CN106951116B - 一种列车触摸屏控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种列车触摸屏控制器，属于嵌入式计算机领域。该列车触摸屏控制器包括主控制模块、视频显示模块和触控模块三部分。主控制模块由主控芯片及其外围器件组成，主要负责列车触摸屏控制器的初始化、配置、管理以及运行上层应用程序。视频显示模块由LVDS视频输出子模块、HDA音频输出子模块及传感器子模块组成，负责输出主控制模块的视频信息和语音提示信息，并实时采集环境的光照强度。触控模块由4线触摸屏控制子模块和5线触摸屏控制子模块组成，负责采集列车驾驶员触摸操作的坐标数据。各功能模块协调工作，构成了完整的列车触摸屏控制器。本发明可在城市轨道交通领域中应用。

Description

一种列车触摸屏控制器
技术领域
本发明属于嵌入式计算机领域，涉及一种列车触摸屏控制器。
背景技术
近年来，随着人们对列车行驶过程中安全性和稳定性关注度的不断提高，如何将列车的运行信息实时采集和显示出来变得尤为重要，列车触摸屏作为列车在运行过程中进行信息采集的重要设备，正在向智能化、网络化和小型化等方面快速发展。与此对应，列车触摸屏的发展对列车触摸屏控制器提出了更高的要求。首先，列车触摸屏采集的信息量越来越大，这要求列车触摸屏控制器的运算能力和网络带宽不断提高。其次，列车触摸屏的体积日益减小，这要求列车触摸屏控制器在结构上要适应狭小空间要求。最后，列车触摸屏的种类较多，这要求列车触摸屏控制器能够兼容4线和5线触摸屏。在此背景下，本发明提出了一种列车触摸屏控制器，以满足列车触摸屏的上述要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种列车触摸屏控制器，能够兼容4线和5线触摸屏，支持2k范围内可调输出分辨率、屏幕亮度与输出音量可调，能够实时采集列车的运行信息并通过LCD显示给列车驾驶员，列车驾驶员可以通过简便的触摸操作进行列车车载设备的日检和功能配置。
本发明的技术方案：
一种列车触摸屏控制器，包括主控制模块、视频显示模块和触控模块。
主控制模块由主控芯片及其外围器件组成，主要负责列车触摸屏控制器的初始化、配置、管理及运行上层应用程序。主控芯片采用基于x86架构的4核处理器。外围器件包括EMMC芯片、DDR3L内存芯片、Flash芯片、RS232电平转换芯片、RS485电平转换芯片、以太网控制芯片、CPLD芯片及复位芯片。其中，EMMC芯片和主控芯片的SDIO接口相连，作为应用程序的存储芯片。DDR3L内存芯片和主控芯片的动态内存控制接口相连，用于操作系统和应用程序的运行。Flash芯片和主控芯片的静态内存控制接口相连，用于存放BIOS。RS232电平转换芯片和主控芯片的UART0接口相连，作为列车触摸屏控制器的调试接口。RS485电平转换芯片和主控芯片的UART1接口相连，作为预留的RS485接口。2个以太网控制芯片和主控芯片的PCIE 2.0接口相连，扩展出2路千兆以太网接口。CPLD芯片和主控芯片的LPC接口相连，通过复位芯片对列车触摸屏控制器进行复位操作。另外，主控芯片的DDI0接口和视频显示模块的双路选择芯片相连，提供视频数据传输通路。主控芯片的HDA接口和视频显示模块的音频编解码芯片相连，提供音频数据传输通路。主控芯片的I2C接口与视频显示模块的光敏传感器相连，用于采集环境的光照强度。主控芯片的mSATA2.0接口和mSATA固态硬盘相连，用于存放操作系统的镜像文件。主控芯片的USB2.0接口和触控模块的USB HUB芯片相连，用于采集5线触摸屏的坐标数据。主控芯片的SPI接口和触控模块的4线触摸屏控制芯片相连，用于采集4线触摸屏的坐标数据。
