HXN3型內燃機車FIRE顯示屏硬件研究分析

郝明智 薛兵杰

摘 要：本文介紹了HXN3型內燃機車司機顯示屏的功能作用，闡述了機車網(wǎng)絡拓撲及FIRE顯示屏的通信接口，并對顯示屏硬件各模塊功能、主要技術參數(shù)、內部接口等進行了詳細介紹，在此基礎上對國產(chǎn)化方案進行了分析對比，提出了自主開發(fā)設計的思路和實現(xiàn)方法，為FIRE顯示屏的完全國產(chǎn)化開發(fā)打下了基礎。

關鍵詞：HXN3；FIRE顯示屏；網(wǎng)絡拓撲；CPU系統(tǒng)；通信模塊；逆向工程

中圖分類號：TP277 文獻標志碼：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型內燃機車是在引進消化吸收EMD技術的基礎上，設計生產(chǎn)的雙司機室交流傳動內燃機車，司機顯示屏采用FIRE（功能集成的電子設備）顯示屏，每個司機室裝配兩臺，共4臺，相互間可以任意替換。

FIRE顯示屏用1個集成的顯示屏幕代替大多數(shù)常用的控制臺開關、儀表和指示燈，以及機車計算機顯示屏，主要功能包括：

（1）提供控制機車子系統(tǒng)的用戶接口。

（2）在相互之間無直接通信關系的子系統(tǒng)之間進行通信。

（3）對機車子系統(tǒng)的總體運行進行系統(tǒng)地組合和協(xié)調。

FIRE顯示屏作為HXN3型機車人機交互界面，接受EM2000傳輸過來的各信號并顯示，同時可以向EM2000傳輸部分指令，對機車進行控制。FIRE顯示屏自帶存儲盤，可以存儲機車運行數(shù)據(jù)與故障數(shù)據(jù)。

目前HXN3型內燃機車所使用的FIRE顯示屏已經(jīng)完成國產(chǎn)化制造，但是核心技術尚未完全掌握，在應用中主要存在以下幾個問題：

（1）故障率高：CPU系統(tǒng)和電子盤容易出問題。

（2）采購困難：顯示屏部分元器件選用型號比較老舊。

（3）應用軟件更新困難，難以響應機務段的使用要求。

（4）維修成本高。

鑒于以上幾點，對FIRE顯示屏的研究具有重要意義，通過詳細測試分析，弄清顯示屏的外部接口及內部結構，實現(xiàn)FIRE顯示屏的完全國產(chǎn)化設計制造，進而達到降成本，降故障率的目標。本文將詳細介紹顯示屏的網(wǎng)絡拓撲及硬件構成。

1 網(wǎng)絡拓撲介紹

在對FIRE顯示屏測試研究初始階段，首先把它看作一個黑匣子，然后重點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測試驗證，確定FIRE顯示屏用到的對外的通信接口包括：1個以太網(wǎng)口、兩個CAN口（一路備份），兩個RS422口，1個Lonworks口，1個GPS口。顯示屏網(wǎng)絡拓撲圖如圖 1所示。

從圖1中可以看出FIRE顯示屏與外部的設備的通信包括：

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

（2）FIRE2通過RS422與空氣制動單元通信。

（3）FIRE2通過Lonworks網(wǎng)絡和重聯(lián)路由器與他車進行重聯(lián)控制，（在機車實際運行中未應用到）。

（4）FIRE1通過RS422與燃油表控制單元通信。

（5）4個顯示屏之間通過以太網(wǎng)通信，進行數(shù)據(jù)共享。

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

2 FIRE顯示屏硬件結構介紹

2.1 FIRE顯示屏整體結構圖

根據(jù)FIRE顯示屏的外部接口對其內部板卡進行分析測繪，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驅動模塊、Lonworks模塊等8個板卡。整體內部結構框圖如圖 2所示。

根據(jù)圖1、圖2及以上分析結果可知，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。通過以太網(wǎng)進行屏與屏之間的數(shù)據(jù)共享，通過CAN與EM2000通信，完成主要的機車數(shù)據(jù)讀取和控制功能，通過RS422分別于空氣制動系統(tǒng)和燃油表控制單元通訊，實現(xiàn)制動控制以及燃油數(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由專用的板卡實現(xiàn)通訊轉換，與CPU之間通過PC/104總線連接。下面將詳細介紹一下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)相當于一臺計算機主機，主控芯片選用AMD-LX800，是AMD公司推出的基于X86體系結構的嵌入式處理器，主要用于工業(yè)控制、移動設備等領域。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）內存：DDR 333/400 SO-DIMM SDRAM插槽，最大支持至1GB。

（3）電子盤：支持CF卡。

（4）完整的I/O：支持IDE， 1 個 RS-232/ 422/ 485，4個 USB2.0，3個 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）外設接口：PS/2，支持鍵盤和鼠標。

