一種基于μCOS系統的發車指示器設計

李亨飛

（北京通號國鐵城市軌道技術有限公司，北京 100070）

一種基于μCOS系統的發車指示器設計

李亨飛

（北京通號國鐵城市軌道技術有限公司，北京 100070）

發車指示器主要完成發車時間及相關發車控制命令的顯示，用于為列車司機提供離站時間、狀態等信息，是地鐵運營的重要輔助設備。發車指示器接收ATS系統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嵌入式系統的發車指示器軟硬件結構，及在城市軌道交通線路中的實際應用。

發車指示器；嵌入式系統；軟硬件接口

發車指示器（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、發車時間、晚點時間等信息，是司機行車的重要依據之一。發車指示器系統將ATS系統發送來的以太網接口屬性信息轉換為光屬性信號遠距離傳輸到站臺系統接口，再通過把光屬性信息轉換為以太網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車時間。倒計時至零時，司機應按指示結合信號機顯示發車；正計時則為發車晚點時間。同時，發車指示器也應能夠顯示扣車、調停等臨時處理命令信息。本文描述一種基于μCOS嵌入式操作系統的發車指示器的設計思路及系統結構。

1 系統結構

發車指示器系統分別應用在兩側站臺列車出站站臺前，分為上行DTI系統和下行DTI系統。ATS系統與DTI系統的接口采用以太網接口形式。實現方式是DTI系統將以太網接口電屬性轉換成光屬性信號遠距離傳輸到站臺系統接口，再通過把光屬性信息轉換為以太網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向ATS網絡發送心跳信息，由光電轉換模塊將電信號轉化為光信號傳輸至ATS系統。這種實現方式也有效解決長距離傳輸網線傳輸信號衰減的問題。系統結構如圖1所示。

根據圖1，DTI系統劃分模塊如表1所示：接口轉換模塊、系統控制模塊、LED屏等。其中系統控制模塊基于μCOS-II嵌入式操作系統，為DTI系統的核心邏輯和主控單元。

2 系統控制模塊

系統控制模塊（SCB）通過以太網網絡接口從外部接口接受信息指令并與其通信，控制LED顯示屏顯示內容，并且可通過板上的指示燈指示系統狀態信息。

在硬件上，SCB控制模塊電路包括電源電路、主控制器電路、以太網電路、串口電路、LED顯示屏驅動電路、SD卡接口電路、復位電路以及其他接口電路。SCB預留調試接口，PC機可以通過板上的RS-232通信接口進行Debug調試，SCB支持SD卡日志記錄功能和RTC實時時鐘。SCB邏輯結構如圖2所示。

圖1　發車指示器系統結構圖

表1　發車指示器系統劃分模塊

圖2　DTI系統控制模塊邏輯結構圖

系統控制模塊提供2種工作狀態：無卡模式（work mode）及有卡模式（test mode），通過板載開關進行選擇。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，只接收外部接口數據，通過解析后控制LED屏模塊顯示信息。同時能夠發送心跳信息給外部系統。

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

3 嵌入式軟件結構

3.1軟件架構

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

為實現上述功能，采用分層的設計思想設計軟件架構，如圖3所示。

圖3　嵌入式軟件架構系統

BSP：硬件驅動層，主要功能是實現SD卡、GOIP、以及以太網的驅動，另外，μCOS操作系統的實現也在此層完成；

SDM：數據管理層，主要功能是實現命令信息的拆包、待發數據的組包；

APP：應用處理層，用以實現系統控制模塊的邏輯功能。

3.2軟件模塊劃分

基于μCOS操作系統，為完成整個DTI系統的核心功能，系統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、網絡處理模塊、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據緩沖區的初始化；創建網絡處理、日志記錄等模塊任務、系統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LED屏不斷的刷新，控制顯示內容。

對于時間顯示命令，將解析到的數字轉化為3位十進制數字（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卡升級及網絡升級兩種方式。

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內，并重啟系統，運行新程序。

網絡程序升級可以在周期事務處理過程中進行，需先將從以太網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）網絡處理模塊：本模塊基于TCP/IP協議棧，接收外部以太網數據進行解析，并周期性向外部發送心跳包。

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，軟件將從以太網收到的數據記錄到SD卡中。

4 結語

基于μCOS系統的發車指示器，通過外部光電轉換模塊、硬件電路的設計及嵌入式軟件的實現，完成DTI系統的完整功能。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。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）