基于TRDP網(wǎng)絡(luò)的列車人機(jī)交互系統(tǒng)

曹朝煜,杜延鵬,邱 岳,欒 賽,吳連軍

(中車工業(yè)研究院(青島)有限公司,山東青島 266108)

0 引言

在軌道交通列車駕駛室中,列車司機(jī)通過列車人機(jī)交互顯示屏掌握列車當(dāng)前運(yùn)行的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)并控制列車正常運(yùn)行,因此列車駕駛室的人機(jī)交互顯示屏是控制列車安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要組成單元。人機(jī)交互系統(tǒng)HMI(human machine interface)作為列車控制及監(jiān)控系統(tǒng)TCMS(train control and management system)的重要組成部分[1],承擔(dān)著列車運(yùn)行狀態(tài)的控制、監(jiān)測(cè)、故障匯報(bào)、信息共享等工作。隨著列車智能化的提升,列車顯示屏需要獲取大量數(shù)據(jù)、視頻、語音等,這就對(duì)顯示屏與列車數(shù)據(jù)交互性能提出了更高要求。列車顯示屏普遍采用多功能車輛MVB(multifunction vehicle bus)總線、RS-485總線、CAN總線等通信手段。列車實(shí)時(shí)以太網(wǎng)TRDP(train real-time data protocol)具有列車網(wǎng)絡(luò)專用、數(shù)據(jù)傳輸量大、可靠性高、成本低等優(yōu)勢(shì)[2],可以考慮作為列車通信網(wǎng)絡(luò)。結(jié)合上述通信總線的廣泛運(yùn)用和積累的技術(shù)經(jīng)驗(yàn),以太網(wǎng)的廣泛運(yùn)用還需時(shí)日,這需要更多集成了列車實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的產(chǎn)品運(yùn)用到列車通信網(wǎng)絡(luò)中,只有經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)才能積累其未來在列車通信領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值。

本文基于TRDP通信方式,在兼容當(dāng)前列車網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)上,通過實(shí)時(shí)以太網(wǎng)TRDP,顯示屏獲得列車運(yùn)行的各項(xiàng)數(shù)據(jù),確保列車平穩(wěn)、安全、可靠運(yùn)行。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)組成[3]。在硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面,采用I.MX8作為核心處理器,其他硬件功能采用模塊化電路設(shè)計(jì),包含110 V直流供電模塊、TRDP通信模塊、LCD顯示模塊、音/視頻模塊、CAN通訊模塊、RS-232通訊模塊、RS-485通訊模塊以及USB模塊組成[4]。列車顯示屏通過通信模塊與列車通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行各項(xiàng)數(shù)據(jù)的傳輸,在經(jīng)過列車顯示屏CPU處理后,列車駕駛員通過人機(jī)交互的方式從顯示屏獲取的信息數(shù)據(jù)。硬件系統(tǒng)控制框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)控制框圖

列車HMI作為人機(jī)交互平臺(tái),其軟件操作系統(tǒng)具有運(yùn)行穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)潔、開發(fā)快捷、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn),基于QT界面的Linux操作系統(tǒng)作為軟件開發(fā)環(huán)境[5]。其中Linux 系統(tǒng)具有系統(tǒng)開放源碼、便于移植、資源豐富、免費(fèi)等優(yōu)勢(shì)[6],同時(shí)與PC 端的Linux同出一個(gè)內(nèi)核,所以可以先在 PC 上開發(fā)編譯,然后移植到其他架構(gòu)的硬件,為交叉開發(fā)提供了便利,在列車HMI系統(tǒng)開發(fā)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

列車人機(jī)交互顯示屏采用高性能多核處理器I.MX8為核心搭建硬件系統(tǒng);具備高性能、低功耗四核Cortex-A53處理器,最高主頻達(dá)1.8 GHz;具備多媒體和顯示應(yīng)用,支持高清視頻1080p、H.264解碼;支持多屏顯示MIPI、LVDS、HDMI等豐富視頻接口;具備高速通信接口,可支持TRDP、CAN、RS-232、RS-485等通信接口[7];提供語音、觸摸屏、USB等人機(jī)交互接口;車載級(jí)寬溫達(dá)工業(yè)級(jí)溫寬測(cè)試-40～+125 ℃,滿足車規(guī)級(jí)要求;支持多種操作系統(tǒng)(LINUX+QT、Android、Yocto)開發(fā)。根據(jù)功能需求把硬件系統(tǒng)劃分為110 V電源、人交互組成、列車網(wǎng)絡(luò)通信3組模塊,每組模塊又根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行電路模塊設(shè)計(jì)。列車顯示屏硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 顯示屏硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 電源供電電路

