基于TCN消息及過程數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)WTB總線通信的網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計(jì)

劉成瑞，鄒 穎

（1.中車青島四方車輛研究所有限公司，青島 266031；2.中車唐山機(jī)車車輛有限公司，唐山 063035）

目前，在高速動車組以及城市軌道車輛上，都采用列車通信網(wǎng)絡(luò)（TCN）技術(shù)。TCN采用由國際電工委員會（IEC）發(fā)布的IEC61375—1標(biāo)準(zhǔn)[1-2]，用于列車的遠(yuǎn)程控制、診斷以及維護(hù)管理。TCN采用兩級總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：絞線式列車總線(WTB)和多功能車廂總線(MVB)。TCN網(wǎng)關(guān)作為這兩級列車總線節(jié)點(diǎn)，起著連接兩級總線和網(wǎng)關(guān)的作用，完成MVB總線和WTB總線之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)跨總線通信，是TCN網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一。

TCN網(wǎng)關(guān)連接的WTB總線主要用于列車級數(shù)據(jù)的通信，可以實(shí)現(xiàn)過程數(shù)據(jù)和消息數(shù)據(jù)的傳輸，其最大特點(diǎn)就是具有初運(yùn)行功能：動態(tài)配置，在列車進(jìn)行聯(lián)掛或者解聯(lián)操作時能夠自動地對WTB總線上的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編址，構(gòu)成新的列車拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。WTB總線特性適用于需要動態(tài)編組的列車車輛。在WTB總線上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時，因WTB總線帶寬限制以及動態(tài)尋址的方式，使得每個節(jié)點(diǎn)在每個傳輸周期內(nèi)能夠傳輸?shù)膶?shí)時性數(shù)據(jù)量有限制[3]。為了解決上述問題，以CRH1、CRH3以及CRH5等車型網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采用過程數(shù)據(jù)加UIC消息數(shù)據(jù)通信方式，實(shí)時性要求較高的采用過程數(shù)據(jù)通信，實(shí)時性要求不高的數(shù)據(jù)采用消息數(shù)據(jù)通信，但是此種通信方式使用的消息數(shù)據(jù)需在MVB總線和WTB總線上同時使用消息通信。TCN網(wǎng)關(guān)在消息通信時作為一個路由器對消息數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，存在傳輸延時長以及程序的開發(fā)難度大，在出現(xiàn)偶發(fā)性延時問題時不容易解決等難題；以中國標(biāo)動動車組系列車型網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采用過程數(shù)據(jù)分時分頁機(jī)制，雖然部分實(shí)時數(shù)據(jù)得到保證，但是當(dāng)數(shù)據(jù)量越大時產(chǎn)生的傳輸延時越長，存在故障或報(bào)警類數(shù)據(jù)傳輸延時較長的特點(diǎn)[4-8]。 為此，本文設(shè)計(jì)了一種使用TCN消息及過程數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)WTB總線通信的網(wǎng)關(guān)程序，只在WTB總線上使用TCN消息，降低了網(wǎng)關(guān)程序的開發(fā)難度，增大了WTB總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，同時也保證了在數(shù)據(jù)量較大時WTB總線上的產(chǎn)生的傳輸延時較小。

1 通信原理

WTB總線主由TCN初運(yùn)行隨機(jī)產(chǎn)生，通過總線主的調(diào)度，實(shí)現(xiàn)WTB總線通信。WTB總線主對總線的調(diào)度以基本周期為單位，把總線活動分成基本周期，一個基本周期分為周期相和偶發(fā)相。WTB總線通信基本周期結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 WTB總線通信基本周期結(jié)構(gòu)圖

周期相用于傳遞周期性的過程數(shù)據(jù)，偶發(fā)相用于傳遞消息數(shù)據(jù)和監(jiān)視數(shù)據(jù)。

WTB總線通信是以幀對形式存在，由總線主發(fā)送主幀進(jìn)行輪詢，被輪詢的節(jié)點(diǎn)以從幀進(jìn)行響應(yīng)。當(dāng)總線主需要輪詢一個節(jié)點(diǎn)的過程數(shù)據(jù)時，首先會發(fā)送一個過程數(shù)據(jù)請求幀，被輪詢的節(jié)點(diǎn)收到請求幀后廣播一個從幀進(jìn)行響應(yīng)。如圖2所示。

當(dāng)總線主輪詢一個節(jié)點(diǎn)的消息數(shù)據(jù)時，節(jié)點(diǎn)用一個包含消息包的從幀進(jìn)行響應(yīng)，形成消息數(shù)據(jù)報(bào)文，如圖3所示。

