1、2023 年第 5 期仪 表 技 术 与 传 感 器InstrumentTechniqueandSensor2023No 5收稿日期:20221117基于 TDP 网络的列车人机交互系统曹朝煜，杜延鹏，邱岳，栾赛，吴连军(中车工业研究院(青岛)有限公司，山东青岛266108)摘要:以轨道交通列车人机交互显示屏为研究对象，针对当前列车驾驶室人机交互显示屏与车载设备在通信数据量方面所出现的不足，设计了一种基于 TDP 列车实时通信的人机交互系统方案。文中以高性能 I MX 8 为核心处理器搭建硬件系统，采用基于 Linux+QT 开发软件系统，研究并实现了列车显示屏 TDP 通信口的数据接收、发送
2、功能，还验证了其他人机接口的功能。实验证明，显示屏工作运行稳定，通信网络对外收、发状态运行正常，多接口设计可扩展性强，各性能参数满足列车应用场景要求。关键词:TDP;人机交互系统;模块化;Linux;QT;测试平台中图分类号:TP391文献标识码:A文章编号:10021841(2023)05004906Human-machine Interaction System for Train Based on TDP NetworkCAO Zhao-yu，DU Yan-peng，QIU Yue，LUAN Sai，WU Lian-jun(CC Academy(Qing Dao)Co，Ltd，Qingd
3、ao 266108，China)Abstract:Taking the human-computer interaction display screen of rail transit train as the research object，aiming at theshortage of communication data between the human-computer interaction display screen of train cab and on-board equipment，ahuman-computer interaction system scheme b
4、ased on TDP train real-time communication was designed In this paper，highper-formance I MX 8 was used as the core processor to build a hardware system，and Linux+QT was used to develop a software sys-tem The data receiving and sending functions of TDP communication port of train display screen were s
5、tudied and realized，andthe functions of other man-machine interface were also verified Experiments show that the display screen works stably，the com-munication network runs normally in the external receiving and sending states，the multi-interface design has strong scalability，and all performance par
6、ameters meet the requirements of train application scenariosKeywords:TDP;man-machine interaction system;modularization;Linux;QT;test platform0引言在轨道交通列车驾驶室中，列车司机通过列车人机交互显示屏掌握列车当前运行的各项运行参数并控制列车正常运行，因此列车驾驶室的人机交互显示屏是控制列车安全稳定运行的重要组成单元。人机交互系统 HMI(human machine interface)作为列车控制及监控系统 TCMS(train control and
7、management sys-tem)的重要组成部分1，承担着列车运行状态的控制、监测、故障汇报、信息共享等工作。随着列车智能化的提升，列车显示屏需要获取大量数据、视频、语音等，这就对显示屏与列车数据交互性能提出了更高要求。列车显示屏普遍采用多功能车辆 MVB(multifunc-tion vehicle bus)总线、S485 总线、CAN 总线等通信手段。列车实时以太网 TDP(train real-time data pro-tocol)具有列车网络专用、数据传输量大、可靠性高、成本低等优势2，可以考虑作为列车通信网络。结合上述通信总线的广泛运用和积累的技术经验，以太网的广泛运用还需时日
8、，这需要更多集成了列车实时以太网的产品运用到列车通信网络中，只有经过实际运行数据才能积累其未来在列车通信领域的应用价值。本文基于 TDP 通信方式，在兼容当前列车网络正常运行的基础上，通过实时以太网 TDP，显示屏获得列车运行的各项数据，确保列车平稳、安全、可靠运行。1系统方案设计系统整体设计由硬件系统和软件系统设计组成3。在硬件系统设计方面，采用 I MX8 作为核心处理器，其他硬件功能采用模块化电路设计，包含 110 V直流供电模块、TDP 通信模块、LCD 显示模块、音/视50Instrument Technique and SensorMay 2023频模块、CAN 通讯模块、S232
