劉全利，賀 莉

（大連理工大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116024）

0 引言

隨著我國城市化進程的不斷加快，地下鐵路交通已成為解決城市地面交通緊張的最佳交通方式.而今，城市地下鐵路交通采用以乘客為中心的運營模式，為乘客提供了更高質(zhì)量的服務(wù)［1］.目前地鐵中顯示信息技術(shù)分為兩部分：一是LED 動態(tài)地圖指示；二是LCD 廣告屏顯示.LED 動態(tài)地圖采用固定路線上LED 燈閃爍的方式指示站點，形式單一，提示信息有限；而LCD 廣告屏采用OSD（on－screen display）方式在其下側(cè)顯示部分站點信息，其視頻信號采用模擬傳輸，分辨率低，清晰度差，并不能滿足站點信息的高清需求［2－3］.

在國外地鐵發(fā)展比較成熟的城市，如倫敦，LCD 動態(tài)地圖系統(tǒng)早已投入使用；而國內(nèi)一些地鐵發(fā)展相對較快的地區(qū)，如上海，也已經(jīng)將LCD動態(tài)地圖系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用提上了日程［4－5］.雖然LCD 動態(tài)地圖系統(tǒng)的傳輸架構(gòu)類似于傳統(tǒng)的列車乘客信息系統(tǒng)，但是在高清晰度方面提出了更高要求.大多數(shù)的列車乘客信息系統(tǒng)媒體發(fā)布方式為在司機室與車廂之間采用壓縮編碼方式進行數(shù)字傳輸，而在車廂內(nèi)部采用分屏器以VGA、差分VGA 或SDI方式將信號分配到車廂內(nèi)的各個LCD 屏［6－7］.VGA和差分VGA方式本質(zhì)上是模擬信號，容易受干擾，SDI方式一般分辨率較低.上述兩種方式均不能在傳輸視頻信號的同時很方便地用同一根電纜傳輸對LCD 屏的控制信號和讀取LCD 屏的狀態(tài)信息，且要求LCD 屏與分屏器間必須是星形布線方式，電纜鋪設(shè)較多.為解決此類問題，本文設(shè)計全數(shù)字信號傳輸方式的LCD動態(tài)地圖系統(tǒng)，并對其進行功能描述；基于系統(tǒng)的功能需求，重點描述該系統(tǒng)主控單元的實現(xiàn)，即主控單元模塊基于Windows CE 操作系統(tǒng)開發(fā)，集成VGA 顯示接口、RS－232控制端口和RJ45 維護接口，以實現(xiàn)動態(tài)地圖系統(tǒng)的主要功能.

1 動態(tài)地圖系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 動態(tài)地圖系統(tǒng)設(shè)計方案

為了適應(yīng)動態(tài)地圖系統(tǒng)的數(shù)字化要求，設(shè)計了如圖1所示的系統(tǒng)總體框圖，系統(tǒng)中的各個模塊均處于同一局域網(wǎng)內(nèi).

動態(tài)地圖系統(tǒng)主控單元是動態(tài)地圖系統(tǒng)的核心模塊，主要用于顯示系統(tǒng)的場景生成和相關(guān)信息的管理.該模塊采用Intel主板，基于Windows CE操作系統(tǒng)來實現(xiàn).

列車主控提供列車當前運行狀態(tài)信號，通過RS－232接口發(fā)送消息，通知動態(tài)地圖系統(tǒng)主控單元進行場景切換和數(shù)據(jù)管理等操作.

圖1 動態(tài)地圖系統(tǒng)框圖Fig.1 Diagram of dynamic map system

視頻編碼器模塊接收到主控單元發(fā)來的VGA 信號，采用XVID 編碼算法，將視頻信號壓縮為MPEG4碼流，以滿足帶寬要求［8］，并將該碼流發(fā)送到以太網(wǎng)上.本文中采用的壓縮方式符合MPEG4Part10要求，占用帶寬小于1.5 Mbps.

