列控車載設備診斷維護終端的設計與實現

張友兵 劉 嶺 崔俊鋒

1 診斷維護終端簡介

列車運行過程中，車載設備應用軟件實時檢測故障情況，并將檢測到的故障存儲起來以備下載分析。故障記錄包括UTC時間、系統時間戳、報告故障的文件名、報告故障的行號、故障碼和字符串形式的故障描述等信息。

但CTCS－2級和CTCS－3級列控車載設備可能存在軟硬件故障，為此開發(fā)一種診斷維護終端。

診斷維護終端用于修改列控車載主機存儲的配置參數，查看配置參數的描述信息，檢查車載主機存儲的配置參數取值，審查或清除車載主機存儲的應用故障記錄。診斷維護終端是一個工作在PC機上的獨立軟件，通過USB－CAN轉換設備與車載主機進行通信。根據故障記錄的文件名和行號可以快速定位故障發(fā)生的位置，利用故障碼和字符串形式的描述信息可以直觀分析故障原因。

診斷維護終端采用通用軟件，以應對不同車型、用戶、需求等變化信息帶來的影響，而且便于軟件升級維護，提高了軟件通用性和可維護性，也提高了軟件與車型的適配性。

2 系統原理

圖1為診斷維護終端的系統原理圖。診斷維護終端通過USB－CAN轉換設備與車載主機通信連接。用戶操作診斷維護終端，診斷維護終端響應用戶操作，并將用戶操作轉換成符合通信協議的數據發(fā)送給車載主機，車載主機接收數據并從數據中識別出用戶命令。

對于正確的用戶命令，車載主機根據具體命令內容執(zhí)行對應的響應，并將響應結果轉換成符合通信協議的數據發(fā)送給診斷維護終端；診斷維護終端接收數據并提取出車載主機的響應結果，將響應結果及時顯示在診斷維護終端的界面上供用戶查看。

對于錯誤的用戶命令，車載主機識別錯誤類型，回復具有針對性的提示信息，并將提示信息轉換成符合通信協議的數據發(fā)送給診斷維護終端；診斷維護終端接收數據，提取出車載主機的提示信息，顯示在診斷維護終端的界面上，及時提示用戶輸入命令有誤，指導用戶執(zhí)行正確的操作。

圖1 列控車載主機診斷維護終端

3 軟件設計

3．1 軟件結構

診斷維護終端軟件分為：通信層、邏輯處理層和顯示層三層。

3．1．1 通信層

通信層包含接收和發(fā)送數據模塊。接收數據模塊通過USB－CAN轉換設備從車載主機接收數據，傳給邏輯處理層的接收數據管理模塊。發(fā)送數據模塊從邏輯處理層的發(fā)送數據管理模塊獲取數據，通過USB－CAN轉換設備發(fā)送車載數據。

3．1．2 邏輯處理層

邏輯處理層包含如下模塊。

1．響應用戶操作模塊。接收用戶指令，并傳遞給發(fā)送數據管理模塊。

2．接收數據管理模塊。從通信層的接收數據模塊得到車載主機數據，提供給處理數據模塊進行解析和邏輯處理。

3．處理數據模塊。從接收數據管理模塊提供的車載主機數據中提取報文幀或空閑幀，對其進行數據類型檢查、數據長度檢查、時間戳檢查、CRC校驗等，如果檢查不通過，則置工作狀態(tài)為初始狀態(tài)；從通過檢查的報文幀中提取有效數據，根據GBK編碼將有效數據轉換成可以顯示的字符串，提供給界面顯示數據管理模塊；使用通過檢查的空閑幀來判斷與車載主機的通信是否超時，如果超時則置工作狀態(tài)為初始化狀態(tài)。

4．保持通信連接模塊。與車載主機建立通信連接；當連接斷開時，主動與車載主機重新建立通信連接；連接正常時，當沒有指令需要發(fā)送給車載主機時，定時組建保持連接幀并傳遞給發(fā)送數據管理模塊，以保持與車載主機的通信連接。

5．發(fā)送數據管理模塊。從保持通信連接模塊得到需要發(fā)給車載主機的數據，從響應用戶操作模塊得到需要發(fā)給車載主機的用戶指令，調用通信層的發(fā)送數據模塊將數據發(fā)給車載主機，同時向界面顯示數據管理模塊提供需要界面顯示的用戶指令。

