車載顯示單元診斷維護系統優化設計與實現

龔 娟

(1.武漢大學,武漢 430072; 2.湖南鐵道職業技術學院, 湖南 株洲 412000 )

車載顯示單元診斷維護系統優化設計與實現

龔 娟1,2

(1.武漢大學,武漢 430072; 2.湖南鐵道職業技術學院, 湖南 株洲 412000 )

針對目前車載顯示單元監測、診斷及維護方式的局限性，通過分析研究，提出了一種新型的車載顯示單元診斷維護方案，并通過設計進行了軟件實現;新實現的系統軟件可以自動對底層程序及應用程序進行監控及故障記錄，并實現故障信息的提取，為設計和維護人員進行故障分析和故障處理提供便利;系統通過以太網進行固件及軟件的升級和備份，且支持一鍵升級，能夠極大地提升工作效率；同時，系統開發過程中融入人機工程理念，充分考慮界面美觀和交互的便利性；盡量降低軟件的耦合度，提高軟件的可移植性。

顯示單元；監測；診斷；維護

0 引言

隨著軌道交通行業不斷發展，列車需求不斷攀升。車載顯示單元的裝車數量也在不停的增長，作為列車運行控制與顯示的終端設備，擔負著車載系統人機接口功能，因而顯示系統的監測、診斷及維護相當重要。

車載顯示單元操作系統為嵌入式Linux系統，傳統的診斷維護方式主要是采用串口和USB接口進行維護，不具備操作的可視化和工具化。同時，維護過程為考慮U盤的安全性，必須采用專用U盤，且一旦刷寫失敗將導致系統崩潰；另外，串口通信傳輸速率低，耗費時間長，影響現場維護的效率。以往的故障診斷方式多針對于底層系統，對于上層應用故障主要采用日志文件進行記錄，但是系統日志文件對非設計人員來說晦澀難懂，無法基于日志文件及時的開展故障分析。因而，傳統的人機接口單元診斷維護方式在如今的行業趨勢下顯得越來越局限。

針對以上情況，本文提出了一種車載顯示單元診斷維護系統的優化方案，并通過開發設計，進行了軟件實現，系統采用C/S架構構建通信環境，設計交互功能實現嵌入式Linux系統與Windows PC之間的可視化通信，利用后臺監視進程對單元進行自動監視和故障診斷，利用以太網進行固件及軟件的升級備份，提高效率，同時整個通信過程采用加密技術保障信息傳輸的安全性。

1 系統設計

系統設計從充分解決原有系統效率低、交互可視不友好等問題出發，采用高帶寬的以太網通信接口，通信速率達到100 Mbps，建立友好的可視化交互操作界面，構建快捷操作和批量處理功能，從根本上解決原有系統的弊端，提升系統易用性和可用性。

1.1 拓撲結構

診斷維護系統關聯關系如圖1所示，PC上運行前端軟件通過以太網與顯示單元連接，通過以太網與診斷維護進程進行交互，實現二者間的數據傳輸和控制。

圖1 診斷維護系統連接結構

1.2 通信架構

本系統采用C/S(客戶端/服務器端)的模型來實現，利用基于TCP協議的流式套接字(socket)來提供可靠的、面向連接的通信方式，在該模型中，服務器端使用Linux提供的接口，而客戶端使用.NET提供的AsyncCallBack(異步回調)的委托方式構建跨平臺的異步通信，如圖2所示。

圖2 診斷維護系統通信架構

服務器端部署于顯示單元文件系統中，主要包含應用監視診斷和固件維護兩大功能模塊，客戶端軟件配置于PC機上，具有良好的可視化交互界面。服務器端在顯示單元應用進程啟動時開啟服務，監視進程，并等待客戶端的連接。客戶端通過以太網接入，并向服務器端請求連接，連接成功后，根據需求向服務器發送故障信息提取、固件更新、文件備份等設計的功能請求，服務器端根據請求類型執行相應的操作，并將結果反饋到客戶端。

2 優化方案與設計

顯示單元診斷維護系統的優化主要包含5個方面：監視診斷功能優化、固件維護功能優化、通信交互的可靠性優化、文件傳輸的安全加密性以及軟件設計模式優化。同時從功能和性能的角度對整個系統進行全面的優化設計，確保系統在相關領域應用的可行性。