本系統(tǒng)供電電源為110 V直流電源,由列車共母線輔助供電系統(tǒng)提供,考慮該供電系統(tǒng)由受電弓AC25KV經(jīng)AC-DC變換而來,并同時(shí)向列車控制電源、車廂照明、蓄電池等供電,110 V輸入電源不可避免會(huì)摻雜各頻段的干擾諧波,為避免電壓波動(dòng)和供電電源的不純凈而引起顯示屏工作異常[8],110 V供電轉(zhuǎn)換工作電路的設(shè)計(jì)就顯得非常重要。

首先電源正、負(fù)接22 μH(L1、L2)濾波電感對(duì)電源進(jìn)行一級(jí)濾波,依據(jù)顯示屏額定工作功率加T3.15A(F1)保險(xiǎn)絲并加壓敏電阻(R1)保護(hù)后端電路;其次設(shè)計(jì)電磁濾波電路進(jìn)行二級(jí)電磁濾波,組成主要包括濾波電容、共模扼流器,其中共模扼流器(FL1)對(duì)流經(jīng)的共模信號(hào)進(jìn)行有效抑制,薄膜電容X(C1、C9)電容的作用在于濾除差模干擾,安規(guī)電容Y(C2、C3)電容中心點(diǎn)接大地,能有效降低共模干擾;然后采用高效率、寬電壓隔離穩(wěn)壓DC-DC電源芯片V110C5T75BG,將110 V直流電源轉(zhuǎn)換成低壓5 V直流電源,最后在經(jīng)過三級(jí)濾波電路得到可靠的5 V直流供電,110 V轉(zhuǎn)5 V電路如圖3所示。圖4為5 V轉(zhuǎn)3.3 V供電電路,采用DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓芯片LMR14050SDDA,具有輸出電壓穩(wěn)定、5 A持續(xù)輸出電流、40 μA超低靜態(tài)工作電流等優(yōu)勢(shì)。

圖3 5 V供電轉(zhuǎn)換電路

2.2 TRDP通信電路

TRDP通信電路設(shè)計(jì)選用D013E-TR板卡,D013E是多用途的10/100 Mbit以太網(wǎng)接口組件,其以太網(wǎng)接口符合IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn),其內(nèi)部邏輯已適用于“軌道交通電子設(shè)備列車通信網(wǎng)絡(luò)TCN”標(biāo)準(zhǔn)[9]。D013E設(shè)計(jì)有2個(gè)冗余網(wǎng)口分別為TRDP1和TRDP2,同時(shí)該網(wǎng)口還可以應(yīng)用在單以太網(wǎng)鏈路用于星拓?fù)?雙以太網(wǎng)鏈路用于環(huán)/線拓?fù)?因此在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中可以靈活設(shè)計(jì)。該板卡在列車通信網(wǎng)絡(luò)中具有傳輸數(shù)據(jù)量大、工作穩(wěn)定可靠、成本低、體積小等優(yōu)勢(shì),所以本系統(tǒng)采用該型號(hào)板卡,在實(shí)際硬件電路設(shè)計(jì)中,TRDP板卡的電路原理如圖5所示。

圖5 D013E電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

列車人機(jī)交互平臺(tái)作為列車駕駛員操控列車平穩(wěn)運(yùn)行的重要單元,其軟件操作系統(tǒng)要做到系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)潔、開發(fā)快捷、維護(hù)方便等多個(gè)方面。本系統(tǒng)采用Linux+QT開發(fā)軟件系統(tǒng),人機(jī)交互軟件系統(tǒng)主要有硬件層、內(nèi)核層、應(yīng)用層架構(gòu)模塊組成,具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

