端。

 

1.2 车载播放终端

车载播放终端负责媒体文件与报站信息的接收和播放，其框图如图3所示。网络控制器用于接收报站信息与媒体文件，U盘用于存储各站点的报站音频与信息提示文件，LCD则用于视频与站点信息的显示，喇叭用于音频的播放。

1.3 站台节点与车载节点

站台节点采用STC89C52单片机为微处理器，通过其P0口连接8位拨码开关，实现对各站点的编码标识。NRF905模块与STC89C52单片机之间通过SPI串行外设接口通信，STC89C52 P1.4~P1.7引脚分别与NRF905模块的MISO、MOSI、SCK和CSN引脚相连，通过C程序模拟SPI时序完成数据的传输。站点的标识通过NRF905模块发送。站台节点原理图如图4所示。

 

车载节点上的NRF905模块负责接收站点标识，并通过串口将站点标识数据传输至车载广播中心。NRF905模块的连接方式同站台节点。车载节点原理图如图5所示。

 

2 系统软件构建

2.1 操作系统的选择与定制

WinCE是微软公司嵌入式、移动计算平台的基础，它是一个开放的、可升级的嵌入式操作系统[10]。WinCE是从整体上为有限资源平台设计的多线程、完整优先权、多任务的操作系统，模块化的设计使WinCE系统可大可小，具有很好的稳定性与移植性；支持多种外围硬件与设备，图形界面出色，其强大的图形界面开发能力是其他嵌入式操作系统所不具备的，因此很适合作为车载平台的操作系统。

利用WinCE进行嵌入式系统开发的首要工作是操作系统的定制，即根据实际需要进行裁剪、添加所需的组件与驱动，以及配置文件的修改。系统定制[11]的主要步骤如下：

（1）创建新工程

通过微软提供的Platform Builder5.0新建工程，在选择BSP包时，选择开发板提供的XSBASE270：ARMV4I。由于此系统的主要功能是多媒体的解码播放，因此设计模板选择为Digital Media Receiver。之后根据实际需要选择相应的组件完成工程的创建。
 

（2）配置平台

此过程主要是添加相关组件，是整个定制车载多媒体系统过程中的重点。其中主要有Usb Activesync（File Sync）、USB Mass Storage、中文字体（Chinese[Simplifiled]）、Fat File System、键盘驱动（用于按键触发）、网卡驱动（用于网络传输）、触摸屏驱动（用于多功能操作）、DirectShow组件以及mp3、MPEG-1的解码Filter（用于媒体播放）等。通过Platform Builder 5.0编译生成的NK.bin文件下载至开发平台。

（3）导出SDK

导出的车载多媒体系统SDK用于在PC宿主机上通过Visual Studio 2005开发车载广播中心端MyNetSend以及车载播放终端MyNetPlayer应用程序。首先Configure SDK对SDK进行相应的配置，之后Build SDK等待完成后将生成的SDK安装于PC宿主机。

2.2 软件工作流程

车载广播中心完成媒体文件的IP组播发送、播放列表制作、站点信息接收和按键触发报站功能。具体流程如图6所示。

 

MyNetSend发送端程序启动后首先进行页面的初始化、播放列表的加载，之后启动发送线程，将列表中的文件依次组播发送。当接收到到站信号后将发送线程挂起，之后调用进站信息发送函数，等待报站音频播放结束后恢复发送线程。当有按键按下时产生WM_KEYDOWN消息，再将发送线程挂起，之后调用离站信息发送函数，等待报站音频播放结束后恢复发送线程。如此往复循环。

车载播放终端负责媒体文件的接收与播放、语音报站以及到站与换乘信息提示。具体流程如图7所示。MyNetPlayer接收端程序启动后创建DirectShow的滤波器链表FilterGraph，启动接收线程，解析接收到的组播报的报头，如果是DATA_MEDIA则将数据报通过DirectShow技术解码播放；如果是ARRIVE**则向窗口类发送WM_ARRIVE**消息，窗口类接收到对应的到站消息后则调用对应的到站处理函数，即播放到站提示音频与显示到站与换乘提示信息；如果是LEAVE**则向窗口类发送WM_LEAVE**消息，窗口类接收到对应的出站消息后则调用相应的出站处理函数，即播放出站提示音频与下一站的换乘提示信息。