专利名称：基于嵌入式操作系统的机车数字网络互联设备及其控制方法
技术领域：
本发明涉及机车数字网络互联设备及其控制方法，特别是用于显示列车上各种设备及与列车运行有关的各种信息，并为操作者提供与各种设备交互信息与数据的接口的IDD装置及其控制方法。
背景技术：
IDD(信息显示装置)是安装于司机室操作台、列车员操作间等部位的电子装置，用于显示列车上各种设备及与列车运行有关的各种信息，并为操作者提供与各种设备交互信息与数据的接口，显示和通信是IDD实现的两个最主要功能。以往铁路机车用IDD的显示和通信部分是分为两个相互独立的CPU来处理的，即一块CPU完成显示控制，另一块CPU负责通信。相应地，两块CPU分别运行两套相互独立的系统。这样，IDD系统的结构复杂，并且提高了设备的硬件制造和软件开发成本。2004年12月8日公告的CN2661527Y号中国专利揭示了一种新型列车监控装置屏幕显示器。该列车监控装置屏幕显示器由底板、IC卡语音板、电源板、高压板、CPU卡、显示卡、显示屏、通信子板、扬声器、蜂鸣器、薄膜开关面板组成，并具有与主机的多种通讯接口和输入输出端口，因此能够充分、及时地反应机车运行的各种数据和文字信息，可以及时显示汉字和图形曲线。2005年9月21日公告的CN2727849Y号中国专利揭示了一种监控装置数码显示器。该数码显示器包括微处理器、程序存储器、静态RAM、语音提示电路、通信接口电路、IC卡、键盘显示电路和显示电路。以上所提及的对比文件同样都存在着前面所述的问题，因此很有必要对此加以改进。
发明内容
本发明的目的在于针对现有IDD装置的不足，提出一种结构更为合理，尤其是CPU利用率高，实时性好，设备体积较小的新型机车数字网络互联设备及其控制方法。
根据本发明的目的所提出的技术实施方案是一种用于显示列车上各种设备及与列车运行有关的各种信息，并为操作者提供与各种设备交互信息与数据的接口的IDD装置，至少包括外壳、CPU板、接口板、LCD显示系统。还可以根据实际应用的需要增加触摸屏、IC卡座。整个IDD装置只有一块CPU板，将IDD装置所有控制部分(包括显示和通信)的处理放在一块CPU上完成，即使用一块CPU完成IDD的显示和TCN网络通信功能，所述IDD装置的电路板包括一块CPU板和一块接口板两个部分，并通过两个矩形插座连接。同时所述IDD装置采用嵌入式Linux操作系统，实现嵌入式GUI(图形用户接口)和TCN(列车控制网络)实时协议包功能。其中所述的CPU板是整个系统的核心部件，整个系统的主要控制功能都是通过一块CPU板完成的。CPU板上主要包括Flash存储器、SDRAM存储器、USBHost接口、触摸屏接口、以太网接口、声音系统，使用一片CPLD完成板极控制功能，包括地址译码、内部电路逻辑的产出和锁存、板内资源的分配等。CPU板的电源由接口板提供，通过矩形插座连接到CPU板；CPU板系统复位由复位控制器控制，包括三个复位源上电复位、手动复位、看门狗复位；CPU板的FLASH包括BOOT ROM和用户数据区；USB Host接口支持USB低速和全速模式。USB电源地与系统地之间以及USB数据线上加有磁珠，以满足EMC要求。USB接口通过矩形插座连接到前盖上的标准插座上。声音系统由处理器提供控制信号。模拟音频信号由矩形插座连接到接口板上，信号最大有效值为1V(RMS)，负载阻抗应大于10KΩ。当需要使用声音系统时，在接口板上根据需要集成功放电路。
所述的接口板主要包括MVB通讯接口(多功能车辆总线)、电源系统、外设控制电路等部分。LCD液晶屏的背光电源及控制电路也安装在接口板上。其中，MVB子系统为采用MVB3类设备，物理层采用ESD+接口。MVB子系统实现MVB协议的物理层和数据链路层。MVB的初始化、配置以及TCN RTP协议网络均由CPU板软件实现。CPLD完成与处理器的接口逻辑以及MVB时序控制。在Linux操作系统内核中，实现MVB消息数据相关的驱动；直接将TM映射到CPU的地址空间实现MVB过程数据通讯。在接口板上装有两个LCD背光逆变器，用于LCD液晶屏的背光供电。
所述的LCD显示系统采用嵌入式Linux操作系统。采用Tiny X GUI(图形用户接口)做为应用软件开发平台。LCD显示系统包括LCD液晶屏和一些控制按钮，LCD液晶屏安装于前盖上，由CPU板驱动显示。
