基于PXA270與WinCE的分布式地鐵車載系統(tǒng)開發(fā)

車載信息娛樂系統(tǒng)與報(bào)站系統(tǒng)作為地鐵列車必不可少的配置顯得尤為重要，可以使乘客準(zhǔn)確地確定到站站點(diǎn)、緩解乏味的旅途，也可以輕松地獲得各站點(diǎn)的換乘路線、乘車指南等有意義的信息。

早期車載多媒體播放器多是傳統(tǒng)的磁帶收音機(jī)、CD播放器、DVD播放器等，磁帶機(jī)的缺點(diǎn)是音質(zhì)不好且由于傳動機(jī)械的故障會出現(xiàn)卡帶的現(xiàn)象，現(xiàn)基本已淘汰。車載CD播放器最近幾年才應(yīng)用于車載系統(tǒng)，在音質(zhì)方面有了很大的提高，但只能讀取CD光盤不能下載網(wǎng)絡(luò)媒體，具有歌曲更換不便的缺點(diǎn)，同時(shí)缺少可視效果[1]。DVD是采用MPEG2標(biāo)準(zhǔn)壓縮的全數(shù)字影音光盤，它的特點(diǎn)是音質(zhì)高、畫質(zhì)高、容量大，但成本相對較高，同時(shí)也具有CD播放器媒體文件更換不便的缺點(diǎn)[2]。現(xiàn)階段的車載媒體播放系統(tǒng)多采用嵌入式技術(shù)，如以三星S3C2440A處理器為核心的車載信息服務(wù)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)信息提示、導(dǎo)航定位、多媒體播放等功能[3]。其中媒體播放多基于嵌入式流媒體技術(shù)，如通過GStreamer和RTP/RTCP流媒體協(xié)議設(shè)計(jì)流媒體播放器[4]。但此方式對于列車這種單一源多接收端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其帶寬占用高，易造成堵塞。

現(xiàn)有公交報(bào)站系統(tǒng)僅是音頻廣播報(bào)站，地鐵的報(bào)站提示是通過三色LED的顏色變化與音頻廣播來實(shí)現(xiàn)的，報(bào)站形式單一，且缺少換乘路線、乘車指南等信息的提示，同時(shí)與媒體播放系統(tǒng)相分離。例如通過在站臺與列車上分別放置RF無線節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)自動報(bào)站。其系統(tǒng)使用射頻與接收芯片CC1100、語音播放芯片VS1003和單片機(jī)控制，通過對每一個(gè)車站進(jìn)行ID編碼，利用身份識別技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動報(bào)站功能[5]。此外，也有基于ZigBee技術(shù)的定位解決方案，通過放置無線節(jié)點(diǎn)組成ZigBee網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)射頻接收信號強(qiáng)度指示計(jì)算出所需定位的位置[6]，此方法對于實(shí)現(xiàn)報(bào)站功能成本過高。由于地鐵運(yùn)行于地下，乘客沒有可參考的建筑物標(biāo)識來判斷即將到達(dá)的站點(diǎn)，因此其報(bào)站系統(tǒng)十分重要。而實(shí)現(xiàn)地鐵的自動報(bào)站并非易事，它不能像地面公交系統(tǒng)那樣通過GPS定位系統(tǒng)[7]來實(shí)現(xiàn)車輛的定位與報(bào)站。

針對以上問題，本文開發(fā)了一種基于PXA270硬件平臺與WinCE嵌入式操作系統(tǒng)的車載媒體報(bào)站系統(tǒng)。此系統(tǒng)集媒體播放、站點(diǎn)信息播報(bào)與換乘信息提示于一體，媒體文件更換方便快捷。系統(tǒng)采用分布式布局，各車載播放終端通過軟件升級后，完全可以作為車載廣播中心使用，因此進(jìn)一步增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)采用嵌入式技術(shù)，專用性強(qiáng)、特色功能易實(shí)現(xiàn)，如可根據(jù)站點(diǎn)的具體布局提示乘客換乘路線等。同時(shí)采用WinCE嵌入式操作系統(tǒng)，具有實(shí)時(shí)性好的特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用Xscale PXA270芯片為核心處理器，主頻為520 MHz，SDRAM為64 MB，F(xiàn)lash為32 MB[8-9]。由于報(bào)站同步性的需要，通過IP組播的方式將站點(diǎn)信息與媒體文件傳輸至各節(jié)車廂，這樣既方便了多媒體文件的更新，同時(shí)也減少了系統(tǒng)的成本。系統(tǒng)主體框圖如圖1所示，采用分布式布局，即在列車的車頭放置車載廣播中心，實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)的接收、媒體文件的存儲、通過IP組播將到站離站信息與媒體文件傳輸至各節(jié)車廂。在各節(jié)車廂放置車載播放終端，負(fù)責(zé)接收站點(diǎn)信息與媒體文件，并完成多媒體播放與站點(diǎn)信息的廣播報(bào)站功能。同時(shí)各節(jié)車廂的車載播放終端也可以作為車載廣播中心進(jìn)行工作，這樣系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。

