淺談基于以太網(wǎng)的地鐵門系統(tǒng)軟件通信模塊設(shè)計(jì)

摘 要：隨著工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用的日趨成熟和不斷推廣，地鐵門系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)也逐漸從RS485、HDLC、MVB及CANopen等轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)，以太網(wǎng)通信以其帶寬大、速度快，將成為未來(lái)地鐵通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)。本文探討了圍繞以太網(wǎng)通信的地鐵門系統(tǒng)軟件通信模塊設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：地鐵門系統(tǒng);以太網(wǎng)通信;維護(hù)

一、 地鐵門系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介

目前，地鐵門系統(tǒng)比較常見(jiàn)的MVB+CAN的主從通信方式逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐蕴W(wǎng)+CAN的主從通信方式和純以太網(wǎng)通信方式。之前的軟件無(wú)操作系統(tǒng)，現(xiàn)在要運(yùn)行在linux系統(tǒng)上。門系統(tǒng)軟件維護(hù)由之前主要用串口逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榇?以太網(wǎng)口或純以太網(wǎng)口。以太網(wǎng)通信是大勢(shì)所趨，有必要對(duì)通信模塊的設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。目前的以太網(wǎng)協(xié)議以TRDP協(xié)議為主，分為過(guò)程數(shù)據(jù)PD（Process Data）和消息數(shù)據(jù)MD（Message Data），與CANopen協(xié)議以及MVB協(xié)議中的過(guò)程數(shù)據(jù)和消息數(shù)據(jù)類似。過(guò)程數(shù)據(jù)主要傳輸實(shí)時(shí)性要求較高的數(shù)據(jù)，周期性傳輸，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度固定;消息數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不固定，根據(jù)需要傳輸。門系統(tǒng)與車輛的TRDP協(xié)議中，使用過(guò)程數(shù)據(jù)，在自身維護(hù)時(shí)，使用消息數(shù)據(jù)。

二、 以太網(wǎng)通信模塊設(shè)計(jì)

（一）以太網(wǎng)通信模塊總體設(shè)計(jì)

通信模塊軟件采用多線程設(shè)計(jì)：（1）線程1為主線程負(fù)責(zé)TRDP報(bào)文收發(fā);（2）線程2負(fù)責(zé)定時(shí)更新TRDP報(bào)文以及對(duì)接收到的報(bào)文進(jìn)行解析響應(yīng);（3）線程3負(fù)責(zé)響應(yīng)維護(hù)接口。難點(diǎn)主要有兩個(gè)方面：（1）以往采用MVB或CANopen通信時(shí)無(wú)操作系統(tǒng)，現(xiàn)在要移植TRDP協(xié)議棧并在linux系統(tǒng)上運(yùn)行;（2）以往門系統(tǒng)軟件維護(hù)通過(guò)串口完成，現(xiàn)在要通過(guò)以太網(wǎng)口完成，要進(jìn)行多線程的任務(wù)設(shè)計(jì)。

TRDP協(xié)議棧要進(jìn)行正常通信，必須先完成一系列配置工作，包括配置TRDP協(xié)議分配內(nèi)存空間，PD發(fā)送數(shù)據(jù)的周期、端口號(hào)以及目標(biāo)IP地址等。要完成這一系列的配置，有兩種方法，第一，通過(guò)修改源代碼實(shí)現(xiàn)，第二，通過(guò)XML配置文件實(shí)現(xiàn)。后者對(duì)于項(xiàng)目移植較為方便，便于提高開(kāi)發(fā)效率及開(kāi)發(fā)質(zhì)量，所以選擇XML配置文件實(shí)現(xiàn)TRDP協(xié)議棧的配置。

（二）面向車輛網(wǎng)絡(luò)的通信設(shè)計(jì)

將與車輛網(wǎng)絡(luò)之間的TRDP通信協(xié)議，存儲(chǔ)為XML配置文件，其信息包括通信com-id、通信數(shù)據(jù)集id、通信端口周期、通信默認(rèn)超時(shí)時(shí)間、目標(biāo)地址或組播地址以及數(shù)據(jù)集等。

