HXN3型內(nèi)燃機(jī)車FIRE顯示屏硬件研究分析

郝明智 薛兵杰

摘 要：本文介紹了HXN3型內(nèi)燃機(jī)車司機(jī)顯示屏的功能作用，闡述了機(jī)車網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼癋IRE顯示屏的通信接口，并對(duì)顯示屏硬件各模塊功能、主要技術(shù)參數(shù)、內(nèi)部接口等進(jìn)行了詳細(xì)介紹，在此基礎(chǔ)上對(duì)國(guó)產(chǎn)化方案進(jìn)行了分析對(duì)比，提出了自主開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的思路和實(shí)現(xiàn)方法，為FIRE顯示屏的完全國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)打下了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：HXN3；FIRE顯示屏；網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?；CPU系統(tǒng)；通信模塊；逆向工程

中圖分類號(hào)：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract：This article describes the function of driver display screen of the HXN3 diesel locomotive， elaborates the network topology of the locomotive and the communication interface of the FIRE display screen， and describes the functions， main technical parameters， and internal interfaces of each module of the display screen hardware. On this basis， the localization scheme was analyzed and contrasted， and the ideas and executable methods of independent development were put forward， which laid the foundation for the complete development of the FIRE display.

Keywords：HXN3；FIRE display screen；network；CPU system；Communication module；Reverse Engineering

0 引言

HXN3型內(nèi)燃機(jī)車是在引進(jìn)消化吸收EMD技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)生產(chǎn)的雙司機(jī)室交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車，司機(jī)顯示屏采用FIRE（功能集成的電子設(shè)備）顯示屏，每個(gè)司機(jī)室裝配兩臺(tái)，共4臺(tái)，相互間可以任意替換。

FIRE顯示屏用1個(gè)集成的顯示屏幕代替大多數(shù)常用的控制臺(tái)開(kāi)關(guān)、儀表和指示燈，以及機(jī)車計(jì)算機(jī)顯示屏，主要功能包括：

（1）提供控制機(jī)車子系統(tǒng)的用戶接口。

（2）在相互之間無(wú)直接通信關(guān)系的子系統(tǒng)之間進(jìn)行通信。

（3）對(duì)機(jī)車子系統(tǒng)的總體運(yùn)行進(jìn)行系統(tǒng)地組合和協(xié)調(diào)。

FIRE顯示屏作為HXN3型機(jī)車人機(jī)交互界面，接受EM2000傳輸過(guò)來(lái)的各信號(hào)并顯示，同時(shí)可以向EM2000傳輸部分指令，對(duì)機(jī)車進(jìn)行控制。FIRE顯示屏自帶存儲(chǔ)盤(pán)，可以存儲(chǔ)機(jī)車運(yùn)行數(shù)據(jù)與故障數(shù)據(jù)。

目前HXN3型內(nèi)燃機(jī)車所使用的FIRE顯示屏已經(jīng)完成國(guó)產(chǎn)化制造，但是核心技術(shù)尚未完全掌握，在應(yīng)用中主要存在以下幾個(gè)問(wèn)題：

（1）故障率高：CPU系統(tǒng)和電子盤(pán)容易出問(wèn)題。

（2）采購(gòu)困難：顯示屏部分元器件選用型號(hào)比較老舊。

（3）應(yīng)用軟件更新困難，難以響應(yīng)機(jī)務(wù)段的使用要求。

（4）維修成本高。

鑒于以上幾點(diǎn)，對(duì)FIRE顯示屏的研究具有重要意義，通過(guò)詳細(xì)測(cè)試分析，弄清顯示屏的外部接口及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)FIRE顯示屏的完全國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)制造，進(jìn)而達(dá)到降成本，降故障率的目標(biāo)。本文將詳細(xì)介紹顯示屏的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼坝布?gòu)成。

1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣榻B

在對(duì)FIRE顯示屏測(cè)試研究初始階段，首先把它看作一個(gè)黑匣子，然后重點(diǎn)分析它的外部接口及通信功能。根據(jù)整車電氣原理圖并通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證，確定FIRE顯示屏用到的對(duì)外的通信接口包括：1個(gè)以太網(wǎng)口、兩個(gè)CAN口（一路備份），兩個(gè)RS422口，1個(gè)Lonworks口，1個(gè)GPS口。顯示屏網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖 1所示。

