CTCS-3級列控車載記錄下載器的軟件設(shè)計

張友兵 馬 麟 張國振 崔俊鋒 王天嬌

張友兵:北京全路通信信號研究設(shè)計院有限公司運(yùn)行控制研究設(shè)計院 助理工程師 100073 北京

馬 麟:北京全路通信信號研究設(shè)計院有限公司運(yùn)行控制研究設(shè)計院 工程師 100073 北京

張國振:北京全路通信信號研究設(shè)計院有限公司運(yùn)行控制研究設(shè)計院 工程師 100073 北京

崔俊鋒:北京全路通信信號研究設(shè)計院有限公司運(yùn)行控制研究設(shè)計院 工程師 100073 北京

王天嬌:北京全路通信信號研究設(shè)計院有限公司運(yùn)行控制研究設(shè)計院 工程師 100073 北京

在CTCS-3級列控系統(tǒng)中，當(dāng)列車高速運(yùn)行時，車載設(shè)備實時監(jiān)控列車運(yùn)行速度，保證列車運(yùn)行安全。CTCS-3級列控車載設(shè)備包含CTCS-2級主機(jī)模塊(C2CU)、車載安全計算機(jī)單元(ATPCU)、列車網(wǎng)管(TSG)、速度距離處理單元(SDP)等重要模塊，通過這些模塊的協(xié)同工作，保證車載設(shè)備能夠?qū)崟r監(jiān)控列車運(yùn)行。C2CU、ATPCU、TSG、SDP等車載設(shè)備模塊在工作過程中，會產(chǎn)生大量的運(yùn)行記錄，如果深入分析這些運(yùn)行記錄，就可以定位車載設(shè)備發(fā)生故障的位置及類型，進(jìn)而可以快速消除故障，提高車載設(shè)備可用性。

但是車載設(shè)備模塊存儲運(yùn)行記錄的空間有限，最多可以存儲250條。如存儲空間已滿，則新記錄將替換掉老記錄，如果不能及時下載或轉(zhuǎn)存，則將丟失除了最新的250條記錄之外的所有運(yùn)行記錄。因此，急需開發(fā)記錄下載器，用于在線實時監(jiān)測車載設(shè)備模塊產(chǎn)生的運(yùn)行記錄，下載并保存。

1 記錄下載器工作原理

記錄下載器是一個在線實時監(jiān)測和保存車載設(shè)備運(yùn)行記錄的設(shè)備。它沒有配備電源，通過竊電方式從車載設(shè)備模塊獲取能量，當(dāng)車載設(shè)備模塊上電，與其相連的記錄下載器就自動進(jìn)入工作狀態(tài)，并實時監(jiān)測車載設(shè)備模塊的運(yùn)行記錄，自動下載車載設(shè)備模塊產(chǎn)生的新記錄，同時過濾掉老記錄。記錄下載器是一個通用設(shè)備，具有16MB的存儲空間，可以保證至少存儲10萬條運(yùn)行記錄?？梢宰詣酉螺dCTCS-3級列控車載設(shè)備各個模塊的運(yùn)行記錄，包括C2CU、ATPCU、TSG、SDP等重要模塊。通過專用工具可以將存儲的記錄拷貝到電腦上，供分析使用。記錄下載器還是一款安全性較高的實用工具，只用于下載，而不會干擾或影響車載設(shè)備模塊的正常工作。

2 記錄下載器軟件結(jié)構(gòu)

將記錄下載器連接到車載設(shè)備模塊上，循環(huán)執(zhí)行接收數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)和存儲數(shù)據(jù)流程，實現(xiàn)在線監(jiān)測、下載和存儲運(yùn)行記錄的功能。因此，記錄下載器軟件分為數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲3個主要模塊。

1．?dāng)?shù)據(jù)接收模塊。通過中斷方式接收來自車載設(shè)備模塊的數(shù)據(jù)。每向車載設(shè)備模塊發(fā)送一條命令，車載設(shè)備模塊就回復(fù)一批數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)長度有限，因此可以設(shè)計一個定長的數(shù)組。同時，還要設(shè)計一個全局變量，用于記錄來自車載設(shè)備模塊的數(shù)據(jù)長度。

2．?dāng)?shù)據(jù)處理模塊。將來自車載設(shè)備模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，逐條提取記錄，根據(jù)協(xié)議組幀并存儲在記錄下載器的FLASH中。同時，還需要識別出車載設(shè)備模塊的提示信息，如果是繼續(xù)下載，則向車載設(shè)備發(fā)送下載記錄命令;如果提示記錄下載完畢，則自動轉(zhuǎn)入等待狀態(tài)，等待一段時間后，再向車載模塊發(fā)送下載命令，同時過濾已經(jīng)下載過的運(yùn)行記錄。