6．界面顯示數據管理模塊。從處理數據模塊獲取車載主機數據，從發(fā)送數據管理模塊獲取用戶指令，以時間先后順序依次顯示在診斷維護終端的界面上，便于用戶查看和指導用戶操作。

3．1．3 顯示層

顯示層包含界面顯示收發(fā)信息模塊和更新界面控件屬性模塊。界面顯示收發(fā)信息模塊，從邏輯處理層的界面顯示數據管理模塊獲取需要界面顯示的數據，并將數據依次顯示在界面上，供用戶查看交互過程或指導用戶執(zhí)行具體的操作。更新界面控件屬性模塊，負責響應用戶操作，并根據用戶操作設置診斷維護界面控件的使能屬性，保證用戶可以執(zhí)行什么操作和不可以執(zhí)行什么操作。

3．2 消息定義

診斷維護終端與車載主機通信中使用了4種消息：請求幀、保持通信幀、報文幀和空閑幀。診斷維護終端使用請求幀與車載主機建立通信連接，并發(fā)送用戶指令；在通信連接建立后，在沒有用戶指令需要發(fā)送時，保持連接幀與車載主機正常的通信連接。車載主機使用空閑幀與診斷維護終端建立通信連接，當沒有數據需要發(fā)送時，使用空閑幀與診斷維護終端保持通信連接；通信連接建立并接收到用戶指令后，有數據需要發(fā)送時使用報文幀將數據發(fā)送給診斷維護終端。

3．3 工作狀態(tài)機

診斷維護終端邏輯處理層的保持通信連接模塊采用狀態(tài)機的設計思想，包括初始狀態(tài)、等待啟動命令狀態(tài)、建立通信狀態(tài)和保持通信狀態(tài)。

1．初始狀態(tài)：診斷維護終端剛啟動時，處于初始狀態(tài)，初始化所有全局變量，清空發(fā)送和接收數據緩沖區(qū)，并轉入等待啟動命令狀態(tài)。

2．等待啟動命令狀態(tài)：診斷維護終端等待車載主機的啟動命令，如果沒有收到啟動命令，保持該狀態(tài)不變；如果收到啟動命令，則轉入建立通信狀態(tài)；如果收到的數據存在數據類型錯誤、數據長度錯誤、時間戳錯誤、CRC校驗錯誤等情況時，轉入初始狀態(tài)。

3．建立通信狀態(tài)：診斷維護終端向車載主機發(fā)送建立通信連接的請求幀，并等待車載主機回復通信連接成功的應答，如果收到則轉入保持通信狀態(tài)，否則保持當前狀態(tài)不變；如果收到的數據存在數據類型錯誤、數據長度錯誤、時間戳錯誤、CRC校驗錯誤等情況時，轉入初始狀態(tài)。

4．保持通信狀態(tài)：診斷維護終端從車載主機接收數據、解析數據，并在界面顯示車載主機的提示信息；響應用戶的操作并將用戶操作發(fā)送給車載主機；如果收到的數據存在數據類型錯誤、數據長度錯誤、時間戳錯誤、CRC校驗錯誤等情況時，轉入初始狀態(tài)；如果在規(guī)定時間內沒有收到車載主機的任何有效數據，認為通信異常，也轉入初始狀態(tài)。保持通信連接模塊狀態(tài)機如圖2所示。

圖2 保持通信連接模塊狀態(tài)機

3．4 下載配置參數文件流程

下載配置參數文件的過程：人工加載配置參數文件；診斷維護終端自動將配置參數文件分割為若干個請求幀；提取一條請求幀，將請求幀分割為若干個CAN幀，依次發(fā)送給車載主機；判斷是否存在尚未發(fā)送給車載主機的請求幀，如果存在則按上一步方法將請求幀發(fā)送出去，否則結束流程。下載配置參數文件過程如圖3所示。

圖3 下載配置參數文件過程

3．5 透傳用戶命令流程

當用戶需要查看配置參數描述信息、修改制定的配置參數、下載應用故障記錄或清空車載設備存儲的應用故障記錄時，只需要在診斷維護終端界面輸入指定的指令并發(fā)送給車載主機，車載主機收到指令后向診斷維護終端回復對應的信息。

