一种机车车载显示控制装置、系统及方法与流程

本发明涉及一种机车车载电气设备领域，尤其是涉及一种应用于机车、动车、高铁、城轨、地铁等轨道交通车辆基于可编程逻辑器件的车载显示控制装置、系统及方法。

背景技术：

机车、动车、高铁、城轨、地铁等轨道交通领域属于一个高安全型要求的行业，而且车辆的运行环境及其恶劣，如：工作温度跨度大、湿度高、震动强等。机车车载显示控制系统作为轨道交通车辆重要的人机接口，主要负责显示机车车辆运行过程中的一些重要信息，如：运行速度、监控画面、报警信息等。因此，显示控制系统的正常工作是车辆安全运行不可或缺的一部分。

出于对安全性和应用需要，目前机车车载显示控制系统均要求具有LCD背光自动调节、系统过热报警和LCD低温加热功能等基本功能。目前，常用的机车车载显示控制系统主要有以下两种：

第一种方案为：采用带LCD控制器的微处理器方案，如：Intel处理器PXA255，由微处理器进行控制。该方案由于微处理器自带LCD控制器，故不再需要额外搭建LCD控制电路，但仍然需要搭建其它功能块电路，并且会占用微处理器的大量GPIO资源。其缺点主要有：

（1）由于LCD显示控制属于高速数据处理，因此将占用微处理器的部分数据处理能力，也给微处理器带来一定的功耗，为微处理器的正常运行带来一定的风险；

（2）由于微处理器自带LCD功能的局限性，当LCD型号发生变化时（如分辨率增加），该方案将无法满足新的应用需求；

（3）低温加热等功能均需要微处理器进行控制，并且需要占用微处理器大量的GPIO资源，或将导致微处理器的资源无法满足应用需求；

（4）由于处理器升级换代相对较快，因此核心器件随时面临停产的风险。

第二种方案为：采用MCU+ASIC控制方案。该方案的LCD控制功能由ASIC实现，其它功能块需搭建外部电路，并由MCU进行控制。其主要缺点有：

（1）ASIC选型困难，很难找到一种完全适合机车车载显示控制系统的芯片，大多数情况下，ASIC对低温加热、过热报警等功能无法满足；

（2）一般的ASIC为满足市场通用的需求，LCD控制功能兼容性比较高，如具有多种不同接口，多种图像处理方式等，在具体应用时很多功能处于闲置状态，不可避免地造成资源的浪费；

（3）ASIC芯片将会面临采购困难或停产等不可控风险因素。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种机车车载显示控制装置、系统及方法，能够克服现有技术存在的需要大量占用处理器资源、通用性和实用性不强，关键器件存在采购和停产风险的技术缺陷。

为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种机车车载显示控制装置的技术实现方案，机车车载显示控制装置，所述机车车载显示控制装置基于可编程逻辑器件，装置连接在处理器模块和LCD显示模块之间，并包括：

LCD控制模块，对所述处理器模块输出的数据进行读写控制，并将该数据输出至所述LCD显示模块，所述LCD控制模块还与外部用于数据读写的存储器模块相连；

低温加热控制模块，当包括所述机车车载显示控制装置、处理器模块、LCD显示模块和存储器模块在内的机车车载显示控制系统温度低于加热限定值时，驱动外部的加热模块产生热量对所述LCD显示模块进行加热；

超温报警控制模块，当包括所述机车车载显示控制装置、处理器模块、LCD显示模块和存储器模块在内的机车车载显示控制系统温度高于高温限定值时，驱动外部的超温报警驱动模块进行超温报警；

LED背光控制模块，根据环境亮度的变化产生PWM信号，并将该PWM信号输出至所述LCD显示模块进行亮度调节。

优选的，所述机车车载显示控制装置还包括与所述处理器模块相连的寄存器模块，所述寄存器模块进一步包括LCD显示寄存器，所述处理器模块向所述LCD显示寄存器中写入包括LCD类型、分辨率、颜色深度在内的配置参数。

优选的，所述寄存器模块还包括LED背光寄存器，所述处理器模块根据环境亮度的变化向所述LED背光寄存器写入具体值，所述LED背光控制模块根据该具体值产生PWM信号。

优选的，所述机车车载显示控制装置还包括数据输入缓存模块和数据输出缓存模块，所述处理器模块通过所述数据输入缓存模块分别与所述LCD控制模块、低温加热控制模块、超温报警控制模块、寄存器模块相连。所述LCD控制模块、低温加热控制模块、超温报警控制模块、LED背光控制模块通过所述数据输出缓存模块输出数据。