1.1 車載廣播中心

車載廣播中心放置在車頭，負(fù)責(zé)站點(diǎn)信息與媒體文件的廣播，其框圖如圖2所示。U盤負(fù)責(zé)存儲媒體文件，觸摸屏用于播放列表的制作與更換，按鍵則用于離站的信號觸發(fā)，網(wǎng)絡(luò)控制器則負(fù)責(zé)將站點(diǎn)信息與媒體文件傳輸至各車載播放終端。

1.2 車載播放終端

車載播放終端負(fù)責(zé)媒體文件與報(bào)站信息的接收和播放，其框圖如圖3所示。網(wǎng)絡(luò)控制器用于接收報(bào)站信息與媒體文件，U盤用于存儲各站點(diǎn)的報(bào)站音頻與信息提示文件，LCD則用于視頻與站點(diǎn)信息的顯示，喇叭用于音頻的播放。

1.3 站臺節(jié)點(diǎn)與車載節(jié)點(diǎn)

站臺節(jié)點(diǎn)采用STC89C52單片機(jī)為微處理器，通過其P0口連接8位撥碼開關(guān)，實(shí)現(xiàn)對各站點(diǎn)的編碼標(biāo)識。NRF905模塊與STC89C52單片機(jī)之間通過SPI串行外設(shè)接口通信，STC89C52 P1.4~P1.7引腳分別與NRF905模塊的MISO、MOSI、SCK和CSN引腳相連，通過C程序模擬SPI時(shí)序完成數(shù)據(jù)的傳輸。站點(diǎn)的標(biāo)識通過NRF905模塊發(fā)送。站臺節(jié)點(diǎn)原理圖如圖4所示。

車載節(jié)點(diǎn)上的NRF905模塊負(fù)責(zé)接收站點(diǎn)標(biāo)識，并通過串口將站點(diǎn)標(biāo)識數(shù)據(jù)傳輸至車載廣播中心。NRF905模塊的連接方式同站臺節(jié)點(diǎn)。車載節(jié)點(diǎn)原理圖如圖5所示。

2 系統(tǒng)軟件構(gòu)建

2.1 操作系統(tǒng)的選擇與定制

WinCE是微軟公司嵌入式、移動計(jì)算平臺的基礎(chǔ)，它是一個(gè)開放的、可升級的嵌入式操作系統(tǒng)[10]。WinCE是從整體上為有限資源平臺設(shè)計(jì)的多線程、完整優(yōu)先權(quán)、多任務(wù)的操作系統(tǒng)，模塊化的設(shè)計(jì)使WinCE系統(tǒng)可大可小，具有很好的穩(wěn)定性與移植性；支持多種外圍硬件與設(shè)備，圖形界面出色，其強(qiáng)大的圖形界面開發(fā)能力是其他嵌入式操作系統(tǒng)所不具備的，因此很適合作為車載平臺的操作系統(tǒng)。

利用WinCE進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的首要工作是操作系統(tǒng)的定制，即根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行裁剪、添加所需的組件與驅(qū)動，以及配置文件的修改。系統(tǒng)定制[11]的主要步驟如下：

（1）創(chuàng)建新工程

通過微軟提供的Platform Builder5.0新建工程，在選擇BSP包時(shí)，選擇開發(fā)板提供的XSBASE270：ARMV4I。由于此系統(tǒng)的主要功能是多媒體的解碼播放，因此設(shè)計(jì)模板選擇為Digital Media Receiver。之后根據(jù)實(shí)際需要選擇相應(yīng)的組件完成工程的創(chuàng)建。

（2）配置平臺

此過程主要是添加相關(guān)組件，是整個(gè)定制車載多媒體系統(tǒng)過程中的重點(diǎn)。其中主要有Usb Activesync（File Sync）、USB Mass Storage、中文字體（Chinese[Simplifiled]）、Fat File System、鍵盤驅(qū)動（用于按鍵觸發(fā)）、網(wǎng)卡驅(qū)動（用于網(wǎng)絡(luò)傳輸）、觸摸屏驅(qū)動（用于多功能操作）、DirectShow組件以及mp3、MPEG-1的解碼Filter（用于媒體播放）等。通過Platform Builder 5.0編譯生成的NK.bin文件下載至開發(fā)平臺。