本发明的一种用于显示列车上各种设备及与列车运行有关的各种信息，并为操作者提供与各种设备交互信息与数据的接口的IDD装置的控制方法是采用简统化的处理方式，用一块CPU板进行实施控制处理，将IDD装置所有控制部分(包括显示和通信)的处理放在一块CPU上完成，即使用一块CPU完成IDD的显示和TCN网络通信功能，同时采用嵌入式Linux操作系统，实现嵌入式GUI(图形用户接口)和TCN(列车控制网络)实时协议包功能。整个IDD系统控制程序流程如下首先，程序对中文字体进行初始化，可以根据需要设置为16点阵或24点阵字体。然后对MVB进行配置，包括设备地址、过程数据端口初始化、消息数据端口初始化、消息队列配置；对TCN协议栈的配置包括路由配置、功能号配置等；程序还需要设置散热风扇的启动和停止温度。用户程序使用了控件的概念，界面上所有的元素都是控件，对程序员来讲，可以像搭积木一样地组建图形用户界面，并可以很好的实现上层界面和底层数据的分离。用户程序包括若干个窗口，每个窗口都放置有相关内容，程序首先对各个窗口的界面的内容和格式进行初始化。用户程序采用事件驱动结构，程序的流程不是只有一个入口和若干个出口的串行执行线路；相反，程序会一直处于一个循环状态，在这个循环中，程序不断从外部或内部获取某些事件，比如用户的按键、通讯端口数据的接收等，然后根据这些事件作出某种反应，并完成一定的功能，这个循环直到程序接收到某个退出消息循环为止。IDD的用户程序主要使用了三类事件键盘事件、定时器事件、TCN协议栈事件键盘事件当用户有键按下时，消息循环机制检测到键盘事件后后，发送消息给用户程序窗口，该窗口检查该事件属于哪个子控件，若检测到合适的控件，程序将调用该控件的回调函数，对该事件进行处理。比如在本程序中，当用户按下F1键时，程序跳转到主界面，当用户按下F2键，则程序跳转到网络界面。
定时器事件定时器事件主要用来更新数据，具体的时间可以依照需要而定。在本程序设置每隔0.5s更新界面上的数据。
TCN协议栈事件当有TCN协议栈事件(主要是接收到消息数据)发生，程序将调用相关函数进行事件处理，以获取MVB消息数据，并且根据消息数据的内容进行相应处理，如报警、回送消息、显示消息等。
本发明的优点在于由于本发明采用一块CPU板进行实施控制处理，整个IDD装置所有控制部分(包括显示和通信)的处理全放在一块CPU上完成，而且采用嵌入式Linux操作系统，因此本发明的IDD装置响应快，实时性高，设备体积较小，能够充分满足相关标准规定的各种机车、列车的工作环境，十分适用于铁路领域。
图1是对比文件1的原理框图；图2是对比文件2的原理框图；图3是本发明的系统总体结构框图；图4是本发明的CPU板板内信号拓扑图；图5是本发明的CPU板电源原理框图；图6是本发明的底板MVB子系统原理框图；图7是本发明的软件体系结构图；图8是本发明的程序流程图。
图中1、MVBC地址总线；2、处理器数据总线；3、处理器地址总线；4、处理器控制总线。
具体实施例方式
附图给出了一个本发明的具体实施方式
，下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
本发明的主要构思是有效整合资源，采用简统化的办法使整个IDD装置的结构进一步缩小，器件的利用率进一步提高。
从附图可以看出本发明是一种用于显示列车上各种设备及与列车运行有关的各种信息，并为操作者提供与各种设备交互信息与数据的接口的IDD装置，至少包括外壳、CPU板、接口板、LCD显示系统。还可以根据实际应用的需要增加触摸屏、IC卡座。整个装置只有一块CPU板，将IDD装置所有控制部分(包括显示和通信)的处理放在一块CPU上完成，即使用一块CPU完成IDD的显示和TCN网络通信功能，所述IDD装置的电路板包括一块CPU板和一块接口板两个部分，并通过两个矩形插座连接。同时所述IDD装置采用嵌入式Linux操作系统，实现嵌入式GUI(图形用户接口)和TCN(列车控制网络)实时协议包功能。其中所述的CPU板是整个系统的核心部件，整个系统的主要控制功能都是通过一块CPU板完成的。因此CPU板是选用Intel公司的Xscale处理器PXA255，工作频率为400MHz。