3．?dāng)?shù)據(jù)存儲模塊。將數(shù)據(jù)處理模塊提取出的運(yùn)行記錄存儲在記錄下載器的FLASH中。

3 記錄下載器的在線狀態(tài)轉(zhuǎn)換

通過不同狀態(tài)的相互轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)記錄下載器周期性地下載、提取和存儲運(yùn)行記錄。數(shù)據(jù)處理模塊狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖1所示。當(dāng)記錄下載器上電進(jìn)入工作狀態(tài)后，首先進(jìn)入初始化狀態(tài)，之后隨著記錄下載器與車載設(shè)備模塊的數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)狀態(tài)的自動轉(zhuǎn)換，完成下載和保存車載設(shè)備模塊運(yùn)行記錄的功能。

1．初始狀態(tài)。車載設(shè)備模塊上電后，記錄下載器也隨之上電，自動進(jìn)入初始狀態(tài)，向車載設(shè)備模塊發(fā)送初始化命令，轉(zhuǎn)入未啟動狀態(tài)。

2．未啟動狀態(tài)。進(jìn)入該狀態(tài)后，等待來自車載設(shè)備模塊的“啟動指示”。如果沒收到，則保持未啟動狀態(tài);如果在超時范圍內(nèi)收到“啟動指示”，則向車載設(shè)備模塊發(fā)送“系統(tǒng)時間命令”，并進(jìn)入等待系統(tǒng)時間狀態(tài);如果等待“啟動指示”超時，則進(jìn)入系統(tǒng)恢復(fù)延時狀態(tài)。

3．等待系統(tǒng)時間狀態(tài)。記錄下載器等待來自車載設(shè)備模塊的系統(tǒng)時間。如果在超時范圍內(nèi)沒有收到系統(tǒng)時間，則保持該狀態(tài);如果收到，則向車載設(shè)備模塊發(fā)送“系統(tǒng)版本命令”，并進(jìn)入等待系統(tǒng)版本狀態(tài);如果等待系統(tǒng)時間超時，則進(jìn)入系統(tǒng)恢復(fù)延時狀態(tài)。

4．等待系統(tǒng)版本狀態(tài)。記錄下載器等待來自車載設(shè)備模塊的系統(tǒng)版本。如果在超時范圍內(nèi)沒有收到系統(tǒng)版本，則保持狀態(tài);如果收到，則進(jìn)入等待下載指示狀態(tài);如果等待系統(tǒng)版本超時，則進(jìn)入系統(tǒng)恢復(fù)延時狀態(tài)。

5．等待下載指示狀態(tài)。記錄下載器等待來自車載設(shè)備模塊的下載記錄指示。如果在超時范圍內(nèi)沒有收到下載記錄指示，則保持;如果收到，則進(jìn)入發(fā)送下載命令狀態(tài);如果等待下載記錄指示超時，則進(jìn)入系統(tǒng)恢復(fù)延時狀態(tài)。

6．發(fā)送下載命令狀態(tài)。記錄下載器已經(jīng)確認(rèn)車載設(shè)備模塊進(jìn)入正常的工作狀態(tài)，將向車載設(shè)備模塊發(fā)送“下載記錄命令”，并進(jìn)入下載記錄狀態(tài)。

圖1 記錄下載器在線狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

7．下載記錄狀態(tài)。記錄下載器收到來自車載設(shè)備模塊的一批數(shù)據(jù)，逐條提取記錄，根據(jù)協(xié)議組幀，并將包含一條運(yùn)行記錄的完整幀存儲到記錄下載器的FLASH中。如果數(shù)據(jù)結(jié)尾含有“繼續(xù)下載記錄指示”，則記錄下載器向車載設(shè)備模塊發(fā)送“繼續(xù)下載記錄命令”，并等待來自車載設(shè)備模塊的下一批數(shù)據(jù);如果數(shù)據(jù)結(jié)尾含有“下載記錄結(jié)束指示”，則進(jìn)入周期下載延時狀態(tài);如果在數(shù)據(jù)提取中遇到以前已經(jīng)下載過的記錄，說明車載設(shè)備模塊最新的運(yùn)行記錄已經(jīng)下載完畢，記錄下載器向車載設(shè)備模塊發(fā)送“結(jié)束本次下載記錄流程命令”，進(jìn)入等待結(jié)束指示狀態(tài)。如果下載記錄超時，則進(jìn)入周期下載延時狀態(tài)。

8．等待結(jié)束指示狀態(tài)。記錄下載器等待來自車載設(shè)備模塊的“下載記錄結(jié)束指示”。如果收到指示，則進(jìn)入周期下載延時狀態(tài);如果沒有收到，則保持該狀態(tài)，繼續(xù)等待;如果等待“下載記錄結(jié)束指示”超時，則進(jìn)入周期下載延時狀態(tài)。

9．周期下載延時狀態(tài)。如果延時沒有到時，記錄下載器繼續(xù)保持延時狀態(tài);如果延時到時，記錄下載器進(jìn)入發(fā)送下載命令狀態(tài)，執(zhí)行下一次下載車載設(shè)備模塊運(yùn)行記錄的流程。

