解紅晨，錢雪軍

(同濟(jì)大學(xué)電氣工程系，上海200331)

0 引言

CTCS3列控車載顯示裝置是列車自動超速防護(hù)系統(tǒng)(Automatic Train Protection，ATP)的人機(jī)交互界面。它就像列車的一面窗口，通過圖像、聲音等其他方式向司機(jī)告知列車各種信息以及ATP的狀態(tài)，提示駕駛員執(zhí)行相應(yīng)的操作，從而確保了列車的行車安全，所以車載DMI的作用是相當(dāng)重要的［1-8］。隨著中國鐵路的發(fā)展，對于CTCS3開發(fā)和應(yīng)用也有了新的發(fā)展和要求，因此，對于CTCTS3系統(tǒng)DMI的開發(fā)和研究勢在必行。

本研究介紹基于Windows XPE嵌入式操作系統(tǒng)的CTCS3-300T車載DMI的設(shè)計和實現(xiàn)過程。其目的是希望能在已有CTCS系統(tǒng)開發(fā)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上能更加高效地對CTCS3進(jìn)行開發(fā)，通過對系統(tǒng)硬件進(jìn)行分析、配置，對嵌入式系統(tǒng)Windows XPE進(jìn)行定制。在介紹了DMI的各個區(qū)塊功能以后，重點介紹環(huán)形速度表和最限制速度曲線的生成原理以及實現(xiàn)的方法。在以上分析的基礎(chǔ)上采用VC++進(jìn)行編程開發(fā)。最后對CTCS3-300T列控車載DMI系統(tǒng)進(jìn)行仿真。

1 硬件及軟件系統(tǒng)的搭建

1.1 硬件平臺的搭建

該仿真系統(tǒng)采用嵌入Intel Atom N270處理器的Ekino_945GSEMini-ITX主板。處理器主頻為1.6 GHz，533 MHz前端總線，512 KB的二級高速緩存。主板包含VGA、DVI HDTV和18位的雙列直插式視頻輸出接口，主板包含6個USB2.0接口，一個IDE連接器和一個PCI擴(kuò)展卡插槽，支持PS/2鍵盤和鼠標(biāo)接入。

該系統(tǒng)采用基于STC11F32XE單片機(jī)的PS/2矩陣鍵盤，由單片機(jī)完成矩陣鍵盤的掃描、PS/2接口通信和串行下載程序。外接晶振為單片機(jī)提供穩(wěn)定的時鐘信號，PS/2接口連接單片機(jī)和嵌入式計算機(jī)，作為鍵盤與嵌入式的通信通道并提供單片機(jī)所需的+5 V電源。5×5矩陣鍵盤占用單片機(jī)10個通用I/O口，每個鍵對應(yīng)唯一的硬件地址，單片機(jī)通過查詢方式獲取其地址。PS/2接口中的時鐘線和數(shù)據(jù)線直接和單片機(jī)I/O口相連。該系統(tǒng)采用MAX232作為串行通信電路的電平轉(zhuǎn)換芯片，實現(xiàn)RS232和TTL信號的通信。仿真系統(tǒng)采用10inchTFT顯示器，實時顯示限速曲線和實際運(yùn)行曲線以及預(yù)告信息等內(nèi)容，顯示效果理想。

1.2 XPE操作系統(tǒng)的定制

XPE是桌面操作系統(tǒng)Windows XP的組件化版本，可根據(jù)目標(biāo)設(shè)備的要求快速定制操作系統(tǒng)。XPE系統(tǒng)內(nèi)核配置為4.8 MB、內(nèi)存14 MB，可提供基本的Windows32系統(tǒng)的應(yīng)用能力。XPE采用與Windows XP相同的二進(jìn)制代碼，使得嵌入式開發(fā)人員能夠只選擇那些小范圍覆蓋嵌入式設(shè)備所需要的驅(qū)動組件，真正實現(xiàn)嵌入式操作系統(tǒng)平臺與主流操作系統(tǒng)的統(tǒng)一。

嵌入式操作系統(tǒng)的生成過程復(fù)雜，與編譯一般的應(yīng)用程序不同，通常生成的操作系統(tǒng)還需通過一些接口下載或部署到目標(biāo)設(shè)備上。XPE的系統(tǒng)制定比Windows CE或μCLinux的制定相對要簡單，使用Windows XP Embedded Studio設(shè)計工具構(gòu)建XPE系統(tǒng)的具體步驟如下:

(1)Ekino_945GSEMini-ITX主板信息檢測;

(2)添加運(yùn)行中所需的特性與功能;

(3)構(gòu)建運(yùn)行映像;