2.1 通信交互方案

客戶端與服務器端連接采用TCP協議，通過三次握手確保連接的可靠性和穩定性。如圖3所示，建立連接時，客戶端發送連接請求到服務器端，并進入發送等待狀態，等待服務器端確認；服務器端接收請求，并發送ACK給客戶端進行確認，服務器端進入接收等待狀態；客戶端收到服務器端的ACK包，再向服務器端發送確認包ACK，此包發送完畢，客戶端和服務器進入連接成功狀態。此時，客戶端與服務器端才可以開始傳送數據。

圖3 通信流程圖

2.2 診斷優化方案

監視診斷功能主要是針對顯示單元應用層，處于應用層的所有進程都可以被監視和記錄。判斷應用程序能否正常運行的指標主要有：CPU負荷值、內存占用值、生命信號和異常退出情況。當應用程序的CPU占用值和內存占用值超出正常值時，會影響CPU處理能力，造成系統卡頓，無法操作。應用程序需要通過以太網等通信接口接收來自其他各個控制系統傳輸的數據，在顯示單元上實時的顯示，當應用程序異常退出，會導致顯示單元藍屏或白屏，對列車運用造成影響。

針對相關可能影響顯示單元正常運行的情況，系統采用后臺監視的方式對應用程序的各項指標進行實時監測，并對監測數據進行實時分析，形成診斷結果并反饋，總體方案如圖4所示。

圖4 監視診斷實現方案框圖

系統設計對監視到的所有異常情況，均進行以下三個步驟的處理：1)對異常信息進行記錄，記錄文件的路徑可以根據需求進行設置；2)對于突發異常采取正確合適的策略來應對。對于普通應用程序，當異常退出時可直接對其進行進程重啟操作，但對于一些關鍵的應用程序，應對策略要更加全面，要根據不同的退出等級進行應對處理，對啟動策略進行全面的分析，必要時采用圖形庫進行提示；3)利用客戶端軟件可以向服務端請求異常信息，服務器端提取文件中的故障代碼通過解析后發送回客戶端，用戶獲取顯示單元故障情況。

2.3 維護優化方案

顯示單元在應用開發過程中，由于實際應用需求的變更，為了更好的滿足需求，顯示單元系統也需要同步進行必要的更新和配置，一般情況下，需要進行維護的固件包括：底層軟件、應用程序和系統配置文件。其中底層軟件包括U_boot、內核和文件系統。針對固件的維護主要分為固件升級和文件備份兩個部分，以下分別固件升級和文件備份的方案實現進行詳細說明。

固件升級：客戶端與服務器端連接成功后，用戶將固件升級指令發送給服務器端，服務器端根據指令主動從客戶端獲取固件升級包、固件名及固件大小。固件升級包通過FTP協議從客戶端上傳到服務器端，服務器端接收完固件升級包后，將其存放在指定目錄下，通過對比固件名和大小確保接收的完整性和一致性，若接受完整，則服務器端擦除系統底層軟件及應用程序所在的FLASH分區，將固件更新包刷寫到對應的分區上，并計算該分區的CRC校驗值發送回客戶端，客戶端將接收到的CRC值與本地固件包的CRC值進行比較，若一致，則說明固件更新成功，為簡化用戶的操作，系統設計有一鍵更新所有固件的功能，通過一鍵更新，簡化用戶操作步驟，提高系統效率。固件升級方案如圖5所示。

圖5 固件升級實現流程圖

文件備份：文件備份是固件更新的逆過程，往往在進行故障分析時，設計人員需要獲取故障顯示單元的系統配置文件和底層軟件，通過FTP協議將文件從顯示單元服務端上傳到客戶端本地路徑。

