一种基于μCOS系统的发车指示器设计

李亨飞

（北京通号国铁城市轨道技术有限公司，北京 100070）

一种基于μCOS系统的发车指示器设计

李亨飞

（北京通号国铁城市轨道技术有限公司，北京 100070）

发车指示器主要完成发车时间及相关发车控制命令的显示，用于为列车司机提供离站时间、状态等信息，是地铁运营的重要辅助设备。发车指示器接收ATS系统的控制命令并将此信息显示在LED屏幕上，供列车司机行车参考。讨论一种基于μCOS嵌入式系统的发车指示器软硬件结构，及在城市轨道交通线路中的实际应用。

发车指示器；嵌入式系统；软硬件接口

发车指示器（DTI）作为一个轨旁显示终端，主要为列车司机提供到站停车时间、发车时间、晚点时间等信息，是司机行车的重要依据之一。发车指示器系统将ATS系统发送来的以太网接口属性信息转换为光属性信号远距离传输到站台系统接口，再通过把光属性信息转换为以太网电属性信息进行处理。当列车在站台停车后，按ATS指定的停站时间倒计时，显示距运营时刻表的计划发车时间。倒计时至零时，司机应按指示结合信号机显示发车；正计时则为发车晚点时间。同时，发车指示器也应能够显示扣车、调停等临时处理命令信息。本文描述一种基于μCOS嵌入式操作系统的发车指示器的设计思路及系统结构。

1 系统结构

发车指示器系统分别应用在两侧站台列车出站站台前，分为上行DTI系统和下行DTI系统。ATS系统与DTI系统的接口采用以太网接口形式。实现方式是DTI系统将以太网接口电属性转换成光属性信号远距离传输到站台系统接口，再通过把光属性信息转换为以太网电属性信息进行处理，控制器接收到命令信息后，控制LED屏进行显示；同时控制器通过以太网向ATS网络发送心跳信息，由光电转换模块将电信号转化为光信号传输至ATS系统。这种实现方式也有效解决长距离传输网线传输信号衰减的问题。系统结构如图1所示。

根据图1，DTI系统划分模块如表1所示：接口转换模块、系统控制模块、LED屏等。其中系统控制模块基于μCOS-II嵌入式操作系统，为DTI系统的核心逻辑和主控单元。

2 系统控制模块

系统控制模块（SCB）通过以太网网络接口从外部接口接受信息指令并与其通信，控制LED显示屏显示内容，并且可通过板上的指示灯指示系统状态信息。

在硬件上，SCB控制模块电路包括电源电路、主控制器电路、以太网电路、串口电路、LED显示屏驱动电路、SD卡接口电路、复位电路以及其他接口电路。SCB预留调试接口，PC机可以通过板上的RS-232通信接口进行Debug调试，SCB支持SD卡日志记录功能和RTC实时时钟。SCB逻辑结构如图2所示。

图1　发车指示器系统结构图

表1　发车指示器系统划分模块

图2　DTI系统控制模块逻辑结构图

系统控制模块提供2种工作状态：无卡模式（work mode）及有卡模式（test mode），通过板载开关进行选择。SD卡座采用SD总线模式接线方式，并配有ESD防护芯片。在这两种工作模式下的功能如下：

1）无卡模式：控制器模块无卡模式下，只接收外部接口数据，通过解析后控制LED屏模块显示信息。同时能够发送心跳信息给外部系统。

2）有卡模式：控制器模块在有卡模式下，具备系统的升级与信息记录功能。当系统在调试阶段时，可使用此模式进行系统、接口的调试及接口信息记录。当系统在运营阶段出现问题时，可通过模式转换到此模式下对系统进行日志记录并分析问题。

3 嵌入式软件结构

3.1软件架构

系统控制模块的嵌入式软件采用μCOS操作系统，在此系统的基础上实现DTI系统的各项功能。SCB软件模块实现的主要功能：1）接收来自ATS系统的命令，解析后对LED屏进行控制；2）周期性的向ATS系统发送心跳信息；3）LED屏上电自检与手动自检；4）日志记录与程序升级；5）系统时钟校准与软件版本获取功能。

为实现上述功能，采用分层的设计思想设计软件架构，如图3所示。

图3　嵌入式软件架构系统

BSP：硬件驱动层，主要功能是实现SD卡、GOIP、以及以太网的驱动，另外，μCOS操作系统的实现也在此层完成；

SDM：数据管理层，主要功能是实现命令信息的拆包、待发数据的组包；

APP：应用处理层，用以实现系统控制模块的逻辑功能。

3.2软件模块划分

基于μCOS操作系统，为完成整个DTI系统的核心功能，系统控制模块划分为几个模块：主逻辑模块、LED屏控制模块、LED屏自检模块、程序升级模块、网络处理模块、日志记录模块。

1）主逻辑模块：完成CPU各接口模块、通信芯片等模块及数据缓冲区的初始化；创建网络处理、日志记录等模块任务、系统异常处理等特殊操作。

2）LED屏控制模块：通过实时控制CPU的GPIO管脚，实现LED屏不断的刷新，控制显示内容。

对于时间显示命令，将解析到的数字转化为3位十进制数字（百位、十位、个位），并通过控制CPU的GPIO管脚，使LED屏显示3位数字；

对于如跳停、扣车等特殊显示命令，软件控制CPU的GPIO管脚，使LED屏显示该命令字样。

3）LED屏自检模块：在上电自检过程中，本模块控制LED屏进行自检，自检方式为双灯芯显示。

4）程序升级模块：本模块支持SD卡升级及网络升级两种方式。

从SD卡进行程序升级的流程为将待升级的代码拷贝到当前没有运行的存储区内，并重启系统，运行新程序。

网络程序升级可以在周期事务处理过程中进行，需先将从以太网获得的待升级程序包存储到SD卡中，再从SD卡中进行升级。

5）网络处理模块：本模块基于TCP/IP协议栈，接收外部以太网数据进行解析，并周期性向外部发送心跳包。

6）日志记录模块：软件在上电自检过程中，通过读取GPIO管脚信息，确定运行模式为有卡还是无卡模式。在有卡模式下，软件将从以太网收到的数据记录到SD卡中。

4 结语

基于μCOS系统的发车指示器，通过外部光电转换模块、硬件电路的设计及嵌入式软件的实现，完成DTI系统的完整功能。并在天津1号线、重庆6号线、福州、东莞等地铁线路中得以工程实现。在实际的日常地铁运营中，对司机、列车运营起到了重要的指示和辅助作用。

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）