3.1 硬件程序加載模塊

硬件層作為支撐系統(tǒng)加載與運(yùn)行的平臺(tái),主要包含上電引導(dǎo)加載程序、硬件系統(tǒng)。Linux系統(tǒng)啟動(dòng)需要Bootloader程序,本系統(tǒng)選擇Uboot作為系統(tǒng)引導(dǎo)程序進(jìn)行啟動(dòng),上電引導(dǎo)加載程序流程如圖7所示。

圖7 上電引導(dǎo)加載程序

首先硬件系統(tǒng)上電,Linux系統(tǒng)執(zhí)行ATF加載流程,檢查電源狀態(tài)和系統(tǒng)控制與管理接口;判斷核心板卡啟動(dòng)要求是否可信任,判斷結(jié)果正常執(zhí)行Uboot spl,啟動(dòng)主要有供電電源啟動(dòng)、調(diào)試串口定制、修改外部DDR 的靜態(tài)參數(shù)、啟動(dòng)EMMC特定設(shè)備。在Uboot spl完成后,Uboot啟動(dòng),讀取設(shè)備樹以驅(qū)動(dòng)模型,加載以太網(wǎng)、ESPI、串口、GPIO、MIPI口等驅(qū)動(dòng)。當(dāng)Uboot啟動(dòng)后沒有輸入指令則啟動(dòng)Linux內(nèi)核,當(dāng)有輸入指令時(shí)則進(jìn)入控制臺(tái)命令解析。硬件系統(tǒng)由內(nèi)部存儲(chǔ)和外部硬盤組成,其中LPDDR4是四代低功耗雙倍數(shù)據(jù)率同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器,用于暫時(shí)存放處理器中的運(yùn)算數(shù)據(jù),以及與硬盤等外部?jī)?chǔ)存器交換的數(shù)據(jù)[11];EMMC硬盤是計(jì)算機(jī)的主要存儲(chǔ)介質(zhì),操作系統(tǒng)、安裝的軟件、文件和資料以數(shù)據(jù)(0和1)的形式存儲(chǔ)在“倉庫”中,軟件的操作也是先將數(shù)據(jù)調(diào)用到內(nèi)存中。

3.2 內(nèi)核驅(qū)動(dòng)模塊

內(nèi)核層采用可加載的模塊化設(shè)計(jì),主要有根文件系統(tǒng)模塊、進(jìn)程控制系統(tǒng)、操作系統(tǒng)內(nèi)核模塊、硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊。根文件系統(tǒng)就是針對(duì)特定的操作系統(tǒng)的架構(gòu)、特定的文件夾、文件夾之間的關(guān)系,以高速緩存方式與其他功能模塊通信,支持Linux系統(tǒng)正常工作的各類文件以及文件系統(tǒng)之間的組合。根文件的開發(fā)要根據(jù)顯示屏的功能需求進(jìn)行跟文件系統(tǒng)定制開發(fā),如圖8所示,其開發(fā)流程如下:確定根文件系統(tǒng)需求;修改YOCTO根文件系統(tǒng)編譯腳本,編譯原始根文件系統(tǒng);制作系統(tǒng)替換文件、增加文件;制作修改腳本,在原始根文件系統(tǒng)基礎(chǔ)上修改和增加內(nèi)容,并執(zhí)行腳本;生成HMI定制根文件系統(tǒng)。

圖8 根文件系統(tǒng)開發(fā)流程

進(jìn)程控制系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)由進(jìn)程調(diào)度、進(jìn)程間通信和內(nèi)存管理3部分組成[12]。進(jìn)程調(diào)度用于管理核心處理器現(xiàn)有的各項(xiàng)進(jìn)程資源,在下達(dá)進(jìn)程指令后可以讓各個(gè)進(jìn)程快速的訪問CPU資源;進(jìn)程間通信是內(nèi)核為進(jìn)程之間交換數(shù)據(jù),而在內(nèi)核中開辟一塊緩存區(qū)用于進(jìn)程之間相互通信的工作方式;內(nèi)存管理用于系統(tǒng)各進(jìn)程運(yùn)行時(shí)共享的暫時(shí)存儲(chǔ)區(qū)域資源,提高內(nèi)存的有效利用,保證各進(jìn)程間流暢運(yùn)行。

