Создание блоков индикации для подвижного состава: опыт «Алгоритм С»

Россия: «Синара – Транспортные Машины» (СТМ) с 2019 года серийно выпускает микропроцессорные системы управления и диагностики подвижного состава. В рамках программы импортозамещения компания «Алгоритм С» (входит в периметр СТМ) разработала одну из важнейших частей данной системы — блоки индикации и мониторы. Уже выпускаются серийные 7-дюймовые блоки индикации для тепловозов ТЭМ9 и ТГМК2, а в планах — создание более сложных устройств с диагоналями от 12 до 22 дюймов для рельсошлифовальных поездов и другого подвижного состава.

В начале года в журнале «Локомотив» вышла статья инженеров «Алгоритм С» о работе в этом направлении. ROLLINGSTOCK публикует ее в полном объеме.

Вся современная железнодорожная техника оснащается микропроцессорными системами управления. Они отвечают за функционирование техники, а также обеспечивают удобство управления и сервисного обслуживания. Система управления — это закрытая структура, а за состоянием, параметрами и работой тепловоза нужно следить. Для этого в систему добавляются дополнительные блоки — мониторы и индикаторы. Эффективность работы системы и техники во многом зависит от проработанности органов управления и индикации на пультах.

Машинист заходит в кабину, где его работа проходит за пультом, и этот инструмент должен быть максимально эффективным, удобным, интуитивно понятным, интерактивным. Один из модулей системы — блок индикации, монитор. Он выполняет функцию конечной точки интерфейса, связывающей оператора-машиниста и машину, в которой человек видит все, что происходит с локомотивом. Так, раньше использовались стрелочные и световые индикаторы. Сейчас такой подход к выводу параметров работы системы управления является архаичным. Он не позволяет вывести большое количество информации, что становится проблемой для любой современной системы управления.

СТМ как один из ведущих игроков рынка железнодорожного машиностроения ведет системную работу по поиску, созданию и интеграции новых конкурентных продуктов для достижения технологического суверенитета. В частности, разработана и с 2019 года производится микропроцессорная система управления и диагностики подвижного состава (МПСУиД). Собственный аппаратно-программный комплекс позволяет максимально локализировать выпуск подвижного состава производства СТМ, а также гибко настраивать производственные процессы. Кроме того, это возможность реагировать и удовлетворять запросы производителей путевой техники — добавить в начальную комплектацию МПСУиД необходимые функции или, например, автоматизировать анализ состояния путевой техники по записываемой системой управления телеметрии.

Для системы управления выбрана масштабируемая модульная архитектура с возможностью расширения функциональности благодаря разработке новых типов модулей. Преимущество такого решения — быстрая и сравнительно легкая модернизация под любую машину. Так, системы управления локомотива ТЭМГ1 и выправочно-подбивочно-рихтовочной машины состоят из одинаковых компонентов, но эта техника выполняет совершенно разные функции. Специализация системы управления, построенной на основе блоков МПСУиД, для каждой конкретной серии техники происходит за счет разработки ПО для одного главного блока – блока управления.

Один из блоков системы управления — средство индикации (монитор или блок индикации). С учетом существующей реальности, а также следуя требованиям государства — замещать технику, инфраструктуру и программное обеспечение на отечественные решения — компания «Алгоритм С» приступила к повышению локализации своих систем управления. Так, очередным этапом к технологическому суверенитету стало создание и выпуск блоков индикации и мониторов собственной разработки.

Блок индикации разработки «Алгоритм С» предназначен для замены устаревших аналоговых приборов, которые применяются для вывода информации. Графический интерфейс для каждой из моделей техники разрабатывается на основе электрической схемы техники — определяется перечень опциональных параметров для вывода на монитор в дополнение к обязательной индикации по требованиям ГОСТ. Это позволяет гибко адаптировать блок под различные проекты.

На начальных этапах разработки системы управления «Алгоритм С» развивались, в том числе с новыми проектами, каждый из которых давал импульс для роста. С появлением новых задач (ТЭМГ1, ТЭМ10, ТЭМ9 и т.д.) появлялись новые модули и программное обеспечение для них. Собственные блоки индикации — один из примеров проработки нового запроса к системе управления.

