地鐵列車旅客信息系統(tǒng)中司機控制單元的設(shè)計及實現(xiàn)

邵 玫

(廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系,510100,廣州∥講師)

地鐵列車旅客信息系統(tǒng)中司機控制單元的設(shè)計及實現(xiàn)

邵 玫

(廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系,510100,廣州∥講師)

根據(jù)地鐵列車旅客信息系統(tǒng)的控制要求,利用C8051F系列單片機及圖形點陣液晶模塊和智能鍵盤控制器,構(gòu)建了穩(wěn)定的司機控制單元硬件結(jié)構(gòu),開發(fā)了基于Modbus協(xié)議并利用RS 485總線實現(xiàn)的司機控制單元功能。應(yīng)用表明,該部件的軟硬件設(shè)計及通信完全滿足地鐵列車旅客信息系統(tǒng)對終端設(shè)備的要求。

地鐵列車;旅客信息系統(tǒng);司機控制單元;ModBus協(xié)議;單片機

Author's addressDepartment of Electrical Engineering of Guangzhou InstituteofRailway Technology,510100,Guangzhou,China

1 司機控制單元組成及功能

司機控制單元(Driver Control Unit,簡為DCU)安裝于地鐵列車司機操縱臺,是地鐵列車旅客信息系統(tǒng)(PIS)中司機實行控制和操作的部件,主要由報站顯示液晶屏、功能指示燈、廣播控制鍵、話筒、揚聲器、呼叫報警位置顯示器及報警揚聲器等組成。在列車運行過程中,司機通過設(shè)置DCU,可以改變地鐵列車旅客信息系統(tǒng)的實時狀態(tài);可以實現(xiàn)諸如通過控制數(shù)字鍵自由進行站名設(shè)置和調(diào)整,更改站名編號,調(diào)整起點、終點、越站的設(shè)置和更改區(qū)間等功能。這很大程度上保證了系統(tǒng)與實際運營情況的一致性。DCU為地鐵列車的快速運行、自動化操作、緊急反應(yīng)等提供了快捷的操控平臺,在地鐵列車車載信息系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。

2 硬件設(shè)計

根據(jù)地鐵列車旅客信息系統(tǒng)的控制要求,利用C8051F系列單片機及圖形點陣液晶模塊和智能鍵盤控制器,構(gòu)建穩(wěn)定的DCU硬件結(jié)構(gòu),開發(fā)基于Modbus協(xié)議并利用 RS 485總線實現(xiàn)的DCU功能,是系統(tǒng)設(shè)計目標。DCU硬件系統(tǒng)需要具備電源模塊、主控制模塊、液晶顯示及驅(qū)動模塊、功能操作鍵盤、功能指示電路、串行通信電路等部分,使之滿足地鐵列車車載PIS對終端設(shè)備的要求。

2.1 主控制模塊

部件控制部分選用可在系統(tǒng)編程的FLASH微控制器C8051F005作為主CPU。C8051F005是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU(單片機)芯片,有一個具有32 kB的Flash存儲器并與8051兼容的微控制器內(nèi)核,還有硬件實現(xiàn)的 I2C/SMBus、UART(通用異步收發(fā)器)、SPI(串行外圍設(shè)備接口)及一個具有5個捕捉或比較模塊的可編程計數(shù)器或定時器陣列(PCA),以及有4個通用的16位定時器和4 B寬的通用數(shù)字I/O端口。其采用流水線指令結(jié)構(gòu);70%的指令的執(zhí)行時間為一個或兩個系統(tǒng)時鐘周期,速度可達25 MI/s。另外,F005內(nèi)部集成的串行通信模塊不僅支持異步通信,也支持SPI同步通信方式,且其對SPI同步通信方式的配置極其靈活。這就為訪問SPI接口的串行FLASH存儲器提供了硬件上的保證。