系統(tǒng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是軟件操作系統(tǒng)與硬件電子設(shè)備連接的橋梁,包括CPU驅(qū)動(dòng)和硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)[13]。系統(tǒng)內(nèi)核驅(qū)動(dòng)是Linux系統(tǒng)自帶得能夠支持掛載外部硬件設(shè)備的前提,只有系統(tǒng)本身存在支持特定設(shè)備的系統(tǒng)內(nèi)核驅(qū)動(dòng),才能與硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)交互,CPU驅(qū)動(dòng)和硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)在內(nèi)核層驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之間的關(guān)系如圖9所示。硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)以設(shè)備樹掛載的方式通過總線通信接口與硬件電子設(shè)備連接,本系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)功能需求,將硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)分為3類,并進(jìn)行底層硬件驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā),其中TRDP、CAN、RS-232等數(shù)據(jù)通信接口為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備;固態(tài)硬盤、U盤等存儲(chǔ)文件類為塊設(shè)備;顯示屏、按鍵、背光等能單個(gè)字節(jié)讀取的為字符設(shè)備。

圖9 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

3.3 應(yīng)用界面開發(fā)模塊

應(yīng)用層作為用戶與設(shè)備交互的窗口為其提供所需的應(yīng)用服務(wù),基于QT界面開發(fā)的操作界面包含HMI系統(tǒng)應(yīng)用程序和函數(shù)庫,應(yīng)用層的程序開發(fā)是根據(jù)不同型號(hào)軌道列車應(yīng)用場(chǎng)景開發(fā)具體的用戶層的程序,并運(yùn)行在用戶空間中滿足設(shè)計(jì)功能需求。本項(xiàng)目通過研究列車顯示屏本身以及其人機(jī)接口,開發(fā)了應(yīng)用層的測(cè)試程序,驗(yàn)證底層硬件驅(qū)動(dòng)程序與應(yīng)用層調(diào)用接口是否通信正常,保證系統(tǒng)整體運(yùn)行;函數(shù)庫在Linux 系統(tǒng)中分為靜態(tài)庫和動(dòng)態(tài)庫,本系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)際需求調(diào)用不同功能的庫函數(shù)。

顯示屏界面采用QT Creator進(jìn)行設(shè)計(jì),Qt是跨平臺(tái)的圖形用戶界面應(yīng)用程序框架,簡(jiǎn)單地說,就是在一個(gè)平臺(tái)上生成另一個(gè)平臺(tái)上的可執(zhí)行代碼[14]。本系統(tǒng)的開發(fā)基于搭建了一套X86平臺(tái)開發(fā)環(huán)境,如圖10所示。

圖10 QT開發(fā)環(huán)境搭建

首先安裝VMware虛擬機(jī);其次安裝Ubuntu18.04版本操作系統(tǒng)[15];然后搭建安裝Qt Creator5.9.5集成開發(fā)環(huán)境;安裝交叉工具鏈;最終配置Qt Creator各項(xiàng)參數(shù),完成開發(fā)系統(tǒng)環(huán)境的搭建。通過在x86系統(tǒng)搭建開發(fā)環(huán)境中編譯出在HMI主機(jī)上運(yùn)行的QT應(yīng)用程序,通過交叉編譯工具可以在ARM平臺(tái)運(yùn)行的程序[16]。 這充分利用了PC機(jī)的運(yùn)行速度高、平臺(tái)資源充足、編譯環(huán)境支持度高等優(yōu)勢(shì),提高了在Linux框架下顯示屏系統(tǒng)的開發(fā)效率。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