透傳用戶命令的一般流程：用戶在診斷維護終端界面輸入指令；診斷維護終端自動將輸入的指令組建成請求幀，并分割為若干個CAN幀，依次發(fā)送給車載主機。透傳用戶指令過程如圖4所示。

透傳用戶指令過程

3．6 界面顯示車載主機回復信息流程

用戶在診斷維護終端界面輸入指令，并發(fā)送給車載主機；車載主機收到后判斷用戶指令有效性，如果是無效的用戶指令，車載主機提示用戶輸入指令為無效；如果是有效的用戶指令，車載主機根據指令回復對應信息。診斷維護終端接收到車載主機的回復信息并顯示。該信息的流程為：診斷維護終端接收到車載主機發(fā)送的報文幀，對報文幀進行幀序號檢查、長度檢查、時間戳檢查和CRC校驗。如果通過以上檢查，將從報文幀中提取有效數據，根據GBK編碼將有效數據轉換成字符串，并在界面上顯示字符串。界面顯示車載主機回復信息過程如圖5所示。

顯示車載主機回復信息過程

GBK編碼是在GB2312－80標準基礎上的內碼擴展規(guī)范，使用了雙字節(jié)編碼方案，其編碼范圍從8140至FEFE（剔除xx7F），共23940個碼位，收錄了21003個漢字，完全兼容GB2312－80標準，支持 國 際 標 準 ISO／IEC10646－1 和 國 家 標 準GB13000－1中的全部中日韓漢字，并包含了BIG5編碼中的所有漢字。

4 關鍵技術

4．1 快速準確的數據傳輸

在數據通信中，經常存在丟失、重復、亂序、亂碼等情況，診斷維護終端通過判斷時間戳是否向上增長、比較CRC校驗值是否一致、判斷應答幀序號是否向上連續(xù)、判斷數據長度是否是期望的長度等措施，解決數據通信中可能存在的問題。

4．2 可拓展的用戶指令集

用戶在診斷維護終端界面輸入指令，點擊發(fā)送按鈕，把用戶指令透傳給車載主機，由車載主機判斷用戶指令的有效性并做出響應。因此，當需要增加新的用戶指令時，診斷維護終端并不需要做大的修改，只需要車載主機增加對其響應。

4．3 友好的人機交互方式

用戶在診斷維護終端界面上輸入指令，點擊發(fā)送按鈕將指令發(fā)送給車載主機，發(fā)送出去的用戶指令顯示在交互窗口中。車載主機收到用戶指令并對指令進行有效性判斷，對于無效的用戶指令，車載主機回復指令無效，診斷維護終端在交互窗口中顯示指令無效的提示信息。對于有效的用戶指令，車載主機將根據指令內容回復指定的信息，且在診斷維護終端交互窗口中顯示。通過這種一問一答的方式，診斷維護終端指導用戶向車載主機發(fā)送正確的指令，對車載主機進行操作。

4．4 及時的界面信息顯示

診斷維護終端一方面需要將交互的信息及時顯示在界面上，另一方面需要接收、處理和發(fā)送數據。如果將所有任務都放在UI線程中，有時會使界面卡死。因此，采用多線程的方法搭建軟件結構，設計UI和工作2個線程。UI線程負責更新界面顯示。工作線程負責接收數據、處理數據和發(fā)送數據。針對工作線程有信息需要界面顯示，由于這是工作線程和UI線程的跨線程操作，使用代理方法將工作線程的信息顯示在界面上?；驹瓌t就是工作線程負責所有的運算，UI線程負責純粹的界面更新。

5 結束語

本文介紹了一種用于列控車載設備的診斷維護終端，可以用于列控車載設備下載參數，還可以用于下載列控車載設備存儲的應用故障記錄，是列控車載設備日常運營維護、故障分析的重要工具。

［1］ 中國鐵路總公司．CTCS－2／3級列控車載設備人機界面（DMI）顯示暫行規(guī)范［S］．中國鐵路總公司，2014．

［2］ 北京全路通信信號研究設計院有限公司．CTCS3－300T列控車載設備DMI司機操作手冊［S］．北京全路通信信號研究設計院有限公司，2013．