HXN3型内燃机车FIRE显示屏硬件研究分析

郝明智 薛兵杰

摘 要：本文介绍了HXN3型内燃机车司机显示屏的功能作用，阐述了机车网络拓扑及FIRE显示屏的通信接口，并对显示屏硬件各模块功能、主要技术参数、内部接口等进行了详细介绍，在此基础上对国产化方案进行了分析对比，提出了自主开发设计的思路和实现方法，为FIRE显示屏的完全国产化开发打下了基础。

关键词：HXN3；FIRE显示屏；网络拓扑；CPU系统；通信模块；逆向工程

中图分类号：TP277 文献标志码：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型内燃机车是在引进消化吸收EMD技术的基础上，设计生产的双司机室交流传动内燃机车，司机显示屏采用FIRE（功能集成的电子设备）显示屏，每个司机室装配两台，共4台，相互间可以任意替换。

FIRE显示屏用1个集成的显示屏幕代替大多数常用的控制台开关、仪表和指示灯，以及机车计算机显示屏，主要功能包括：

（1）提供控制机车子系统的用户接口。

（2）在相互之间无直接通信关系的子系统之间进行通信。

（3）对机车子系统的总体运行进行系统地组合和协调。

FIRE显示屏作为HXN3型机车人机交互界面，接受EM2000传输过来的各信号并显示，同时可以向EM2000传输部分指令，对机车进行控制。FIRE显示屏自带存储盘，可以存储机车运行数据与故障数据。

目前HXN3型内燃机车所使用的FIRE显示屏已经完成国产化制造，但是核心技术尚未完全掌握，在应用中主要存在以下几个问题：

（1）故障率高：CPU系统和电子盘容易出问题。

（2）采购困难：显示屏部分元器件选用型号比较老旧。

（3）应用软件更新困难，难以响应机务段的使用要求。

（4）维修成本高。

鉴于以上几点，对FIRE显示屏的研究具有重要意义，通过详细测试分析，弄清显示屏的外部接口及内部结构，实现FIRE显示屏的完全国产化设计制造，进而达到降成本，降故障率的目标。本文将详细介绍显示屏的网络拓扑及硬件构成。

1 网络拓扑介绍

在对FIRE显示屏测试研究初始阶段，首先把它看作一个黑匣子，然后重点分析它的外部接口及通信功能。根据整车电气原理图并通过测试验证，确定FIRE显示屏用到的对外的通信接口包括：1个以太网口、两个CAN口（一路备份），两个RS422口，1个Lonworks口，1个GPS口。显示屏网络拓扑图如图 1所示。

从图1中可以看出FIRE显示屏与外部的设备的通信包括：

（1）FIRE2通过CAN总线与EM2000（整车控制单元）通信，由EM2000完成对机车柴油机、牵引系统、輔助系统的控制。

（2）FIRE2通过RS422与空气制动单元通信。

（3）FIRE2通过Lonworks网络和重联路由器与他车进行重联控制，（在机车实际运行中未应用到）。

（4）FIRE1通过RS422与燃油表控制单元通信。

（5）4个显示屏之间通过以太网通信，进行数据共享。

除此之外FIRE显示屏具备键盘接口和USB接口，可进行数据下载，具备GPS功能。

2 FIRE显示屏硬件结构介绍

2.1 FIRE显示屏整体结构图

根据FIRE显示屏的外部接口对其内部板卡进行分析测绘，确定显示屏的硬件组成主要包括电源模块、CPU、CAN模块、同步422、异步422、GPS模块、LCD驱动模块、Lonworks模块等8个板卡。整体内部结构框图如图 2所示。

根据图1、图2及以上分析结果可知，FIRE显示屏与外部的通信接口主要有以太网、CAN和RS422三类。通过以太网进行屏与屏之间的数据共享，通过CAN与EM2000通信，完成主要的机车数据读取和控制功能，通过RS422分别于空气制动系统和燃油表控制单元通讯，实现制动控制以及燃油数据读取。

FIRE显示屏以太网口集成在CPU系统板卡上，CAN和RS422由专用的板卡实现通讯转换，与CPU之间通过PC/104总线连接。下面将详细介绍一下FIRE显示屏CPU系统、CAN通信和422通信模块。

2.2 FIRE显示屏CPU系统介绍

FIRE显示屏的CPU系统相当于一台计算机主机，主控芯片选用AMD-LX800，是AMD公司推出的基于X86体系结构的嵌入式处理器，主要用于工业控制、移动设备等领域。FIRE显示屏的CPU系统板卡框图如图 3所示。

CPU系统板卡特性如下：

（1）系统：嵌入式X86。

（2）内存：DDR 333/400 SO-DIMM SDRAM插槽，最大支持至1GB。

（3）电子盘：支持CF卡。

（4）完整的I/O：支持IDE， 1 个 RS-232/ 422/ 485，4个 USB2.0，3个 RS-232。

（5）显示接口：支持VGA， 24-bit TTL， 18-bit LVDS，在FIRE显示屏采用的TTL接口。

（6）外设接口：PS/2，支持键盘和鼠标。

（7）扩展槽：PC/104 （ISA 总线）。

（8）电源：+5V 、1.33A供电，超低功耗。

图3中主控芯片AMD-LX800用来综合处理显示屏数据，管理显示屏功能，电子盘用来存储FIRE显示屏操作系统及应用程序，驱动模块是用来给LCD即FIRE显示屏的液晶屏供电，同时控制背光亮度。CPU系统板卡自带的以太网接口、USB接口以及PS/2（键盘和鼠标接口）等分别引出至显示屏的对外接口，可以直接应用。

