地鐵列車顯示屏軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)

杜苗苗， 宋君君， 冀 云

(中車唐山機(jī)車車輛有限公司 產(chǎn)品研發(fā)中心， 河北唐山 063035)

隨著軌道交通的快速發(fā)展，地鐵已經(jīng)在國內(nèi)很多城市開通運(yùn)營，給人們出行帶來了極大的便利，同時(shí)也加快了城市的建設(shè)，今后地鐵項(xiàng)目將會(huì)走入更多的城市，得到更快的發(fā)展，列車人機(jī)交互接口單元作為列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的終端設(shè)備在地鐵項(xiàng)目中得到了廣泛的應(yīng)用。

列車網(wǎng)絡(luò)設(shè)備多而復(fù)雜，而人機(jī)接口交互單元可提供車輛運(yùn)行狀態(tài)信息、故障信息以及安全操作提示，同時(shí)司機(jī)及維護(hù)人員也可根據(jù)顯示信息對列車進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、自檢測試及系統(tǒng)維護(hù)等操作[1]，因此列車顯示控制單元是列車正常運(yùn)行的重要保證之一，此部分的設(shè)計(jì)與開發(fā)工作對于列車行車安全有著重要的意義。為了滿足地鐵列車運(yùn)行過程中的監(jiān)控需求，及時(shí)解決列車調(diào)試過程中的問題，加快列車調(diào)試效率，特對其顯示屏軟件進(jìn)行自主設(shè)計(jì)與開發(fā)。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 硬件介紹

每輛地鐵列車配置兩個(gè)人機(jī)交互接口單元(Human Machine Interaction Interface Unit，簡稱HMI)，顯示器分辨率為1 024×768，處理器為PowerPc架構(gòu)，主頻為400 MHz，平臺(tái)操作系統(tǒng)采用開源的Linux操作系統(tǒng)，并且支持多種通信方式，全觸摸無按鍵電阻屏，色彩鮮明，人機(jī)交互友好，應(yīng)用程序數(shù)據(jù)操作精確，采用U盤下載方式，簡單快捷。

1.2 開發(fā)環(huán)境介紹

HMI的軟件開發(fā)是在Linux操作系統(tǒng)下，使用Qt Creator開發(fā)工具來進(jìn)行的。Qt是基于C++開發(fā)語言、跨平臺(tái)的圖形用戶界面應(yīng)用程序框架，它包括一套跨平臺(tái)的類庫、一套整合的開發(fā)工具和一個(gè)跨平臺(tái)的集成開發(fā)環(huán)境[2]，采用面向?qū)ο缶幊?，封裝良好，滿足顯示屏軟件開發(fā)過程中的需求。

2 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

2.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h3>

地鐵列車采用6輛編組，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)主干網(wǎng)采用滿足IEC 61375-1標(biāo)準(zhǔn)的MVB網(wǎng)絡(luò)[3]，主要硬件設(shè)備有列車中央控制單元CCU、數(shù)據(jù)記錄模塊ERM、中繼器REP、遠(yuǎn)程輸入輸出單元RIOM、人機(jī)接口設(shè)備HMI和必要的總線終端連接器等。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示。

2.2 界面設(shè)計(jì)

根據(jù)用戶需求，地鐵顯示屏界面主要包括司機(jī)界面和維護(hù)界面兩大部分，設(shè)計(jì)界面顯示框架如圖2所示。

3 應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)

3.1 顯示界面實(shí)現(xiàn)

顯示屏界面是由自定義類CPage實(shí)現(xiàn)，每個(gè)界面類基于CPgae類派生而來，繼承基類的基本屬性，通過調(diào)用自定義的按鈕，圖片，文本，線條，編輯框等控件來實(shí)現(xiàn)對各界面的繪制。各界面類包括對界面的初始化及函數(shù)的定義：

