CN109254943A - 一种通用dmi司机人机接口操作屏的架构 - Google Patents

一种通用dmi司机人机接口操作屏的架构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种通用DMI司机人机接口操作屏的架构，该架构包括硬件结构和软件结构，软件架构采用了灵活的配置参数设计，配合软件内部处理模式，可灵活改变界面显示、通信协议和运行参数，为了便于现场更换、维护，这些配置文件保存在可插拔的工业级的移动存储器中，所述的软件结构采用了多线程技术完成不同的信息处理步骤；所述的硬件结构为基于低功耗X86的硬件结构，所述的硬件结构配置包括CPU以及分别与CPU连接的内存、存贮器、LCD显示屏、触控模块、电源、前面框按键、以太网口、485/422串口和DMI前面板。与现有技术相比，本发明具有适用范围广，分层架构清晰，开发方便，易于扩展等优点。

Description

一种通用DMI司机人机接口操作屏的架构
技术领域
本发明涉及轨道交通领域，尤其是涉及一种通用DMI司机人机接口操作屏的架构。
背景技术
近年来，随着轨道交通科技的发展，在国铁、地铁、有轨电车领域新型的机车车辆不断涌现，新型的车辆为了给司机操纵机车提供更舒适方便的信息反馈和操作手段，DMI司机人机接口屏成为了一种必不可少的重要设备，而且随着时间的推移，司机对DMI显示信息的依赖度也不断提升，因此，对DMI设备的稳定性、功能易用性提出了更高的要求。
当前在国铁、地铁、有轨电车司机驾驶台上采用的DMI(Driver MachineInterface)司机人机接口屏种类繁多，接口规范与显示风格各不相同。但究其根本，DMI是一种与车载主机进行通信，为司机提供信息显示、报警语音输出和司机操作输入的设备，各类不同应用领域所使用的DMI屏，其差异主要集中在物理接口标准、通信协议、界面布局三个方面，因此，不得不为不同的车型开发不同版本的DMI，同时，DMI的显示界面经常需要根据用户的需求和喜好进行调整，这给开发和运营方面带来了较高的开发成本和维护成本。
据调研，在国铁、地铁、有轨电车的多种车型上原先的第一代的DMI设备，多采用进口产品，存在着硬件配置低、运行速度慢，软件界面粗糙等问题。后续，国内机车车辆厂及相关的信号企业对DMI进行了大量的改进。
在国铁领域，我国CTCS3列控系统标准中，提供了DMI界面的标准显示布局，各厂家根据相关标准，开发了用于高铁的DMI设备，界面布局相对一致，但设备接口与外形并不完全统一。
在地铁、轻轨和有轨电车领域，各城市轨道交通采用的车型来自不同的厂家，各厂家各自有不同的DMI设计方案，屏幕尺寸有7寸，10寸，12寸等多种，无论是软件还是硬件，都并无统一标准。界面显示布局也是多种多样。
操作系统分别采用WinCE、Windows Embedded、QNX、Linux等。开发工具则多种多样，开发效率各不相同。
随着车型的不断增多，车辆系统和信号系统的应用需求各不相同，各类业务界面变化多样，原有的架构与开发模式越来越不能适应多样化、现代化的前端界面显示。对比在汽车领域司机仪表盘及中控屏的快速发展，在轨道交通领域的DMI显得缺乏现代感。原有的开发工具，在开发更具人性化、适应新型触摸式界面等方面，也显露出了先天的不足。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种通用DMI司机人机接口操作屏的架构。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种通用DMI司机人机接口操作屏的架构，该架构包括硬件结构和软件结构，软件架构采用了灵活的配置参数设计，配合软件内部处理模式，可灵活改变界面显示、通信协议和运行参数，为了便于现场更换、维护，这些配置文件保存在可插拔的工业级的移动存储器中，所述的软件结构采用了多线程技术完成不同的信息处理步骤；所述的硬件结构为基于低功耗X86的硬件结构，所述的硬件结构配置包括CPU以及分别与CPU连接的内存、存贮器、LCD显示屏、触控模块、电源、前面框按键、以太网口、485/422串口和DMI前面板。
优选地，所述的DMI整机全封闭、无风扇设计，达到前面板IP65，后面板IP54的防护等级。