2.3 扩展接口

FIRE显示屏的CPU系统板卡主要完成显示屏的运算存储和显示等功能，显示屏内部的最核心部件，CPU系统板卡自带以太网接口，通过TCP/IP协议实现了4个显示屏之数据共享。根据图1所示，FIRE显示屏网络系统除了以太网外，还需要其他多种网络接口，获取外部数据，统一传送到CPU进行管理。CPU系统板卡通过PC/104总线实现通信接口功能扩展，网络框图如图 4所示。

图4中CPLD1、CPLD2（复杂可编程逻辑器件）起到协议转换作用。SJA1000具有完成CAN通信协议所要求的全部特性，可完成 CAN总线的物理层和数据链路层的所有功能。ST16C554D是4通道异步接收发送器集成芯片，有8个16字节的FIFO，能很好实现异步串行通信，CPU系统板卡通过扩展串口与Lonworks模块和GPS模块连接，分别实现相应的功能。同步422的协议转换由FPGA芯片完成，采用HDLC协议与空气制动系统通信。

3 国产化展望

3.1 国产化方案选择

通过以上分析可知，目前HXN3内燃机车FIRE显示屏硬件选型设计老旧，集成度不高，内部板卡众多，因而导致故障率高、维修成本高的问题。国产化设计通常有两种方案：一是PCB抄板，二是掌握原理接口和通信协议，完全自主开发设计。

抄板指对设计出来的PCB板进行反向技术研究。从狭义上来说，抄板仅指对电子产品电路板PCB文件的提取还原和利用文件进行电路板克隆的过程；从广义上来说，抄板不仅包括对电路板文件提取、电路板克隆、电路板仿制等技术过程，而且包括对电路板文件进行修改（即改板）、对电子产品外形模具进行三维数据的提取和模型仿制、对电子产品电路板上的各类电子元器件进行仿制、对电路板上加密了的芯片或单片机进行解密、对电子产品的系统软件进行反汇编等电子产品全套克隆的所有技术过程。

在HXN3显示屏国产化设计中，如果选用抄板技术，即使能做到广义上的抄板，其产品的硬件和软件架构仍受限于原有的结构设计，后续改进及优化难度较大，成本难以大幅度降低。

根据前文的分析，在掌握原装显示屏内部构成和接口并采集大量界面照片的基础上，显示屏的硬件设计和应用软件设计都变得相对简单可行，因此国产化方案建议选择自主开发，重新设计硬件、软件架构。

3.2 自主开发设计思路

自主开发分为硬件设计和软件设计。硬件主板选型可选择通用的开发板，集成以太网接口、CAN接口、串口等显示屏应用所需要的通信接口。随着电子技术不断发展，采用新型的芯片开发板，不仅性能参数较原装显示屏有了很大提高，成本也大大降低了。

软件设计，为了司机能直接上手操作应用，界面结构及显示内容的设计首先完全仿照原装显示屏，在显示屏的性能、功能都得到驗证后，后续可以根据段方意见进行灵活改进设计，功能扩展。显示屏主界面设计如图5所示。

3.3 自主开发的难点

自主开发的难点在于缺少原装显示屏详细的通信协议资料，只能采用逆向工程进行开发。逆向工程指对已有的实物进行检查、将检测到数据或图像进行特征提取、匹配等新消息处理后，建立对象的数字化模型的过程。实现逆向工程必须具备两方面条件：一是对对象进行检测的装置，二是对检测信息进行处理和建模的整套技术。

以主界面的开发为例，根据前文分析并经过测试，显示屏与机车控制单元EM2000之间是通过基于CAN2.0B总线协议进行数据交互， 采用29位的扩展帧，波特率为500kb/s。显示屏启动，设置界面位于主界面显示，把测试工具CAN分析仪接到机车CAN测试接口上，并设置好通道、帧ID类型和波特率后，便可以进行数据采集。收到数据如图6所示。

采集到数据后，将数据进行分类整理，然后通过CAN分析仪进行逐帧发送，根据显示界面的变化，推断每个数据帧ID的含义及数据字节定义。主界面机车速度的数据帧ID及数据定义见表1。

分析出机车数据的通信协议后，需要用CAN分析仪进行模拟验证。将发送帧ID设置为0x133E200D，然后在对应数据位置，修改数据。例如发送FF FF，显示屏界面显示如图 7所示，发现速度值有显示，改变发送数值，显示速度值有变化，说明协议解析正确。

按照此方法，对原装显示屏每个界面的数据进行逐一解析验证后，便掌握了HXN3内燃机车FIRE显示屏的最核心内容，这也是自主开发显示屏难点和工作量所在。

结语

本文介绍了HXN3型内燃机车FIRE显示屏在机车运用与操纵中的主要功能作用，以及FIRE显示屏硬件研究的意义。提出了自主开发设计的思路和可执行方法，FIRE显示屏的完全国产化开发打下了基础。

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