图3为本发明一个实施例的CPU板板内信号拓扑图，从附图可以看出，CPU板上主要包括32M Flash存储器、64M SDRAM存储器、一个USB Host接口、一个触摸屏接口、一个以太网接口、一个AC97声音系统，使用一片XC9536XL CPLD完成板极控制功能。CPU板采用DC5V电源，由接口板提供，通过矩形插座连接到CPU板，DC5V的设计负载为1.5A。TPS75733芯片将5V电源转换为3.3V，为CPU板的大部分电路提供电源，其容量为3A。MIC5219BM5芯片将3.3V电压转换为1.37V，为CPU提供内核电压。MIC2026-1BM电源开关芯片由软件控制，为LCD液晶屏提供工作电源。系统复位由MAX823E控制，包括三个复位源上电复位、手动复位、看门狗复位。手动复位信号由40芯插座连接到接口板上；看门狗复位由GPI06控制，刷新时间为0.9-2.5秒，如果不使用看门复位，则不应安装R51(即将复位控制器的WDI引脚悬空)。FLASH包括BOOT ROM和用户数据区，由两片16位的FLASH芯片(28F128J3C150)组成，使用CS0地址空间，可以配置为32M(28F128)或64M(28F256)。如果使用28F128，则A25接到芯片的NC。SDRAM可以使用速度为10ns以上、总线宽度为16位的128Mb或256Mb芯片。USB Host接口控制芯片为CY7C67300，支持USB低速和全速模式。USB接口的电源由DC5V电源通过一片MIC2026-1BM芯片提供。USB电源地与系统地之间以及USB数据线上加有磁珠，以满足EMC要求。USB接口通过4芯矩形插座连接到前盖上的USB TpyeA标准插座上。USB Host接口占用CS3地址空间。使用CS4297A芯片作为Audio Codec，由处理器提供控制信号。模拟音频信号由40芯矩形插座连接到接口板上，信号最大有效值为1V(RMS)，负载阻抗应大于10KΩ。当需要使用声音系统时，需在接口板上根据需要集成功放电路。声音系统占用GPI028-GPI031。使用ADS7843做为触摸屏控制器，可以驱动4线电阻式触摸屏。触摸屏控制器占用GPI01、GPI04、GPI05。使用CS8900A做为以太网控制器，ST7011为隔离变压器。以太网占用CS1地址空间。使用一片XC9536XL CPLD芯片完成板级控制，包括地址译码、内部电路逻辑的产出和锁存、板内资源的分配等。LCD接口支持16bit TFTLCD、STNLCD等，采用TTL数字VGA信号输出，电源电压为3.3V。
所述的接口板主要包括通讯接口MVB、电源系统、外设控制电路等部分。LCD液晶屏的背光电源及控制电路也安装在接口板上。MVB子系统为采用MVBC01 ASIC芯片的MVB3类设备，MCM＝2(32K Traffic Memory)，物理层采用ESD+接口，其结构如图4所示。MVB子系统实现MVB协议的物理层和数据链路层，MVBC01的初始化、配置以及TCN RTP协议网络均由CPU板软件实现。CPLD完成与处理器的接口逻辑以及MVBC01时序控制。MVB子系统占用CS5地址空间，使用GPI09作为MVBC01芯片的中断输入。在Linux操作系统内核中，实现MVB消息数据相关的驱动；直接将TM映射到CPU的CS5地址空间实现MVB过程数据通讯。电源系统输入为直流110V。电源模块VI-J00完成110V到5V的转换，容量为50W；LDS12-5S12模块将5V转换为12V，给散热风扇供电，容量为15W。在110输入线路上装有电源线滤波器DNF214B3-03，VI-J00模块设计有浪涌保护电路。接口板上装有两个LCD背光逆变器CXA-L10A，用于LCD液晶屏的背光供电。LM3940IMP-3.3芯片将5V电源转换为3.3V，给板内3.3V芯片供电。外设控制电路都通过I2C总线与CPU板连接，包括键盘、温度监测及风扇控制、实时时钟电路。键盘键盘电路由I2C接口的16路IO芯片PCA9555D实现，采用扫描方式，目前为3×7路。温度监控由I2C接口的温度监控芯片AD7416AR实现，通过MOS管FDV303N驱动散热风扇工作。实时时钟由I2C接口的实时时钟芯片PCF8563T实现，3V锂电池及BAT54C芯片用于在系统掉电后保存系统时间。