（3）導(dǎo)出SDK

導(dǎo)出的車載多媒體系統(tǒng)SDK用于在PC宿主機(jī)上通過Visual Studio 2005開發(fā)車載廣播中心端MyNetSend以及車載播放終端MyNetPlayer應(yīng)用程序。首先Configure SDK對SDK進(jìn)行相應(yīng)的配置，之后Build SDK等待完成后將生成的SDK安裝于PC宿主機(jī)。

2.2 軟件工作流程

車載廣播中心完成媒體文件的IP組播發(fā)送、播放列表制作、站點(diǎn)信息接收和按鍵觸發(fā)報(bào)站功能。具體流程如圖6所示。

MyNetSend發(fā)送端程序啟動后首先進(jìn)行頁面的初始化、播放列表的加載，之后啟動發(fā)送線程，將列表中的文件依次組播發(fā)送。當(dāng)接收到到站信號后將發(fā)送線程掛起，之后調(diào)用進(jìn)站信息發(fā)送函數(shù)，等待報(bào)站音頻播放結(jié)束后恢復(fù)發(fā)送線程。當(dāng)有按鍵按下時(shí)產(chǎn)生WM_KEYDOWN消息，再將發(fā)送線程掛起，之后調(diào)用離站信息發(fā)送函數(shù)，等待報(bào)站音頻播放結(jié)束后恢復(fù)發(fā)送線程。如此往復(fù)循環(huán)。

車載播放終端負(fù)責(zé)媒體文件的接收與播放、語音報(bào)站以及到站與換乘信息提示。具體流程如圖7所示。MyNetPlayer接收端程序啟動后創(chuàng)建DirectShow的濾波器鏈表FilterGraph，啟動接收線程，解析接收到的組播報(bào)的報(bào)頭，如果是DATA_MEDIA則將數(shù)據(jù)報(bào)通過DirectShow技術(shù)解碼播放；如果是ARRIVE**則向窗口類發(fā)送WM_ARRIVE**消息，窗口類接收到對應(yīng)的到站消息后則調(diào)用對應(yīng)的到站處理函數(shù)，即播放到站提示音頻與顯示到站與換乘提示信息；如果是LEAVE**則向窗口類發(fā)送WM_LEAVE**消息，窗口類接收到對應(yīng)的出站消息后則調(diào)用相應(yīng)的出站處理函數(shù)，即播放出站提示音頻與下一站的換乘提示信息。

2.3 功能實(shí)現(xiàn)

2.3.1 媒體文件的IP組播與接收

IP組播是通過使用特定的IP組播地址，將IP數(shù)據(jù)報(bào)傳輸?shù)揭粋€(gè)組播群組，所有加入該組的網(wǎng)絡(luò)接收者均可以收到這份數(shù)據(jù)，這樣極大地減小了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。媒體文件的組播是通過CMulticastAdmin類來實(shí)現(xiàn)的，具體過程如下：

?。?）發(fā)送端
?、賱?chuàng)建組播組
　mMulticaster->CreateMulticaster（）；
?、讷@取媒體路徑名
　SourceFile=mProgramListCtrl.GetItemText（NowListNum，1）；
?、鄞蜷_媒體文件
　m_objFile.Open（m_strSourceFile，CFile：：modeRead|CFile：：typeBinary）
?、茏x取媒體文件數(shù)據(jù)
　nRead=m_objFile.Read（pBuf+sizeof（MSG_HEADER），MPEG1_PACK）；
　⑤設(shè)置數(shù)據(jù)報(bào)報(bào)頭
　pMsg->nMsgType=DATA_MEDIA；
?、藿M播
　Multicast（pBuf，nMsgSize）；

?。?）接收端
?、匍_啟接收線程
　m_pReceiver->StartReceiving（）；
?、诮邮諗?shù)據(jù)
　nret=Receive（buff，nMsgSize）；
?、劢馕鰣?bào)頭
　PMSG_HEADER pMsg=（PMSG_HEADER）buff；
　nMsgType=pMsg->nMsgType；

2.3.2 DirectShow解碼播放

DirectShow是微軟公司在ActiveMovie和Video for Windows的基礎(chǔ)上推出的新一代基于COM的流媒體處理的開發(fā)包[12]。DirectShow使用Filter Graph的模型來管理整個(gè)數(shù)據(jù)流的處理過程，各個(gè)Filter在Filter Graph中按一定的順序連接成一條“流水線”協(xié)同工作。按照功能劃分，F(xiàn)ilter大致分為三類：Source Filters、Transform Filters和Rendering Filters。首先通過Source Filters負(fù)責(zé)取得網(wǎng)絡(luò)組播數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)往下傳輸，之后經(jīng)Transform Filters進(jìn)行數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換、傳輸，最后Rendering Filters將數(shù)據(jù)傳送給顯示與音頻設(shè)備進(jìn)行多媒體的演示。接收端MyNetPlayer進(jìn)行解碼播放的過程如下：