视频显示模块由LVDS视频输出子模块、HDA音频输出子模块及传感器子模块组成。LVDS视频输出子模块包括2个输出通道，分别为4路LVDS输出通道和2路LVDS输出通道。其中，4路LVDS输出通道由双路选择芯片、四通道LVDS视频转换芯片和LCD组成，2路LVDS输出通道由双路选择芯片、双通道LVDS视频转换芯片和LCD组成。对于4路LVDS输出通道，由双路选择芯片将主控芯片的4路eDP信号传输到四通道LVDS视频转换芯片，经过转换后输出4路LVDS信号，同时输出调光信号PWM0和背光使能信号Backlight0。对于2路LVDS输出通道，由双路选择芯片将主控芯片的2路eDP信号传输到双通道LVDS视频转换芯片，经过转换后输出2路LVDS信号，同时输出调光信号PWM1和背光使能信号Backlight1。将LVDS信号输入到LCD的LVDS接口，显示主控制模块的视频信息；将调光信号和背光使能信号输入到LCD的高压驱动板，控制LCD背光的使能与屏幕亮度。输出视频的分辨率通过外接的EEPROM芯片配置，最大支持2k分辨率。HDA音频输出子模块由音频编解码芯片和功率放大芯片组成，音频编解码芯片和主控制模块的HDA接口相连输出左右2路立体音，再经过功率放大芯片进行功率放大后驱动2路10W扬声器，实现双路立体音频输出。传感器子模块采用外接光敏传感器的方式，主控芯片通过I2C接口读取环境的光照强度，并根据光照强度的变化实时改变LVDS视频输出子模块输出的调光信号，以此来调节LCD屏幕的亮度。
触控模块由4线触摸屏控制子模块和5线触摸屏控制子模块组成，负责采集列车驾驶员触摸操作的坐标数据并传输到主控芯片。4线触摸屏控制子模块采用4线触摸屏控制芯片，该4线触摸屏控制芯片采用12bit的ADC，采样频率为125kHz，满足现有4线触摸屏的运算速度；该4线触摸屏控制芯片通过4线触控接口采集4线触摸屏的4路模拟数据，然后将采集到的模拟数据进行AD转换，并将转换后的坐标数据通过SPI接口传输到主控芯片。5线触摸屏控制子模块由5线触摸屏控制芯片和USB HUB芯片组成，5线触摸屏控制芯片具有12bit的ADC，采样频率为1MHz，每个坐标点的模拟数字转换时间为13ms，满足现有5线触摸屏的运算速度；该5线触摸屏控制芯片通过5线触控接口采集5线触摸屏的5路模拟数据，然后将采集到的模拟数据进行AD转换，并将转换后的坐标数据通过USB接口传输到USB HUB芯片；USBHUB芯片与主控制模块的USB2.0接口相连，将5线触摸屏控制芯片输入的坐标数据传输到主控芯片。USB HUB芯片具有1路USB2.0上行数据接口和4路USB2.0下行数据接口，通过配置引脚使能该芯片的上行USB_UP接口和下行USB_DN1接口，为5线触摸屏控制芯片和主控芯片之间的坐标数据提供传输通道。
列车触摸屏控制器的运行方式如下：设备上电后主控制模块负责列车触摸屏控制器的初始化、对视频显示模块和触控模块寄存器进行配置管理及运行上层应用程序。视频显示模块中的LVDS视频输出子模块通过LCD，将列车运行过程中的相关信息实时的显示出来供列车驾驶员监测，HDA音频输出子模块向列车驾驶员提供语音提示信息。传感器子模块将环境的光照强度传输到主控制模块，主控芯片根据光照强度的变化实时改变LVDS视频输出子模块输出的调光信号，以此实现LCD屏幕亮度可调的功能。触控模块使主控芯片可以实时采集到列车驾驶员触摸操作的坐标数据，并通过主控制模块和视频显示模块对触摸操作做出准确的响应。各功能模块协调工作，构成了完整的列车触摸屏控制器。
本发明的有益效果在于通过视频显示和语音提示为列车驾驶员提供可视化操作，通过2路千兆以太网接口和1路RS485接口可以提高对列车运行信息采集的实时性和准确性，通过输出6路LVDS信号可以实现输出视频分辨率在2K范围内可调，通过4线和5线触摸屏的触控接口可以兼容4线和5线触摸屏，通过对环境光照强度的采集，可以实时调节屏幕的亮度，增强列车触摸屏的可操作性。
附图说明
图1是本发明列车触摸屏控制器的硬件结构框图。
图2是本发明列车触摸屏控制器的主控制模块结构框图。
图3是本发明列车触摸屏控制器的视频显示模块结构框图。
图4是本发明列车触摸屏控制器的触控模块结构框图。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施方式。