优选的，所述LCD控制模块包括帧数据控制模块、仲裁模块、存储控制模块、LCD时序控制模块和FIFO，所述存储控制模块与存储器模块相连。所述帧数据控制模块将来自于所述数据输入缓存模块的16bit数据与32bit总线进行匹配形成32bit图像数据，并等待所述仲裁模块分配所述存储器模块的管理权。若所述仲裁模块将所述存储器模块的管理权分配给所述帧数据控制模块，则所述帧数据控制模块通过所述存储控制模块将32bit图像数据写入所述存储器模块中。否则，所述LCD时序控制模块产生读所述存储器模块的地址，并通过所述存储控制模块读取所述存储器模块中相应的数据，再由所述LCD时序控制模块将32bit图像数据写入至所述FIFO中，所述LCD时序控制模块根据所述LCD显示模块的时序要求将所述FIFO中的数据依次发送至所述数据输出缓存模块，由所述数据输出缓存模块输出16bit图像数据。

优选的，所述机车车载显示控制装置还包括复位模块和DCM模块，当所述机车车载显示控制装置上电后，外部的复位电路触发所述复位模块，对所述机车车载显示控制装置内部所有的寄存器进行复位，随后由所述DCM模块产生所述机车车载显示控制装置运行所需要的时钟。

优选的，所述可编程逻辑器件采用Xilinx XC3S400型FPGA。

优选的，当包括所述机车车载显示控制装置、处理器模块、LCD显示模块和存储器模块在内的机车车载显示控制系统温度高于高温限定值时，所述超温报警控制模块驱动外部的超温报警驱动模块进行超温报警，同时所述处理器模块驱动所述LED背光控制模块降低所述LCD显示模块的亮度值。

本发明还另外具体提供了一种机车车载显示控制系统的技术实现方案，机车车载显示控制系统，包括：处理器模块、LCD显示模块、存储器模块，以及如上所述的机车车载显示控制装置。

优选的，所述处理器模块作为所述机车车载显示控制系统的上位机采用并口方式与所述机车车载显示控制装置相连，其中所述机车车载显示控制装置与所述处理器模块之间采用16bit数据总线。

优选的，所述系统还包括加热模块、超温报警驱动模块和信号转换模块，所述加热模块通过所述数据输出缓存模块与所述低温加热控制模块相连，所述超温报警驱动模块通过所述数据输出缓存模块与所述超温报警控制模块相连。所述信号转换模块通过所述数据输出缓存模块与所述FIFO相连，所述信号转换模块将所述数据输出缓存模块输出的TTL电平显示数据转换为LVDS电平显示数据并输出至所述LCD显示模块。

优选的，所述系统还包括晶振、复位电路和电源管理模块，所述晶振与所述机车车载显示控制装置的DCM模块相连，所述复位电路与所述机车车载显示控制装置的复位模块相连，所述电源管理模块为所述机车车载显示控制系统提供电源。

优选的，所述可编程逻辑器件采用FPGA，所述存储器模块作为所述机车车载显示控制装置的显存采用两片SRAM串联，使所述机车车载显示控制装置与所述存储器模块的数据总线宽度达到32bit。

本发明还另外具体提供了一种基于上述系统的机车车载显示控制方法的技术实现方案，机车车载显示控制方法，包括以下步骤：

S100：LCD控制模块对所述处理器模块输出的数据进行读写控制，并将该数据输出至LCD显示模块；

S101：当所述机车车载显示控制系统的温度低于加热限定值时，低温加热控制模块驱动加热模块产生热量为所述LCD显示模块进行加热；

S102：当所述机车车载显示控制系统的温度高于高温限定值时，超温报警控制模块驱动超温报警驱动模块进行超温报警；

S103：LED背光控制模块根据环境亮度的变化产生PWM信号，并将该PWM信号输出至所述LCD显示模块进行亮度调节；

所述步骤S100～步骤S103并行执行。

优选的，所述步骤S102进一步包括以下过程：

当所述机车车载显示控制系统的温度高于高温限定值时，所述超温报警控制模块驱动外部的超温报警驱动模块进行超温报警，同时所述处理器模块驱动所述LED背光控制模块降低所述LCD显示模块的亮度值。