优选地，所述的DMI前面板设有电源指示灯、光敏传感器、防水扬声器、音频输出输入端口和USB接口，所述的USB接口平时以盖板封闭，通过螺丝刀方可打开。
优选地，所述的前面框按键包括十个可编程的薄膜按键；所述的前面框按键设于LCD显示屏的下方，用于在触控模块失效时的应急操作。
优选地，两个所述的以太网口、两路485/422串口和音频输出输入端口均采用M12接口，所述的USB接口采用M8接口；
DMI内预留了接口板替换空间，可根据适配车型不同，替换为PROFIBUS、MVB总线或CAN总线接口。
优选地，所述的软件结构采用了多线程技术完成不同的信息处理步骤包括：将主界面的画面重绘和输入响应的处理主线程与状态数据更新判断处理、声音播放和文件读写分开处理。
优选地，所述的主线程包括由插入的移动存贮设备，读取初始化配置信息，设定本机IP地址和车载主机IP地址，动态建立相关的类的实例，初始化后续线程同步和运算所需的全局标志变量、全局定时器和四个线程，所述的四个线程包括通信线程、数据处理线程、日志文件处理线程和声音播报处理线程。
优选地，所述的移动存贮设备为DataPlug；
所述的通信线程采用内存状态哈希表的结构对重复的信息进行过滤，减少运算负担；
所述的信息过滤过程包括：对数据类采用完整的封装，其中的每一个字段，只能通过Get()和Set()来进行访问，并在Set()函数中加入算法，对比当前值与输入值的差别，如相同，不需做任何更新处理；如不同，则更新当前值并发出Value Change信号，由对应的槽函数响应，进行画面重绘、记录日志或播报语音操作。
优选地，所述的画面重绘中增加了一个DrawElements.xml配置文件，所述的DrawElements.xml文件中包括与UI文件一一对应地描述每一个画面元素对应的控件类型、绘制函数模板类名称、实例化类的名称、图标资源和关联信号消息及槽函数名称，所述的DrawElements.xml配置文件与原有的QT Creator设计器生成的UI界面设计文件配合进行画面重绘。
优选地，所述的画面重绘步骤包括：在初始化阶段，先读入UI文件，再根据DrawElements.xml文件，按工厂模式，根据配置文件中的参数动态地为每一个画面元素实例化对应的绘制类，并连接信号与槽函数，与内存中的数据状态表中的各个对应字段形成绑定关系。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明的架构具有“通用化”和“产品化”的特点，为提升工程适应性和维护便利性引入了DataPlug组件用来存储配置数据。通过更换DataPlug，配合特殊的软件初始化过程，可以自动根据DataPlug中的配置，灵活地改变IP地址，通信协议，界面布局等。现场更换备品时，只需把原来的DataPlug插入新的设备，新设备就会按原有设备的IP地址和各类参数启动。同样，如果有一些界面布局、软件功能选项需要修改时，大部分时候可以通过修改DataPlug中的配置文件实现，而不需要更新设备中的主程序。DataPlug中的配置数据，采用专用的软件工具制作生成，过程直观方便，可以由维护人员在办公室提前准备好，避免了在现场处理的麻烦，也可大大缩短维护时间。
2、本发明形成内存中DMI和车载主机的数据状态映射表，通过这一处理过程，可以灵活适应通信协议的变化，只要DMI与车载主机两端的通信协议配置文件一致，就可以确保通信消息结构吻合。如车载主机并未采用本专利所描述的这一机制来实现也没有关系，只要DMI一侧的通信协议配置与约定的通信协议严格一致，也可以保证正常工作。
3、本发明增加了一个DrawElements.xml配置文件，与UI文件和Protocol.xml配置文件相配合。只需要为每一类图元写一个初始化处理类和一个模板类，实现共性的绘制方法，后续根据配置文件参数，动态实例化继承类。可以避免以前那种为每一个画面图元去对应写一个类的情况，在画面图元数量较多，而图元种类不多的情况下，总体代码量反而是明显减少的，而且便于测试，减少了程序出错的几率。
4、本发明的这一通用DMI的软硬件架构，具有适用范围广，分层架构清晰，开发方便，易于扩展等特点，可灵活应对国铁、地铁、有轨电车等轨道交通领域的不同应用和不同车型。
