宛紫晶，郎诚廉

（同济大学 电气工程系， 上海 201804）

列车综合无线通信调度装置（CIR），简称无线列调，它是铁路无线通信的主要组成部分，是组织铁路运输、行车安全、提高生产效率的重要通信设施，其通信质量的好坏直接关系到铁路的行车安全。因此，通过仿真手段，对列车综合无线通信装置的相关功能进行研究并应用，对于列车驾驶员上岗前的培训，尤其是列车运行时出现故障情况下的训练，有着极大的意义和应用前景。

本文设计了一种基于Android系统的列车无线通信装置通信功能的仿真方案。

1 CIR功能简介

机车综合无线通信设备是基于GSM-R数字移动通信技术，GPS全球定位技术，450 MHz模拟无线电台通信等技术的综合车载通信设备。它与地面的GSM-R设备和450 MHz设备共同组成一个完整的铁路综合无线通信网。CIR中关键功能包括基于GSM-R和450 MHz的语音调度通信，无线调度命令信息传送，无线车次号发送与校核信息，列尾风压信息传送，GPS定位信息，MMI终端显示等功能。

本文首先介绍了Android终端及开发环境，然后分模块在Android终端上对各部分仿真功能及方案进行阐述，其中，对关键的实时语音通信功能仿真方案进行了详细说明。

2 Android系统及开发环境

Android是基于Linux内核，完全开源和免费使用的，其优异的性能以及免费性和开放性，使开发人员可以随时取得程序的源代码。Android开 发 工 具 包 括：JDK5或 JDK6，Eclipse，Android SDK， Eclipse的插件ADT（Android development tools）。ADT扩展了Eclipse的功能，可以快速建立新的Android项目，添加了基于Android框架的API组件，为Eclipse下Android应用程序的开发提高了效率。

3 语音调度通信模块

语音调度通信模块的功能包括车到车，车到调度中心的实时语音通信调度。通过构建实时语音通信系统，Android端到PC端的实时语音通信系统达到仿真功能的目的。其中Android端程序中主要分语音采集播放模块，语音传输模块。语音采集播放模块完成对语音信号的采集、存储和播放等。语音传输模块运用UDP协议对语音信号进行封包和传输。程序流程图如图1所示。

图1 程序流程图

3.1 音频采集播放模块

语音采集模块主要负责对音频信号的采集与存储。音频是一种连续变化的模拟信号，但计算机只能处理和记录二进制的数字信号，由自然音源得到的音频信号必须经过一定的变化，成为数字音频信号后才能送到计算机中作进一步的处理。数字音频系统通过将声波的波形转换成一系列二进制数据（A/D转换），A/D转换器以每秒钟上万次的速率对声波进行采样，每个采样点都记录下了原始模拟声波在某一时刻的状态，通常称之为样本，而每一秒钟所采样的数目则称为采样频率，通过将一串连续的样本连接起来，就可以在计算机中描述一段声音。对于采样过程中的每一个样本，数字音频系统会分配一定存储位来记录声波的振幅，一般称之为采样分辨率或采样精度，采样精度越高，声音还原时就会越细腻。对于在Android系统下进行音频采集,最重要的是理解声音数字化的两个关键步骤：采样和量化。采样就是每隔一定时间就读一次声音信号的幅度，而量化则是将采样得到的声音信号幅度转化为数字值，从本质上讲，采样是时间上的数字化，而量化则是幅度上的数字化。

在Android系统下对音频的采集播放实现主要是通过AudioRecord和AudioTrack两个类实现，这两个类是Android获取和播放音频流的重要类，放置在Android.media包中。与该包中的MediaRecorder和MediaPlayer类不同，AudioRecord和AudioTrack类在获取和播放音频数据流时无需通过文件保存和读取，可以动态地直接获取和播放音频流，在实时处理音频数据流时非常有用。首先分别对AudioRecord和AudioTrack类进行实例化，在实例化时，参数中各有一个缓冲数组大小，经过试验这个数组大小应和AudioRecord和AudioTrack能正常实例化所需的最小Buffer大小相等，这块Buffer的大小可以通过AudioRecord和AudioTrack类的getMinBufferSize（）方法获得。然后在实例化中设置录放音的采样频率，量化位数以及声道数,本例中采用采样频率8 000 Hz、16 bit、单声道。实例化成功后还要分别设置一块数组以存储收发的音频数据。