9、 通讯模块、S485 通讯模块以及 USB 模块组成4。列车显示屏通过通信模块与列车通信网络进行各项数据的传输，在经过列车显示屏 CPU 处理后，列车驾驶员通过人机交互的方式从显示屏获取的信息数据。硬件系统控制框图如图 1所示。图 1系统控制框图列车 HMI 作为人机交互平台，其软件操作系统具有运行稳定、操作简洁、开发快捷、维护方便等优点，基于 QT 界面的 Linux 操作系统作为软件开发环境5。其中 Linux 系统具有系统开放源码、便于移植、资源丰富、免费等优势6，同时与 PC 端的 Linux 同出一个内核，所以可以先在 PC 上开发编译，然后移植到其他架构的硬件，为交叉开发提供了便利
10、，在列车 HMI 系统开发领域得到广泛应用。2硬件系统设计列车人机交互显示屏采用高性能多核处理器I MX8 为核心搭建硬件系统;具备高性能、低功耗四核 CortexA53 处理器，最高主频达1 8 GHz;具备多媒体和显示应用，支持高清视频 1080p、H 264 解码;支持多屏显示 MIPI、LVDS、HDMI 等丰富视频接口;具备高速通信接口，可支持 TDP、CAN、S232、S485等通信接口7;提供语音、触摸屏、USB 等人机交互接口;车载级宽温达工业级温宽测试40+125，满足车规级要求;支持多种操作系统(LINUX+QT、Android、Yocto)开发。根据功能需求把硬件系统划分
11、为 110 V电源、人交互组成、列车网络通信 3 组模块，每组模块又根据实际需求进行电路模块设计。列车显示屏硬件结构图如图 2 所示。图 2显示屏硬件结构图2 1电源供电电路本系统供电电源为 110 V 直流电源，由列车共母线辅助供电系统提供，考虑该供电系统由受电弓AC25KV 经 ACDC 变换而来，并同时向列车控制电源、车厢照明、蓄电池等供电，110 V 输入电源不可避免会掺杂各频段的干扰谐波，为避免电压波动和供电电源的不纯净而引起显示屏工作异常8，110 V 供电转换工作电路的设计就显得非常重要。首先电源正、负接 22 H(L1、L2)滤波电感对电源进行一级滤波，依据显示屏额定工作功率加
12、 T3 15A(F1)保险丝并加压敏电阻(1)保护后端电路;其次设计电磁滤波电路进行二级电磁滤波，组成主要包括滤波电容、共模扼流器，其中共模扼流器(FL1)对流经的共模信号进行有效抑制，薄膜电容 X(C1、C9)电容的作用在于滤除差模干扰，安规电容 Y(C2、C3)电容中心点接大地，能有效降低共模干扰;然后采用高效率、宽电压隔离稳压 DCDC 电源芯片 V110C5T75BG，将110 V 直流电源转换成低压 5 V 直流电源，最后在经过三级滤波电路得到可靠的 5 V 直流供电，110 V 转5 V 电路如图 3 所示。图 4 为 5 V 转 3 3 V 供电电路，采用 DCDC 开关稳压芯片
13、 LM14050SDDA，具有输出电压稳定、5 A 持续输出电流、40 A 超低静态工作电流等优势。图 35 V 供电转换电路第 5 期曹朝煜等:基于 TDP 网络的列车人机交互系统51图 43 3 V 供电转换电路2 2TDP 通信电路TDP 通 信 电 路 设 计 选 用 D013E T 板 卡，D013E 是多用途的 10/100 Mbit 以太网接口组件，其以太网接口符合 IEEE802 3 标准，其内部逻辑已适用于“轨道交通电子设备列车通信网络 TCN”标准9。D013E 设 计 有 2 个 冗 余 网 口 分 别 为 TDP1 和TDP2，同时该网口还可以应用在单以太网链路用于星拓
14、扑，双以太网链路用于环/线拓扑，因此在实际应用场景中可以灵活设计。该板卡在列车通信网络中具有传输数据量大、工作稳定可靠、成本低、体积小等优势，所以本系统采用该型号板卡，在实际硬件电路设计中，TDP 板卡的电路原理如图 5 所示。图 5D013E 电路图D013ET 板卡采用直流+3 3 V 电源供电，在电源对地之间加滤波电容(C67、C68)，同时为满足电磁干扰标准，需要在 GND 和大地之间加 Y 型电容(C21)，通过分流共模噪声电流信号来保证电源地的稳定。TDP 板卡设计有不同运行接口模式，为兼容 CPU 支持的外设接口发挥板卡最高性能，本系统选用“SPI 主机界面”模式运行，因此 MO
15、DE _1/2 引脚设置为MODE 2:1=10(1 为高电平，0 为低电平)，在模式设置完成后，板卡的其余引脚功能也得到定义。TDP板卡对内与 CPU 的数据传输通过四线制 SPI 接口，CS、SCK、SDI、SDO 引脚分别对应为片选信号、串行时钟、主发从收信号、主收从发信号10。TDP 板卡对外通信配备 2 组冗余设计的 10/100Mbit 以太网接口，分别为 TDP1、TDP2。TDP1 对应图 5 中 TX0+、TX0、X0+、X0引脚，其中 TX0_P、TX0_N 为一组发送数据高速差分信号，X0_P、X0_N 为一组接收数据高速差分信号;同理 TDP2 对应 TX1_P、TX1
16、_N为一组发送数据高速差分信号，X1_P、X1_N 为一组接收数据高速差分信号。通过设计定义把 TDP1作为主通信接口，支持 TCP 和 UDP 传输协议的 IPV4栈;而 TDP2 设计为冗余概念作为备用，同时可以作为 ETH1 被视为一个服务接口。为显示 2 个以太网链路的状态，设计了 4 组用于驱动 LED(D5、D6、D7、D8)的工作电路。设计有独立的串行线 接 口(XD、TXD)，接收指令从串行异步输入引脚到 D013E，发送指令来自 D013E 的串行异步输出引脚。D013E 通过主机接口提供硬件“ESET”机制，如果复位信号ESEET 引脚(TDP_eset_BUF)被置低，则 D013E执行硬复位;如果复位信号被置高，则 D013E 执行正常工作。3系统软件设计列车人机交互平台作为列车驾驶员操控列车平稳运行的重要单元，其软件操作系统要做到系统运行稳定、操作简洁、开发快捷、维护方便等多个方面。本系统采用 Linux+QT 开发软件系统，人机交互软件系统主要有硬件层、内核层、应用层架构模块组成，具体结构如图 6 所示。3 1硬件程序加载模块硬件层作为支撑系统加载与运行的平
