地铁列车旅客信息系统中司机控制单元的设计及实现

邵 玫

(广州铁路职业技术学院电气工程系,510100,广州∥讲师)

地铁列车旅客信息系统中司机控制单元的设计及实现

邵 玫

(广州铁路职业技术学院电气工程系,510100,广州∥讲师)

根据地铁列车旅客信息系统的控制要求,利用C8051F系列单片机及图形点阵液晶模块和智能键盘控制器,构建了稳定的司机控制单元硬件结构,开发了基于Modbus协议并利用RS 485总线实现的司机控制单元功能。应用表明,该部件的软硬件设计及通信完全满足地铁列车旅客信息系统对终端设备的要求。

地铁列车;旅客信息系统;司机控制单元;ModBus协议;单片机

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

1 司机控制单元组成及功能

司机控制单元(Driver Control Unit,简为DCU)安装于地铁列车司机操纵台,是地铁列车旅客信息系统(PIS)中司机实行控制和操作的部件,主要由报站显示液晶屏、功能指示灯、广播控制键、话筒、扬声器、呼叫报警位置显示器及报警扬声器等组成。在列车运行过程中,司机通过设置DCU,可以改变地铁列车旅客信息系统的实时状态;可以实现诸如通过控制数字键自由进行站名设置和调整,更改站名编号,调整起点、终点、越站的设置和更改区间等功能。这很大程度上保证了系统与实际运营情况的一致性。DCU为地铁列车的快速运行、自动化操作、紧急反应等提供了快捷的操控平台,在地铁列车车载信息系统中发挥着重要作用。

2 硬件设计

根据地铁列车旅客信息系统的控制要求,利用C8051F系列单片机及图形点阵液晶模块和智能键盘控制器,构建稳定的DCU硬件结构,开发基于Modbus协议并利用 RS 485总线实现的DCU功能,是系统设计目标。DCU硬件系统需要具备电源模块、主控制模块、液晶显示及驱动模块、功能操作键盘、功能指示电路、串行通信电路等部分,使之满足地铁列车车载PIS对终端设备的要求。

2.1 主控制模块

部件控制部分选用可在系统编程的FLASH微控制器C8051F005作为主CPU。C8051F005是完全集成的混合信号系统级MCU(单片机)芯片,有一个具有32 kB的Flash存储器并与8051兼容的微控制器内核,还有硬件实现的 I2C/SMBus、UART(通用异步收发器)、SPI(串行外围设备接口)及一个具有5个捕捉或比较模块的可编程计数器或定时器阵列(PCA),以及有4个通用的16位定时器和4 B宽的通用数字I/O端口。其采用流水线指令结构;70%的指令的执行时间为一个或两个系统时钟周期,速度可达25 MI/s。另外,F005内部集成的串行通信模块不仅支持异步通信,也支持SPI同步通信方式,且其对SPI同步通信方式的配置极其灵活。这就为访问SPI接口的串行FLASH存储器提供了硬件上的保证。

综上所述,C8051F005单片机是具有多种功能强大的片上外围模块;同时,它采用了 TQFP64的表贴封装,引脚间距仅为0.5 mm,极大地节省了电路板空间。采用C8051F005作为DCU的微控制器,增加了系统的先进性和集成度,较大程度地提升了系统的整体性能。

DCU作为PIS中的一个部件,其控制板硬件结构如图1所示。

图1 控制板硬件结构框图

2.2 液晶显示驱动模块与接口电路

DCU的液晶屏主要显示报站信息,即站号及站名,能够任意显示16点阵和24点阵两种大小的中文字。因司机控制台上空间有限,根据基本功能要求选择体积较小的图形点阵式液晶显示屏。支持汉字显示的图形点阵液晶在现代单片机应用系统中是一种十分常用的显示设备,具有功耗低、受外界光线干扰小、无电磁干扰、可靠性高、使用寿命长等优点;其与行列式小键盘组成了现代单片机应用系统中最常用的人机交互界面,可显示用户自定义的任意符号和图形。