所述的LCD显示系统采用嵌入式Linux操作系统。内核版本为2.4.18。LCD显示系统包括LCD液晶屏和一些控制按钮，LCD液晶屏安装于前盖上，由CPU板驱动显示。显示器的主要功能是人机接口，所有显示器软件系统的另外一个关键部分是图形用户接口(GUI)。目前系统采用的GUI为Tiny X，使用基于FLTK的图形化编程工具编写应用程序。
本发明的一种用于显示列车上各种设备及与列车运行有关的各种信息，并为操作者提供与各种设备交互信息与数据的接口的IDD装置的控制方法是采用简统化的处理方式，用一块CPU板进行实施控制处理，将IDD装置所有控制部分(包括显示和通信)的处理放在一块CPU上完成，即使用一块CPU完成IDD的显示和TCN网络通信功能，同时采用嵌入式Linux操作系统，实现嵌入式GUI(图形用户接口)和TCN(列车控制网络)实时协议包功能。整个IDD系统控制程序流程如下首先，程序对中文字体进行初始化，可以根据需要设置为16点阵或24点阵字体。然后对MVB进行配置，包括设备地址、过程数据端口初始化、消息数据端口初始化、消息队列配置；对TCN协议栈的配置包括路由配置、功能号配置等；程序还需要设置散热风扇的启动和停止温度。用户程序使用了控件的概念，界面上所有的元素都是控件，对程序员来讲，可以像搭积木一样地组建图形用户界面，并可以很好的实现上层界面和底层数据的分离。用户程序包括若干个窗口，每个窗口都放置有相关内容，程序首先对各个窗口的界面的内容和格式进行初始化。用户程序采用事件驱动结构，程序的流程不是只有一个入口和若干个出口的串行执行线路；相反，程序会一直处于一个循环状态，在这个循环中，程序不断从外部或内部获取某些事件，比如用户的按键、通讯端口数据的接收等，然后根据这些事件作出某种反应，并完成一定的功能，这个循环直到程序接收到某个退出消息循环为止。IDD的用户程序主要使用了三类事件键盘事件、定时器事件、TCN协议栈事件键盘事件当用户有键按下时，消息循环机制检测到键盘事件后后，发送消息给用户程序窗口，该窗口检查该事件属于哪个子控件，若检测到合适的控件，程序将调用该控件的回调函数，对该事件进行处理。比如在本程序中，当用户按下F1键时，程序跳转到主界面，当用户按下F2键，则程序跳转到网络界面。
定时器事件定时器事件主要用来更新数据，具体的时间可以依照需要而定。在本程序设置每隔0.5s更新界面上的数据。
TCN协议栈事件当有TCN协议栈事件(主要是接收到消息数据)发生，程序将调用相关函数进行事件处理，以获取MVB消息数据，并且根据消息数据的内容进行相应处理，如报警、回送消息、显示消息等。
权利要求
1.基于嵌入式操作系统的机车数字网络互联设备，包括外壳、CPU板、接口板、LCD显示系统，其特征在于整个IDD装置装置只有一块CPU板，即使用一块CPU完成IDD的显示和TCN网络通信功能；所述的IDD装置的电路板包括一块CPU板和一块接口板两个部分，并通过两个矩形插座连接；所述IDD装置采用嵌入式Linux操作系统，实现嵌入式GUI(图形用户接口)和TCN(列车控制网络)实时协议包功能。
2.如权利要求1所述的机车数字网络互联设备，其特征在于所述的IDD装置还有触摸屏、IC卡座。
3.如权利要求1所述的机车数字网络互联设备，其特征在于所述的CPU板上主要包括Flash存储器、SDRAM存储器、一个USB Host接口、一个触摸屏接口、一个以太网接口、一个声音系统，CPU板的电源由接口板提供，通过矩形插座连接到CPU板；CPU板系统复位由复位控制器控制，包括三个复位源上电复位、手动复位、看门狗复位；CPU板的FLASH包括BOOTROM和用户数据区；USB Host接口支持USB低速和全速模式；声音系统由处理器提供控制信号，模拟音频信号由矩形插座连接到接口板上。
4.如权利要求1或3所述的机车数字网络互联设备，其特征在于所述的CPU板使用一片CPLD完成板极控制功能，包括地址译码、内部电路逻辑的产出和锁存、板内资源的分配等；所述的USB电源地与系统地之间以及USB数据线上加有磁珠；USB接口通过矩形插座连接到前盖上的标准插座上，信号最大有效值为1V(RMS)，负载阻抗应大于10KΩ。
