李亨飛

（北京通號國鐵城市軌道技術(shù)有限公司，北京 100070）

一種基于μCOS系統(tǒng)的發(fā)車指示器設(shè)計

李亨飛

（北京通號國鐵城市軌道技術(shù)有限公司，北京 100070）

發(fā)車指示器主要完成發(fā)車時間及相關(guān)發(fā)車控制命令的顯示，用于為列車司機提供離站時間、狀態(tài)等信息，是地鐵運營的重要輔助設(shè)備。發(fā)車指示器接收ATS系統(tǒng)的控制命令并將此信息顯示在LED屏幕上，供列車司機行車參考。討論一種基于μCOS嵌入式系統(tǒng)的發(fā)車指示器軟硬件結(jié)構(gòu)，及在城市軌道交通線路中的實際應(yīng)用。

發(fā)車指示器；嵌入式系統(tǒng)；軟硬件接口

發(fā)車指示器（DTI）作為一個軌旁顯示終端，主要為列車司機提供到站停車時間、發(fā)車時間、晚點時間等信息，是司機行車的重要依據(jù)之一。發(fā)車指示器系統(tǒng)將ATS系統(tǒng)發(fā)送來的以太網(wǎng)接口屬性信息轉(zhuǎn)換為光屬性信號遠距離傳輸?shù)秸九_系統(tǒng)接口，再通過把光屬性信息轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)電屬性信息進行處理。當列車在站臺停車后，按ATS指定的停站時間倒計時，顯示距運營時刻表的計劃發(fā)車時間。倒計時至零時，司機應(yīng)按指示結(jié)合信號機顯示發(fā)車；正計時則為發(fā)車晚點時間。同時，發(fā)車指示器也應(yīng)能夠顯示扣車、調(diào)停等臨時處理命令信息。本文描述一種基于μCOS嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)車指示器的設(shè)計思路及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

發(fā)車指示器系統(tǒng)分別應(yīng)用在兩側(cè)站臺列車出站站臺前，分為上行DTI系統(tǒng)和下行DTI系統(tǒng)。ATS系統(tǒng)與DTI系統(tǒng)的接口采用以太網(wǎng)接口形式。實現(xiàn)方式是DTI系統(tǒng)將以太網(wǎng)接口電屬性轉(zhuǎn)換成光屬性信號遠距離傳輸?shù)秸九_系統(tǒng)接口，再通過把光屬性信息轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)電屬性信息進行處理，控制器接收到命令信息后，控制LED屏進行顯示；同時控制器通過以太網(wǎng)向ATS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送心跳信息，由光電轉(zhuǎn)換模塊將電信號轉(zhuǎn)化為光信號傳輸至ATS系統(tǒng)。這種實現(xiàn)方式也有效解決長距離傳輸網(wǎng)線傳輸信號衰減的問題。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

根據(jù)圖1，DTI系統(tǒng)劃分模塊如表1所示：接口轉(zhuǎn)換模塊、系統(tǒng)控制模塊、LED屏等。其中系統(tǒng)控制模塊基于μCOS-II嵌入式操作系統(tǒng)，為DTI系統(tǒng)的核心邏輯和主控單元。

2 系統(tǒng)控制模塊

系統(tǒng)控制模塊（SCB）通過以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口從外部接口接受信息指令并與其通信，控制LED顯示屏顯示內(nèi)容，并且可通過板上的指示燈指示系統(tǒng)狀態(tài)信息。

在硬件上，SCB控制模塊電路包括電源電路、主控制器電路、以太網(wǎng)電路、串口電路、LED顯示屏驅(qū)動電路、SD卡接口電路、復(fù)位電路以及其他接口電路。SCB預(yù)留調(diào)試接口，PC機可以通過板上的RS-232通信接口進行Debug調(diào)試，SCB支持SD卡日志記錄功能和RTC實時時鐘。SCB邏輯結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1　發(fā)車指示器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

表1　發(fā)車指示器系統(tǒng)劃分模塊

圖2　DTI系統(tǒng)控制模塊邏輯結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)控制模塊提供2種工作狀態(tài)：無卡模式（work mode）及有卡模式（test mode），通過板載開關(guān)進行選擇。SD卡座采用SD總線模式接線方式，并配有ESD防護芯片。在這兩種工作模式下的功能如下：

1）無卡模式：控制器模塊無卡模式下，只接收外部接口數(shù)據(jù)，通過解析后控制LED屏模塊顯示信息。同時能夠發(fā)送心跳信息給外部系統(tǒng)。