优选的，所述步骤S100进一步包括以下过程：

S1001：所述机车车载显示控制装置上电，复位电路触发复位模块，对所述机车车载显示控制装置内部所有的寄存器进行复位；

S1002：DCM模块产生所述机车车载显示控制装置运行所需要的时钟，并对不同时钟之间的相位关系进行管理；

S1003：所述处理器模块向LCD显示寄存器中写入包括LCD类型、分辨率、颜色深度在内的配置参数；

S1004：帧数据控制模块将来自于数据输入缓存模块的16bit数据与32bit总线进行匹配形成32bit图像数据；

S1005：等待仲裁模块分配存储器模块的管理权；

S1006：若所述仲裁模块将所述存储器模块的管理权分配给所述帧数据控制模块，则所述帧数据控制模块通过存储控制模块将32bit图像数据写入所述存储器模块中；

S1007：若所述仲裁模块未将存储器模块的管理权分配给所述帧数据控制模块，LCD时序控制模块产生读所述存储器模块的地址，并通过所述存储控制模块读取所述存储器模块中相应的数据；

S1008：所述LCD时序控制模块将32bit图像数据写入至FIFO中；

S1009：所述LCD时序控制模块根据所述LCD显示模块的时序要求将所述FIFO中的数据依次发送至数据输出缓存模块；

S1010：所述数据输出缓存模块输出16bit图像数据；

S1011：信号转换模块将所述数据输出缓存模块输出的TTL电平显示数据转换为LVDS电平显示数据并输出至所述LCD显示模块；

S1012：所述LCD显示模块进行图像显示。

通过实施上述本发明提供的机车车载显示控制装置、系统及方法，具有如下有益效果：

（1）本发明机车车载显示控制装置基于可编程逻辑器件，可以根据需要编程实现LCD控制、低温加热、背光自动调节和超温报警控制等多种功能，不再需要利用微处理器进行控制，减轻了微处理器的负荷；

（2）本发明机车车载显示控制装置基于可编程逻辑器件，相较于其它芯片，可编程逻辑器件在高速数据的处理上具有无可比拟的优势，可以根据应用要求设计出电路结构简单、易于升级的LCD控制器，从而提高显示控制系统的可用性和可靠性；

（3）本发明机车车载显示控制装置采用可编程逻辑器件，尤其是采用XILINX公司的XC3S400型FPGA芯片，可编程逻辑器件（尤其是该Xilinx XC3S400型FPGA）芯片的市场保有量大、货源稳定、供货周期较长，避免了芯片停产和采购困难的风险。

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施例。

图1是本发明机车车载显示控制系统一种具体实施方式的系统结构框图；

图2是本发明机车车载显示控制方法一种具体实施方式的控制流程示意图；

图中：1-机车车载显示控制装置，2-处理器模块，3-LCD显示模块，4-存储器模块。

具体实施方式

为了引用和清楚起见，将下文中使用的技术名词、简写或缩写记载如下：

FPGA：Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列的简称；

CPLD：Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件的简称；

ASIC：Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路的简称；

GPIO：General Purpose Input Output，通用输入/输出接口的简称；

MCU：Microcontroller Unit，微控制单元的简称；

LCD： Liquid Crystal Display，液晶显示器的简称；

LED：Light Emitting Diode，发光二极管的简称；

PWM：Pulse-Width Modulation，脉冲宽度调制的简称；

SRAM Static Random Access Memory，静态随机存取存储器的简称；

TFT-LCD：Thin Film Transistor-LCD，薄膜场效应晶体管液晶显示器的简称；

TTL：Transistor Transistor Logic，晶体管-晶体管逻辑的简称，TTL电平信号由TTL器件产生；

LVDS：Low-Voltage Differential Signaling，低电压差分信号的简称；

DCM：Digital Clock Manager，数字时钟管理的简称；

FIFO：First Input First Output，先进先出存储器的简称；

Bit：一种位数据类型。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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作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。

如附图1和附图2所示，给出了本发明机车车载显示控制装置、系统及方法的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如附图1所示，一种机车车载显示控制装置的具体实施例，机车车载显示控制装置1基于包括FPGA或CPLD等在内的可编程逻辑器件，装置连接在处理器模块2和LCD显示模块3之间，并包括：

LCD控制模块，对处理器模块2输出的数据进行读写控制，并将该数据输出至LCD显示模块3， LCD控制模块还与外部用于数据读写的存储器模块4相连；

低温加热控制模块，当包括机车车载显示控制装置1、处理器模块2、LCD显示模块3和存储器模块4在内的机车车载显示控制系统温度低于加热限定值时，驱动外部的加热模块产生热量对LCD显示模块3进行加热；

超温报警控制模块，当包括机车车载显示控制装置1、处理器模块2、LCD显示模块3和存储器模块4在内的机车车载显示控制系统温度高于高温限定值时，驱动外部的超温报警驱动模块进行超温报警；