圖2 過程數(shù)據(jù)報(bào)文通信圖示意圖

圖3 消息數(shù)據(jù)報(bào)文通信圖示意圖

與過程數(shù)據(jù)通信不同，消息數(shù)據(jù)包中含有4 byte的網(wǎng)絡(luò)報(bào)頭，以及消息傳送控制字段，這些與鏈路層無關(guān)，而且消息數(shù)據(jù)長度是可變化的。

2 程序設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)時性以及傳輸延時要求不同，對于實(shí)時性要求較高用于車輛控制的控制指令、速度等數(shù)據(jù)報(bào)文在WTB總線上采用過程數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，對于設(shè)備狀態(tài)及故障診斷數(shù)據(jù)采用消息進(jìn)行傳輸。

2.1 TCN網(wǎng)關(guān)軟件架構(gòu)

TCN網(wǎng)關(guān)軟件架構(gòu)，如圖4所示。

（1）固件主要實(shí)現(xiàn)MVB總線數(shù)據(jù)收發(fā)、WTB總線初運(yùn)行和數(shù)據(jù)收發(fā)以及中央處理器CPU板卡對各個通信板卡的訪問。

（2）配置系統(tǒng)軟件主要包含初始化變量文件、MVB端口配置文件、消息通信配置文件、系統(tǒng)服務(wù)啟動配置文件等一些關(guān)鍵配置文件，可以根據(jù)項(xiàng)目需求，靈活改變配置文件實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)關(guān)的項(xiàng)目應(yīng)用需求。

（3）應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境采用IsaGRAF，開發(fā)環(huán)境的輸出可選擇為C語言代碼或硬件無關(guān)代碼（TIC）。ISaGRAF虛擬機(jī)是一個功能強(qiáng)大的最優(yōu)的快速的控制機(jī)，它可執(zhí)行任何硬件控制器上的TIC。 應(yīng)用開發(fā)環(huán)境同時具有IEC 61499定義的開發(fā)分布式應(yīng)用的特征虛擬機(jī)，生成的目標(biāo)代碼運(yùn)行在Linux操作系統(tǒng)上。

圖4 網(wǎng)關(guān)架構(gòu)圖

2.2 應(yīng)用軟件架構(gòu)

TCN網(wǎng)關(guān)在應(yīng)用ISaGRAF開發(fā)程序的整個框架，如圖5所示。

圖5 ISaGRAF程序架構(gòu)

在硬件架構(gòu)下可以設(shè)置，例如：連接的目標(biāo)總線的網(wǎng)絡(luò)特性，目標(biāo)配置特性以及資源特性等參數(shù)。在鏈路架構(gòu)下可以定義可編程單元，主要使用FBD以及ST語言，同時可以使用LD、SFC以及IL和FC語言等實(shí)現(xiàn)程序的功能?？梢跃帉懞瘮?shù)或者函數(shù)模塊，這些模塊能夠應(yīng)用于子系統(tǒng)中或者任何的可編程單元中。目錄視圖下主要有定義的相關(guān)程序變量，應(yīng)用于函數(shù)或者函數(shù)模塊的參數(shù)以及定義或者導(dǎo)入的結(jié)構(gòu)體等。

實(shí)現(xiàn)通信的上層應(yīng)用程序包含初始化模塊，過程數(shù)據(jù)編組模塊，初運(yùn)行模塊以及數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。（1）初始化模塊主要包含看門狗初始化、MVB的初始化、WTB的初始化以及消息通信用的功能號初始化。通過MVB的初始化對TCN網(wǎng)關(guān)內(nèi)部的MVB總線上使用的端口進(jìn)行配置，并分配設(shè)備地址。通過WTB初始化配置初運(yùn)行幀數(shù)據(jù)，設(shè)置網(wǎng)關(guān)的工作模式以及WTB總線上的通信周期?？撮T狗初始化主要用于啟動硬件看門狗，在網(wǎng)關(guān)程序異常時復(fù)位網(wǎng)關(guān)。（2）過程數(shù)據(jù)編組模塊主要對WTB總線處于動態(tài)變化時，對MVB總線以及WTB總線上發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，在初運(yùn)行未完成時不調(diào)用數(shù)據(jù)收發(fā)模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行收發(fā)，在完成初運(yùn)行后解鎖數(shù)據(jù)的收發(fā)，保證網(wǎng)關(guān)在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時的正確性。（3）初運(yùn)行模塊主要實(shí)現(xiàn)對列車鑰匙占用檢測并觸發(fā)TCN網(wǎng)關(guān)內(nèi)部的UIC初運(yùn)行，計(jì)算UIC地址。（4）數(shù)據(jù)收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)MVB總線和WTB總線上的過程數(shù)據(jù)收發(fā)以及WTB總線上的消息數(shù)據(jù)的收發(fā)。