視頻解碼器模塊通過以太網(wǎng)接收MPEG4視頻碼流，并進行解碼，將解碼后的視頻信號輸出到LCD 屏，以供顯示.

交換機模塊主要用于管理局域網(wǎng)內(nèi)各模塊和它們之間的數(shù)據(jù)傳輸.

綜上所述，該系統(tǒng)正常工作時，有一個主控單元和一個視頻編碼器來生成和發(fā)送視頻信號，而局域網(wǎng)內(nèi)可以有任意多個視頻解碼器獲得視頻信號，以支持多個LCD 屏的顯示.

1.2 動態(tài)地圖系統(tǒng)主控單元設(shè)計方案

根據(jù)前文可知，主控單元與其他模塊之間需要RS－232控制接口、VGA 視頻接 口和RJ45 網(wǎng)絡(luò)接口，另外考慮到系統(tǒng)運行和維護的需要，主控單元的設(shè)計框圖如圖2所示.圖中，左側(cè)3個接口用于與動態(tài)地圖系統(tǒng)其他模塊連接，右側(cè)3個接口用于支持系統(tǒng)的正常運行和維護.

圖2 主控單元框圖Fig.2 Diagram of main control unit

視頻輸出采用VGA 接口、1 280pixel×720 pixel的分辨率，用于將動態(tài)地圖顯示界面的圖像信號輸出到視頻編碼器.該界面可以根據(jù)不同的控制信號顯示不同的信息，其中包括時間提示、整體路線圖、局部路線圖、線路及站點換乘信息、到站提示、開門提示和關(guān)門提示.相對于單一的LED 路線指示，本系統(tǒng)采用的LCD 顯示方案更加人性化，能夠滿足乘客對路線、站點信息的更多需求，也能為乘客提供列車動作的必要提示.

控制接口采用RS－232 接口，將主控單元連接到列車主控.列車主控可以實時獲得列車運行的狀態(tài)，因此，主控單元需要通過控制接口獲得這些狀態(tài)，據(jù)此改變當前顯示的線路或提示信息.

以太網(wǎng)接口連接到交換機.動態(tài)地圖顯示系統(tǒng)中的各個模塊處于同一個局域網(wǎng)，因此每個模塊需要維護自己的IP地址；而同類設(shè)備出廠時均采用默認配置，因此系統(tǒng)正常運行前，需要通過以太網(wǎng)來設(shè)定每個設(shè)備的IP 地址.另外，該接口還有其他功能，如響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)點名、上傳設(shè)備狀態(tài)等.

硬盤接口采用IDE 接口，用于與CF 卡進行通信.CF卡中定制了主控單元模塊的Windows CE操作系統(tǒng)，保存了支持系統(tǒng)正常運行的應(yīng)用程序以及相關(guān)固件，是本模塊的主要存儲設(shè)備.

USB接口為系統(tǒng)調(diào)試和維護的擴展接口，用于連接其他支持USB通信的設(shè)備.

用戶輸入接口采用PS／2 接口，用于連接鍵盤和鼠標.

2 動態(tài)地圖系統(tǒng)主控單元軟件設(shè)計

本系統(tǒng)基于Windows CE 操作系統(tǒng)開發(fā).Windows CE是一種實時嵌入式操作系統(tǒng)，支持多種常見的處理器架構(gòu)，如x86、ARM 等.它支持常見的硬件外設(shè)，如鼠標、鍵盤、串口、以太網(wǎng)口、通用串行總線（USB）設(shè)備等［9］.系統(tǒng)采用Visual Studio開發(fā)環(huán)境，通過Activesync工具同步主控單元，對其進行遠程調(diào)試.主控單元采用如圖3所示的軟件框架.

圖3 動態(tài)地圖系統(tǒng)主控單元軟件框圖Fig.3 Diagram of main control unit′s software of dynamic map system

軟件框架由上而下由三大部分組成：系統(tǒng)的初始化、系統(tǒng)功能具體實現(xiàn)和系統(tǒng)的結(jié)束.

