CN109343508A - 一种人机交互装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种人机交互装置。所述人机交互装置包括：多个集成模块以及切换单元；集成模块包括电源单元、主控单元、显示单元、通信单元、转储单元、采集单元、语音单元、光感单元、加密单元、温度单元以及存储单元；主控单元、显示单元、通信单元、转储单元、采集单元、语音单元、光感单元、加密单元、温度单元以及存储单元均与所述电源单元相连接；集成模块内部的各个单元均与主控单元相连接；多个集成模块与切换单元相连接；切换单元用于切换功能相同的所述集成模块。采用本发明所提供的人机交互装置能够避免由于人机交互装置工作状态异常导致司机无法正常监控轨道车运行，大大提高装置的可靠性以及实用性。

Description

一种人机交互装置

技术领域

本发明涉及车载人机交互领域，特别是涉及一种人机交互装置。

背景技术

人机交互装置(Driver Machine Interface unit，DMI)是轨道车运行控制设备GYK(G表示轨道车、Y表示运行、K表示控制)的人机交互单元，是司乘人员获取GYK正在运行的信息状态及提示信息、控制GYK正常运行的关键途径和有效手段。目前的人机交互装置所有组成部分一般都是单一设计，单纯实现人机交互功能，当DMI某一部件发生故障时，直接导致DMI装置工作状态异常，导致司机无法正常监控轨道车运行，大大降低了DMI装置的可靠性以及实用性。

发明内容

本发明的目的是提供一种人机交互装置，以解决现有的DMI装置可靠性及实用性低的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种人机交互装置，包括：多个集成模块以及切换单元；

所述集成模块包括电源单元、主控单元、显示单元、通信单元、转储单元、采集单元、语音单元、光感单元、加密单元、温度单元以及存储单元；

所述主控单元、所述显示单元、所述通信单元、所述转储单元、所述采集单元、所述语音单元、所述光感单元、所述加密单元、所述温度单元以及所述存储单元均与所述电源单元相连接；

所述集成模块内部的各个单元均与所述主控单元相连接；

多个所述集成模块与所述切换单元相连接；所述切换单元用于切换功能相同的所述集成模块。

可选的，所述采集单元包括外部按钮信息的采集、按键信息和触摸屏触摸信息的采集，通过光耦隔离方式采集外置按钮信息，通过模数转换器采集触摸信息，通过单独I/O采集按键信息。

可选的，所述采集单元包含34个独立按键，每个按键具备多个触点。

可选的，所述人机交互装置包括两套集成模块。

可选的，所述转储单元提供USB接口；所述USB接口为快插接头。

可选的，所述主控单元集成多个接口；所述接口包括SPI通信接口、I2C总线接口、ADC接口、EMIF接口、GPMC接口、PWM接口、I2S总线接口、UART接口、USB接口以及CAN通信接口，通过所述接口完成数据通信功能、温度采集功能、光感采集功能、触摸采集功能、语音播放功能、U盘转储功能以及按键采集功能。

可选的，所述接口为对外接口，与外部的轨道车运行控制设备主机接口、外置喇叭接口、外置按钮接口、转储U盘接口；所述对外接口与板卡信号接触部分通过焊锡的方式密封在焊盘内，不易氧化，保证接触可靠。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种人机交互装置，通过设置多个集成模块，并在每个集成模块内分别设置主控单元，在装置运行时，多个集成模块共同分担运行工作，若某一个集成模块内的部件发生损伤时，损伤的集成模块所承担的工作由正常的集成模块承担，从而提高工作效率，避免了由于人机交互装置工作状态异常，大大提高了DMI装置的可靠性以及实用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的人机交互装置结构图；

图2为本发明所提供的冗余通信原理框图；

图3为本发明所提供的信号采集工作流程图

图4为本发明所提供的语音单元工作流程图

图5为本发明所提供的人机交互装置的外形结构前视示意图

图6为本发明所提供的人机交互装置的外形结构后视示意图

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种人机交互装置，能够提高DMI装置的可靠性以及实用性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明所提供的人机交互装置结构图，如图1所示，一种人机交互装置，包括：多个集成模块以及切换单元；多个所述集成模块与所述切换单元相连接；在图1中，人机交互装置包括2个集成模块；人机交互装置包括电源单元1、主控单元1、光感单元1、加密单元1、温度单元1、存储单元1、显示单元1、通信单元1、转储单元1、采集单元1、语音单元1、电源单元2、主控单元2、光感单元2、按键单元2、加密单元2、温度单元2、存储单元2、显示单元2、通信单元2、转储单元2、采集单元2、语音单元2、切换单元、报警单元、触摸屏、显示屏，其中各单元1与单元2硬件设计完全相同。