綜上所述,C8051F005單片機是具有多種功能強大的片上外圍模塊;同時,它采用了 TQFP64的表貼封裝,引腳間距僅為0.5 mm,極大地節(jié)省了電路板空間。采用C8051F005作為DCU的微控制器,增加了系統(tǒng)的先進性和集成度,較大程度地提升了系統(tǒng)的整體性能。

DCU作為PIS中的一個部件,其控制板硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制板硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.2 液晶顯示驅(qū)動模塊與接口電路

DCU的液晶屏主要顯示報站信息,即站號及站名,能夠任意顯示16點陣和24點陣兩種大小的中文字。因司機控制臺上空間有限,根據(jù)基本功能要求選擇體積較小的圖形點陣式液晶顯示屏。支持漢字顯示的圖形點陣液晶在現(xiàn)代單片機應(yīng)用系統(tǒng)中是一種十分常用的顯示設(shè)備,具有功耗低、受外界光線干擾小、無電磁干擾、可靠性高、使用壽命長等優(yōu)點;其與行列式小鍵盤組成了現(xiàn)代單片機應(yīng)用系統(tǒng)中最常用的人機交互界面,可顯示用戶自定義的任意符號和圖形。

系統(tǒng)采用北京迪特福公司的DT-12032液晶顯示模塊。DT-12032模塊的供電電壓典型值為3～5 V,工作電流較小,可顯示范圍為120×32點陣,即能實現(xiàn)所謂的“雙排漢顯”。DT-12032采用2片SED 1520控制器作為液晶顯示屏與MCU的接口。1片SED 1520控制器可以驅(qū)動16行×80列。由于 F005具有 32個 I/O引腳,借助SED 1520,F005可直接利用I/O口模擬液晶的讀寫和控制時序,使MCU對液晶的操作實際上變?yōu)镸CU對液晶顯示控制器SED 1520的操作,因而接口電路的硬件連接和軟件編程都簡單了很多。MCU可通過SED 1520的一些控制引腳和十幾條常用指令來訪問液晶顯示模塊。例如,“E1”和“E2”分別用于使能兩片SED 1520;“R/W”控制對SED1520的讀或?qū)?“A0”決定此次操作是指令讀寫還是數(shù)據(jù)讀寫。圖2為F005單片機的P2口用作與液晶顯示模塊通信的數(shù)據(jù)口,部分 P3口作為控制端的連接圖。

圖2 C8051F005與DT-12032的電路連接示意圖

2.3 外部擴展存儲器

圖形點陣式液晶顯示屏一般不帶有漢字庫,而DCU需要顯示任意站名和編號,因此控制系統(tǒng)需要配備外部存儲器以存儲漢字庫。目前存儲器的種類很多,選擇適合 DCU系統(tǒng)的存儲模塊,應(yīng)結(jié)合功耗、存儲容量、讀寫速度、體積及接口方式等多個因素綜合考慮。近年來得到廣泛應(yīng)用的Flash存儲器的存儲密度較高,讀寫速度較快,在存儲容量及成本上具有明顯優(yōu)勢。基于SPI串行接口的低電壓Flash存儲器所用I/O口相對于并行Flash存儲器大為減少,體積小,功耗較低,是非常合適的存儲器形式。本系統(tǒng)選用ST公司的32 Mbit的SPI串行接口Flash存儲器M25P32,作為外置數(shù)據(jù)存儲器。該Flash存儲器供電范圍為2.7～3.6 V,其接口電平與F005單片機相匹配,硬件上能直接連接。且該存儲器采用SPI串行三線接口,能有效減少系統(tǒng)所占空間,提高系統(tǒng)可靠性,并可根據(jù)實際需要選擇該系列容量更大的型號。F005和外部存儲器之間采用SPI同步通信方式,F005作為主機提供時鐘與數(shù)據(jù)。

SPI接口是在8051控制芯片和外圍低速存儲芯片M25P32之間進行同步串行數(shù)據(jù)傳輸。在主器件的移位脈沖下,數(shù)據(jù)按位傳輸,高位在前,低位在后,為全雙工通信。數(shù)據(jù)傳輸速度總體來說比I2C總線要快,可達到幾Mbit/s。SPI接口是以主從方式工作的。這種模式通常有一個主器件和一個或多個從器件。本文設(shè)計中主器件是控制芯片,而從器件是存儲芯片 M25P32。其接口包括以下 4種信號:

(1)MOSI,主器件數(shù)據(jù)輸出,從器件數(shù)據(jù)輸入;

(2)MISO,主器件數(shù)據(jù)輸入,從器件數(shù)據(jù)輸出;

(3)SCLK,時鐘信號,由主器件產(chǎn)生;

(4)/SS,從器件使能信號,由主器件控制。

在點對點的通信中,SPI接口不需要進行尋址操作,且為全雙工通信,顯得簡單高效。

2.4 功能操作鍵盤設(shè)計

列車運行過程中,司機通過DCU的按鍵操作改變系統(tǒng)狀態(tài)。DCU按鍵如圖3所示。

圖3 DCU鍵盤部分示意圖

部分鍵位對應(yīng)操作實現(xiàn)的功能如下:

(1)主機按鍵,用于人工干預(yù)下的頭尾(主機、子機)切換。系統(tǒng)在通常情況下根據(jù)列車監(jiān)控系統(tǒng)的信號自動進行主、子機切換;如果系統(tǒng)需要人為進行主機定義,可以按下主機切換按鍵,進行主機選擇。

(2)人工/自動按鍵,用于人工廣播和自動廣播功能的切換。通常情況下,系統(tǒng)采用自動和半自動廣播,只有在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障的情況下才啟用人工廣播。需要啟用人工廣播時,按下此按鍵,即可通過話筒進行人工廣播。

(3)對講按鍵,用于司機間的對講聯(lián)絡(luò)。當一方司機需要起用對講功能時,按下此按鍵,另一端司機的對講燈閃動,提示接聽;此時,按下對講按鍵,即可進行司機間的對講通話。

(4)監(jiān)聽按鍵,用于司機監(jiān)聽客室報站準確性。監(jiān)聽按鍵用于協(xié)助司機進行運營中廣播的監(jiān)聽,以保證廣播播報的準確,并及時進行錯誤調(diào)整。列車運營過程中,按下此鍵,監(jiān)聽揚聲器播放客室廣播的聲音,以幫助司機判斷廣播的準確性。

(5)報警按鍵,用于司機和客室緊急報警的聯(lián)絡(luò)。當有乘客按動客室報警器時,此按鍵上方的紅燈閃爍,同時報警揚聲器發(fā)出報警聲音,提示司機及時接聽;司機按下報警鍵可開始與乘客進行通話,及時處理突發(fā)事件和乘客的問題。報警對講結(jié)束后,按下此鍵,系統(tǒng)恢復(fù)初始狀態(tài)。報警通信將記錄在主機中,為事后事件(問題)處理提供依據(jù)。

(6)0～9數(shù)字鍵,用于起點、終點、越站的設(shè)置和更改區(qū)間等功能的調(diào)整。

(7)↑、↓鍵,可通過此鍵進行站名的調(diào)整與設(shè)置。按動箭頭滾動時,DCU上的小液晶屏上會顯示站名信息,以幫助司機進行站名的設(shè)定。

(8)確認,更改、設(shè)置、功能調(diào)整等命令的確認。

DCU控制按鍵有30多個,如果采用行列掃描法,將占用較多的硬件資源。本設(shè)計采用具有串行接口的專用智能鍵盤控制芯片HD7279A。該芯片可同時連接多達64鍵的鍵盤矩陣,并具有自動消除按鍵抖動和識別按鍵代碼的功能,可以極大提高CPU的工作效率。

3 軟件設(shè)計

基于RS 485總線具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、通信距離和數(shù)據(jù)傳輸速率適當?shù)忍攸c,在DCU(從機)與上位控制計算機(主機)通信過程中應(yīng)用 RS 485總線實現(xiàn),主從之間采用光電隔離技術(shù)提供一個安全接口。