Для реализации всего комплекса требуемых технических решений блока индикации были проработаны следующие возможные подходы:

• Построение не основе процессора с x86 архитектурой со сниженным тепловыделением (например, процессоры Intel с индексом Q). Такой блок индикации будет напоминать персональный компьютер в специальном корпусе для монтажа в приборную панель.
• Построение на основе энергоэффективных процессоров с ARM архитектурой. Например, на основе процессоров серии OMAP 4430, i.MX6. Такие процессоры имеют множество интерфейсов и встроенный графический ускоритель.
• Построение на основе микроконтроллера (МК). Они имеют наиболее низкие вычислительные мощности, однако отдельные модели снабжены аппаратными ускорителями для работы с графикой (обеспечивают построение «простейших» GUI).

На рисунке ниже приведено сравнение описанных подходов с точки зрения вычислительной мощности и стойкости к агрессивным внешним факторам, таким как температура, вибрации, влажность и т.д. Графики построены с учетом одинаковой цены устройства для каждого из подходов. Можно заметить, что для обеспечения устойчивости устройства на основе x86 процессора к сильной вибрации и низким температурам, необходимо будет применить дополнительные конструкционные решения, которые сильно увеличат конечную стоимость изделия.

Кроме того, для выбора конкретного подхода был оценен спектр задач, которые будет выполнять блок индикации. Основная функция — отображение параметров работы тепловоза и состояния узлов через стрелочные индикаторы, цветовые индикаторы, растровые изображения, текст на экране, но при этом будут выполняться следующие графические операции:

• приведение форматов пикселей изображений;
• альфа-блендинг:
• заполнение цветом;
• вращение геометрических фигур;
• анимация;
• вывод растровых изображений.

Не предполагается осуществление рендеринга 3D-моделей, текстурирование поверхностей, показ видео и т.д. Исходя из вышесказанного, наиболее эффективным стало построение блоков индикации на основе микроконтроллера. Дополнительное преимущество — разработка на МК занимает существенно меньше времени, требует меньше итераций для получения работоспособного макета.

В компании «Алгоритм С» пошли по пути реинжиниринга — составили перечень необходимых характеристик и требований к мониторам:

• LCD-TFT дисплей с диагональю 5-7 дюймов. Должен иметь область применения «automotive», минимальную рабочую температуру окружающей среды не выше -30°С и стойкость к вибрациям не ниже ~3g. Срок службы дисплея — порядка 100000 часов. Тип матрицы (TN/IPS/VA), интерфейс (RGB/MIPI-DSI/LVDS) не являются определяющими факторами. Дисплей не должен иметь сенсорный ввод и собственный контроллер;
• клавиатура из 3-5 кнопок для ввода данных. Тип клавиатуры (пленочная или обычные кнопки) подбирается на этапе формирования эскиза корпуса;
• интерфейс Ethernet со скоростью передачи 100 Мбит/с;
• интерфейс для подключения сдвоенной шины САN со скоростью передачи 250 кбит/с и возможностью разгона до 1 Мбит/с;
• USB 2.0;
• интерфейс для SD-карты;
• разъем для задания адреса в сети САN;
• датчик освещенности для автоматической регулировки яркости экрана;
• не должны применяться микросхемы в BGA корпусах.

Задачей стало создать продуктовое решение с максимальной унификацией компоновки и конструкции, при которых любые замены компонентов будут безболезненными. Так сформировалась структура блока индикации, где основными компонентами графической системы стали:

• дисплей;
• flash-память — хранит растровые изображения и глифы (буквы/цифры);
• RAM-память, в которой располагается фреймбуфер. Если flash-памяти нельзя будет обратиться через сквозное адресное пространство МК (например, используется NAND flash-память), то RAM-память будет использоваться для буферизации содержимого flash-памяти;
• МК (MCU) — осуществляет извлечение фрагментов изображения из flash-памяти, приводит их к единому формату и строит конечное изображение в RAM-памяти (в фреймбуфере). После построения изображение передается на дисплей.
• Анализ рынка дисплеев показал, что наибольшее количество вариантов, удовлетворяющих исходным условиям, обладает характеристиками:
• разрешение — 800 х 480;
• интерфейс — LDVS или RGB (6/8 bit);
• диагональ — 7 дюймов.