根據(jù)系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)提供110V直流電源,并在列車顯示屏設(shè)計(jì)的RS-232串口處連接串口調(diào)試工具,通過串口調(diào)試上位機(jī)軟件對(duì)顯示屏軟件系統(tǒng)進(jìn)行連接調(diào)試。110 V上電后,可以通過上位機(jī)串口調(diào)試軟件獲取上電加載引導(dǎo)程序打印信息。加載完成成后,此時(shí)顯示屏顯示HMI系統(tǒng)功能測(cè)試平臺(tái)界面工作正常。HMI系統(tǒng)功能測(cè)試平臺(tái)界面依據(jù)顯示屏人機(jī)接口進(jìn)行設(shè)計(jì),針對(duì)每個(gè)人機(jī)接口開發(fā)測(cè)試端口界面,如測(cè)試TRDP1/2對(duì)應(yīng)接口的收、發(fā)通信功能是否正常運(yùn)行,需要進(jìn)入測(cè)試界面的顯示的人機(jī)接口功能模塊。

顯示屏TRDP通信接口的功能測(cè)試需要自帶上位機(jī)TRDP主站軟件,待硬件測(cè)試環(huán)境搭建完成后,需要配置測(cè)試上位機(jī)TRDP主站軟件與下位機(jī)顯示屏通信參數(shù)。

HMI測(cè)試平臺(tái)中設(shè)置發(fā)送數(shù)據(jù)信息,ComID設(shè)為1001,字節(jié)數(shù)設(shè)為5,周期設(shè)為100 ms,發(fā)送方式設(shè)置為單播,目標(biāo)IP設(shè)置為192.168.1.100(上位機(jī)軟件IP地址),發(fā)送數(shù)據(jù)設(shè)為aa bb cc dd ee,勾選十六進(jìn)制發(fā)送;上位機(jī)TRDP主站軟件設(shè)置接收數(shù)據(jù)信息,ComID設(shè)為1001,字節(jié)數(shù)設(shè)為5,接收周期設(shè)為100 ms,發(fā)送方式設(shè)置為單播,目標(biāo)IP設(shè)置為192.168.1.20(下位機(jī)設(shè)備IP地址),勾選十六進(jìn)制接收。配置完成后開始測(cè)試TRDP通信的發(fā)送和接收功能。

4.1 TRDP發(fā)送數(shù)據(jù)功能測(cè)試

在顯示屏顯示界面中,選中發(fā)送數(shù)據(jù)窗口,輸入發(fā)送數(shù)據(jù)為aa bb cc dd ee,點(diǎn)擊右下角發(fā)送按鈕,可以在上位機(jī)TRDP主站軟件接收數(shù)據(jù)窗口接收到顯示屏發(fā)送的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),驗(yàn)證顯示屏對(duì)外發(fā)送數(shù)據(jù)功能正常,測(cè)試界面如圖11所示。

4.2 TRDP接收數(shù)據(jù)功能測(cè)試

在TRDP主站軟件顯示界面中,選中發(fā)送數(shù)據(jù)窗口,輸入發(fā)送數(shù)據(jù)為11 22 33 44 55,點(diǎn)擊右下角發(fā)送按鈕,可以在下位機(jī)顯示屏接收數(shù)據(jù)窗口中接收到TRDP主站軟件發(fā)送的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),驗(yàn)證顯示屏對(duì)外接收數(shù)據(jù)功能正常,測(cè)試界面如圖12所示。

圖12 TRDP接收數(shù)據(jù)功能測(cè)試

5 結(jié)束語

本文針對(duì)傳統(tǒng)列車顯示屏總線無法滿足大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)那闆r,提出了一種基于TRDP網(wǎng)絡(luò)通信的列車人機(jī)交互顯示技術(shù),滿足列車顯示屏的實(shí)時(shí)大數(shù)據(jù)傳輸要求,比如列車的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、語音廣播系統(tǒng)等;同時(shí)對(duì)列車顯示屏軟、硬件系統(tǒng)進(jìn)行深入研究,設(shè)計(jì)了豐富的通信接口、開發(fā)了基于QT界面的Linux操作系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的開放性、靈活性和可擴(kuò)展性。隨著國(guó)內(nèi)高速速列車快速發(fā)展,列車HMI顯示技術(shù)仍舊需要不斷研究,例如融合HUD 、智能語音識(shí)別、手勢(shì)操作等人機(jī)交互前沿技術(shù),實(shí)現(xiàn)軌道列車在駕駛上向著更加智能化方向發(fā)展。