① ROMDATA g_PicRom_Main[];∥結(jié)構(gòu)體數(shù)組，實(shí)現(xiàn)對各控件的初始化

② Void OnInitPage(); ∥界面初始化函數(shù)，實(shí)現(xiàn)首次進(jìn)入界面各變量的初始化

③ Void OnShowPage(); ∥界面展示函數(shù)，實(shí)現(xiàn)每次切換到該界面所需控件狀態(tài)的顯示

Tc-拖車；M-動(dòng)車；CCU-列車中央控制單元；REP-中繼器；DXM-數(shù)字量輸入輸出模塊；DIM-數(shù)字量輸入模塊；AXM-模擬量輸入輸出模塊；ERM-事件記錄儀； ATC-列車自動(dòng)控制；HMI-人機(jī)接口單元；FDS-火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)；PIS-乘客信息顯示系統(tǒng)；MDCU-車門控制單元；ACU-空調(diào)控制單元；DCU/M-牽引控制單元；DCU/A-輔助控制單元；BECU-制動(dòng)控制單元；BMS-蓄電池；CCU-D-數(shù)據(jù)記錄儀。圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

圖2 界面設(shè)計(jì)框架圖

④ Void OnUpdatePage(); ∥界面更新函數(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的通訊以及各控件狀態(tài)的刷新

靜態(tài)界面的實(shí)現(xiàn)主要在ROMDATA結(jié)構(gòu)體數(shù)組中，根據(jù)功能劃分，將界面顯示分為4部分，包括公共信息顯示區(qū)、主顯示及功能按鈕區(qū)、故障提示區(qū)和公共按鈕區(qū)，如圖3所示。其中公共信息顯示區(qū)包括對列車站點(diǎn)、電壓及時(shí)間等重要信息的顯示，主顯示區(qū)根據(jù)用戶對按鈕的選擇顯示對應(yīng)的信息，故障提示區(qū)提示列車當(dāng)前的最新故障，按鈕區(qū)實(shí)現(xiàn)用戶的操作。

3.2 數(shù)據(jù)通訊

列車顯示屏實(shí)現(xiàn)對列車運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的監(jiān)控，要對MVB總線數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫操作。根據(jù)各系統(tǒng)接口規(guī)范，MVB數(shù)據(jù)通訊部分首先要對端口進(jìn)行定義，需要先進(jìn)行pit表的配置，pit表是定義端口號(hào)，源宿端口和端口大小所生成的配置文件。關(guān)于配置pit表所使用的工具如圖4所示。

圖3 顯示屏界面

圖4 pit表配置工具

在配置工具中各項(xiàng)的定義為：

① 端口號(hào)： 十六進(jìn)制數(shù)表示；

② 端口類型： 1表示宿端口(接收數(shù)據(jù)端)；2表示源端口(發(fā)送數(shù)據(jù)端)；

③ 端口存儲(chǔ)地址：第一個(gè)地址為4，第二個(gè)地址為8，第三個(gè)地址為12，…，以此類推，不能使用端口地址0；

④ 端口大小： 端口的大小可以是2，4，8，16，32，根據(jù)數(shù)據(jù)流選擇相應(yīng)的端口大小，在pit配置工具中分別對應(yīng)0,1,2,3,4。

各端口輸入完畢，點(diǎn)擊生成配置即可生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)pit表。pit表配置完畢，對數(shù)據(jù)讀寫函數(shù)進(jìn)行調(diào)用并對其數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯處理

∥讀數(shù)據(jù)函數(shù)

mvb.get_uint(unsigned short port_num, char ofs_byte); ∥讀雙字?jǐn)?shù)據(jù)

mvb.get_uchar(unsigned short port_num, char ofs_byte); ∥讀單字節(jié)數(shù)據(jù)

mvb.get_ushort(unsigned short port_num, char ofs_byte);∥讀單字?jǐn)?shù)據(jù)

mvb.get_ubit(unsigned short,char ofs_byte,char ofs_bit); ∥讀bit位數(shù)據(jù)

∥寫數(shù)據(jù)函數(shù)

mvb.put_uint(unsigned short port_num, char ofs_byte, unsigned char value);∥寫雙字?jǐn)?shù)據(jù)

mvb.put_uchar(unsigned short port_num, char ofs_byte, unsigned char value); ∥寫單字節(jié)數(shù)據(jù)

mvb.put_ushort(unsigned short port_num, char ofs_byte, unsigned char value); ∥寫單字?jǐn)?shù)據(jù)

mvb.put_ubit(unsigned short port_num, char ofs_byte, char ofs_bit, unsigned char value); ∥寫bit位數(shù)據(jù)