從圖1中可以看出FIRE顯示屏與外部的設(shè)備的通信包括：

（1）FIRE2通過(guò)CAN總線與EM2000（整車控制單元）通信，由EM2000完成對(duì)機(jī)車柴油機(jī)、牽引系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)的控制。

（2）FIRE2通過(guò)RS422與空氣制動(dòng)單元通信。

（3）FIRE2通過(guò)Lonworks網(wǎng)絡(luò)和重聯(lián)路由器與他車進(jìn)行重聯(lián)控制，（在機(jī)車實(shí)際運(yùn)行中未應(yīng)用到）。

（4）FIRE1通過(guò)RS422與燃油表控制單元通信。

（5）4個(gè)顯示屏之間通過(guò)以太網(wǎng)通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)共享。

除此之外FIRE顯示屏具備鍵盤(pán)接口和USB接口，可進(jìn)行數(shù)據(jù)下載，具備GPS功能。

2 FIRE顯示屏硬件結(jié)構(gòu)介紹

2.1 FIRE顯示屏整體結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)FIRE顯示屏的外部接口對(duì)其內(nèi)部板卡進(jìn)行分析測(cè)繪，確定顯示屏的硬件組成主要包括電源模塊、CPU、CAN模塊、同步422、異步422、GPS模塊、LCD驅(qū)動(dòng)模塊、Lonworks模塊等8個(gè)板卡。整體內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖 2所示。

根據(jù)圖1、圖2及以上分析結(jié)果可知，F(xiàn)IRE顯示屏與外部的通信接口主要有以太網(wǎng)、CAN和RS422三類。通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行屏與屏之間的數(shù)據(jù)共享，通過(guò)CAN與EM2000通信，完成主要的機(jī)車數(shù)據(jù)讀取和控制功能，通過(guò)RS422分別于空氣制動(dòng)系統(tǒng)和燃油表控制單元通訊，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)控制以及燃油數(shù)據(jù)讀取。

FIRE顯示屏以太網(wǎng)口集成在CPU系統(tǒng)板卡上，CAN和RS422由專用的板卡實(shí)現(xiàn)通訊轉(zhuǎn)換，與CPU之間通過(guò)PC/104總線連接。下面將詳細(xì)介紹一下FIRE顯示屏CPU系統(tǒng)、CAN通信和422通信模塊。

2.2 FIRE顯示屏CPU系統(tǒng)介紹

FIRE顯示屏的CPU系統(tǒng)相當(dāng)于一臺(tái)計(jì)算機(jī)主機(jī)，主控芯片選用AMD-LX800，是AMD公司推出的基于X86體系結(jié)構(gòu)的嵌入式處理器，主要用于工業(yè)控制、移動(dòng)設(shè)備等領(lǐng)域。FIRE顯示屏的CPU系統(tǒng)板卡框圖如圖 3所示。

CPU系統(tǒng)板卡特性如下：

（1）系統(tǒng)：嵌入式X86。

（2）內(nèi)存：DDR 333/400 SO-DIMM SDRAM插槽，最大支持至1GB。

（3）電子盤(pán)：支持CF卡。

（4）完整的I/O：支持IDE， 1 個(gè) RS-232/ 422/ 485，4個(gè) USB2.0，3個(gè) RS-232。

（5）顯示接口：支持VGA， 24-bit TTL， 18-bit LVDS，在FIRE顯示屏采用的TTL接口。

（6）外設(shè)接口：PS/2，支持鍵盤(pán)和鼠標(biāo)。

（7）擴(kuò)展槽：PC/104 （ISA 總線）。

（8）電源：+5V 、1.33A供電，超低功耗。

圖3中主控芯片AMD-LX800用來(lái)綜合處理顯示屏數(shù)據(jù)，管理顯示屏功能，電子盤(pán)用來(lái)存儲(chǔ)FIRE顯示屏操作系統(tǒng)及應(yīng)用程序，驅(qū)動(dòng)模塊是用來(lái)給LCD即FIRE顯示屏的液晶屏供電，同時(shí)控制背光亮度。CPU系統(tǒng)板卡自帶的以太網(wǎng)接口、USB接口以及PS/2（鍵盤(pán)和鼠標(biāo)接口）等分別引出至顯示屏的對(duì)外接口，可以直接應(yīng)用。

