上海地鐵5號(hào)線報(bào)站器可擴(kuò)展HMI的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李 寧，陳永生，霍 勇

（同濟(jì)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，上海201804）

上海地鐵5號(hào)線報(bào)站器是一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)，隨著上海地鐵建設(shè)的快速發(fā)展,在未來幾年，上海地鐵5號(hào)線將會(huì)延長,停車站數(shù)量將會(huì)隨之增加，報(bào)站器的人機(jī)接口(HMI)也要做相應(yīng)的修改。如果采用傳統(tǒng)的報(bào)站器軟件設(shè)計(jì)方式，必須要對(duì)報(bào)站器控制芯片的源代碼進(jìn)行修改，再編譯后重新進(jìn)行燒錄，這會(huì)浪費(fèi)大量人力物力[1-2]。針對(duì)這一問題，本文利用MFC中的串口通信技術(shù)，設(shè)計(jì)一種報(bào)站器的可擴(kuò)展HMI模塊，只要使用串口通信數(shù)據(jù)線結(jié)合PC機(jī)端的用MFC開發(fā)的上位機(jī)軟件，無需對(duì)單片機(jī)本身進(jìn)行任何改動(dòng)即可由用戶自己通過簡單的操作實(shí)現(xiàn)報(bào)站器操作界面的改動(dòng)。相對(duì)于以往使用的進(jìn)口報(bào)站器系統(tǒng)，具有改動(dòng)成本低、操作簡便、可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。

1 上海地鐵5號(hào)線報(bào)站器的總體結(jié)構(gòu)

上海地鐵5號(hào)線報(bào)站器采用ATmega128單片機(jī)為控制核心，本文側(cè)重于介紹報(bào)站器的人機(jī)交互（HMI），因此將報(bào)站器分為核心模塊、鍵盤操作模塊、顯示模塊和RS232串口通信模塊幾部分，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。報(bào)站器的主要操作方式是操作員通過觀察顯示模塊的信息，采用鍵盤輸入對(duì)核心模塊進(jìn)行操作，輸出要報(bào)站的音頻。顯示模塊、鍵盤操作模塊和核心模塊的一部分共同構(gòu)成人機(jī)交互接口 (Human Machine Interface)。RS232模塊主要負(fù)責(zé)HMI修改時(shí)報(bào)站器核心模塊與PC端的數(shù)據(jù)交換。

1.1 核心模塊

報(bào)站器控制模塊主要由主控芯片、音頻解碼芯片和音頻文件存儲(chǔ)卡組成。主控芯片采用Atmel公司AVR系列單片機(jī)中的RISC結(jié)構(gòu)單片機(jī)ATmega128。AVR單片機(jī)功率低，內(nèi)部分別集成Flash、EEPROM和SRAM三種不同性能和用途的存儲(chǔ)器，具有在線編程和在應(yīng)用編程的特點(diǎn)[3]。音頻解碼芯片采用芬蘭VLSI公司生產(chǎn)的單芯片MP3/WMA音頻解碼芯片VS1003，其控制通過命令接口（SCI）和數(shù)據(jù)接口（SDI）實(shí)現(xiàn)[4]。核心模塊的主要工作過程是，ATmega128從CF卡中讀取音頻文件，傳輸給VS1003芯片進(jìn)行音頻解碼，然后輸出音頻。

1.2 鍵盤操作模塊和顯示模塊

鍵盤采用 4×3下按式鍵盤,其工作原理是：有一個(gè)按鍵被按下時(shí),主控制芯片上會(huì)有兩個(gè)引腳接收到高電平信號(hào),通過在中斷函數(shù)內(nèi)判斷引腳的電平即可準(zhǔn)確定位按鍵。常用的按鍵功能分別定義為向上、向下、向左、向右、確定、取消、設(shè)置等。

顯示模塊采用液晶顯示屏和ST7920控制器，ST7920同時(shí)作為控制器和驅(qū)動(dòng)器，在驅(qū)動(dòng)器ST7921的配合下，最多可以驅(qū)動(dòng)256×32點(diǎn)陣液晶。