主機和從機間通過RS 485通信接口采用主從應(yīng)答方式(半雙工)進行數(shù)據(jù)通信:主機以命令或查詢的方式將相應(yīng)的命令幀或查詢幀(簡稱主幀)發(fā)給期望的從機,被正確尋址后的從機(設(shè)備地址唯一)根據(jù)實際情況發(fā)出相應(yīng)的應(yīng)答數(shù)據(jù)幀(針對查詢主幀而發(fā)出的從幀)回傳至主機。本通信協(xié)議只允許在主機與從機之間進行通信,不允許獨立的從機之間進行數(shù)據(jù)交換,這樣,各從機僅限于響應(yīng)來自主機的命令或查詢信息。

3.1 主 幀

主幀主要指上位主機發(fā)出的命令幀和查詢幀。其中,命令幀主要包括主機傳輸至DCU液晶模塊的信息、預(yù)置數(shù)據(jù)信息等;查詢幀主要用于傳輸主機對DCU鍵盤輸入信息的查詢。幀數(shù)據(jù)包括被查詢的從機地址、功能碼、各種顯示用信息及校驗碼(見表1)。主幀中的設(shè)備地址為主機欲通信的從機所對應(yīng)的唯一地址;功能代碼告之被選中的從機要執(zhí)行何種功能;數(shù)據(jù)段包含了主機要傳至從機的有效數(shù)據(jù)信息,主要指主機發(fā)送給從機的顯示命令數(shù)據(jù)幀,用于傳輸DCU上的顯示用數(shù)據(jù)信息。

表1 主幀信息

3.2 從幀

從幀主要用于對主幀的應(yīng)答。如果DCU產(chǎn)生正常的回應(yīng),在回應(yīng)消息中的功能碼是對主幀中功能代碼的回應(yīng)。從幀主要用于對查詢主幀進行響應(yīng),其幀結(jié)構(gòu)的有效數(shù)據(jù)部分段包括了從機收集的數(shù)據(jù)如鍵值。幀數(shù)據(jù)包括從機地址、功能碼、鍵值、校驗碼。

3.3 傳輸方式

傳輸方式是指一個數(shù)據(jù)幀內(nèi)一系列獨立的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及用于傳輸數(shù)據(jù)的有限規(guī)則。本系統(tǒng)RS 485通信傳輸方式每個字節(jié)的位定義為:1位起始位,8位數(shù)據(jù)位,最小的有效位先發(fā)送,無奇偶校驗位,1位停止位。

4 結(jié) 語

本系統(tǒng)根據(jù)地鐵列車旅客信息系統(tǒng)的控制要求,利用C8051F005單片機、DT-12032圖形點陣液晶模塊和基于HD7279智能鍵盤控制器的功能按鍵,構(gòu)建了低功耗的中文人機界面,開發(fā)了基于Modbus規(guī)約并利用RS 485總線實現(xiàn)的PIS下位機DCU的功能。本系統(tǒng)充分利用成熟而規(guī)范的通信協(xié)議Modbus RT U規(guī)約,最大限度地節(jié)約開發(fā)成本,降低開發(fā)風險,提高系統(tǒng)的兼容性和可移植性。目前,該DCU部件已在地鐵列車模擬器中安裝使用。應(yīng)用表明,該部件能較好地完成各種功能,通信接口方面也完全滿足地鐵列車車載PIS對終端設(shè)備的要求。

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Design and Realization of DCU in Metro Train PIS

Shao Mei

According to the control requirements of metro passenger information system,the article describes the stable hardware architecture of the driver control unit,by using C8051F MCU,graphic dot matrix LCD modules and intelligent keyboard controller,because the development of driver control unit is based on Modbus protocol and RS-485 bus.The application shows that the software and hardware designs of DCU and its communications could meet the requirements for terminal equipment of metro train passenger information system.

metro train;PIS(passenger information system);DCU(driver control unit);ModBus protocol;MCU

U 231+.6

2010-10-11)