3 網(wǎng)絡(luò)平臺組網(wǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 列車網(wǎng)絡(luò)控制試驗(yàn)臺

為了驗(yàn)證TCN網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計(jì)的合理性以及可靠性，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下搭建了半實(shí)物仿真平臺對TCN網(wǎng)關(guān)的通信進(jìn)行測試。試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖6 半實(shí)物仿真試驗(yàn)臺

半實(shí)物仿真平臺由幾個對稱半列的設(shè)備構(gòu)成的最小單元、并由最小單元內(nèi)的TCN網(wǎng)關(guān)通過WTB總線互聯(lián)組成，每一個半列由TCN網(wǎng)關(guān)、中央控制單元、診斷顯示裝置等實(shí)物裝置、MVB/ETH網(wǎng)關(guān)和虛擬設(shè)備模型管理構(gòu)成的仿真主機(jī)組成模擬列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的一個最小單元內(nèi)的通信。由仿真主機(jī)對虛擬設(shè)備進(jìn)行建模管理并通過MVB/ETH網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)與中央控制單元的通信。

3.2 數(shù)據(jù)通信測試實(shí)驗(yàn)

3.2.1 過程數(shù)據(jù)通信測試

WTB總線上每個節(jié)點(diǎn)能夠發(fā)送的過程數(shù)據(jù)量128 byte，過程數(shù)據(jù)測試數(shù)據(jù)流，如圖7所示。

圖7 過程數(shù)據(jù)通信測試數(shù)據(jù)流

由中央控制單元CCU1通過發(fā)送過程數(shù)據(jù)到TCN網(wǎng)關(guān)1，TCN網(wǎng)關(guān)1接收到過程數(shù)據(jù)后對過程數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，并以過程數(shù)據(jù)的形式發(fā)送到WTB總線上，TCN網(wǎng)關(guān)2從WTB總線上以過程數(shù)據(jù)的形式接收，并將接收到的過程數(shù)據(jù)發(fā)送到中央控制單元CCU2上。

通過測試，兩個CCU發(fā)送的過程數(shù)據(jù)都能夠被對方接收到，WTB總線上的過程數(shù)據(jù)在一個通信周期內(nèi)即可完成接收，總線上的過程數(shù)據(jù)通信傳輸延時為一個總線通信周期。

3.2.2 消息數(shù)據(jù)通信測試

由于帶寬限制，消息數(shù)據(jù)通信時要以功能號進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間的通信，因此每個節(jié)點(diǎn)發(fā)送的消息數(shù)據(jù)包大小不超過119 byte的數(shù)據(jù)，否則會分包產(chǎn)生較大的數(shù)據(jù)通信延時。消息數(shù)據(jù)測試數(shù)據(jù)流，如圖8所示。

由中央控制單元CCU1通過發(fā)送過程數(shù)據(jù)到TCN網(wǎng)關(guān)1，TCN網(wǎng)關(guān)1接收到過程數(shù)據(jù)后對過程數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，并以消息數(shù)據(jù)的形式發(fā)送到WTB總線上，TCN網(wǎng)關(guān)2從WTB總線上以消息數(shù)據(jù)的形式接收，并將接收到的消息數(shù)據(jù)發(fā)送到中央控制單元CCU2上。

通過測試，兩個CCU發(fā)送的過程數(shù)據(jù)都能夠被對方接收到，WTB總線上的消息數(shù)據(jù)在一個通信周 期內(nèi)即可完成接收，總線上的消息數(shù)據(jù)通信傳輸延時為一個總線通信周期。

圖8 消息數(shù)據(jù)通信測試數(shù)據(jù)流

4 結(jié)束語

采用模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了WTB總線上的過程數(shù)據(jù)和消息數(shù)據(jù)通信的網(wǎng)關(guān)程序的開發(fā)，并在列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺下得到驗(yàn)證。該程序設(shè)計(jì)方式在降低WTB總線傳輸延時的情況下有效提高了WTB總線通信數(shù)據(jù)量，降低了程序開發(fā)的復(fù)雜度，提高了列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保證了列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性。