分层聚合模型的短波电台显示控制方法

张盼华，张伟涛，樊浩，陈华强，吕辉杰，刘金宝，曹文峰

（同方电子科技有限公司，江西九江，332100）

0 引言

短波电台的人机交互信息内容显示有多种手段，串口屏是其中方法之一。串口屏是指一种自带串口控制的液晶屏模块。通常由驱动板、外壳、LCD液晶显示屏等三部分组成，通过一系列的串口控制指令实现相关内容信息显示。工业串口屏的出现约近十年左右时间，作为数据内容显示载体之一，其友好的使用和开发方式，如文献[1-10]可知其广泛应用在工业、电力、自动化、电信、军工等领域[1-10]。串口屏的架构设计中，通常会有一个通信帧缓冲区，用于存放串口命令，并且为FIFO结构。当串口屏应用于显示项目与内容条数多，刷新速率快的场景，常常会出现“丢帧”现象，即某些数据内容没有显示出来。串口屏自身为了解决上述问题，采用提供一个对外的GPIO口线，通过高低电平判定串口屏是否处于“忙”的状态。当信号为“忙”时，则不允许继续向串口屏发送命令，通常会打乱预期的显示效果。然而，人们总希望信息显示能够实时推送给串口屏，实时的显示出来。

因此，为较好有效的解决短波电台中串口屏应用中出现“丢帧”现象，提供了一种解决方法。该方法从应用层角度，将离散的数据内容进分层和再加工聚合，通过设计较为合理控制方法，进而优化显示，提高开发效率。

1 分层聚合模型

1.1 短波电台显示控制分析

短波电台的界面显示使用的工业串口屏仅需与带串口通信的任意模块单片机、片上系统等芯片就可以扩展出显示功能，表现出优异的可扩展性。其原理示意框图，如图1所示。

图1 短波电台串口屏显示串口通信框图

然而，串口通信速率并不特别快，工业串口屏在设计时带有一个通信帧缓冲区存放通信控制命令。受串口通信速率、缓冲区大小、人眼视觉效果等限制。对于显示项目内容多、刷新速率快的应用场景，则会出现“丢帧”，表现为屏幕上某些内容没有显示出来的现象。

上述现象的本质为，短波电台中串口屏接收到外部控制模块串口命令存放于通信帧缓冲区中，未能及时得到相应操作处理，而被后续的命令覆盖。其存储逻辑图，揭示了串口屏微观的通信帧命令存储逻辑。

以北京迪文公司的串口屏为例，其（型号：DMG32240S035-01WT）允许最大通信帧缓冲区大小为24。便于图形示意，将该型号串口屏的通信帧缓冲区归一化为10个单位逻辑区。其存通信帧数据缓冲区存储逻辑关系如图2所示。其中，图2(a)为初始化的存储缓冲区。当收到第1个数据时，存储在缓冲区第一个缓冲区块中，如图2(b)所示。以此类推，后续收到数据放置下一个缓冲区，示例图如图2(c)、2(d)所示。

图2 短波电台显示通信帧数据缓冲区存储逻辑

由于串口屏缓冲区采用FIFO（先进先出）结构，当收到第11个通信数据帧时，则必须指向缓冲区的第1个缓冲区存放。如果串口屏还没来对D1命令数据进行处理，如图2(e)所示，会被D11命令数据所取代，其映射到界面显示相关，出现“丢帧”现象，即预设想要的显示操作被另外一种操作所取代。在刷新速率快的应用场景，如果串口连续收到11条通信帧数据，则会出现上述情况。

因此，在短波电台外部控制模块程序设计之前，对应用层通过定性分析和定量计算，确保后续不会出现上述情况，完成每一界面设计与规划，是一种能够解决上述问题的较为理想方法。

1.2 模型设计

基于分层聚合模型的工业串口屏内容显示控制方法，从设计原理阶段对显示控制方法进行了优化聚合。相邻两个不同界面间或当前某一界面内的显示项目内容是具有一定相关性的，这一相关性特征是进行分类的主要依据和原则。

依据界面显示项目内容的相关性特征进行分类，将分类后聚合完成数据视为一个局部矩阵图层，一个完整的显示界面可分解为多个局部矩阵图层。显示项目内容的相关性越强、粘合程度越高，则聚合的数目越多，通过聚合后与串口屏所需通信帧就越少，从而减小工业串口屏“资源”开销，消除了“丢帧”现象。