2.3 擴(kuò)展接口

FIRE顯示屏的CPU系統(tǒng)板卡主要完成顯示屏的運(yùn)算存儲(chǔ)和顯示等功能，顯示屏內(nèi)部的最核心部件，CPU系統(tǒng)板卡自帶以太網(wǎng)接口，通過(guò)TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)了4個(gè)顯示屏之?dāng)?shù)據(jù)共享。根據(jù)圖1所示，F(xiàn)IRE顯示屏網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)除了以太網(wǎng)外，還需要其他多種網(wǎng)絡(luò)接口，獲取外部數(shù)據(jù)，統(tǒng)一傳送到CPU進(jìn)行管理。CPU系統(tǒng)板卡通過(guò)PC/104總線實(shí)現(xiàn)通信接口功能擴(kuò)展，網(wǎng)絡(luò)框圖如圖 4所示。

圖4中CPLD1、CPLD2（復(fù)雜可編程邏輯器件）起到協(xié)議轉(zhuǎn)換作用。SJA1000具有完成CAN通信協(xié)議所要求的全部特性，可完成 CAN總線的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能。ST16C554D是4通道異步接收發(fā)送器集成芯片，有8個(gè)16字節(jié)的FIFO，能很好實(shí)現(xiàn)異步串行通信，CPU系統(tǒng)板卡通過(guò)擴(kuò)展串口與Lonworks模塊和GPS模塊連接，分別實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。同步422的協(xié)議轉(zhuǎn)換由FPGA芯片完成，采用HDLC協(xié)議與空氣制動(dòng)系統(tǒng)通信。

3 國(guó)產(chǎn)化展望

3.1 國(guó)產(chǎn)化方案選擇

通過(guò)以上分析可知，目前HXN3內(nèi)燃機(jī)車FIRE顯示屏硬件選型設(shè)計(jì)老舊，集成度不高，內(nèi)部板卡眾多，因而導(dǎo)致故障率高、維修成本高的問(wèn)題。國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)通常有兩種方案：一是PCB抄板，二是掌握原理接口和通信協(xié)議，完全自主開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。

抄板指對(duì)設(shè)計(jì)出來(lái)的PCB板進(jìn)行反向技術(shù)研究。從狹義上來(lái)說(shuō)，抄板僅指對(duì)電子產(chǎn)品電路板PCB文件的提取還原和利用文件進(jìn)行電路板克隆的過(guò)程；從廣義上來(lái)說(shuō)，抄板不僅包括對(duì)電路板文件提取、電路板克隆、電路板仿制等技術(shù)過(guò)程，而且包括對(duì)電路板文件進(jìn)行修改（即改板）、對(duì)電子產(chǎn)品外形模具進(jìn)行三維數(shù)據(jù)的提取和模型仿制、對(duì)電子產(chǎn)品電路板上的各類電子元器件進(jìn)行仿制、對(duì)電路板上加密了的芯片或單片機(jī)進(jìn)行解密、對(duì)電子產(chǎn)品的系統(tǒng)軟件進(jìn)行反匯編等電子產(chǎn)品全套克隆的所有技術(shù)過(guò)程。

在HXN3顯示屏國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)中，如果選用抄板技術(shù)，即使能做到廣義上的抄板，其產(chǎn)品的硬件和軟件架構(gòu)仍受限于原有的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，后續(xù)改進(jìn)及優(yōu)化難度較大，成本難以大幅度降低。

根據(jù)前文的分析，在掌握原裝顯示屏內(nèi)部構(gòu)成和接口并采集大量界面照片的基礎(chǔ)上，顯示屏的硬件設(shè)計(jì)和應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)都變得相對(duì)簡(jiǎn)單可行，因此國(guó)產(chǎn)化方案建議選擇自主開(kāi)發(fā)，重新設(shè)計(jì)硬件、軟件架構(gòu)。