?。?）創(chuàng)建濾波器鏈表管理器m_pGB
　HRESULT hr=CoCreateInstance（CLSID_FilterGraph，
　NULL，
　CLSCTX_INPROC，
　IID_IGraphBuilder，
?。╲oid**）m_pGB）；
?。?）查詢媒體控制接口
　hr=m_pGB->QueryInterface（IID_IMediaControl，（void**）m_pMC）；
?。?）添加自己制作的接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的SourceFilter
　hr=m_pGB->AddFilter（m_pSourceReader， NULL）；
?。?）構(gòu)建濾波器鏈表，渲染媒體文件
　HRESULT hr=m_pGB->Render（m_pSourceReader->GetPin（0））；
?。?）進(jìn)行播放
　hr=m_pMC->Run（）；

2.3.3 自動報(bào)站

自動報(bào)站是通過向窗口類發(fā)送自定義的到站與離站消息來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)窗口類接收到到站或離站消息后再調(diào)用相應(yīng)的消息處理函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)自動報(bào)站。下面是WM_MESSAGE_ARRIVE1站點(diǎn)1的到站消息處理函數(shù)，其他消息處理函數(shù)與其類似。

LONG CMyNetPlayerDlg：：OnMessageARRIVE1（WPARAM wParam， LPARAM lParam）
{
m_pGraph->m_pVW->put_Visible（OAFALSE）；
//將視頻畫面屏蔽
InitMyGraph（）；
//初始化用于播放mp3音頻文件的GraphFilter
bmp.LoadBitmap（IDB_BITMAP1）；//加載到站位圖
drawbitmap（）；//顯示位圖
m_StaText.SetWindowText（L十三號街站到了）；
//顯示到站信息
HRESULT hr；
long evCode；
hr=pGraph->RenderFile（L/硬盤/stationin/1.mp3，NULL）；//構(gòu)建濾波器鏈表，渲染報(bào)站音頻文件
hr=pControl->Run（）；//播放
pEvent->WaitForCompletion（INFINITE，evCode）；
//等待音頻播放完畢
pControl->Release（）；//釋放資源
pEvent->Release（）；
pGraph->Release（）；
CoUninitialize（）；
bmp.DeleteObject（）；
m_pGraph->m_pVW->put_Visible（OATRUE）；
//顯示原視頻畫面
return 0；
}

3 系統(tǒng)測試實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬列車運(yùn)行流程進(jìn)行測試，通過三個(gè)開發(fā)平臺完成實(shí)驗(yàn)，其中之一運(yùn)行MyNetSend程序作為車載廣播中心，其余兩個(gè)運(yùn)行MyNetPlayer程序，模擬為車載播放終端。

3.1 車載廣播中心的媒體文件發(fā)送

車載廣播中心通過車載節(jié)點(diǎn)接收站臺信息實(shí)現(xiàn)到站與離站信息的提示。發(fā)送終端軟件界面如圖8所示，可通過添加與刪除按鈕進(jìn)行媒體文件的添加刪除，從而完成媒體文件列表的制作，車載廣播中心軟件則根據(jù)該文件列表順序循環(huán)廣播。其主要特點(diǎn)是根據(jù)站臺節(jié)點(diǎn)發(fā)送的站臺信息報(bào)站，報(bào)站準(zhǔn)確無誤，且當(dāng)有多次按鍵觸發(fā)時(shí)不亂報(bào)。

3.2 車載播放終端的媒體播放與自動報(bào)站

車載播放終端完成了將接收的媒體文件解碼播放，到站與離站信息的播報(bào)。圖9為模擬列車運(yùn)行中（無偶次按鍵觸發(fā)、無站臺節(jié)點(diǎn)信息）播放媒體文件時(shí)的顯示界面，此時(shí)終端界面底部循環(huán)顯示日期、時(shí)間、下一站信息和換乘信息，上部播放接收到的媒體文件，界面簡潔人性化。

本文提出了基于PXA270微處理器與WinCE嵌入式操作系統(tǒng)的地鐵媒體報(bào)站系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，系統(tǒng)能夠充分完成媒體文件的傳輸播放與到站、離站信息的準(zhǔn)確提示。車載廣播中心可通過更改播放列表完成媒體文件的更新，既方便快捷又經(jīng)濟(jì)。車載播放終端界面簡潔人性化。同時(shí)通過軟件升級可支持更多種媒體文件的播放。