2）有卡模式：控制器模塊在有卡模式下，具備系統(tǒng)的升級與信息記錄功能。當系統(tǒng)在調(diào)試階段時，可使用此模式進行系統(tǒng)、接口的調(diào)試及接口信息記錄。當系統(tǒng)在運營階段出現(xiàn)問題時，可通過模式轉(zhuǎn)換到此模式下對系統(tǒng)進行日志記錄并分析問題。

3 嵌入式軟件結(jié)構(gòu)

3.1軟件架構(gòu)

系統(tǒng)控制模塊的嵌入式軟件采用μCOS操作系統(tǒng)，在此系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)DTI系統(tǒng)的各項功能。SCB軟件模塊實現(xiàn)的主要功能：1）接收來自ATS系統(tǒng)的命令，解析后對LED屏進行控制；2）周期性的向ATS系統(tǒng)發(fā)送心跳信息；3）LED屏上電自檢與手動自檢；4）日志記錄與程序升級；5）系統(tǒng)時鐘校準與軟件版本獲取功能。

為實現(xiàn)上述功能，采用分層的設(shè)計思想設(shè)計軟件架構(gòu)，如圖3所示。

圖3　嵌入式軟件架構(gòu)系統(tǒng)

BSP：硬件驅(qū)動層，主要功能是實現(xiàn)SD卡、GOIP、以及以太網(wǎng)的驅(qū)動，另外，μCOS操作系統(tǒng)的實現(xiàn)也在此層完成；

SDM：數(shù)據(jù)管理層，主要功能是實現(xiàn)命令信息的拆包、待發(fā)數(shù)據(jù)的組包；

APP：應(yīng)用處理層，用以實現(xiàn)系統(tǒng)控制模塊的邏輯功能。

3.2軟件模塊劃分

基于μCOS操作系統(tǒng)，為完成整個DTI系統(tǒng)的核心功能，系統(tǒng)控制模塊劃分為幾個模塊：主邏輯模塊、LED屏控制模塊、LED屏自檢模塊、程序升級模塊、網(wǎng)絡(luò)處理模塊、日志記錄模塊。

1）主邏輯模塊：完成CPU各接口模塊、通信芯片等模塊及數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的初始化；創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)處理、日志記錄等模塊任務(wù)、系統(tǒng)異常處理等特殊操作。

2）LED屏控制模塊：通過實時控制CPU的GPIO管腳，實現(xiàn)LED屏不斷的刷新，控制顯示內(nèi)容。

對于時間顯示命令，將解析到的數(shù)字轉(zhuǎn)化為3位十進制數(shù)字（百位、十位、個位），并通過控制CPU的GPIO管腳，使LED屏顯示3位數(shù)字；

對于如跳停、扣車等特殊顯示命令，軟件控制CPU的GPIO管腳，使LED屏顯示該命令字樣。

3）LED屏自檢模塊：在上電自檢過程中，本模塊控制LED屏進行自檢，自檢方式為雙燈芯顯示。

4）程序升級模塊：本模塊支持SD卡升級及網(wǎng)絡(luò)升級兩種方式。

從SD卡進行程序升級的流程為將待升級的代碼拷貝到當前沒有運行的存儲區(qū)內(nèi)，并重啟系統(tǒng)，運行新程序。

網(wǎng)絡(luò)程序升級可以在周期事務(wù)處理過程中進行，需先將從以太網(wǎng)獲得的待升級程序包存儲到SD卡中，再從SD卡中進行升級。

5）網(wǎng)絡(luò)處理模塊：本模塊基于TCP/IP協(xié)議棧，接收外部以太網(wǎng)數(shù)據(jù)進行解析，并周期性向外部發(fā)送心跳包。

6）日志記錄模塊：軟件在上電自檢過程中，通過讀取GPIO管腳信息，確定運行模式為有卡還是無卡模式。在有卡模式下，軟件將從以太網(wǎng)收到的數(shù)據(jù)記錄到SD卡中。

4 結(jié)語

基于μCOS系統(tǒng)的發(fā)車指示器，通過外部光電轉(zhuǎn)換模塊、硬件電路的設(shè)計及嵌入式軟件的實現(xiàn)，完成DTI系統(tǒng)的完整功能。并在天津1號線、重慶6號線、福州、東莞等地鐵線路中得以工程實現(xiàn)。在實際的日常地鐵運營中，對司機、列車運營起到了重要的指示和輔助作用。

The departure indicator mainly indicates the departure time and the related departure control commands， and it is an important auxiliary equipment in underground operation for providing arrival time，status and other information for the train driver. The departure indicator receives control commands from ATS system and displays this information on the LED screen for reference by the train driver. The paper illustrates the hardware & software structure of the departure indicator based on uCOS embedded system，and inroduces the practical application in urban rail transit lines.

departure indicator； embedded system； hardware and software interfaces

10.3969/j.issn.1673-4440.2016.04.019

2016-01-09）