摘 要： 利用MFC中的串口通信技術(shù)，設計一種上海地鐵5號線報站器的可擴展人機接口（HMI）。通過報站器內(nèi)部簡單的可擴展設計，將顯示菜單的數(shù)據(jù)儲存在掉電數(shù)據(jù)不丟失的EEPROM中。使用RS232串口通信,結(jié)合PC機端的用MFC開發(fā)的上位機軟件，無需對報站器控制芯片的代碼進行任何修改，即可由用戶自己通過簡單的PC機端的操作實現(xiàn)報站器操作界面的改動。
關(guān)鍵詞： 報站器；控制芯片；HMI；MFC；RS232串口通信
上海地鐵5號線報站器是一個單片機系統(tǒng)，隨著上海地鐵建設的快速發(fā)展,在未來幾年，上海地鐵5號線將會延長,停車站數(shù)量將會隨之增加，報站器的人機接口(HMI)也要做相應的修改。如果采用傳統(tǒng)的報站器軟件設計方式，必須要對報站器控制芯片的源代碼進行修改，再編譯后重新進行燒錄，這會浪費大量人力物力[1-2]。針對這一問題，本文利用MFC中的串口通信技術(shù)，設計一種報站器的可擴展HMI模塊，只要使用串口通信數(shù)據(jù)線結(jié)合PC機端的用MFC開發(fā)的上位機軟件，無需對單片機本身進行任何改動即可由用戶自己通過簡單的操作實現(xiàn)報站器操作界面的改動。相對于以往使用的進口報站器系統(tǒng)，具有改動成本低、操作簡便、可擴展性強等特點。
1 上海地鐵5號線報站器的總體結(jié)構(gòu)
上海地鐵5號線報站器采用ATmega128單片機為控制核心，本文側(cè)重于介紹報站器的人機交互（HMI），因此將報站器分為核心模塊、鍵盤操作模塊、顯示模塊和RS232串口通信模塊幾部分，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。報站器的主要操作方式是操作員通過觀察顯示模塊的信息，采用鍵盤輸入對核心模塊進行操作，輸出要報站的音頻。顯示模塊、鍵盤操作模塊和核心模塊的一部分共同構(gòu)成人機交互接口(Human Machine Interface)。RS232模塊主要負責HMI修改時報站器核心模塊與PC端的數(shù)據(jù)交換。
1.1 核心模塊
報站器控制模塊主要由主控芯片、音頻解碼芯片和音頻文件存儲卡組成。主控芯片采用Atmel公司AVR系列單片機中的RISC結(jié)構(gòu)單片機ATmega128。AVR單片機功率低，內(nèi)部分別集成Flash、EEPROM和SRAM三種不同性能和用途的存儲器，具有在線編程和在應用編程的特點[3]。音頻解碼芯片采用芬蘭VLSI公司生產(chǎn)的單芯片MP3/WMA音頻解碼芯片VS1003，其控制通過命令接口（SCI）和數(shù)據(jù)接口（SDI）實現(xiàn)[4]。核心模塊的主要工作過程是，ATmega128從CF卡中讀取音頻文件，傳輸給VS1003芯片進行音頻解碼，然后輸出音頻。
1.2 鍵盤操作模塊和顯示模塊
鍵盤采用4×3下按式鍵盤,其工作原理是：有一個按鍵被按下時,主控制芯片上會有兩個引腳接收到高電平信號,通過在中斷函數(shù)內(nèi)判斷引腳的電平即可準確定位按鍵。常用的按鍵功能分別定義為向上、向下、向左、向右、確定、取消、設置等。
顯示模塊采用液晶顯示屏和ST7920控制器， ST7920同時作為控制器和驅(qū)動器，在驅(qū)動器ST7921的配合下，最多可以驅(qū)動256×32點陣液晶。
1.3 RS232串口通信模塊
RS232接口是1970年由美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）聯(lián)合貝爾系統(tǒng)、調(diào)制解調(diào)器廠家及計算機終端生產(chǎn)廠家共同制定的用于串行通信的標準。由于報站器的控制芯片ATmega128自帶串口通信引腳，因此可直接通過數(shù)據(jù)線接到PC機上與PC機進行通信。
2 可擴展HMI設計與實現(xiàn)
要實現(xiàn)報站器的可擴展的HMI，總體思路就是在報站器端設計出菜單顯示數(shù)據(jù)與菜單功能相分離的菜單結(jié)構(gòu)，將菜單的相關(guān)數(shù)據(jù)存儲在EEPROM中，保證掉電不遺失[5]。在PC機端設計串口通信程序，將報站器中有關(guān)界面菜單顯示的內(nèi)容讀到PC機端，由用戶根據(jù)自己的需求進行更改后，再通過RS232接口傳入報站器的控制芯片，以實現(xiàn)可擴展性。難點在于RS232數(shù)據(jù)傳輸較慢，用戶在PC機端軟件上進行操作時會有較強的延時感。本文采取的解決方案是在PC機的串口通信程序中設置一個緩沖區(qū)，先將用戶要修改的內(nèi)容存入緩存區(qū)，修改完畢確認后再一起傳回控制芯片。