LED背光控制模块，根据环境亮度的变化产生PWM信号，并将该PWM信号输出至LCD显示模块3进行亮度调节。

机车车载显示控制装置1还进一步包括与处理器模块2相连的寄存器模块，寄存器模块进一步包括LCD显示寄存器，处理器模块2向LCD显示寄存器中写入包括LCD类型、分辨率、颜色深度在内的配置参数。寄存器模块还包括LED背光寄存器，处理器模块2根据环境亮度的变化向LED背光寄存器写入具体值，LED背光控制模块根据该具体值产生PWM信号。

机车车载显示控制装置1还进一步包括数据输入缓存模块和数据输出缓存模块，处理器模块2通过数据输入缓存模块分别与LCD控制模块、低温加热控制模块、超温报警控制模块、寄存器模块相连。LCD控制模块、低温加热控制模块、超温报警控制模块、LED背光控制模块通过数据输出缓存模块输出数据。

作为本发明一种典型的具体实施例，LCD控制模块进一步包括帧数据控制模块、仲裁模块、存储控制模块、LCD时序控制模块和FIFO，存储控制模块与存储器模块4相连。帧数据控制模块将来自于数据输入缓存模块的16bit数据与32bit总线进行匹配形成32bit图像数据，并等待仲裁模块分配存储器模块4的管理权。若仲裁模块将存储器模块4的管理权分配给帧数据控制模块，则帧数据控制模块通过存储控制模块将32bit图像数据写入存储器模块4中。否则，LCD时序控制模块产生读存储器模块4的地址，并通过存储控制模块读取存储器模块4中相应的数据，再由LCD时序控制模块将32bit图像数据写入至FIFO中，LCD时序控制模块根据LCD显示模块3的时序要求将FIFO中的数据依次发送至数据输出缓存模块，由数据输出缓存模块输出16bit图像数据。

机车车载显示控制装置1还包括复位模块和DCM模块，当机车车载显示控制装置1上电后，外部的复位电路触发复位模块，对机车车载显示控制装置1内部所有的寄存器进行复位，随后由DCM模块产生机车车载显示控制装置1运行所需要的时钟。

当包括机车车载显示控制装置1、处理器模块2、LCD显示模块3和存储器模块4在内的机车车载显示控制系统温度高于高温限定值时，超温报警控制模块驱动外部的超温报警驱动模块进行超温报警，同时处理器模块2驱动LED背光控制模块降低LCD显示模块3的亮度值。

上述本发明具体实施例描述的机车车载显示控制装置，包括：LCD控制模块1、低温加热控制模块、LED背光控制模块和超温报警控制模块四个部分，电路结构简单可靠，升级和维护都非常方便。同时，本发明具体实施例描述的机车车载显示控制装置充分利用可编程逻辑器件，尤其是FPGA并行数据处理速度的优势，将机车车载显示控制装置的数据带宽翻倍，可一次处理32bit数据，这样不仅降低了FPGA的工作频率，而且还降低了对显存读写速度的高度依赖性。

一种机车车载显示控制系统的具体实施例，包括：处理器模块2、LCD显示模块3、存储器模块4，以及如上所述的机车车载显示控制装置1。处理器模块2作为机车车载显示控制系统的上位机采用并口方式与机车车载显示控制装置1相连，其中机车车载显示控制装置1与处理器模块2之间采用16bit数据总线。作为本发明一种典型的具体实施例，可编程逻辑器件进一步采用Xilinx XC3S400型FPGA芯片。

系统还包括加热模块、超温报警驱动模块和信号转换模块，加热模块通过数据输出缓存模块与低温加热控制模块相连，超温报警驱动模块通过数据输出缓存模块与超温报警控制模块相连。信号转换模块通过数据输出缓存模块与FIFO相连，信号转换模块将数据输出缓存模块输出的TTL电平显示数据转换为LVDS电平显示数据并输出至LCD显示模块3。

系统还包括晶振、复位电路和电源管理模块，晶振作为时钟源与机车车载显示控制装置1的DCM模块相连。复位电路与机车车载显示控制装置1的复位模块相连，为机车车载显示控制系统提供复位功能。电源管理模块为机车车载显示控制系统提供电源。可编程逻辑器件采用FPGA，存储器模块4作为机车车载显示控制装置1的显存采用两片SRAM串联，使机车车载显示控制装置1与存储器模块4的数据总线宽度达到32bit。作为本发明一种典型的具体实施例，基于FPGA的机车车载显示控制系统的硬件电路具体包括：一片FPGA作为系统主控芯片，型号为Xilinx公司的XC3S400-FT256。两片SRAM作为LCD控制模块1的显存，并采用两片SRAM串联的方式，使数据总线宽度达到32bit（1片为16bit）。LCD显示模块3作为显示控制系统的被控对象，采用三菱公司型号为AA121XN01的TFT-LCD，该型号的TFT-LCD分辨率为1024x768，具有LVDS接口，并且集成了LED背光驱动模块。信号转换模块作为TFT-LCD液晶屏和FPGA之间的信号转换电路，将数据输出缓存模块输出的TTL电平转换为LVDS电平。低温加热控制模块在系统温度低于限定温度时为液晶屏进行加热。超温报警驱动模块驱动蜂鸣器进行超温报警，在系统过热时，驱动蜂鸣器进行报警。