电源单元1/2(1/2为各个单元1和各个单元2，例如：电源单元1/2为电源单元1和电源单元2)将输入的电压转换为板卡内部电路使用的电压，给其它单元提供电源，同时具备过欠压和短路保护功能。主控单元1/2集成串行外设(Serial Peripheral Interface，SPI)接口、两线式串行总线(Inter－Integrated Circuit，I2C)接口、模数转换器(Analog-to-Digital Converter，ADC)接口、外部存储器接口(External Memory Interface，EMIF)接口、通用内存控制器(General Purpose Memmory Controller，GPMC)接口、脉冲宽度调制(Pulse WidthModulatI/On，PWM)接口、集成电路内置音频总线(Inter—IC Sound，I2S)总线接口、通用异步收发传输器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART)接口、通用数据总线(Universal Serial Bus，USB)接口、控制器局域网络(ControllerAreaNetwork，CAN)接口,即一种局域网络串行通信总线通信接口，通过这些接口和外设的单元通信，完成数据通信、温度采集、光感采集、触摸采集、语音播放、U盘转储、按键采集等工作。

光感单元1/2采集外部光感强弱信号。加密单元1/2用于硬件唯一身份识别号(IdentificatI/On，ID)识别和软件加密。

温度单元1/2采集关键发热器件的周围温度以及板卡环境温度。

存储单元1/2包含外部NAND flash(NAND是指NotAnd的意思，NAND flash是指与非门组成的闪存；掉电不丢失信息)、同步动态随机存储器(Synchronous DynamicRandomAccess Memory，SDRAM)、铁电随机存储器(Ferromagnetic RandomAccess Memory，FRAM)，NAND flash通过GPMC与微控制单元(MicrocontrollerUnit，MCU)相连，用于存储程序和文件，SDRAM通过EMIF接口与MCU相连，用于程序运行及缓存，FRAM通过SPI总线与MCU相连，作为大数据转储的中转站。

显示单元1/2是将MCU的互补型金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS)信号转换成低电压差分信号(Low-Voltage DifferentialSignaling，LVDS)驱动显示屏，并且通过PWM调节显示的亮度。

通信单元1/2提供2路冗余隔离的CAN总线与GYK主机通信。转储单元1/2提供USB接口，用于升级程序、文件及转储数据；本发明采用CAN总线通信冗余技术，使用2路CAN总线同时进行数据的收发，当一路CAN总线故障后，另一路CAN总线能够正常进行数据的收发，保证数据收发的正常。

采集单元1/2包括外部按钮信息的采集、按键信息和触摸屏触摸信息的采集，MCU通过隔离方式用输入或输出(Input/Output，I/O)采集外置按钮信息，用ADC采集触摸信息。

语音单元1/2包括提示音、按键音、监听语音的播放，提示音是MCU通过I2S总线控制音频解码芯片将音频文件转换成模拟音频信号，经过调理、功放后输出；按键音由MCU的PWM模拟产生；监听语音由GYK主机直接提供模拟音频信号，经过调理、功放后输出。