系統(tǒng)的初始化過程包括串口通信、網(wǎng)絡(luò)通信、顯示界面和數(shù)據(jù)管理鏈表的初始化.系統(tǒng)的結(jié)束過程包括以上四部分的內(nèi)存空間釋放和各線程的退出.系統(tǒng)功能的具體實現(xiàn)部分包括以下幾個模塊：

（1）網(wǎng)絡(luò)通信模塊

動態(tài)地圖系統(tǒng)主控單元作為局域網(wǎng)內(nèi)的一個設(shè)備，需要與列車主控以及維護設(shè)備進行網(wǎng)絡(luò)通信，而網(wǎng)絡(luò)通信模塊主要完成以下幾個功能：一是修改并維護IP地址；二是響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)點名；三是上傳設(shè)備狀態(tài).

（2）串口通信模塊

串口通信模塊主要處理列車主控和動態(tài)地圖系統(tǒng)主控單元之間的數(shù)據(jù)通信，并根據(jù)兩者間的協(xié)議管理串口數(shù)據(jù).模塊主要響應(yīng)以下幾個消息：一是串口點名；二是場景切換；三是系統(tǒng)時間調(diào)整.串口通信的數(shù)據(jù)包包括消息類型、列車主控傳遞給動態(tài)地圖系統(tǒng)主控單元的參數(shù)及校驗碼等信息.

（3）系統(tǒng)時間修改模塊

串口通信模塊收到系統(tǒng)時間調(diào)整的消息時，通知系統(tǒng)時間修改模塊；消息數(shù)據(jù)包中存有列車主控希望動態(tài)地圖系統(tǒng)主控單元設(shè)置的時間值，系統(tǒng)時間修改模塊將依此對主控單元系統(tǒng)時間進行修改并保存.

（4）串口點名響應(yīng)模塊

串口通信模塊收到串口點名的消息時，通知串口點名響應(yīng)模塊進行處理.

（5）場景控制模塊

串口通信模塊接收到場景切換的消息時，將通知場景控制模塊.此時，場景控制模塊根據(jù)接收到的命令，判斷當前需要顯示的場景；如果當前場景需要更新路線或站點信息，則通知路線站點管理模塊，依照數(shù)據(jù)包中的信息，更新全局路線站點信息和當前站點信息，以確保顯示的正確性.

（6）場景元素管理模塊

場景元素管理模塊主要用于管理當前場景中不同類型元素的屬性.

（7）場景實現(xiàn)模塊

場景實現(xiàn)模塊負責(zé)所有元素的具體實現(xiàn)過程.模塊基于MFC微軟基礎(chǔ)類庫，通過調(diào)用GDI圖形接口來完成.當前場景的所有元素都更新結(jié)束后，模塊根據(jù)場景元素的列表依次創(chuàng)建不同的子窗口、顯示相應(yīng)的信息以及實現(xiàn)動畫功能.

2.1 串口通信模塊

列車主控與動態(tài)地圖系統(tǒng)主控單元間采用一位滑動窗口協(xié)議進行數(shù)據(jù)通信.當主控單元收到列車主控發(fā)送的消息數(shù)據(jù)后應(yīng)該以相同消息類型的數(shù)據(jù)進行回應(yīng).為此，本文設(shè)計了一種帶有校驗可兼容多種消息類型的數(shù)據(jù)打包方式.當信息需要多字節(jié)表示時，采用小開端格式.串口數(shù)據(jù)包的幀格式如圖4所示.

圖4 串口幀格式Fig.4 Frame format of serial port

0xFC和0xFE 分別用來表示消息幀的開始和結(jié)束，0xFD 用作轉(zhuǎn)義字符.消息幀中，如果有這3個值（不包括消息的開始和結(jié)束），則分別在它們前面加上0xFD.