固件維護軟件設計為一個后臺進程，為了更好地響應用戶交互的實時性，同時降低對系統性能的影響，固件維護功能采用多線程的編程方式來實現，避免引起程序阻塞。程序流程如圖6所示，1)服務器端創建socket 并綁定IP地址和端口，打開監聽，等待客戶端接入；2)客戶端發送連接請求，服務器端接受連接，并獲取到PC機的IP地址，兩端正式建立連接；3)服務器端設置接收超時時間，防止程序阻塞；4)客戶端發送指令，根據指令類型確認要更新的固件類型，并匹配文件名稱及大小；5)若匹配結果一致，擦除固件所在的flash 區域，將新的更新包寫入flash，計算CRC校驗值；6)返回CRC值到客戶端進行匹配，若匹配結果一致，則更新成功；7)此時服務器端程序繼續等待下一次更新請求，若超時，則等待下一次接入，避免處于阻塞狀態。

圖6 固件維護程序流程圖

2.4 安全加密方案

為了避免由于人為操作引起的固件更新失敗和通信交互時信息泄露導致系統異常的問題，文件的安全完整性和交互信息的加密在診斷維護系統設計過程中需要重點關注并進行有效的設計和實現。

2.4.1 文件的安全完整性

通過對比客戶端與服務端的文件名和文件大小，確認接收到的文件是否正確，對比客戶端與服務端文件的CRC校驗值，可以判斷刷寫到FLASH的文件內容是否一致，只有二者都一致，才能判定更新成功。

2.4.2 信息加密

在客戶端與服務端進行消息傳遞時，采用安全隧道的方式對信息進行加密處理。安全隧道可以有效的防止通信交互式的信息泄漏問題，系統采用一套完整的密鑰機制，可以很好地運用在LINUX系統上，通過兩把不一樣的公鑰與私鑰來進行加密解密，來達到安全傳輸的效果。

2.5 軟件設計模式

在軟件設計、開發階段，盡量分離與系統平臺有關的代碼，通過簡潔的接口與平臺交互，減少軟件與系統平臺的耦合性，實現在多個顯示單元平臺上的兼容，使該系統具有良好的可移植性。在編碼時，采用一個主線程和動態生成子線程的分工模式，動態滿足各種配置需求，做到好的功能擴展性，在后期需求增加時，能方便的進行擴展，提升開發效率。

采用面向對象的設計思路，劃分功能單元，提高代碼的重用率。功能單元劃分遵循兩個原則：1)分離原則：策略同機制分離，每一層只做自己份內的事情，不交叉進行，提高代碼的可維護性；2)緊湊性與正交性：每個單元既是單一完整的功能代碼，又不存在副作用，不對其他功能模塊產生影響。

3 優化對比與實現

3.1 監視診斷功能

較之以往采用日志文件來記錄并判斷故障的方式，優化后的診斷方式更加智能，可配置性強，監視的內容可按需求裁剪，可以單獨開啟多個線程對不同應用進程同時進行監視，對故障記錄和提取。

以應用程序為例， 監視診斷功能的實現步驟為：

1)監視軟件在后臺開啟一個進程，等待應用程序啟動，待應用進程開啟，監視軟件在記錄文件中記錄此次啟動事件。

2)在監視過程中，若監測到應用程序的CPU負荷值、內存占用值超出預設值，則會在記錄文件中進行記錄，并對應用程序采取相應策略。

3) 在監視過程中，若監測到應用程序異常退出，應用程序無法查找到所監視的進程時，會將信息記錄在文件中，并會根據不同的退出等級和機制執行相對應的重啟操作。

4) 在監視過程中，若監測到應用程序生命信號丟失，處于超時狀態，監視軟件會記錄相關信息，并采取策略。

5) 在監視過程中，當用戶需要提取相關的故障記錄時，開啟客戶端軟件，與顯示單元服務器端連接，一鍵讀取所需日期的所有故障信息。

值得一提的是，所有的應對策略都可以針對不同功能的應用進行定制和擴展，而不僅僅局限于單一的一種解決方式。

3.2 固件維護功能

與傳統的固件維護方式相比，無論是固件維護涉及的固件更新還是文件備份，優化后的固件維護方式更加注重操作的簡潔性，不需要繁復的命令、腳本，也不需要借助其他的存儲工具，無論車載顯示單元處于何種狀態下，都可以對它進行固件維護操作，而且系統支持一鍵更新所有固件。