一种列车触摸屏控制器包括主控制模块、视频显示模块和触控模块三部分，结构如图1所示。主控制模块负责列车触摸屏控制器的初始化、对视频显示模块和触控模块寄存器进行配置管理及运行上层应用程序。视频显示模块负责输出主控制模块的视频信息和语音提示信息，并实时监测环境的光照强度。触控模块负责精确地采集列车驾驶员触摸操作的坐标数据。此外，本设备采用12V直流电压作为板卡电源输入，通过开关电源芯片和电源管理芯片转换成12V、5V、3.3V、1.8V、1.5V、1.35V、1.2V和1.0V电源为列车触摸屏控制器中的芯片供电。
(1)主控制模块
主控制模块由主控芯片及其外围器件组成，如图2所示。主控芯片选用x86架构的4核处理器。主控芯片内含多种外设接口：包括一个支持SDIO3.0标准的SDIO接口；一个访问空间8GB支持DDR3L的动态内存控制接口；一个SPI静态内存控制接口；一个支持eDP 1.3标准的DDI0接口；一个内置带有DMA的HDA控制接口，采样位数为32bit，采样频率为192kHz；一个主从式的I2C接口；两个高速UART接口；两个传输速率为250MB/s的PCIE2.0根端口；一个mSATA2.0接口；一个USB2.0接口；一个SPI串行通信接口；一个基于LPC1.1标准的LPC接口。
本发明采用EMMC芯片作为列车触摸屏控制器Linux系统应用程序的存储芯片，存储空间为32GB，数据读取速率为125MB/s，数据写入速率为49MB/s，该芯片内部将内存控制器和NAND Flash集成在一起，由内存控制器完成接口协议、数据存储、错误校正码算法、缺陷处理和诊断、电源管理和时钟控制工作，主控芯片只需对EMMC芯片进行读写即可，减少了主控芯片的工作量。采用的DDR3L内存芯片的数据位宽为16位，行地址A[0:14]，列地址A[0:9]，bank地址BA[0:2]，四片共同构成2GB的内存空间，用于操作系统和应用程序的运行。采用SPI接口的Flash芯片存放BIOS，数据传输速率为50MB/s，存储空间为64Mb，并且可以支持在线读写操作。通过DDI0接口将主控芯片的视频信号传输到LVDS视频输出子模块。通过HDA接口将主控芯片的音频信号传输到HDA音频输出子模块。采用I2C接口实时读取传感器子模块采集到的数据，对传感器子模块进行管理。选用RS232电平转换芯片和UART0接口相连，为列车触摸屏控制器扩展出调试接口。选用RS485芯片和UART1接口相连，为列车触摸屏控制器扩展出RS485接口。采用2片PCIE2.0接口的以太网控制芯片扩展出2路千兆以太网接口，用于列车触摸屏控制器与外接车载设备进行通信，该芯片具有千兆以太网的数据链路层控制器及物理层接口，上电时通过外接Flash芯片对其进行配置，与主控芯片的2个PCIE 2.0接口相连，扩展出2路千兆以太网接口。采用mSATA2.0接口的mSATA硬盘存放操作系统的镜像文件，存储空间为32G，数据传输速率为300MB/s。通过USB2.0接口读取5线触摸屏控制子模块中5线触摸屏的坐标数据。通过SPI接口读取4线触摸屏控制子模块中4线触摸屏的坐标数据。采用CPLD芯片和主控芯片的LPC接口相连，与复位芯片共同实现列车触摸屏控制器的复位功能。
(2)视频显示模块
视频显示模块包括LVDS视频输出子模块、HDA音频输出子模块及传感器子模块，如图3所示。视频输出采用LVDS信号，该信号采用差分线传输，传输时的电压摆幅为350mv。LVDS视频输出子模块包括2个输出通道，分别为4路LVDS输出通道和2路LVDS输出通道。其中，4路LVDS输出通道由双路选择芯片、四通道LVDS视频转换芯片和LCD组成，2路LVDS输出通道由双路选择芯片、双通道LVDS视频转换芯片和LCD组成。
对于4路LVDS输出通道，本发明采用eDP接口的四通道LVDS视频转换芯片，该芯片的配置引脚PSEL[2:0]设置为“111”，上电时通过SPI接口读取外接EEPROM芯片的配置信息，将其配置成4路eDP信号输入及4路LVDS信号输出模式，输出分辨率为2k。主控芯片通过双路选择芯片将4路eDP信号传输到四通道LVDS视频转换芯片，经过视频转换后输出4路LVDS信号、1路调光信号PWM0和1路背光使能信号Backlight0。将LVDS信号和LCD的LVDS接口相连，显示主控制模块的视频信息，将调光信号PWM0和背光使能信号Backlight0与LCD的高压驱动板相连，控制LCD背光的使能与屏幕亮度。