消息狀態(tài)用于區(qū)分當前消息的狀態(tài)，包括初始消息（列車主控發(fā)送給主控單元）、正確應(yīng)答消息（主控單元發(fā)送給列車主控）和錯誤應(yīng)答消息（主控單元發(fā)送給列車主控）3種.

消息類型用于區(qū)分本模塊管理的3種消息，包括串口點名、場景切換和系統(tǒng)時間調(diào)整.每種消息有自己的消息類型值，在通信的過程中，列車主控與動態(tài)地圖系統(tǒng)主控單元之間的同一類型的初始化消息和應(yīng)答消息采用同一消息類型.

消息數(shù)據(jù)區(qū)域保存列車主控發(fā)送給動態(tài)地圖系統(tǒng)主控單元的各個類型消息的具體數(shù)據(jù)，長度靈活可變.

校驗和從起始字節(jié)到消息數(shù)據(jù)的最后一個字節(jié)，按字節(jié)異或得到，其中不包括轉(zhuǎn)義字符0xFD.

串口通信模塊需要同列車主控和動態(tài)地圖系統(tǒng)主控單元內(nèi)部其他模塊進行交互，模塊框架如圖5所示.

串口通信模塊是動態(tài)地圖系統(tǒng)主控單元和列車主控之間主要的通信模塊，采用RS－232接口.當接收到列車主控發(fā)來的消息時，串口通信模塊將數(shù)據(jù)保存到臨時存儲區(qū)；本次消息接收完畢后，判斷該消息是否有效；若消息無效，則丟棄此次接收的數(shù)據(jù)，繼續(xù)阻塞等待串口數(shù)據(jù)；若消息有效，則按照消息類型通知主控單元內(nèi)部的不同模塊（以場景控制模塊為例），并等待其應(yīng)答；最后，根據(jù)場景控制模塊的應(yīng)答狀態(tài)，向列車主控回復(fù)相應(yīng)的串口消息數(shù)據(jù)包.

圖5 串口通信模塊框圖Fig.5 Diagram of serial communication module

2.2 場景控制模塊

場景控制模塊是主控單元控制場景之間切換的核心模塊，需要判斷當前的場景；另外，主控單元中場景的切換需要對應(yīng)串口場景切換消息的不同命令.因此，場景控制模塊主要有兩個功能：一是管理所有場景信息；二是將場景切換消息中的命令與具體的場景對應(yīng)起來.圖6所示為場景切換狀態(tài)機.

圖6 場景切換狀態(tài)機Fig.6 Scenes switching state machine

場景控制模塊共需要管理7種場景，分別為啟動場景、靜態(tài)全局路線場景、動態(tài)全局路線場景、局部路線場景、預(yù)開門信息場景、預(yù)開門站點場景和開門場景；而串口場景切換消息有5個不同的命令（CMD）需要響應(yīng)，分別為初始化（INIT）、下一站（NEXTSTA）、開門（OPENDOOR）、到站（ARRIVESTA）、關(guān)門（CLOSEDOOR）.場景切換流程如下：

（1）當系統(tǒng)剛啟動時，所有路線信息尚未初始化，此時顯示啟動場景，顯示系統(tǒng)時間.

（2）若收到INIT 命令，則對路線信息進行初始化，場景切換到靜態(tài)全局路線，此時正式啟動了所有場景的相互切換過程.

（3）若收到NEXTSTA 命令，場景切換到動態(tài)全局路線，并啟動與局部路線場景的定時自動切換過程.

（4）在（3）的過程當中，若收到OPENDOOR命令，則停止（3）中的自動切換過程，將場景切換到預(yù)開門信息，并啟動與預(yù)開門信息場景的定時自動切換過程.

（5）在（4）的過程當中，若收到ARRIVESTA命令，則停止（4）中的自動切換過程，將場景切換到開門場景.

（6）若收到CLOSEDOOR 命令，場景切換到靜態(tài)全局路線，之后重復(fù)以上（3）～（6）的過程.