10．系統(tǒng)恢復(fù)延時狀態(tài)。如果系統(tǒng)恢復(fù)未到時，則保持系統(tǒng)恢復(fù)延時狀態(tài);如果系統(tǒng)恢復(fù)到時，則進(jìn)入初始狀態(tài)。

4 記錄下載器的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 過濾已下載記錄

在記錄下載器的在線狀態(tài)轉(zhuǎn)換中，下載記錄狀態(tài)最為復(fù)雜，需要根據(jù)運(yùn)行記錄的開始和結(jié)束特征逐條提取記錄，并識別該記錄是否為新記錄。如果是新記錄，則組幀并存儲在FLASH中;如果是已經(jīng)被下載過的，則過濾并結(jié)束本次下載記錄流程。

車載設(shè)備模塊在產(chǎn)生每一條運(yùn)行記錄的時候，都會在記錄的頭部附上當(dāng)時的系統(tǒng)時間，而且這個時間是惟一的和遞增的。所謂惟一，就是附加在每一條運(yùn)行記錄的系統(tǒng)時間不同;所謂遞增，就是附加在后一條運(yùn)行記錄的系統(tǒng)時間總是比前一條時間要大。根據(jù)惟一性和遞增性這2個特征，就可以實現(xiàn)只下載新記錄并過濾舊記錄的功能。

車載設(shè)備模塊發(fā)送記錄時，總是按照從最新到最老的順序，即按照附加在記錄上的系統(tǒng)時間從大到小的順序。每下載完一批記錄，記錄下載器將系統(tǒng)最大時間作為下一次下載記錄的參考時間。進(jìn)入下一次下載記錄的流程時，每提取一條記錄，就將該記錄的系統(tǒng)時間與參考時間進(jìn)行比較，系統(tǒng)時間比參考時間大的就是新記錄，組幀并保存在FLASH中。如果遇到系統(tǒng)時間等于參考時間，說明新記錄已經(jīng)下載完畢。

4.2 數(shù)據(jù)處理模塊與數(shù)據(jù)儲存模塊的速度匹配

數(shù)據(jù)處理模塊從來自車載設(shè)備模塊的數(shù)據(jù)中逐條提取記錄，組幀后傳遞給數(shù)據(jù)存儲模塊。數(shù)據(jù)存儲模塊需要將包含記錄的完整幀存儲在記錄下載器的FLASH中。但是，數(shù)據(jù)處理模塊處理速度很快，而數(shù)據(jù)存儲模塊存儲速度相對要慢很多，如果2個模塊之間的速度不匹配，必然要導(dǎo)致部分車載設(shè)備模塊的運(yùn)行記錄丟失。

為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理模塊與數(shù)據(jù)存儲模塊的速度匹配，設(shè)計一個開關(guān)量。如數(shù)據(jù)處理模塊判斷該開關(guān)量為打開狀態(tài)時，就向數(shù)據(jù)存儲模塊傳遞數(shù)據(jù)，傳遞完畢后，再將該開關(guān)量置為關(guān)閉狀態(tài);如判斷該開關(guān)量為關(guān)閉狀態(tài)時，就將數(shù)據(jù)存儲到記錄下載器的FLASH中，當(dāng)存儲完畢后，再將該開關(guān)量置為打開狀態(tài)。通過數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊共同管理該開關(guān)量，實現(xiàn)這2個模塊之間的速度匹配。

4.3 不掉電存儲數(shù)據(jù)

記錄下載器通過竊電的方式從車載設(shè)備模塊獲取電量供自己使用，顯然能夠獲取的電量是有限的，而執(zhí)行寫FLASH操作卻比較耗電。為此，為記錄下載器設(shè)計了一種能夠勻速向FLASH寫入數(shù)據(jù)的方法。

由于記錄下載器1 s內(nèi)可以向FLASH中寫入500字節(jié)數(shù)據(jù)，那么每寫入1個字節(jié)需要2 ms。數(shù)據(jù)存儲模塊按照8字節(jié)1組將數(shù)據(jù)分為多個小組，設(shè)計每20 ms寫入1組數(shù)據(jù)，即寫入1組數(shù)據(jù)之后開始計時，計時滿20 ms，再向FLASH中寫入下一組數(shù)據(jù)，直到所有數(shù)據(jù)都寫完為止。通過這種方式，不但可以保證數(shù)據(jù)以最高效的方式存儲在FLASH中，而且可以保證不會造成掉電，使記錄下載器始終處于在線工作狀態(tài)。

5 結(jié)束語

目前記錄下載器已經(jīng)研發(fā)完畢，正在進(jìn)行實驗室測試和驗證階段，將會成為實時在線下載CTCS-3級列控車載設(shè)備各個模塊運(yùn)行記錄的有效工具。

［1］張曙光．CTCS-3級列控系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新總體方案［M］．北京:中國鐵道出版社，2009．

［2］CTCS3-300T車載設(shè)備技術(shù)條件［R］．北京:北京全路通信信號研究設(shè)計院有限公司，2012．