系统采用北京迪特福公司的DT-12032液晶显示模块。DT-12032模块的供电电压典型值为3～5 V,工作电流较小,可显示范围为120×32点阵,即能实现所谓的“双排汉显”。DT-12032采用2片SED 1520控制器作为液晶显示屏与MCU的接口。1片SED 1520控制器可以驱动16行×80列。由于 F005具有 32个 I/O引脚,借助SED 1520,F005可直接利用I/O口模拟液晶的读写和控制时序,使MCU对液晶的操作实际上变为MCU对液晶显示控制器SED 1520的操作,因而接口电路的硬件连接和软件编程都简单了很多。MCU可通过SED 1520的一些控制引脚和十几条常用指令来访问液晶显示模块。例如,“E1”和“E2”分别用于使能两片SED 1520;“R/W”控制对SED1520的读或写;“A0”决定此次操作是指令读写还是数据读写。图2为F005单片机的P2口用作与液晶显示模块通信的数据口,部分 P3口作为控制端的连接图。

图2 C8051F005与DT-12032的电路连接示意图

2.3 外部扩展存储器

图形点阵式液晶显示屏一般不带有汉字库,而DCU需要显示任意站名和编号,因此控制系统需要配备外部存储器以存储汉字库。目前存储器的种类很多,选择适合 DCU系统的存储模块,应结合功耗、存储容量、读写速度、体积及接口方式等多个因素综合考虑。近年来得到广泛应用的Flash存储器的存储密度较高,读写速度较快,在存储容量及成本上具有明显优势。基于SPI串行接口的低电压Flash存储器所用I/O口相对于并行Flash存储器大为减少,体积小,功耗较低,是非常合适的存储器形式。本系统选用ST公司的32 Mbit的SPI串行接口Flash存储器M25P32,作为外置数据存储器。该Flash存储器供电范围为2.7～3.6 V,其接口电平与F005单片机相匹配,硬件上能直接连接。且该存储器采用SPI串行三线接口,能有效减少系统所占空间,提高系统可靠性,并可根据实际需要选择该系列容量更大的型号。F005和外部存储器之间采用SPI同步通信方式,F005作为主机提供时钟与数据。

SPI接口是在8051控制芯片和外围低速存储芯片M25P32之间进行同步串行数据传输。在主器件的移位脉冲下,数据按位传输,高位在前,低位在后,为全双工通信。数据传输速度总体来说比I2C总线要快,可达到几Mbit/s。SPI接口是以主从方式工作的。这种模式通常有一个主器件和一个或多个从器件。本文设计中主器件是控制芯片,而从器件是存储芯片 M25P32。其接口包括以下 4种信号:

(1)MOSI,主器件数据输出,从器件数据输入;

(2)MISO,主器件数据输入,从器件数据输出;

(3)SCLK,时钟信号,由主器件产生;

(4)/SS,从器件使能信号,由主器件控制。

在点对点的通信中,SPI接口不需要进行寻址操作,且为全双工通信,显得简单高效。

2.4 功能操作键盘设计

列车运行过程中,司机通过DCU的按键操作改变系统状态。DCU按键如图3所示。

图3 DCU键盘部分示意图

部分键位对应操作实现的功能如下:

(1)主机按键,用于人工干预下的头尾(主机、子机)切换。系统在通常情况下根据列车监控系统的信号自动进行主、子机切换;如果系统需要人为进行主机定义,可以按下主机切换按键,进行主机选择。

(2)人工/自动按键,用于人工广播和自动广播功能的切换。通常情况下,系统采用自动和半自动广播,只有在网络出现故障的情况下才启用人工广播。需要启用人工广播时,按下此按键,即可通过话筒进行人工广播。