2.3 場景元素管理模塊

動態(tài)地圖顯示模塊需要實現(xiàn)高質(zhì)量的信息顯示，經(jīng)過場景控制模塊確定了當前顯示場景后，需要對當前場景中不同的元素進行分類和存儲.

通過對顯示要求的分析，將場景中所有元素分為三類：時間元素、文字元素和圖片元素.三類元素有相同的屬性，例如元素位置、元素當前使用狀態(tài)等；也有各自的不同屬性，例如時間元素有時間屬性，文字元素有文字的內(nèi)容和字體等屬性、圖片元素有前景和背景圖片屬性.因此，本文對它們進行分類管理.

本文中每一類元素的個體之間沒有明確的先后關(guān)系；但是為了節(jié)省存儲資源，每一類元素個體的存儲空間需要在使用前臨時分配.考慮到以上兩點，本文對元素的管理有以下幾點原則：

（1）選擇鏈表作為基本的存儲類型，因為鏈表能夠?qū)崟r地對節(jié)點進行內(nèi)存分配和釋放.

（2）每一類元素創(chuàng)建一個鏈表，鏈表的節(jié)點即表示該類元素的個體.

（3）采用單獨分配、統(tǒng)一釋放的原則來管理鏈表.即添加當前場景元素時，若鏈表中沒有可用的節(jié)點，那么臨時分配一個節(jié)點空間并插入到相應(yīng)鏈表；否則，使用鏈表中第一個可用的節(jié)點.到系統(tǒng)退出時，統(tǒng)一釋放所有鏈表的節(jié)點空間.

3 動態(tài)地圖系統(tǒng)的應(yīng)用

目前，動態(tài)地圖系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)完成并應(yīng)用于深圳某地鐵列車內(nèi)，運行、顯示效果良好.該線路列車采用六節(jié)編組，列車內(nèi)動態(tài)地圖系統(tǒng)連接示意圖如圖7所示.

由圖7可見，動態(tài)地圖系統(tǒng)主控單元以及視頻編碼器位于司機室，負責(zé)生成和發(fā)送視頻信號；從車廂1到車廂6 中各有一套視頻接收顯示裝置，即視頻解碼器和LCD 屏.每個車廂中，通過視頻解碼器接收到視頻信號并進行解碼，將解碼后的視頻信號分別通過兩個通路發(fā)送到車廂兩側(cè)的LCD屏；LCD 屏接收其上級LCD 屏的視頻信號，顯示并將信號轉(zhuǎn)發(fā)到下一級LCD 屏.

該線路的LCD 列車動態(tài)地圖系統(tǒng)采用多場景切換，如圖8所示為具體場景示例.

LED 動態(tài)地圖系統(tǒng)只能單一地顯示整條路線，而本文設(shè)計的LCD 動態(tài)地圖系統(tǒng)可以顯示更加豐富、人性化的路線站點信息，如圖8（a）中顯示的啟動場景，可顯示時間提示；圖8（b）中顯示的局部路線場景，可顯示下一站換乘信息；圖8（c）中顯示的預(yù)開門信息場景，可提示下一站出口信息.

圖7 動態(tài)地圖系統(tǒng)連接示意圖Fig.7 Connection diagram of dynamic map system

圖8 場景示例Fig.8 Examples of scenes

4 結(jié)語

本文介紹了LCD 列車動態(tài)地圖系統(tǒng)的設(shè)計方案及其功能，著重描述了該系統(tǒng)主控單元的實現(xiàn).該單元模塊采用Intel主板作為硬件平臺，基于Windows CE 操作系統(tǒng)開發(fā)實現(xiàn).模塊通過RS－232接口，接收列車主控的命令，以此作為依據(jù)切換不同的動態(tài)地圖場景，更加人性化地為乘客提供列車信息.系統(tǒng)具有內(nèi)容豐富、界面布局合理、畫面清晰等優(yōu)點，已經(jīng)成功應(yīng)用于深圳某地鐵，它的應(yīng)用將會為乘客的出行帶來極大的便捷.

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