城轨列车智能指令控制模块技术研讨

研发中心

1. 概述

智能指令控制模块是一种应用于全自动无人驾驶轨道交通车辆上操作面板模块，该模块旨在提供一种统一的智能化、标准化、人性化、便捷化的高可靠性且易于维护的解决方案。该模块用于实现车辆运行状态的指示和操作指令的发送，具体的操作指令还可通过上位机软件进行定制调整。

2. 模块组成

智能指令控制模块由薄膜面板、指示灯按键板、主控电路板、通讯接口、电源模块和模块外壳组成。如下图所示：

3. 需求分析 

3.1. 总体要求

u 集成度高，外形美观，可操作性好。

u 体积小、轻薄且便于安装、便于维护。

u 成本低和可靠性高，使用寿命长。

u 人性化设计，面板排布合理，可定制设计。

u 选取统一的接口，可靠的通信协议，进行冗余设计。

u 设计中应尽量采用标准部件，保证单个部件故障易于更换。

3.2. 功能要求

u 人机交互面板采用薄膜按钮（或其他），内部为轻触开关，并集成指示灯，实现信号指示和采集，输入信号带保护。

u 指令信号输出采用继电器干接点或者通信的方式传输，输出信号带保护。

u 内部CPU主控制板采用热备方案。

u 模块可通过以太网/MVB/CAN Open和硬线接口与后端通讯，通讯接口需具备冗余功能。

u 面板外观采用低轮廓设计，键盘边界、文本和象形采用背光照明，保证在白天和夜晚环境照明条件下提供充分的照度，以清晰显示系统的功能和状态。

u 优先使用薄膜等接触触发性按钮、指示灯，具有体积小，行程短、轻薄易安装，易更换等特点。

u 每个按钮功能可通过上位机程序编辑，通过调整应用软件和操纵台开关面板指示内容，即实现开关的功能变化。

3.3. 接口要求

u 模块安装方式采用M6沉头螺钉紧固，下部自然通风散热。

u 模块出线方式采用前面板出线方式。

u 模块设置接地保护和绝缘，接地方式采用M4接地螺栓。

u 模块工作电源为DC110 VDC（供电范围DC77V~DC137.5V）。

u 模块具有过电压保护，电源反接保护的功能。

u 连接器采用成熟可靠的小型电气连接器，且具备防松的有效固定方式。

4. 技术参数

智能指令控制模块的关键技术参数如下表所示：

5. 设计概述

5.1. 总体设计

智能指令控制模块做为轨道交通车辆司机台上的操作控制面板设备，可实现车辆状态信息的指示和控制指令的发出。根据功能需求分析该设备需要具有机壳、面板、按键、指示灯、主控电路板、通讯总线、开关输出、电源模块、和辅助电路实现。面板采用塑胶薄膜面板；主控电路板采用高性能32位嵌入式处理器进行设计，来驱动控制指示灯、采集按键、通信等电路；通讯总线采用以太网/MVB/CAN等可选通讯方式，开关输出采用MOSFET管以继电器干接点方式输出，辅助电路主要有内部温度、电压检测电路、保护电路和升级接口等。

智能指令控制模块软件采用嵌入式系统架构进行程序和通讯设计，在保证操作指示功能的同时可保证整个软件系统运行的实时性和稳定可靠性。

模块整体结构设计由外壳、薄膜面板、指示灯按键板、主控电路板、通讯接口和电源模块等构成。总体设计效果图如下所示：

根据技术要求模块外观设计在优先考虑实用性和功能性的基础上设计大方美观，符合人机操作需求。首先整体结构采用模块化设计，不仅满足成本需求和可靠性要求，还可增加可维护性和易于实现定制设计的模块化需求。面板采用可拆卸塑胶薄膜面板，这样的面板外形美观、图文清晰、密封性好，透明指示灯和按钮图形及提示字都方便进行人性化设计，并且可以较低的成本实现按钮功能更换。前面板与机壳间安装一圈橡胶圈使其达到密封效果，以满足防护等级需求。指示灯按键板在面板下方，机壳内部是电路板和电源模块，这些板块都可以单独拆卸安装。指示灯、按键设计在按键板上然后整体安装在壳体内，按键采用微型轻触开关，响应灵敏，使用寿命长。机壳采用高强度钣金件设计，组装方便、成本可控、强度有保障。机壳下部设计有百叶窗式散热口以实现自然通风散热。机壳安装设计有方便牢固的固定方式，采用嵌入式安装方式，从前部用4个M6的沉头螺钉紧固。 

5.2. 结构设计

5.3. 电气设计

智能指令控制模块电气采用主控制电路板加外围电路的形式设计，主控制电路板集成了CPU控制电路，外围器件指标灯按键板、电源模块、通讯接口等。

为满足模块的可靠性设计要求，内部电路采用热备份双主控CPU冗余设计，每个CPU具有独立的供电电源，当其中一个主控电路出现问题，自动切换到另一个电路继续工作。通讯接口采用带隔离的双线冗余设计，保障通讯可靠性。模块采集的按键信号可转化为开关量输出。整体电气设计框图如下所示：

模块的硬件电路采用嵌入式系统平台进行设计，主控MCU采用32bit高性能ARM嵌入式处理器做为中央处理单元，内置大容量FLASH闪存、SRAM静态内存，MCU自带看门狗功能，支持CAN、UART、ETHERNET多种通讯外设接口，主控电路上设计有蜂鸣器可做按键提醒音和警报音使用，内部集成温度检测电路和电压检测电路。两块主控电路板之间通过UART接口互联通讯。指示灯采用MCU的GPIO加晶体管直接驱动，可扩展支持到10路LED灯驱动，按键采用6*6矩阵扫描电路设计，可支持到36个按键信号采集输入，每个输入输出信号设计有ESD保护电路。指示灯按键板有两个等同的接插口通过FPC分别与两个主控板连接器相连。通讯总线可选用ETHERNET、MVB、CAN的通讯方式，通讯总线均采用隔离加双线冗余设计。数字量输出最大技术12路信号，采用MOSFET管驱动开关信号输出，所有端口支持误接电源、地，输出端口具备短路、过热保护。每个MCU都预留USB固件升级接口和上位机通讯接口RS232，方便用U盘进行程序升级和通过串口外部编程。硬件电路设计原理图如下所示： 

5.4. 软件设计 

智能指令控制模块软件采用嵌入式系统软件的架构模式，进行分层模块化设计，这种架构模式兼具快速实时响应和逻辑清晰易于开发维护的特性，对整个系统的稳定性和可维护性提供了有了保障。系统架构总代分为四层，分别是业务应用层、中间逻辑层、系统模块层和硬件驱动层，硬件驱动层在最底层，负责底层硬件的驱动，包含GPIO、UART、CAN、USB、FLASH等外设的驱动。系统模块层提供了基本的系统运行支撑和功能模块，如通信模块、按键采集模块、IO模块、升级模块等。中间逻辑层提供了通用业务逻辑单元，包含通讯逻辑、指令控制逻辑、指示灯显示逻辑、软件冗余逻辑等。最上层业务应用层实现指令模块的具体操作业务功能。软件还设计了程序升级功能和上位机编程配置功能。

软件系统架构图如下所示：

软件主程序的业务流程如下图所示：