LCD дисплей является одним из наиболее проблемных компонентов. Интерфейс LVDS не является стандартом и различные производители дисплеев интерпретируют его по-своему. Существуют даже разные названия для данного интерфейса: например, FDP Link, FlatLink, LDI, OpenLDI. Также у разных дисплеев отличается способ крепления. Но в конструкции блока индикации используется комплекс конструкционных решений, который позволит относительно безболезненно менять LCD дисплей в зависимости от доступности и потребности в разных характеристиках.

Дополнительным ограничением в выборе компонентов итогового решения блока индикации стала проблема с поставкой продукции ряда производителей, которая привела к очередному пересмотру выбора составляющих.

Опытным образцом стал 7-дюймовый блок индикации вспомогательного пульта тепловоза ТЭМ9. После подготовки конструкторской документации был составлен контракт на производство — подрядчиком выступила производственная площадка в Московской области.

Блок индикации разработки «Алгоритм С» замещает аналоговые и дискретные варианты вывода информации, заменяя любую комбинацию стрелочных и световых индикаторов. На данный момент такие блоки серийно выпускаются по конструкторской документации разработки «Алгоритм С». Среди них 7-дюймовые блоки индикации тепловозов ТЭМ9 и ТГМК2.

Следующий шаг — реализация более сложных устройств, основанных на втором подходе. Это значительно усложняет разработку, но дает невероятную гибкость при формировании облика конечного устройства и кратно умножает функционал, который возможно реализовать.

При проектировании своей системы управления разработчики «Алгоритм С» поставили цель сделать ее более привлекательной, удобной, эффективной. При этом одной из ключевых задач было минимизировать затраты на ее производство, чтобы система была не более дорогой, чем аналоги. Унификация мониторов для всей техники — одно из решений данной задачи, По сути своей, это миникомпьютеры, выполняющие ряд функций, одна из которых — вывод информации о состоянии техники. А разнообразие интерфейсов ввода/вывода делает работу с мониторами максимально гибкой и удобной.

Особенность мониторов — многостраничность интерфейса, между частями которого можно перемещаться свайпом, листая меню, либо при помощи физических кнопок, Это позволяет вместить больше параметров, характеристик и настроек, при этом не делая наполнение каждой страницы перегруженным — основные команды и функции выносятся на первый «экран» (рабочий стол), а вспомогательные распределяются по другим. Такой принцип особенно удобен при пусконаладочных работах, а также при диагностике и обслуживании локомотива: тонкие настройки скрыты и не могут быть «случайно» активированы или изменены.

Наиболее важным решением при проектировании собственной линейки мониторов стал отказ от применения процессоров с архитектурой x86 и переход на ARM процессоры производства Rockchip. Данные процессоры являются производительными, поддерживают работу с большим объемом памяти, а также имеют богатый набор интерфейсов и шин. Отдельные виды процессоров способны выводить изображения на 6 дисплеев одновременно.

При проектировании собственного решения специалисты «Синара Алгоритм» получили следующие компетенции:

• разработка графики для системы управления тепловозом;
• разработка устройства с высокоскоростными интерфейсами;
• функциональная работа с дисплеями с оценкой их возможностей и устойчивости.

Главное, чего удалось достичь специалистам «Алгоритм С» — универсальность проекта, которая позволяет расширять линейку мониторов с различными диагоналями при минимальной доработке. Первые макетные варианты собственных мониторов были изготовлены и представлены в составе пульта управления с системой трамвая разработки «Алгоритм С», презентация которого прошла в рамках выставки ИННОПРОМ в июле 2024 года в Екатеринбурге.

При этом проект мониторов — это полностью и всесторонне проработанное решение. Выработана концепция, пройдена эволюция, сформирована конструкторская документация для линейки мониторов диагональю от 12 до 22 дюймов. Следующие модели линейки появятся в составе рельсошлифовальных поездов РШП2.0, а также пока еще не анонсированной техники СТМ.

Подготовлено на основе статьи «Локомотивные блоки индикации нового поколения», журнал «Локомотив», № 1 (817), январь 2025

Авторы:

Михаил Козлов, ведущий инженер-разработчик, руководитель отдела микропроцессорных систем управления «Алгоритм С»

Антон Шленский, главный конструктор по микропроцессорным системам управления «Алгоритм С»