对于2路LVDS输出通道，本发明采用eDP接口的双通道LVDS视频转换芯片，该芯片的配置引脚CFG[1:4]设置为“1001”，上电时通过DDC BUS接口读取外接EEPROM芯片的配置信息，将该芯片配置成2路eDP信号输入及2路LVDS信号输出模式，输出分辨率为1080P。主控芯片通过双路选择芯片将2路eDP信号传输到双通道LVDS视频转换芯片，经过视频转换后输出2路LVDS信号、1路调光信号PWM1和1路背光使能信号Backlight1。将LVDS信号和LCD的LVDS接口相连，显示主控制模块的视频信息，将调光信号PWM1和背光使能信号Backlight1与LCD的高压驱动板相连，控制LCD背光的使能与屏幕亮度。其中，主控芯片可以通过DDI0接口向外接EEPROM芯片写入配置信息。
HDA音频输出子模块由音频编解码芯片和功率放大芯片组成，负责输出2路立体音频信号作为报警功能的语音提示信息。音频编解码芯片和主控制模块的HDA接口相连，将主控芯片的HDA信号转换成左右2路立体音输出，再经过功率放大芯片进行功率放大后可驱动2路10W扬声器，实现2路立体音频输出。其中，功率放大芯片的增益配置引脚GAIN[0:1]设置为“11”，将其增益设置为36db。
传感器子模块采用I2C接口的光敏传感器，负责实时采集环境的光照强度。当LVDS视频输出子模块采用4路LVDS输出通道时，主控芯片通过I2C接口从传感器子模块读取环境的光照强度，经过处理后通过DDI0接口调节四通道LVDS视频转换芯片输出的调光信号PWM0，以此来调节LCD屏幕的亮度。当LVDS视频输出子模块采用2路LVDS输出通道时，主控芯片通过I2C接口从传感器子模块读取环境的光照强度，经过处理后通过DDI0接口调节双通道LVDS视频转换芯片输出的调光信号PWM1，实现LCD屏幕亮度可调的功能。
(3)触控模块
触控模块由4线触摸屏控制子模块和5线触摸屏控制子模块组成，如图4所示，负责采集列车驾驶员触摸操作的坐标数据并传输到主控芯片。4线触摸屏控制子模块采用SPI接口的4线触摸屏控制芯片，上电时，主控芯片通过SPI接口配置4线触摸屏控制芯片的寄存器，将其设置为12bitADC模式，采样频率为125kHz，其转换速率满足现有的4线触摸屏。当列车驾驶员进行触摸操作时，该芯片通过4线触控接口将4线触摸屏的4路模拟数据传输到内部的ADC，4路模拟数据分别是X+、X-、Y+和Y-；然后将采集到的模拟数据经过AD转换，并将转换后得到的坐标数据通过SPI接口传输到主控芯片。
5线触摸屏控制子模块由USB接口的5线触摸屏控制芯片和USB HUB芯片组成，其中，5线触摸屏控制芯片具有12bit的ADC，采样频率为1MHz，每个坐标点的模拟数字转换时间为13ms，其转换速率满足现有的5线触摸屏。USB HUB芯片具有1路USB2.0上行数据接口和4路USB2.0下行数据接口，上电时将配置引脚OCS1设置为1，使能该芯片的上行数据接口USB_UP和下行数据接口USB_DN1。当列车驾驶员进行触摸操作时，5线触摸屏控制芯片通过5线触控接口将5线触摸屏的5路模拟数据传输到内部的ADC，5路模拟数据分别是UL、UR、LL、LR和VITO；然后将采集到的模拟数据经过AD转换，并将转换后得到的坐标数据通过USB接口传输到USB HUB芯片，USB HUB芯片通过USB_UP接口与主控芯片相连，将5线触摸屏控制芯片转换后的坐标数据传输到主控芯片。
本发明的触摸屏控制芯片采用4线触摸屏控制芯片和5线触摸屏控制芯片并联的方式，可以兼容4线、5线触摸屏。通过排线将触控模块的4线或5线触控接口和列车触摸屏的触控接口相连，准确的采集列车驾驶员触摸操作的坐标数据，并且通过主控制模块和视频显示模块对触摸操作做出快速、准确的响应。

Claims (1)

1.一种列车触摸屏控制器，包括主控制模块、视频显示模块和触控模块，其特征在于：