附图说明
图1为本发明软件结构中多线程技术完成不同的信息处理流程图；
图2为本发明软件结构中通信线程流程图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚，完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
本发明的目的是为了提高DMI类产品开发效率，更灵活地应对国铁、地铁、有轨电车领域的不同需求，对此设计了新的技术方案，形成了成熟的，产品化的通用DMI硬件和软件系统架构，为广泛、多样化的市场需求提供了一套高度适应性的解决方案。
如表1所示，一种通用DMI司机人机接口操作屏的架构，该架构包括硬件结构和软件结构，所述的硬件结构为基于低功耗X86的硬件结构，所述的硬件结构配置包括CPU、内存和存贮器、LCD显示屏、触控模块、电源、前面框按键、以太网口、音频输出/输入端口和USB接口。
在硬件结构方面，根据用户需求调研的结果，考虑了在国铁、地铁、有轨电车多个领域的使用方式和行业标准，为各类车型应用做了兼容性设计，并针对一些特殊应用，提前进行了接口和面板空间的预留。
所述的DMI整机全封闭、无风扇设计，达到前面板IP65，后面板IP54的防护等级。并通过了严格的EMC电磁兼容性测试、高低温测试、防水防尘防盐雾等环境测试、振动测试等。
所述的DMI前面板设有电源指示灯、光敏传感器、防水扬声器、麦克风和USB接口，所述的USB接口平时以盖板封闭，由维护人员用专用螺丝刀方可打开。
所述的前面框按键包括十个可编程的薄膜按键；所述的前面框按键设于DMI屏幕的下方，用于在触摸屏失效时的应急操作。
所述的DMI机壳外观尺寸以适应性最广泛的安装孔距为标准。
所述的两个以太网口、两路485/422串口和音频输出/输入端口采用M12接口，所述的USB接口采用M8接口，以确保在车载工作环境下的防震、防尘、防水等级。所述的DMI内预留了接口板替换空间，可根据适配车型不同，替换为PROFIBUS、MVB总线或CAN总线接口。
为了更好的适应未来五年之内的软件发展与车载系统信息的增加，同时，又要考虑到系统功耗、发热量以及总体成本，DMI采用基于低功耗X86硬件架构，主流配置如表1所示：
表1
从可维护性设计方面，总结了以往多年的经验，从工程适应性和维护便利性方面有了较大的提升。以前，在现场DMI设备故障需要更换备品时，由于每一辆车的车载设备配置数据都不相同，往往需要根据不同的车辆重新写入相关的程序和数据，至少需要重新配置网络地址等。此时，往往需要通过接上键盘、鼠标或笔记本电脑来进行现场操作，比较耗时，同时要求维护人员必须熟悉设备内部的文件系统结构等。新的设计方案中采用DataPlug存储所有的配置文件参数，DataPlug是一种工业级的移动存贮设备，具有D型9针接口，具备良好的抗震、宽温等工作性能，能较好地适应车载设备的恶劣环境。通过更换DataPlug，配合特殊的软件初始化过程，可以自动根据DataPlug中的配置，灵活地改变IP地址，通信协议，界面布局等。现场更换备品时，只需把原来的DataPlug插入新的设备，新设备就会按原有设备的IP地址和各类参数启动。同样，如果有一些界面布局、软件功能选项需要修改时，大部分时候可以通过修改DataPlug中的配置文件实现，而不需要更新设备中的主程序。DataPlug中的配置数据，采用专用的软件工具制作生成，过程直观方便，可以由维护人员在办公室提前准备好，避免了在现场处理的麻烦，也可大大缩短维护时间。
软件构架如下所示：
DMI软件系统的“通用性”和“产品化”核心设计其关键在于把DMI的功能需求抽象为分层级的类，通过多种设计模式的结合应用，使核心框架代码保持相对稳定，对各种接口、界面布局等易变化的部分采用独立的实现模块，并可方便地根据配置文件进行调用和更换。为了提高处理效率，保持主界面反应灵敏、刷新流畅，采用了多线程技术完成不同的信息处理步骤。把主界面的画面重绘和输入响应的处理主线程与状态数据更新判断处理、声音播放、文件读写等耗时处理分开。通过QT中的信号与槽的机制在不同的线程间进行“松耦合”，为灵活应对后续不同的功能需求变化打好基础。