切换单元包含切换单元1和单元2的CAN总线、USB总线、功放音频信号、触摸采集信号、显示信号。

报警单元是控制单元1和2的I/O采用电荷泵电路驱动光耦，通过隔离方式来控制蜂鸣器是否报警，对输入和不同等级的输出电压进行隔离。

显示屏采用10.4英寸的薄膜晶体管(ThinFilm Transistor，TFT)高亮彩色液晶屏，分辨率为800×600。触摸屏采用10.4英寸的5线电阻屏。

轨道车运行控制设备包括GYK主机和人机交互装置；人机交互装置实际应用是需要GYK主机配合的，人机交互装置的总电源是GYK主机提供的；电源单元将总电源进行转换再为集成模块内各个单元提供电源；在运行过程中，当人机交互装置内某一集成模块内的某个单元发生故障时，例如：通信单元1发生故障，通信单元1和通信单元2经过切换单元后与GYK主机通信，同一时刻只有一个通信单元工作；同理，集成模块中其他单元也是经过切换单元后与GYK主机进行通信；由于工作时核心单元(某一集成模块)故障，导致人机交互装置无法正常操作，通过报警单元报警或者司机自己识别到设备故障，按压切换开关使备用单元(未发生故障的集成模块)有效；从而将发生故障的集成模块的工作转移到未发生故障的集成模块上，采用冗余技术降低人机交互装置的异常率，提高DMI装置的可靠性以及实用性。

本发明通过设置多个集成模块，采用冗余技术，实现导电橡胶按键本身触点之间的冗余、导电橡胶按键与触摸按键的冗余，显示屏显示控制核心部分的冗余。

同时，采用无线扎技术，实现安装方式简洁化，提高生产效率。

采用电磁干扰滤波技术，对设备和环境中的电磁干扰进行滤波处理，保证设备供电、信号采集、信号输出的稳定性。

采用CAN总线通信冗余技术，使用2路CAN总线同时进行数据的收发，当一路CAN总线故障后，另一路CAN总线能够正常进行数据的收发，保证数据收发的正常。

本发明将冗余技术应用于人机交互装置，按键本身的多触点冗余、按键与触摸的冗余、控制核心部分的冷备冗余、通信部分的冗余。

在实际应用中，所述采集单元包括外部按钮信息的采集、按键信息和触摸屏触摸信息的采集，通过光耦隔离方式采集外置按钮信息，通过模数转换器采集触摸信息，通过单独I/O采集按键信息。

在实际应用中，所述采集单元包含34个独立按键，每个按键具备多个触点。

在实际应用中，所述人机交互装置包括两套集成模块。

在实际应用中，所述转储单元提供USB接口；所述USB接口为快插接头。

在实际应用中，所述主控单元集成多个接口；所述接口包括SPI通信接口、I2C总线接口、ADC接口、EMIF接口、GPMC接口、PWM接口、I2S总线接口、UART接口、USB接口以及CAN通信接口，通过所述接口完成数据通信功能、温度采集功能、光感采集功能、触摸采集功能、语音播放功能、U盘转储功能以及按键采集功能。

在实际应用中，所述接口为对外接口，与外部的轨道车运行控制设备主机接口、外置喇叭接口、外置按钮接口、转储U盘接口；所述对外接口与板卡信号接触部分通过焊锡的方式密封在焊盘内，不易氧化，保证接触可靠。

图2为本发明所提供的冗余通信原理框图，如图2所示，GYK主机CAN总线通过切换单元来切换与主控单元1或者主控单元2通信，主控单元1通信单元1与主控单元2和通信单元2完全电气隔离。

如图3所示，虚线表示触摸采集信息的信号流，实线表示按键采集信息的信号流。主控单元1/2分别通过光耦隔离后采集外部操作台的按钮信息与按键上面的“警醒”、“警惕”形成冗余功能设计；主控单元1/2分别通过I2C扩展的I/O采集34个按键信息(每个按键采用4触点方式，按键单元1/2各使用2个触点)，同时侧面的10个按键信息与触摸屏菜单按键形成冗余功能设计；装置只有1个触摸屏，同一时刻只有1个主控单元负责采集触摸信息。

如图4所示，监听语音播放通路：语音模拟信号来自GYK主机，经过切换单元后进入语音单元1/2，处理后(隔离防护、音频降噪、音频调理、音量调节、音频功放)返回切换单元输出给外置喇叭；按键音播放通路：主控单元1/2模拟按键音信号，经过音频调理、音量调节、音频功放后通过切换单元输出给外置喇叭；解码语音的播放通路：主控单元1/2将存储单元1/2中保存的语音文件进行解码输出音频信号，经过音频调理、音量调节、音频功放后通过切换单元输出给外置喇叭。