主控制模块由主控芯片及其外围器件组成，主要负责列车触摸屏控制器的初始化、配置、管理及运行上层应用程序；主控芯片采用基于x86架构的4核处理器；外围器件包括EMMC芯片、DDR3L内存芯片、Flash芯片、RS232电平转换芯片、RS485电平转换芯片、以太网控制芯片、CPLD芯片及复位芯片；其中，EMMC芯片和主控芯片的SDIO接口相连，作为应用程序的存储芯片；DDR3L内存芯片和主控芯片的动态内存控制接口相连，用于操作系统和应用程序的运行；Flash芯片和主控芯片的静态内存控制接口相连，用于存放BIOS；RS232电平转换芯片和主控芯片的UART0接口相连，作为列车触摸屏控制器的调试接口；RS485电平转换芯片和主控芯片的UART1接口相连，作为预留的RS485接口；2个以太网控制芯片和主控芯片的PCIE2.0接口相连，扩展出2路千兆以太网接口；CPLD芯片和主控芯片的LPC接口相连，通过复位芯片对列车触摸屏控制器进行复位操作；另外，主控芯片的DDI0接口和视频显示模块的双路选择芯片相连，提供视频数据传输通路；主控芯片的HDA接口和视频显示模块的音频编解码芯片相连，提供音频数据传输通路；主控芯片的I2C接口与视频显示模块的光敏传感器相连，用于采集环境的光照强度；主控芯片的mSATA2.0接口和mSATA固态硬盘相连，用于存放操作系统的镜像文件；主控芯片的USB2.0接口和触控模块的USB HUB芯片相连，用于采集5线触摸屏的坐标数据；主控芯片的SPI接口和触控模块的4线触摸屏控制芯片相连，用于采集4线触摸屏的坐标数据；
视频显示模块由LVDS视频输出子模块、HDA音频输出子模块及传感器子模块组成；LVDS视频输出子模块包括2个输出通道，分别为4路LVDS输出通道和2路LVDS输出通道；其中，4路LVDS输出通道由双路选择芯片、四通道LVDS视频转换芯片和LCD组成，2路LVDS输出通道由双路选择芯片、双通道LVDS视频转换芯片和LCD组成；对于4路LVDS输出通道，由双路选择芯片将主控芯片的4路eDP信号传输到四通道LVDS视频转换芯片，经过转换后输出4路LVDS信号，同时输出调光信号PWM0和背光使能信号Backlight0；对于2路LVDS输出通道，由双路选择芯片将主控芯片的2路eDP信号传输到双通道LVDS视频转换芯片，经过转换后输出2路LVDS信号，同时输出调光信号PWM1和背光使能信号Backlight1；将LVDS信号输入到LCD的LVDS接口，显示主控制模块的视频信息；将调光信号和背光使能信号输入到LCD的高压驱动板，控制LCD背光的使能与屏幕亮度；输出视频的分辨率通过外接的EEPROM芯片配置，最大支持2k分辨率；HDA音频输出子模块由音频编解码芯片和功率放大芯片组成，音频编解码芯片和主控制模块的HDA接口相连输出左右2路立体音，再经过功率放大芯片进行功率放大后驱动2路10W扬声器，实现双路立体音频输出；传感器子模块采用外接光敏传感器的方式，主控芯片通过I2C接口读取环境的光照强度，并根据光照强度的变化实时改变LVDS视频输出子模块输出的调光信号，以此来调节LCD屏幕的亮度；
触控模块由4线触摸屏控制子模块和5线触摸屏控制子模块组成，负责采集列车驾驶员触摸操作的坐标数据并传输到主控芯片；4线触摸屏控制子模块采用4线触摸屏控制芯片，该4线触摸屏控制芯片采用12bit的ADC，采样频率为125kHz，满足现有4线触摸屏的运算速度；该4线触摸屏控制芯片通过4线触控接口采集4线触摸屏的4路模拟数据，然后将采集到的模拟数据进行AD转换，并将转换后的坐标数据通过SPI接口传输到主控芯片；5线触摸屏控制子模块由5线触摸屏控制芯片和USB HUB芯片组成，5线触摸屏控制芯片具有12bit的ADC，采样频率为1MHz，每个坐标点的模拟数字转换时间为13ms，满足现有5线触摸屏的运算速度；该5线触摸屏控制芯片通过5线触控接口采集5线触摸屏的5路模拟数据，然后将采集到的模拟数据进行AD转换，并将转换后的坐标数据通过USB接口传输到USB HUB芯片；USBHUB芯片与主控制模块的USB2.0接口相连，将5线触摸屏控制芯片输入的坐标数据传输到主控芯片；USB HUB芯片具有1路USB2.0上行数据接口和4路USB2.0下行数据接口，通过配置引脚使能该芯片的上行USB_UP接口和下行USB_DN1接口，为5线触摸屏控制芯片和主控芯片之间的坐标数据提供传输通道。
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