摘  要： 利用MFC中的串口通信技術(shù)，設(shè)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(shè)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(jìn)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(shè)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(yīng)的修改。如果采用傳統(tǒng)的報站器軟件設(shè)計方式，必須要對報站器控制芯片的源代碼進(jìn)行修改，再編譯后重新進(jìn)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(shè)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(fù)責(zé)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(yīng)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(jìn)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(zhǔn)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)。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(jìn)行通信。
2 可擴展HMI設(shè)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(shè)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(shè)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(jìn)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(jìn)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(shè)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(rèn)后再一起傳回控制芯片。
2.1 報站器菜單結(jié)構(gòu)功能設(shè)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(dāng)前菜單頁的ID，一個用來表示當(dāng)前菜單頁中被選中項的ID。在顯示菜單時，判斷當(dāng)前的菜單頁，菜單結(jié)構(gòu)體如下所示：
    typedef struct{
        int  hmi_page;//當(dāng)前菜單頁
        int  hmi_item;//當(dāng)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(yīng)一條線路，每一項即對應(yīng)一個站名。圖2所示為根據(jù)按鍵響應(yīng)顯示頁面的流程圖，在顯示菜單時，只要判斷當(dāng)前的菜單頁即可,顯示時調(diào)用顯示函數(shù)，顯示當(dāng)前線路當(dāng)前項所對應(yīng)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(yīng)的站名
2.2 RS232串口程序的設(shè)計
    由于ATmega128控制芯片自帶串口[5]，因此只需要設(shè)置相應(yīng)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(biāo)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(shè)計
    為了方便用戶操作，用MFC設(shè)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(xùn)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(jìn)一步優(yōu)化代碼，完善程序功能，并進(jìn)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(zhǔn)確地修改報站內(nèi)容。
參考文獻(xiàn)
[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(jìn)[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(yīng)用實踐[M]．北京：北京航空航天大學(xué)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.