基于“一切皆可配置”的通用化、产品化设计思想，由主线程启动，并统一调度，首先，由DataPlug中读取初始化配置信息，设定本机IP地址和车载主机IP地址，动态建立相关的类的实例，初始化后续线程同步和运算所需的全局标志变量、全局定时器和四个重要线程：通信线程、数据处理线程、日志文件处理线程、声音播报处理线程。
界面的配置设计
DMI应用，最主要的就是画面的显示，因此，Draw模块需要重点考虑运行性能，负责画面重绘工作。充分利用QT提供的工具，在QT Creator设计器中通过可视化界面，可以方便直观地设计画面，生成一个UI文件，描述了界面中的总体布局，各个画面元素的类型、名称、屏幕坐标位置、字体、颜色、大小等信息。但是，与标准的QT程序的做法不同的是，为了能通过配置文件动态灵活地改变画面布局，并处理画面元件对应的信号消息和数据模型之间的对应关系而不需要改动绘制代码，我们在QT Creator设计器生成的UI界面设计文件之外，另外增加了一个DrawElements.xml配置文件，与UI文件相配合。在DrawElements.xml文件中，需要与UI文件一一对应地描述每一个画面元素对应的控件类型、绘制函数模板类名称，实例化类的名称，图标资源，关联信号消息及槽函数名称等。在初始化阶段，先读入UI文件，再根据DrawElements.xml文件，按工厂模式，根据配置文件中的参数动态地为每一个画面元素实例化对应的绘制类，并连接信号与槽函数，与内存中的数据状态表中的各个对应字段形成绑定关系。这一部分的算法较复杂，但好处也是显而易见的，我们只需要为每一类图元写一个初始化处理类和一个模板类，实现共性的绘制方法，后续根据配置文件参数，动态实例化继承类。可以避免以前那种为每一个画面图元去对应写一个类的情况，在画面图元数量较多，而图元种类不多的情况下，总体代码量反而是明显减少的，而且便于测试，减少了程序出错的几率。
实际工程应用中，画面图元的类型并不多，主要就是图标、文字标签、文本块、速度表、距离标尺、信号进路图，授权速度曲线、GIS地图等几类。通过配置文件，可以灵活地改变画面布局和控件显示方式。
如图1所示，所述的DMI软件结构采用了多线程技术完成不同的信息处理步骤，即将主界面的画面重绘和输入响应的处理主线程与状态数据更新判断处理、声音播放和文件读写分开处理。
所述的主线程包括由插入移动存贮设备，读取初始化配置信息，设定本机IP地址和车载主机IP地址，动态建立相关的类的实例，初始化后续线程同步和运算所需的全局标志变量、全局定时器和四个线程，所述的四个线程包括通信线程、数据处理线程、日志文件处理线程和声音播报处理线程。
所述的移动存贮设备为DataPlug。
如图2所示，所述的通信线程采用内存状态哈希表的结构对重复的信息进行过滤，减少运算负担。
所述的信息过滤过程包括：对数据类采用完整的封装，其中的每一个字段，只能通过Get()和Set()来进行访问，并在Set()函数中加入算法，对比当前值与输入值的差别，如相同，不需做任何更新处理；如不同，则更新当前值并发出Value Change信号，由对应的槽函数响应，进行画面重绘、记录日志或播报语音操作。
所述的画面重绘中增加了一个DrawElements.xml配置文件，所述的DrawElements.xml文件中包括与UI文件一一对应地描述每一个画面元素对应的控件类型、绘制函数模板类名称、实例化类的名称、图标资源和关联信号消息及槽函数名称，所述的DrawElements.xml配置文件与原有的QT Creator设计器生成的UI界面设计文件配合进行画面重绘。
所述的画面重绘步骤包括：在初始化阶段，先读入UI文件，再根据DrawElements.xml文件，按工厂模式，根据配置文件中的参数动态地为每一个画面元素实例化对应的绘制类，并连接信号与槽函数，与内存中的数据状态表中的各个对应字段形成绑定关系。
画面图元的类型并不多，主要就是图标、文字标签、文本块、速度表、距离标尺、信号进路图，授权速度曲线、GIS地图等几类。如下图所示，通过配置文件，可以灵活地改变画面布局和控件显示方式。