依據(jù)各系統(tǒng)接口規(guī)范，通過對以上函數(shù)的調(diào)用，來獲取MVB總線上的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)值，對其進(jìn)行邏輯處理并對相關(guān)控件的狀態(tài)進(jìn)行控制，來實(shí)現(xiàn)界面的刷新。

4 故障診斷

列車故障診斷部分是網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，主要實(shí)現(xiàn)車載各部件故障數(shù)據(jù)的采集、分析、轉(zhuǎn)儲(chǔ)和顯示功能[4]。故障診斷程序主要是對故障字典數(shù)據(jù)表的建立以及對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的讀寫操作。

根據(jù)故障對子系統(tǒng)或列車的性能或安全性的影響劃分為不同的故障等級，不同的故障等級對應(yīng)不同的聲光信息提示，有4種等級：

(1) 嚴(yán)重故障 ：列車無法動(dòng)車、安全回路故障、煙溫探測報(bào)警、關(guān)鍵系統(tǒng)故障等；

(2) 中等故障 ：司機(jī)操作失誤、乘客信息系統(tǒng)故障等不影響列車牽引的故障；

(3) 輕微故障 ：空調(diào)系統(tǒng)、備份功能切換等不影響列車正常載客運(yùn)營的故障；

(4) 提示信息：非故障，只作一次性的提示作用。

故障診斷程序?qū)崟r(shí)檢測故障數(shù)據(jù)信號(hào)，當(dāng)檢測到列車發(fā)生故障時(shí)，根據(jù)端口號(hào)、字節(jié)號(hào)以及位的信息來查詢故障字典中相應(yīng)的故障數(shù)據(jù)，并且將查詢中的信息記錄到當(dāng)前故障列表中，同時(shí)在HMI上進(jìn)行顯示。當(dāng)故障消失后，故障信息從當(dāng)前故障列表中刪除，插入到歷史故障列表中，當(dāng)前故障列表和歷史故障列表到達(dá)一定的數(shù)量限制之后，將最早的100條記錄進(jìn)行刪除，故障診斷程序流程圖如圖5所示。

經(jīng)過上述幾部分的代碼開發(fā)，顯示屏應(yīng)用程序已基本開發(fā)完畢，經(jīng)本地測試之后，交叉編譯生成鏡像文件，通過U盤下載到HMI設(shè)備中，經(jīng)過試驗(yàn)臺(tái)的功能測試，再上車聯(lián)調(diào)。自主開發(fā)顯示屏程序給測試人員帶來了很大的便利，調(diào)試過程中的問題能夠得到及時(shí)的反饋和解決，大大提高了工作效率。

圖5 故障診斷程序流程圖

5 結(jié)束語

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)作為一列車的大腦，意義重大，而HMI作為列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的眼睛也擔(dān)負(fù)著重要作用，列車顯示屏的軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)工作對測試人員、司機(jī)及維護(hù)人員都有著重要的意義。地鐵列車顯示屏程序應(yīng)用軟件已在地鐵項(xiàng)目中運(yùn)用，經(jīng)過多次試驗(yàn)和調(diào)試，列車現(xiàn)已進(jìn)入運(yùn)營階段。該地鐵顯示屏應(yīng)用程序下載簡單，人機(jī)界面交互友好，用戶操作便捷高效，軟件運(yùn)行穩(wěn)定可靠，對其他軌道交通項(xiàng)目的顯示屏軟件開發(fā)具有很好的參考價(jià)值。

[1] 李 偉，張?zhí)燔姡环N基于Linux的地鐵列車顯示屏設(shè)計(jì)[J].鐵道車輛，2014，52(12)：29-30.

[2] 閆鋒欣，曾泉人，張志強(qiáng)．C++ GUI Qt4編程[M](第2版)．北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[3] IEC 61375-1— 1999.Electric Railway Equipment Train Bus Part 1：Train Communication Network[S].

[4] 孫幫成．CRH380BL型動(dòng)車組[M]．北京：中國鐵道出版社，2014.