2.1 報站器菜單結(jié)構(gòu)功能設計
菜單的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體中只需要兩個屬性，一個用來表示當前菜單頁的ID，一個用來表示當前菜單頁中被選中項的ID。在顯示菜單時，判斷當前的菜單頁，菜單結(jié)構(gòu)體如下所示：
typedef struct{
int hmi_page;//當前菜單頁
int hmi_item;//當前選中的項
}st_hmi_par,*st_hmi_par_ptr;//菜單結(jié)構(gòu)體的類型和
指針類型
st_hmi_par_ptr hmi_ptr; //全局菜單結(jié)構(gòu)體指針
菜單顯示的內(nèi)容以三維字符數(shù)組的形式存放在EEPROM中。在報站器中，線路只需要存放站名的序號：
eeprom char name[][]={ {"莘莊"},//站名
…
};
eeprom char line[][]={ {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11},
//線路名
…//待擴展的線路n
}；
正常報站模式下，報站器中每一頁對應一條線路，每一項即對應一個站名。圖2所示為根據(jù)按鍵響應顯示頁面的流程圖，在顯示菜單時，只要判斷當前的菜單頁即可,顯示時調(diào)用顯示函數(shù)，顯示當前線路當前項所對應的站名，即為name[line[hmi_ptr->hmi_page][ hmi_ptr->hmi_item]，注意一頁有4個站：
lcd_printf(name[line[hmi_ptr->hmi_page][ hmi_ptr->
hmi_item]]); //顯示響應的站名
2.2 RS232串口程序的設計
由于ATmega128控制芯片自帶串口[5]，因此只需要設置相應的寄存器，然后調(diào)用putchar（）函數(shù)與getchar（）函數(shù)即可通過串口輸入輸出字符。
PC機端的程序用MFC開發(fā)，代碼比較長，關(guān)鍵就在于要可視化操作，主要函數(shù)如下：
DWORD CTYY_MYDoc::WriteComm(char *buf, DWORD
dwLength) {
BOOL fState;//波特率
DWORD length=dwLength;//輸出數(shù)據(jù)長度
COMSTAT ComStat;//串口狀態(tài)
DWORD dwErrorFlags;//錯誤標志
ClearCommError(m_hCom,&dwErrorFlags,&ComStat);
//清狀態(tài)位
fState=WriteFile(m_hCom,buf,length,&length,
&m_osWrite);//輸出字符
…
}
DWORD CTYY_MYDoc::ReadComm(char *buf,
DWORD dwLength) {
…
length=min(dwLength, ComStat.cbInQue);
ReadFile(m_hCom,buf,length,&length,&m_osRead);
//讀入字符,存入緩沖區(qū)
…
}
2.3 界面設計
為了方便用戶操作，用MFC設計出可視化操作界面，主要操作界面即為更改站名與線路、支持添加刪除修改等操作。在線路修改中，需考慮到線路的添加修改要基于現(xiàn)有的站名，并且為了實現(xiàn)全自動化報站操作，加入了兩次報站之間間隔參數(shù)的修改。如圖3、圖4所示。
在實驗室條件下測試該報站器，由經(jīng)簡單培訓過的人員對其內(nèi)容自行修改，證實操作簡單方便。接下來將進一步優(yōu)化代碼，完善程序功能，并進行現(xiàn)場測試檢驗其穩(wěn)定性與可靠性，今后5號線延長時爭取能快速準確地修改報站內(nèi)容。
參考文獻
[1] 馬騫.中國城市軌道交通項目現(xiàn)狀和可持續(xù)發(fā)展調(diào)研[J].鐵路通信信號工程技術(shù)，2009，6(4)：38-39.
[2] 張少鋒，肖向前.廣州地鐵車輛數(shù)字報站器的國產(chǎn)化改進[J].機車電傳動，2005(2)：48-49.
[3] 馬潮．AVR單片機嵌入式系統(tǒng)原理與應用實踐[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2007：8-15.
[4] VSLI．VS1003 datasheet(version 1.02)[J]．VSLI，2006(7)：1-40．
[5] ATmega128-Datasheet[EB/OL].[2012-01-15].http://www.datasheetarchive.com/ATmega128-datasheet.html.