以kernel更新為例，固件更新的實現步驟為：

1)客戶端與顯示單元服務器端連接，發送更新kernel的請求。

2)服務器端解析請求，并獲取客戶端IP、kernel文件名及大小。

3)打開FTP服務，并建立連接，對比兩端kernel文件名和大小，若一致，則從FTP服務器下載kernel文件到顯示單元內存區。

4)對kernel文件進行CRC校驗。

5)校驗成功后，刷寫到FLASH，更新成功。

以配置文件為例，文件備份的實現步驟為：

1)客戶端與顯示單元服務器端連接，發送配置文件備份請求。

2)服務器端解析請求，并獲取客戶端IP、配置文件的文件名及大小。

3)打開FTP服務，并建立連接。

4)在文件系統中搜索配置文件，并將該文件通過FTP服務器上傳到本地路徑下。

3.3 交互界面

Windows PC端的客戶端交互界面軟件采用C# winform框架實現，C#是一種面向對象的編程語言，C#語法簡化了C++的諸多復雜性，提供很強的網絡編程功能，基于c#的socket開發已經非常成熟，C#應用由.NET平臺提供安全機制確保安全性，語言表現力強，適用于可視化開發。客戶端軟件界面如圖7所示，與服務器端進行連接之前，首先要將PC機的IP與顯示單元的IP設置為同一網段，并確保通信端口沒有被占用，否則會導致連接失敗。

圖7 客戶端軟件界面

固件維護界面如圖8所示，除了可以對底層軟件進行單點更新單點外，還支持一鍵批量下載，并且有更新進度提醒。

圖8 固件維護界面

4 結束語

通過對既有系統的分析，從優化設計與實現的角度對系統進行了重新的設計和優化，經過方案分析、設計實現和實際測試和驗證，文章所設計的車載顯示單元診斷維護系統能夠實現監視應用程序、診斷故障信息、更新固件和配置文件的功能。與過去傳統的診斷維護方式相比，新的系統從架構層面和實現手段上引入了高速以太網通信，和基于以太網的套接字通信機制，提高通信速率的同時保證了系統信息的安全性，界面實現方面借用PC端友好的可視化開發，提高了用戶操作的友好型，系統充分結合實際應用需求，提出并實現了一鍵操作和批量操作功能，提高了用戶應用的便利性和高效性，系統設計充分考慮了軟件的低耦合，功能的強可配置性，相比以往的系統在功能和性能上都有了極大的提升，是一套較為完善的顯示單元平臺診斷維護解決方案和系統。鑒于系統架構和設計的通用性，相關方案和功能通過簡單的配置或修改能夠兼容不同型號的顯示單元，同時通過適當的變更能夠快速的移植到其他類似功能需求的系統中。

[1] 王業流, 王 強. 嵌入式軟件可移植性設計技術[J]. 機車電傳動, 2013(2):81-84.

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[3] 徐克寶, 武 慧, 文藝成. 基于Socket的Windows與Linux平臺異步通信[J]. 計算機系統應用, 2015, 24(7):232-235.

Optimization Design and Implementation of Vehicle Mounted Display Diagnosis and Maintenance System

Gong Juan1,2

(1.Wuhan University, Wuhan 430072,China; 2.Hunan Rilway Professional Technology College, Zhuzhou 412000,China)

The current maintenance mode of the display unit has definite limitation. Aiming at solving this problem, a new diagnosis and maintenance scheme for display unit is presented in this paper.Software realization has also been carried out .The monitoring software can monitor the application program and record the fault automatically. The fault information is extracted at the same time, so that this program can provide convenience to follow-up designers to analyze and deal with the fault. Firmware maintenance tool supports firmware upgrade ,backup and a key upgrade through the connection between Ethernet and monitor. In conclusion ,this tool greatly enhances the efficiency. Software has a good interface, and can been used easily. At the same time, the design process of software minimizes the coupling degree and portability of software has been improved greatly.

display unit; monitor;diagnosis;maintain

2017-05-12；

2017-05-25。

2017湖南省教育廳科學研究項目(17C1041)。

龔 娟(1978-)，女，湖南汩羅人，碩士研究生，副教授/高級工程師，主要從事列車網絡控制方向的研究。

1671-4598(2017)08-0283-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.08.073

TN873

A