（7）擴展槽：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用來綜合處理顯示屏數(shù)據(jù)，管理顯示屏功能，電子盤用來存儲FIRE顯示屏操作系統(tǒng)及應用程序，驅動模塊是用來給LCD即FIRE顯示屏的液晶屏供電，同時控制背光亮度。CPU系統(tǒng)板卡自帶的以太網(wǎng)接口、USB接口以及PS/2（鍵盤和鼠標接口）等分別引出至顯示屏的對外接口，可以直接應用。

2.3 擴展接口

FIRE顯示屏的CPU系統(tǒng)板卡主要完成顯示屏的運算存儲和顯示等功能，顯示屏內部的最核心部件，CPU系統(tǒng)板卡自帶以太網(wǎng)接口，通過TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)了4個顯示屏之數(shù)據(jù)共享。根據(jù)圖1所示，F(xiàn)IRE顯示屏網(wǎng)絡系統(tǒng)除了以太網(wǎng)外，還需要其他多種網(wǎng)絡接口，獲取外部數(shù)據(jù)，統(tǒng)一傳送到CPU進行管理。CPU系統(tǒng)板卡通過PC/104總線實現(xiàn)通信接口功能擴展，網(wǎng)絡框圖如圖 4所示。

圖4中CPLD1、CPLD2（復雜可編程邏輯器件）起到協(xié)議轉換作用。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16字節(jié)的FIFO，能很好實現(xiàn)異步串行通信，CPU系統(tǒng)板卡通過擴展串口與Lonworks模塊和GPS模塊連接，分別實現(xiàn)相應的功能。同步422的協(xié)議轉換由FPGA芯片完成，采用HDLC協(xié)議與空氣制動系統(tǒng)通信。

3 國產(chǎn)化展望

3.1 國產(chǎn)化方案選擇

通過以上分析可知，目前HXN3內燃機車FIRE顯示屏硬件選型設計老舊，集成度不高，內部板卡眾多，因而導致故障率高、維修成本高的問題。國產(chǎn)化設計通常有兩種方案：一是PCB抄板，二是掌握原理接口和通信協(xié)議，完全自主開發(fā)設計。

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

在HXN3顯示屏國產(chǎn)化設計中，如果選用抄板技術，即使能做到廣義上的抄板，其產(chǎn)品的硬件和軟件架構仍受限于原有的結構設計，后續(xù)改進及優(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部構成和接口并采集大量界面照片的基礎上，顯示屏的硬件設計和應用軟件設計都變得相對簡單可行，因此國產(chǎn)化方案建議選擇自主開發(fā)，重新設計硬件、軟件架構。

3.2 自主開發(fā)設計思路

自主開發(fā)分為硬件設計和軟件設計。硬件主板選型可選擇通用的開發(fā)板，集成以太網(wǎng)接口、CAN接口、串口等顯示屏應用所需要的通信接口。隨著電子技術不斷發(fā)展，采用新型的芯片開發(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。

軟件設計，為了司機能直接上手操作應用，界面結構及顯示內容的設計首先完全仿照原裝顯示屏，在顯示屏的性能、功能都得到驗證后，后續(xù)可以根據(jù)段方意見進行靈活改進設計，功能擴展。顯示屏主界面設計如圖5所示。

3.3 自主開發(fā)的難點

自主開發(fā)的難點在于缺少原裝顯示屏詳細的通信協(xié)議資料，只能采用逆向工程進行開發(fā)。逆向工程指對已有的實物進行檢查、將檢測到數(shù)據(jù)或圖像進行特征提取、匹配等新消息處理后，建立對象的數(shù)字化模型的過程。實現(xiàn)逆向工程必須具備兩方面條件：一是對對象進行檢測的裝置，二是對檢測信息進行處理和建模的整套技術。

以主界面的開發(fā)為例，根據(jù)前文分析并經(jīng)過測試，顯示屏與機車控制單元EM2000之間是通過基于CAN2.0B總線協(xié)議進行數(shù)據(jù)交互， 采用29位的擴展幀，波特率為500kb/s。顯示屏啟動，設置界面位于主界面顯示，把測試工具CAN分析儀接到機車CAN測試接口上，并設置好通道、幀ID類型和波特率后，便可以進行數(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)進行分類整理，然后通過CAN分析儀進行逐幀發(fā)送，根據(jù)顯示界面的變化，推斷每個數(shù)據(jù)幀ID的含義及數(shù)據(jù)字節(jié)定義。主界面機車速度的數(shù)據(jù)幀ID及數(shù)據(jù)定義見表1。

分析出機車數(shù)據(jù)的通信協(xié)議后，需要用CAN分析儀進行模擬驗證。將發(fā)送幀ID設置為0x133E200D，然后在對應數(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，說明協(xié)議解析正確。

按照此方法，對原裝顯示屏每個界面的數(shù)據(jù)進行逐一解析驗證后，便掌握了HXN3內燃機車FIRE顯示屏的最核心內容，這也是自主開發(fā)顯示屏難點和工作量所在。

結語

本文介紹了HXN3型內燃機車FIRE顯示屏在機車運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。提出了自主開發(fā)設計的思路和可執(zhí)行方法，F(xiàn)IRE顯示屏的完全國產(chǎn)化開發(fā)打下了基礎。

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