本发明的DMI架构已经在深圳龙华线有轨电车信号控制系统项目中投入使用，性能良好，功能易用，调试方便，经过近一年来的运行，经历了不同季节气候的考验，未出现故障。根据用户提出的几次需求变更而进行的软件升级，也以极短的时间完成，在稳定性、可用性、可维护性、功能易用性等方面，获得了最终用户和工程项目部门的一致好评。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种通用DMI司机人机接口操作屏的架构，该架构包括硬件结构和软件结构，其特征在于，软件架构采用了灵活的配置参数设计，配合软件内部处理模式，可灵活改变界面显示、通信协议和运行参数，为了便于现场更换、维护，这些配置文件保存在可插拔的工业级的移动存储器中，所述的软件结构采用了多线程技术完成不同的信息处理步骤；所述的硬件结构为基于低功耗X86的硬件结构，所述的硬件结构配置包括CPU以及分别与CPU连接的内存、存贮器、LCD显示屏、触控模块、电源、前面框按键、以太网口、485/422串口和DMI前面板。
2.根据权利要求1所述的一种通用DMI司机人机接口操作屏的架构，其特征在于，所述的DMI整机全封闭、无风扇设计，达到前面板IP65，后面板IP54的防护等级。
3.根据权利要求1所述的一种通用DMI司机人机接口操作屏的架构，其特征在于，所述的DMI前面板设有电源指示灯、光敏传感器、防水扬声器、音频输出输入端口和USB接口，所述的USB接口平时以盖板封闭，通过螺丝刀方可打开。
4.根据权利要求1所述的一种通用DMI司机人机接口操作屏的架构，其特征在于，所述的前面框按键包括十个可编程的薄膜按键；所述的前面框按键设于LCD显示屏的下方，用于在触控模块失效时的应急操作。
5.根据权利要求3所述的一种通用DMI司机人机接口操作屏的架构，其特征在于，两个所述的以太网口、两路485/422串口和音频输出输入端口均采用M12接口，所述的USB接口采用M8接口；
DMI内预留了接口板替换空间，可根据适配车型不同，替换为PROFIBUS、MVB总线或CAN总线接口。
6.根据权利要求1所述的一种通用DMI司机人机接口操作屏的架构，其特征在于，所述的软件结构采用了多线程技术完成不同的信息处理步骤包括：将主界面的画面重绘和输入响应的处理主线程与状态数据更新判断处理、声音播放和文件读写分开处理。
7.根据权利要求6所述的一种通用DMI司机人机接口操作屏的架构，其特征在于，所述的主线程包括由插入的移动存贮设备，读取初始化配置信息，设定本机IP地址和车载主机IP地址，动态建立相关的类的实例，初始化后续线程同步和运算所需的全局标志变量、全局定时器和四个线程，所述的四个线程包括通信线程、数据处理线程、日志文件处理线程和声音播报处理线程。
8.根据权利要求7所述的一种通用DMI司机人机接口操作屏的架构，其特征在于，所述的移动存贮设备为DataPlug；
所述的通信线程采用内存状态哈希表的结构对重复的信息进行过滤，减少运算负担；
所述的信息过滤过程包括：对数据类采用完整的封装，其中的每一个字段，只能通过Get()和Set()来进行访问，并在Set()函数中加入算法，对比当前值与输入值的差别，如相同，不需做任何更新处理；如不同，则更新当前值并发出Value Change信号，由对应的槽函数响应，进行画面重绘、记录日志或播报语音操作。
9.根据权利要求8所述的一种通用DMI司机人机接口操作屏的架构，其特征在于，所述的画面重绘中增加了一个DrawElements.xml配置文件，所述的DrawElements.xml文件中包括与UI文件一一对应地描述每一个画面元素对应的控件类型、绘制函数模板类名称、实例化类的名称、图标资源和关联信号消息及槽函数名称，所述的DrawElements.xml配置文件与原有的QT Creator设计器生成的UI界面设计文件配合进行画面重绘。
10.根据权利要求9所述的一种通用DMI司机人机接口操作屏的架构，其特征在于，所述的画面重绘步骤包括：在初始化阶段，先读入UI文件，再根据DrawElements.xml文件，按工厂模式，根据配置文件中的参数动态地为每一个画面元素实例化对应的绘制类，并连接信号与槽函数，与内存中的数据状态表中的各个对应字段形成绑定关系。
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