(4)將運(yùn)行映像部署到Ekino_945GSEMini-ITX中。

2 DMI的仿真實現(xiàn)

2.1 DMI顯示功能介紹

根據(jù)車載DMI屏幕的大小及相關(guān)設(shè)計要求［9］，車載列控顯示裝置顯示屏的主界面分為6個區(qū)域，分別是:A區(qū)距離監(jiān)控信息;B區(qū)速度信息;C區(qū)補(bǔ)充駕駛信息;D區(qū)運(yùn)行計劃信息;E區(qū)監(jiān)控信息(除去C區(qū)部分);F區(qū)功能鍵信息;DMI界面區(qū)域劃分如圖1所示。

圖1 DMI界面區(qū)域劃分

A區(qū)制動預(yù)警時間以矩形圖標(biāo)顯示，矩形圖標(biāo)的大小反映了距離觸發(fā)制動預(yù)期時間的長短，顏色反映了當(dāng)前速度與允許速度的大小關(guān)系。目標(biāo)距離通過數(shù)字和圖形兩種表示方法同時表示。

B區(qū)中列車的當(dāng)前速度采用兩種方法表示，一是速度表的指針指向當(dāng)前速度，二是速度表圓心以數(shù)字形式表示出當(dāng)前速度值。同時以不同顏色表示目標(biāo)速度、允許速度的值。

C區(qū)顯示了列車運(yùn)行等級和要確認(rèn)的模式，以便向駕駛員確認(rèn)下一有效模式，并以圖標(biāo)顯示了列車制動狀態(tài)。

D區(qū)顯示了橋梁、隧道、車站等預(yù)告、速度變化、坡度和機(jī)車信號等信息以及最限制速度曲線MRSP。

E區(qū)中以文字方式顯示了設(shè)備系統(tǒng)狀態(tài)、緊急信號、機(jī)控或人控優(yōu)先、車站名稱、車次號和公里標(biāo)。

F區(qū)為擴(kuò)展功能按鈕，列車司機(jī)通過該區(qū)域完成數(shù)據(jù)輸入和指令下達(dá)。

由于B區(qū)和D區(qū)是DMI實現(xiàn)的主要難點，下面重點介紹如何實現(xiàn)這些區(qū)域的功能。

2.2 B區(qū)速度信息區(qū)

B區(qū)中列車的當(dāng)前速度釆用雙顯示備份表示，一是速度表的指針指向刻度盤的當(dāng)前速度，二是速度表圓心以數(shù)字形式表示出當(dāng)前速度值［10］。目標(biāo)速度、允許速度、常用制動干預(yù)限值、緊急制動干預(yù)限值等通過環(huán)形速度表來表示。在CSG中通過不同區(qū)域的顏色來區(qū)分這些數(shù)據(jù)。該區(qū)域編程實現(xiàn)的關(guān)鍵就是如何將列車速度值與圖形顯示中的坐標(biāo)值相對應(yīng)。其對應(yīng)關(guān)系圖如圖2所示。

圖2 速度值與屏幕坐標(biāo)對應(yīng)關(guān)系圖

在繪制CSG時，研究者可通過設(shè)備描述表類(Class of Device Context，CDC)的對象函數(shù)AngleArc()，moveto()和lineto()等函數(shù)，同時選擇不同顏色的畫筆，對CSG進(jìn)行繪制，以達(dá)到最后的顯示效果。

2.3 D區(qū)運(yùn)行計劃信息區(qū)

D區(qū)中顯示了各種預(yù)告及其他信息，其中最限制速度曲線(MRSP)是最為重要和最難實現(xiàn)的部分。下面重點介紹一下MRSP的生成原理和仿真實現(xiàn)。

2.3.1 最限制速度曲線的生成原理

最限制速度曲線處在D區(qū)運(yùn)行計劃信息區(qū)，是列車在運(yùn)行過程中要嚴(yán)格遵守的速度監(jiān)控曲線，最限制速度曲線(MRSP)是由靜態(tài)速度曲線和動態(tài)速度曲線綜合計算出來的一條最嚴(yán)格的速度監(jiān)控曲線［11］。該曲線考慮了線路允許速度、臨時限速、列車參數(shù)等多方

定義θ=225°時，速度值v=0 km/h;定義θ=-45°時，速度值v=400 km/h。從而得到列車速度V與屏幕顯示中坐標(biāo)值(x，y)的對應(yīng)公式，公式如下所示:面的因素，是所有速度限制因素中最不利限制部分(最低值)的集合。

(1)靜態(tài)速度監(jiān)控曲線是通過比較線路速度曲線和限速區(qū)間速度曲線(Speed Restriction Section，SRS)而得出的一條靜態(tài)曲線，如圖3所示。該曲線與線路自身參數(shù)以及線路限速區(qū)間有關(guān)。

圖3 靜態(tài)速度曲線

(2)動態(tài)速度監(jiān)控曲線是CTCS-3級列控車載設(shè)備根據(jù)列車運(yùn)行的各種限制生成動態(tài)的列車制動限制曲線。由目標(biāo)距離模式可以得到列車在線路上的允許速度曲線并由此得出報警曲線、常用制動曲線及緊急制動曲線。因此著重研究允許速度曲線的生成原理。