如图5所示，左上方的是4个圆孔(分别是单元1、2的光感器件、电源指示灯)，左下方的圆孔是转储的USB接口，正前方是显示屏(或者说液晶屏)和触摸屏，正下方是双排24个按键，右侧是单排10个按键，右下方是切换开关(用于人工选择单元1或单元2工作)。

如图6所示，描述了本发明外形结构后视示意图，下方存在3个航空插座，从左往右分别是GX13、GX14、GX15。GX13用于与GYK主机连接，GX14用于与外置按钮连接，GX15用于与外置喇叭连接。

本发明的转储单元对应的是转储U盘，语音单元对应的是喇叭；显示单元对应的是显示屏；采集单元对应的是触摸屏；切换单元的切换时受切换开关控制的。

现有轨道车上的DMI装置显示分辨率低、画面切换速度慢、内部走线繁琐、可靠性低且故障率高。目前的人机交互装置所有组成部分一般都是单一设计，单纯实现人机交互功能，并无良好的故障检测以及预防措施，输入方式单一只能通过按键输入，并无其他人工输入手段，任何器件的损伤和损坏都可能会影响设备的性能及正常使用；内部走线繁琐给现场人员的维修和安装带来极大的不便，长期使用裸露在外的接触件也容易因为老化或氧化而影响接触性能；使用的显示屏大多是CMOS数据接口，数据传输稳定性容易受屏线影响，且显示分辨率低和画面切换速度慢极大的影响了司乘人员的操作感受；转储数据接口采用USB-B标准方口，频繁转储使用也会导致接口松动，影响使用。

本发明为了进一步提高人机交互装置的可靠性，增加可用性，同时解决原来组成部分单一设计、显示分辨率低、画面切换速度慢、内部走线繁琐等缺陷，我们不仅创新的引入核心控制部分冷备切换、操作输入冗余设计技术，而且也将转储接口更换成高可靠的快插接头(机械寿命可达5000次)、使用更高分辨率的显示器以及性能更高的MCU、整体组装方式采用无线扎工艺技术(将插接件的有效连接部分通过焊锡密封在电路板焊盘内，保证接触可靠，不易氧化)。

本发明提供了一种GYK设备上的人机交互显示、语音提示、键盘或触摸操作方式，基于核心冷备切换控制、冗余操作采集及冗余对外通信的技术。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种人机交互装置，其特征在于，包括：多个集成模块以及切换单元；

所述集成模块包括电源单元、主控单元、显示单元、通信单元、转储单元、采集单元、语音单元、光感单元、加密单元、温度单元以及存储单元；

所述主控单元、所述显示单元、所述通信单元、所述转储单元、所述采集单元、所述语音单元、所述光感单元、所述加密单元、所述温度单元以及所述存储单元均与所述电源单元相连接；

所述集成模块内部的各个单元均与所述主控单元相连接；

多个所述集成模块与所述切换单元相连接；所述切换单元用于切换功能相同的所述集成模块。

2.根据权利要求1所述的人机交互装置，其特征在于，所述采集单元包括外部按钮信息的采集、按键信息和触摸屏触摸信息的采集，通过光耦隔离方式采集外置按钮信息，通过模数转换器采集触摸信息，通过单独I/O采集按键信息。

3.根据权利要求1所述的人机交互装置，其特征在于，所述采集单元包含34个独立按键，每个按键具备多个触点。

4.根据权利要求1所述的人机交互装置，其特征在于，所述人机交互装置包括两套集成模块。

5.根据权利要求1所述的人机交互装置，其特征在于，所述转储单元提供USB接口；所述USB接口为快插接头。

6.根据权利要求5所述的人机交互装置，其特征在于，所述主控单元集成多个接口；所述接口包括SPI通信接口、I2C总线接口、ADC接口、EMIF接口、GPMC接口、PWM接口、I2S总线接口、UART接口、USB接口以及CAN通信接口，通过所述接口完成数据通信功能、温度采集功能、光感采集功能、触摸采集功能、语音播放功能、U盘转储功能以及按键采集功能。

7.根据权利要求6所述的人机交互装置，其特征在于，所述接口为对外接口，与外部的轨道车运行控制设备主机接口、外置喇叭接口、外置按钮接口、转储U盘接口；所述对外接口与板卡信号接触部分通过焊锡的方式密封在焊盘内，不易氧化，保证接触可靠。