3.2 自主開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)思路

自主開(kāi)發(fā)分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。硬件主板選型可選擇通用的開(kāi)發(fā)板，集成以太網(wǎng)接口、CAN接口、串口等顯示屏應(yīng)用所需要的通信接口。隨著電子技術(shù)不斷發(fā)展，采用新型的芯片開(kāi)發(fā)板，不僅性能參數(shù)較原裝顯示屏有了很大提高，成本也大大降低了。

軟件設(shè)計(jì)，為了司機(jī)能直接上手操作應(yīng)用，界面結(jié)構(gòu)及顯示內(nèi)容的設(shè)計(jì)首先完全仿照原裝顯示屏，在顯示屏的性能、功能都得到驗(yàn)證后，后續(xù)可以根據(jù)段方意見(jiàn)進(jìn)行靈活改進(jìn)設(shè)計(jì)，功能擴(kuò)展。顯示屏主界面設(shè)計(jì)如圖5所示。

3.3 自主開(kāi)發(fā)的難點(diǎn)

自主開(kāi)發(fā)的難點(diǎn)在于缺少原裝顯示屏詳細(xì)的通信協(xié)議資料，只能采用逆向工程進(jìn)行開(kāi)發(fā)。逆向工程指對(duì)已有的實(shí)物進(jìn)行檢查、將檢測(cè)到數(shù)據(jù)或圖像進(jìn)行特征提取、匹配等新消息處理后，建立對(duì)象的數(shù)字化模型的過(guò)程。實(shí)現(xiàn)逆向工程必須具備兩方面條件：一是對(duì)對(duì)象進(jìn)行檢測(cè)的裝置，二是對(duì)檢測(cè)信息進(jìn)行處理和建模的整套技術(shù)。

以主界面的開(kāi)發(fā)為例，根據(jù)前文分析并經(jīng)過(guò)測(cè)試，顯示屏與機(jī)車控制單元EM2000之間是通過(guò)基于CAN2.0B總線協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互， 采用29位的擴(kuò)展幀，波特率為500kb/s。顯示屏啟動(dòng)，設(shè)置界面位于主界面顯示，把測(cè)試工具CAN分析儀接到機(jī)車CAN測(cè)試接口上，并設(shè)置好通道、幀ID類型和波特率后，便可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。收到數(shù)據(jù)如圖6所示。

采集到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)進(jìn)行分類整理，然后通過(guò)CAN分析儀進(jìn)行逐幀發(fā)送，根據(jù)顯示界面的變化，推斷每個(gè)數(shù)據(jù)幀ID的含義及數(shù)據(jù)字節(jié)定義。主界面機(jī)車速度的數(shù)據(jù)幀ID及數(shù)據(jù)定義見(jiàn)表1。

分析出機(jī)車數(shù)據(jù)的通信協(xié)議后，需要用CAN分析儀進(jìn)行模擬驗(yàn)證。將發(fā)送幀ID設(shè)置為0x133E200D，然后在對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)位置，修改數(shù)據(jù)。例如發(fā)送FF FF，顯示屏界面顯示如圖 7所示，發(fā)現(xiàn)速度值有顯示，改變發(fā)送數(shù)值，顯示速度值有變化，說(shuō)明協(xié)議解析正確。

按照此方法，對(duì)原裝顯示屏每個(gè)界面的數(shù)據(jù)進(jìn)行逐一解析驗(yàn)證后，便掌握了HXN3內(nèi)燃機(jī)車FIRE顯示屏的最核心內(nèi)容，這也是自主開(kāi)發(fā)顯示屏難點(diǎn)和工作量所在。

結(jié)語(yǔ)

本文介紹了HXN3型內(nèi)燃機(jī)車FIRE顯示屏在機(jī)車運(yùn)用與操縱中的主要功能作用，以及FIRE顯示屏硬件研究的意義。提出了自主開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的思路和可執(zhí)行方法，F(xiàn)IRE顯示屏的完全國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)打下了基礎(chǔ)。

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