根據(jù)目標(biāo)距離模式可得兩種速度制動曲線，分為目標(biāo)速度非0 km/h(SRS)和目標(biāo)速度為0 km/h兩種情況。

①目標(biāo)速度非0 km/h的制動曲線(SRS)，是指根據(jù)線路、車輛及其他原因決定的靜態(tài)速度曲線而得到的制動曲線，如圖4中曲線b所示。

②目標(biāo)速度為0 km/h的制動曲線，是指列車到站或者由于前方區(qū)間有車占用，所以必須制動到某目標(biāo)點，速度降為0 km/h的曲線。如圖4中曲線a所示。根據(jù)軌道線路參數(shù)，SRS限速，還有目標(biāo)點的速度限制，線路上每一點的允許速度都是要經(jīng)過計算的，計算公式如下:

圖4 制動限制曲線

式中:VDest—目標(biāo)點的速度;abrk—列車減速度;agrd—軌道坡度;sDest—目標(biāo)點的位置;sTposition—列車位置。

取3條曲線中的最小值作為允許速度的值。

(3)MRSP曲線:得到允許速度曲線p后，就可得到其他曲線，當(dāng)列車速度小于250 km/h時，報警曲線、常用制動曲線、緊急制動曲線與允許速度曲線的依次遞增分別為15 km/h，13 km/h和10 km/h。當(dāng)列車速度大于250 km/h時，上述差值分別為10 km/h，8 km/h和5 km/h。MRSP曲線就取允許速度曲線p，如圖5所示。

圖5 MRSP曲線

2.3.2 最限制速度曲線的仿真實現(xiàn)

根據(jù)已有最限制速度曲線，可根據(jù)DMI界面在D區(qū)的顯示范圍進(jìn)行MRSP曲線的仿真實現(xiàn)。

建立坐標(biāo)軸:縱坐標(biāo)為速度，0～500 km/h。橫坐標(biāo)為距離0～32 km，0～1 km為線性坐標(biāo)，1 km以上為對數(shù)坐標(biāo)，1 km取在整個橫坐標(biāo)的1/3處。

在MRSP曲線上進(jìn)行采樣，取n個點，分別為(z1v1)(z2v2)…(znvn)，記下采樣點的坐標(biāo)。根據(jù)速度v與MRSP顯示區(qū)縱坐標(biāo)呈線性關(guān)系，由0 km/h處坐標(biāo)S0和500 km/h處坐標(biāo)S500，可得v-y轉(zhuǎn)換關(guān)系為:

當(dāng)距離z小于1 000 m時，x坐標(biāo)和z為線性關(guān)系;當(dāng)距離z大于1 000 m時，x坐標(biāo)和z為對數(shù)關(guān)系。x為MRSP顯示區(qū)橫坐標(biāo)，z為距離，A、B、C、D為待定參數(shù)，z-x坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的待定公式為:

將坐標(biāo)起點Dst、終點D32和1 km位置點D1代入上述參數(shù)公式中，可解得參數(shù)A，B，C，D。

由MRSP的(z1v1)(z2v2)…(znvn)得到DMI的橫、縱坐標(biāo)(x1y1)(x2y2)…(xnyn)，根據(jù)DMI的設(shè)計要求可以對MRSP曲線進(jìn)行仿真。流程圖如圖6所示。

2.4 仿真結(jié)果展示

根據(jù)以上對于車載DMI的區(qū)域設(shè)定，特別是B區(qū)和D區(qū)的規(guī)劃研究，筆者采用VC++作為開發(fā)平臺，實現(xiàn)了CTCS3-300T列控車載人機(jī)界面顯示功能，DMI界面如圖7所示。

圖6 MRSP繪制流程

圖7 DMI界面

3 結(jié)束語

本研究通過對CTCS-3級車載DMI系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和功能需求的分析，利用VC++軟件對系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，并且在嵌入式系統(tǒng)Windows XPE下進(jìn)行仿真運(yùn)行，最終實現(xiàn)了車載DMI的各種功能，完成了對所設(shè)計的仿真系統(tǒng)的功能性驗證，證明了車載DMI仿真運(yùn)行的有效性和實用性。

基于Windows XPE的CTCS3-300T列控車載人機(jī)界面DMI的仿真研究在嵌入式開發(fā)中具有很廣泛的應(yīng)用價值，對當(dāng)前DMI及今后CTCS-3級列控系統(tǒng)車載DMI的設(shè)計和研究有一定的借鑒作用。同時對于模擬駕駛器嵌入式開發(fā)有很大的學(xué)習(xí)和借鑒作用。如應(yīng)用到相關(guān)課程的教學(xué)以及相關(guān)課程的實驗仿真環(huán)節(jié)中，可以直接進(jìn)行相關(guān)課堂教學(xué)和實驗操作。

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