5.如权利要求1所述的机车数字网络互联设备，其特征在于所述的接口板主要包括通讯接口MVB(多功能车辆总线)、电源系统、外设控制电路等部分，LCD液晶屏的背光电源及控制电路也安装在接口板上；其中，MVB子系统为采用MVB 3类设备，物理层采用ESD+接口；MVB子系统实现MVB协议的物理层和数据链路层；MVB的初始化、配置以及TCN RTP协议网络均由CPU板软件实现；CPLD完成与处理器的接口逻辑以及MVB时序控制；在Linux操作系统内核中，实现MVB消息数据相关的驱动；直接将TM映射到CPU的地址空间实现MVB过程数据通讯；在接口板上装有两个LCD背光逆变器，用于LCD液晶屏的背光供电。
6.如权利要求1所述的机车数字网络互联设备，其特征在于所述的LCD显示系统采用嵌入式Linux操作系统，LCD显示系统包括LCD液晶屏和一些控制按钮，LCD液晶屏安装于前盖上，由CPU板驱动显示；显示器的主要功能是人机接口，所有显示器软件系统的图形用户接口采用Tiny X接口，使用基于FLTK的图形化编程工具编写应用程序。
7.如权利要求1所述机车数字网络互联设备的控制方法，属于一种用于显示列车上各种设备及与列车运行有关的各种信息，并为操作者提供与各种设备交互信息与数据的接口的控制方法，其特征在于采用简统化的处理方式，用一块CPU板进行实施控制处理，将IDD装置包括显示和通信的所有控制部分处理放在一块CPU上完成，即使用一块CPU完成IDD的显示和TCN网络通信功能，同时采用嵌入式Linux操作系统，实现嵌入式GUI(图形用户接口)和TCN(列车控制网络)实时协议包功能。
8.如权利要求7所述机车数字网络互联设备的控制方法，其特征在于整个IDD系统控制程序流程如下首先，程序对中文字体进行初始化，可以根据需要设置为16点阵或24点阵字体；然后对MVB进行配置，包括设备地址、过程数据端口初始化、消息数据端口初始化、消息队列配置；对TCN协议栈的配置包括路由配置、功能号配置等；程序还需要设置散热风扇的启动和停止温度；用户程序使用了控件的概念，界面上所有的元素都是控件，对程序员来讲，可以像搭积木一样地组建图形用户界面，并可以很好的实现上层界面和底层数据的分离；用户程序包括若干个窗口，每个窗口都放置有相关内容，程序首先对各个窗口的界面的内容和格式进行初始化；用户程序采用事件驱动结构，程序的流程不是只有一个入口和若干个出口的串行执行线路；相反，程序会一直处于一个循环状态，在这个循环中，程序不断从外部或内部获取某些事件，然后根据这些事件作出某种反应，并完成一定的功能，这个循环直到程序接收到某个退出消息循环为止；IDD的用户程序主要使用了三类事件键盘事件、定时器事件、TCN协议栈事件。
9.如权利要求7或8所述机车数字网络互联设备的控制方法，其特征在于所述的键盘事件是当用户有键按下时，消息循环机制检测到键盘事件后后，发送消息给用户程序窗口，该窗口检查该事件属于哪个子控件，若检测到合适的控件，程序将调用该控件的回调函数，对该事件进行处理；比如在本程序中，当用户按下F1键时，程序跳转到主界面，当用户按下F2键，则程序跳转到网络界面；所述的定时器事件是定时器事件主要用来更新数据，具体的时间可以依照需要而定；在本程序设置每隔0.5s更新界面上的数据；所述的TCN协议栈事件是当有TCN协议栈事件(主要是接收到消息数据)发生，程序将调用相关函数进行事件处理，以获取MVB消息数据，并且根据消息数据的内容进行相应处理，如报警、回送消息、显示消息等。
全文摘要
基于嵌入式操作系统的机车数字网络互联设备及其控制方法，包括外壳、CPU板、接口板、LCD显示系统。还可以根据实际应用的需要增加触摸屏、IC卡座。整个IDD装置只有一块CPU板，将IDD装置所有控制部分(包括显示和通信)的处理放在一块CPU上完成，即使用一块CPU完成IDD的显示和TCN网络通信功能，所述IDD装置的电路板包括一块CPU板和一块接口板两个部分，并通过两个矩形插座连接。同时所述IDD装置采用嵌入式Linux操作系统，实现嵌入式GUI(图形用户接口)和TCN(列车控制网络)实时协议包功能。
文档编号H04L12/46GK1848786SQ20061003161
公开日2006年10月18日 申请日期2006年5月9日 优先权日2006年5月9日
发明者刘军, 谷丰 申请人:株洲南车时代电气股份有限公司