1.3 RS232串口通信模塊

RS232接口是1970年由美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）聯(lián)合貝爾系統(tǒng)、調(diào)制解調(diào)器廠家及計(jì)算機(jī)終端生產(chǎn)廠家共同制定的用于串行通信的標(biāo)準(zhǔn)。由于報(bào)站器的控制芯片ATmega128自帶串口通信引腳，因此可直接通過數(shù)據(jù)線接到PC機(jī)上與PC機(jī)進(jìn)行通信。

2 可擴(kuò)展HMI設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

要實(shí)現(xiàn)報(bào)站器的可擴(kuò)展的HMI，總體思路就是在報(bào)站器端設(shè)計(jì)出菜單顯示數(shù)據(jù)與菜單功能相分離的菜單結(jié)構(gòu)，將菜單的相關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在EEPROM中，保證掉電不遺失[5]。在PC機(jī)端設(shè)計(jì)串口通信程序，將報(bào)站器中有關(guān)界面菜單顯示的內(nèi)容讀到PC機(jī)端，由用戶根據(jù)自己的需求進(jìn)行更改后，再通過RS232接口傳入報(bào)站器的控制芯片，以實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性。難點(diǎn)在于RS232數(shù)據(jù)傳輸較慢，用戶在PC機(jī)端軟件上進(jìn)行操作時(shí)會(huì)有較強(qiáng)的延時(shí)感。本文采取的解決方案是在PC機(jī)的串口通信程序中設(shè)置一個(gè)緩沖區(qū)，先將用戶要修改的內(nèi)容存入緩存區(qū)，修改完畢確認(rèn)后再一起傳回控制芯片。

2.1 報(bào)站器菜單結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)

菜單的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體中只需要兩個(gè)屬性，一個(gè)用來表示當(dāng)前菜單頁的ID，一個(gè)用來表示當(dāng)前菜單頁中被選中項(xiàng)的ID。在顯示菜單時(shí)，判斷當(dāng)前的菜單頁，菜單結(jié)構(gòu)體如下所示：

2.2 RS232串口程序的設(shè)計(jì)

由于ATmega128控制芯片自帶串口[5]，因此只需要設(shè)置相應(yīng)的寄存器，然后調(diào)用 putchar（）函數(shù)與 getchar（）函數(shù)即可通過串口輸入輸出字符。

PC機(jī)端的程序用MFC開發(fā)，代碼比較長，關(guān)鍵就在于要可視化操作，主要函數(shù)如下：

2.3 界面設(shè)計(jì)

為了方便用戶操作，用MFC設(shè)計(jì)出可視化操作界面，主要操作界面即為更改站名與線路、支持添加刪除修改等操作。在線路修改中，需考慮到線路的添加修改要基于現(xiàn)有的站名，并且為了實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化報(bào)站操作，加入了兩次報(bào)站之間間隔參數(shù)的修改。如圖3、圖4所示。

在實(shí)驗(yàn)室條件下測試該報(bào)站器，由經(jīng)簡單培訓(xùn)過的人員對(duì)其內(nèi)容自行修改，證實(shí)操作簡單方便。接下來將進(jìn)一步優(yōu)化代碼，完善程序功能，并進(jìn)行現(xiàn)場測試檢驗(yàn)其穩(wěn)定性與可靠性，今后5號(hào)線延長時(shí)爭取能快速準(zhǔn)確地修改報(bào)站內(nèi)容。

[1]馬騫.中國城市軌道交通項(xiàng)目現(xiàn)狀和可持續(xù)發(fā)展調(diào)研[J].鐵路通信信號(hào)工程技術(shù)，2009，6(4)：38-39.

[2]張少鋒，肖向前.廣州地鐵車輛數(shù)字報(bào)站器的國產(chǎn)化改進(jìn)[J].機(jī)車電傳動(dòng)，2005(2)：48-49.

[3]馬潮．AVR單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用實(shí)踐[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007：8-15.

[4]VSLI．VS1003 datasheet(version 1.02)[J]．VSLI，2006(7)：1-40．

[5]ATmega128-Datasheet[EB/OL].[2012-01-15].http://www.datasheetarchive.com/ATmega128-datasheet.html.