如附图2所示，一种基于上述系统的机车车载显示控制方法的具体实施例，包括以下步骤：

S100：LCD控制模块对处理器模块2输出的数据进行读写控制，并将该数据输出至LCD显示模块3；

S101：当机车车载显示控制系统的温度低于加热限定值时，低温加热控制模块驱动加热模块产生热量为LCD显示模块3进行加热；

S102：当机车车载显示控制系统的温度高于高温限定值时，超温报警控制模块驱动超温报警驱动模块进行超温报警；

当显示控制系统的温度低于加热温度限定值时，FPGA内部的低温加热控制模块功能被打开，此时FPGA将驱动加热模块，产生热量为TFT-LCD加热；当温度高于加热温度限定值时，FPGA内部的低温加热控制模块功能被关闭，停止对TFT-LCD进行加热；

S103：LED背光控制模块根据环境亮度的变化产生PWM信号，并将该PWM信号输出至LCD显示模块3进行亮度调节；

上述步骤S100～步骤S103并行执行。

步骤S102进一步包括以下过程：

当机车车载显示控制系统的温度高于高温限定值时，超温报警控制模块功能打开，超温报警控制模块驱动外部的超温报警驱动模块（即蜂鸣器驱动模块）进行超温报警，使蜂鸣器鸣叫，进行系统过热报警。同时，对显示控制系统进行降温处理，如处理器模块2驱动LED背光控制模块降低LCD显示模块3的亮度值。当显示控制系统的温度低于高温限定值时，蜂鸣器将被关闭。

步骤S100进一步包括以下过程：

S1001：机车车载显示控制装置1上电，复位电路触发复位模块，对机车车载显示控制装置1内部所有的寄存器进行复位；

S1002：DCM模块产生机车车载显示控制装置1运行所需要的时钟，并对不同时钟之间的相位关系进行管理；

S1003：处理器模块2向LCD显示寄存器中写入包括LCD类型、分辨率、颜色深度在内的配置参数；

S1004：帧数据控制模块将来自于数据输入缓存模块的16bit数据与32bit总线进行匹配形成32bit图像数据；

S1005：等待仲裁模块分配存储器模块4的管理权；

S1006：若仲裁模块将存储器模块4的管理权分配给帧数据控制模块，则帧数据控制模块通过存储控制模块将32bit图像数据写入存储器模块4中；

S1007：若仲裁模块未将存储器模块4的管理权分配给帧数据控制模块，LCD时序控制模块产生读存储器模块4的地址，并通过存储控制模块读取存储器模块4中相应的数据；

S1008：LCD时序控制模块将32bit图像数据写入至FIFO中；

S1009：LCD时序控制模块根据LCD显示模块3的时序要求将FIFO中的数据依次发送至数据输出缓存模块；

S1010：数据输出缓存模块输出16bit图像数据；

S1011：信号转换模块将数据输出缓存模块输出的TTL电平显示数据转换为LVDS电平显示数据并输出至LCD显示模块3；

S1012：LCD显示模块3进行图像显示。

通过实施本发明具体实施例描述的机车车载显示控制装置、系统及方法，能够达到以下技术效果：

（1）本发明具体实施例描述的机车车载显示控制装置、系统及方法基于可编程逻辑器件，可以根据需要编程实现LCD控制、低温加热、背光自动调节和超温报警控制等多种功能，不再需要利用微处理器进行控制，减轻了微处理器的负荷；

（2）本发明具体实施例描述的机车车载显示控制装置、系统及方法基于可编程逻辑器件，相较于其它芯片，可编程逻辑器件在高速数据的处理上具有无可比拟的优势，可以根据应用要求设计出电路结构简单、易于升级的LCD控制器，从而提高显示控制系统的可用性和可靠性；

（3）本发明具体实施例描述的机车车载显示控制装置、系统及方法的可编程逻辑器件采用XILINX公司的XC3S400型FPGA芯片，该FPGA芯片市场保有量大、货源稳定、供货周期较长，避免了芯片停产和采购困难的风险。

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。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。