3.2 语音传输模块

本方案中的音频传输主要采用局域网内的基于UDP/IP的流式传送，UDP协议的全称是用户数据包协议，是一种无连接的协议。UDP协议的主要作用是将网络数据流量压缩成数据包的形式，每一个数据包的前8个byte用来包含报头信息，剩余byte则包含具体的传输数据。本例中，通信双方，在录音线程内通过一个套接字将音频数据发送到另一方的放音线程的套接字，自己的放音线程内则有另一个套接字通过新端口接收另一方传送来的数据，这样就实现了双向数据的传送。程序中UDP的创建主要通过DatagramSocket类和DatagramPacket类来实现，首先实例化DatagramSocket类，在实例化的同时指定要发送目的地的端口号。接着实例化DatagramPacket类将数据进行打包并绑定目的端口号与IP地址。其中发送端部分代码如下：

其中record是AudioRecord录音类实例化的对象，startRecording()方法表示开始录音，read方法将从MIC采集到的音频存入指定的Buffer中，udps是DatagramSocket类实例化对象，recordpacket是DatagramPacke的实例化对象，负责将采集的数据进行UDP打包封装。

为方便调试，在同一个局域网内的两台Android系统手机上测试程序，经测试能够实现通信功能，可以达到仿真目的。

4 GPS定位及数据收发模块

GPS定位模块通过在Android上采集GPS定位信息发送给PC端并显示在UI界面上。Android下的GPS定位信息采集主要通过Location-Manager，LocationListener，Location，GpsStatus.Listener等类来实现。LocationMangager类实现位置管理器。要想操作定位相关设备，必须先定义LocationManager。 LocationListener类实现位置监听，位置变化，设备开关与状态。Location类可以获取时间、经纬度、海拔等信息。数据收发模块通过实现Android终端与PC机之间的文本收发达到对调度命令信息传送，无线车次号校核信息，列尾风压信息传送等功能的仿真。数据输入通过Android端下的setText控件实现，数据传送通过局域网内的UDP/IP协议实现。

调度命令信息收发界面如图2所示。

图2 调度命令信息收发界面

5 MMI显示模块

本例中按照实际的列车综合无线列控装置MMI界面样式，设计了Android平台下的仿真界面如图3所示，其中显示参数通过数据收发模块，在PC机上发送，Android端接收并显示在界面上。最下方的7个BUTTON中调度按钮发起与PC端列控中心仿真软件的通信呼叫，最右4个按钮按下任意键都可以与另一台Android终端进行呼叫通信。

图3 450Mhz模式主界面

6 按键模块

要制作按键硬件主要涉及Android系统下的驱动程序编写。在Android的上层中，可以通过获得这些设备产生的事件，并对设备事件做出响应。在Java框架和应用程序层，用按键事件获得各种键盘信息。Android用户输入系统的基本层次结构如图4所示。

图4 Android用户输入系统的基本层次结构

7 结束语

本文利用Android嵌入式系统的特性，将其作为列车综合无线通信系统的仿真终端，提出并设计一套基于Android系统的列车综合无线通信装置仿真系统方案。对每一部分的实现做了阐述，尤其对无线列调通信功能仿真模块进行了详细说明，未来可将其运用在模拟仿真驾驶台中，对于驾驶员上岗前在突发事故情况下的训练与教学有着比较实际的应用价值和现实意义。

[1]张大千，崔建国. 无线列车调度实现数据话音同传[J].沈阳航空工业学院学报，2006，14（8）：12-13.

[2]陈志杰，徐 钧，郑 敏. 机车综合无线通信设备（CIR）的技术方案[J]. 铁道通信信号，2006，18（5）：24-25.

[3]林 城. Android2.3 应用开发实践[M]. 北京：机械工业出版社，2011.

[4]周 巍，何 涛，林嘉宇. Android系统智能手机语音应用开发环境构架[J]. 微处理机， 2011.