(3)对讲按键,用于司机间的对讲联络。当一方司机需要起用对讲功能时,按下此按键,另一端司机的对讲灯闪动,提示接听;此时,按下对讲按键,即可进行司机间的对讲通话。

(4)监听按键,用于司机监听客室报站准确性。监听按键用于协助司机进行运营中广播的监听,以保证广播播报的准确,并及时进行错误调整。列车运营过程中,按下此键,监听扬声器播放客室广播的声音,以帮助司机判断广播的准确性。

(5)报警按键,用于司机和客室紧急报警的联络。当有乘客按动客室报警器时,此按键上方的红灯闪烁,同时报警扬声器发出报警声音,提示司机及时接听;司机按下报警键可开始与乘客进行通话,及时处理突发事件和乘客的问题。报警对讲结束后,按下此键,系统恢复初始状态。报警通信将记录在主机中,为事后事件(问题)处理提供依据。

(6)0～9数字键,用于起点、终点、越站的设置和更改区间等功能的调整。

(7)↑、↓键,可通过此键进行站名的调整与设置。按动箭头滚动时,DCU上的小液晶屏上会显示站名信息,以帮助司机进行站名的设定。

(8)确认,更改、设置、功能调整等命令的确认。

DCU控制按键有30多个,如果采用行列扫描法,将占用较多的硬件资源。本设计采用具有串行接口的专用智能键盘控制芯片HD7279A。该芯片可同时连接多达64键的键盘矩阵,并具有自动消除按键抖动和识别按键代码的功能,可以极大提高CPU的工作效率。

3 软件设计

基于RS 485总线具有结构简单、价格低廉、通信距离和数据传输速率适当等特点,在DCU(从机)与上位控制计算机(主机)通信过程中应用 RS 485总线实现,主从之间采用光电隔离技术提供一个安全接口。

主机和从机间通过RS 485通信接口采用主从应答方式(半双工)进行数据通信:主机以命令或查询的方式将相应的命令帧或查询帧(简称主帧)发给期望的从机,被正确寻址后的从机(设备地址唯一)根据实际情况发出相应的应答数据帧(针对查询主帧而发出的从帧)回传至主机。本通信协议只允许在主机与从机之间进行通信,不允许独立的从机之间进行数据交换,这样,各从机仅限于响应来自主机的命令或查询信息。

3.1 主 帧

主帧主要指上位主机发出的命令帧和查询帧。其中,命令帧主要包括主机传输至DCU液晶模块的信息、预置数据信息等;查询帧主要用于传输主机对DCU键盘输入信息的查询。帧数据包括被查询的从机地址、功能码、各种显示用信息及校验码(见表1)。主帧中的设备地址为主机欲通信的从机所对应的唯一地址;功能代码告之被选中的从机要执行何种功能;数据段包含了主机要传至从机的有效数据信息,主要指主机发送给从机的显示命令数据帧,用于传输DCU上的显示用数据信息。

表1 主帧信息

3.2 从帧

从帧主要用于对主帧的应答。如果DCU产生正常的回应,在回应消息中的功能码是对主帧中功能代码的回应。从帧主要用于对查询主帧进行响应,其帧结构的有效数据部分段包括了从机收集的数据如键值。帧数据包括从机地址、功能码、键值、校验码。

3.3 传输方式

传输方式是指一个数据帧内一系列独立的数据结构以及用于传输数据的有限规则。本系统RS 485通信传输方式每个字节的位定义为:1位起始位,8位数据位,最小的有效位先发送,无奇偶校验位,1位停止位。

4 结 语

本系统根据地铁列车旅客信息系统的控制要求,利用C8051F005单片机、DT-12032图形点阵液晶模块和基于HD7279智能键盘控制器的功能按键,构建了低功耗的中文人机界面,开发了基于Modbus规约并利用RS 485总线实现的PIS下位机DCU的功能。本系统充分利用成熟而规范的通信协议Modbus RT U规约,最大限度地节约开发成本,降低开发风险,提高系统的兼容性和可移植性。目前,该DCU部件已在地铁列车模拟器中安装使用。应用表明,该部件能较好地完成各种功能,通信接口方面也完全满足地铁列车车载PIS对终端设备的要求。

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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)