多个显示内容分类聚合，得到一条融合后的新显示数据命令，而该条命令具备融合前被融合对象全部项目内容信息；一个局部图层中显示项目内容相关性越大、数量越多，则融合后需要与串口屏通信命令帧的命令条数减少就越多，从而降低了串口屏的处理负荷。

每一层为一种类型与数据集合，分层模型示意图如图3所示。

图3 分层模型示意图

①层1（L1）为显示基础框架层：显示界面功能区域划分与构建，奠定显示整体效果的基础；

②层2（L2）为常规参数显示层：与功能实现有关，用户所关心和关注的当前运行主要参数显示；

③层3（L3）为状态显示层：整个系统和运行状态显示，比如运行日志等的显示；

④层4（L4）为操作标识层：主要为用户提供交互操作标识和标注。

2 模型运用设计

依据上述模型核心思想，对分层聚合模型的具体运用进行详细描述，该方法的流程示意图，如图4所示。

图4 方法设计原理流程图

具体方法流程如下：

S0：查找所使用工业串口屏的技术资料，确定所使用的工业串口屏通信帧缓冲区最大值，将缓冲区最大值定义为UNb。

S1：将项目规定所需全部显示内容进行规划，分解成多个功能帧界面，其中：分解后每一张显示界面定义为一帧，每一帧界面记为Px，x为帧的序号；分解得到所有帧定义为总帧数，记为PX。

S2：计算当前帧内容显示所需与工业串口屏通信命令总数量PxNb，其中Px标识为哪一帧，Nb为当前帧所命令数。

S3：判断当前帧通信命令数量PxNb是否小于UNb，如果小于则进入S6,否则判定为需要进行分层聚合界面进入步骤S4。

S4：依据当前帧显示内容的相关性进行分类,完成初步分类，计算分层聚合后内容显示所需通信命令，定义为NPxNb。

S5：判断NPxNb是否小于UNb，如果小于则进入S6，否则重复S4步骤，继续进行聚合分层。

S6：判定当前帧为合格显示帧，在后续显示中不会出现“丢帧”现象,执行进入步骤S7。

S7：判断当前分析的帧界面序号Px是大于总帧数PX，如果小于则完成第Px+1帧分析判定，执行步骤S2，否则执行步骤S8；

S8：完成项目全部帧内容显示分层、聚合与规划。

3 实验结果与分析

3.1 实验平台

该方法在工程项目“XXX短波通信电台”上进行了实际工程应用。

其应用场景抽象模型如图5所示：

图5 实际应用模型图

实验应用场景与参数，如下：

(1)工业串口屏型号：迪文DMG32240S035-01WT；

(2)主控板：PowerPC P1012模块，VxWorks6.9系统；其中，串口1通信波特率为38400 bps，串口2通信波特率为9600 bps；

(3)输入键盘：带RS232串口的4x4矩阵键盘；

(4)“XXX短波通信装置”其他功能单元。

实际项目方法实施某一界面如图6所示。

图6 短波通信装置显示界面分层模型示意图

其通信命令帧数量对比，如表1所示。可以看出，分层聚合模型的方法所需的通信命令帧数量小于常用方法。

表1 短波通信装置界面通信帧命令数量比较

3.2 实验结果

该方法在实际的工程项目“短波通信电台装置”的人机交互中进行了应用。

图7所示，为截取的几个典型应用场景，如：扫描守候状态(图7(a))，其信道号、接收频率显示的速度较快，其界面刷新的速率最高；呼叫探测状态，其信息状态显示数量和发射时的状态变随时变化，是一种促发性变化；定频操作界面(图7(b))，其需要显示的信息内容相对稳定，一般仅在发射状态下状态信息变化较快；系统参数时间设置(图7(c))，其显示的信息内容相对固定。

图7 分层模型短波电台串口屏显示效果实物图

通过上述几个场景的应用可以看出，针对不同场景下的应用，其实际显示内容完整，清晰可懂，没有出现“丢帧”现象。

4 结论

串口屏在短波电台中使用广泛，本文从串口屏的设计原理角度，分析了出现“丢帧”现象的本质原因；从应用层角度，通过前期的显示控制原理设计，对显现控制进行定性分析（分类、分层）和定量计算，定量计算得到所需的通信命令开销，分类后构建了合理的界面显示分层模型，提高代码设计阶段工业串口屏的使用与开发效率，保障了目标显示效果实现，实现较好的用户体验。