軟件通過(guò)讀取存儲(chǔ)器中的XML配置文件，解析出通信參數(shù)，并根據(jù)預(yù)設(shè)在軟件中的外部編碼地址與IP地址的映射關(guān)系，計(jì)算出本設(shè)備的IP地址。軟件啟動(dòng)后，會(huì)調(diào)用配置模塊，對(duì)TRDP協(xié)議棧進(jìn)行配置，配置完成后即可進(jìn)行PD和MD通信。配置過(guò)程如下圖1（a）所示。

（1）tlc_init（）函數(shù)，對(duì)TRDP協(xié)議棧進(jìn)行初始化，包含對(duì)線程、套接字、內(nèi)存等子模塊的初始化工作。

（2）initMarshalling（）函數(shù)，對(duì)TRDP輔助組件Marshall初始化工作。讀取XML文件的應(yīng)用數(shù)據(jù)部分，并完成字節(jié)對(duì)齊工作。

（3）tlc_openSession（）函數(shù)，為網(wǎng)絡(luò)接口創(chuàng)建TRDP會(huì)話，創(chuàng)建成功后會(huì)返回會(huì)話句柄。

（4）tlp_subscribe（）函數(shù)，訂閱PD報(bào)文，為接收PD報(bào)文做準(zhǔn)備，通過(guò)訂閱指定的ComId和IP地址。

（5）tlp_publish（）函數(shù)，發(fā)布PD報(bào)文，為發(fā)布PD報(bào)文做準(zhǔn)備，完成配置后，協(xié)議棧往指定的IP地址發(fā)布攜帶特定ComId的PD報(bào)文。

（6）tlm_addListener（）函數(shù)，訂閱MD報(bào)文，用于監(jiān)聽(tīng)TRDP協(xié)議棧接收MD報(bào)文。

（7）vos_semaCreate（）函數(shù)，創(chuàng)建信號(hào)量，用于線程間交換信息。

（8）vos_mutexCreate（）函數(shù)，創(chuàng)建互斥量，保護(hù)共享資源的數(shù)據(jù)完整性。

（9）配置模塊完成所有配置工作后，配置完成標(biāo)志finishTauInit置位。

進(jìn)入主循環(huán)流程后，通過(guò)調(diào)用tlc_getInterval（）函數(shù)獲取過(guò)程數(shù)據(jù)端口之間的最大延時(shí)，將返回值以timeval結(jié)構(gòu)體類型變量tv返回，并與通信協(xié)議允許的最大延時(shí)做比較，避免數(shù)據(jù)異常產(chǎn)生的數(shù)據(jù)超范。調(diào)用select（）函數(shù)并在tv時(shí)間內(nèi)阻塞線程，直到阻塞時(shí)間到或監(jiān)控到相應(yīng)的文件描述符滿足條件。調(diào)用tlc_process（）函數(shù)，該函數(shù)會(huì)通過(guò)調(diào)用trdp_pdSendQueued（）函數(shù)和trdp_pdHandleTimeOuts（）函數(shù)對(duì)過(guò)程數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收超時(shí)的隊(duì)列進(jìn)行響應(yīng)處理。待發(fā)送的TRDP數(shù)據(jù)通過(guò)其他線程調(diào)用tlp_put（）函數(shù)更新到相應(yīng)的發(fā)送隊(duì)列中，并在tlc_process（）函數(shù)中發(fā)送出去。如下圖1（b）所示。

（三）面向門系統(tǒng)維護(hù)軟件的通信設(shè)計(jì)

門系統(tǒng)維護(hù)軟件發(fā)起的請(qǐng)求包括門狀態(tài)顯示、參數(shù)配置、故障下載、故障清除及軟件下載等。這部分功能用私有接口協(xié)議。由于門系統(tǒng)維護(hù)軟件發(fā)起的請(qǐng)求是非周期性的請(qǐng)求，請(qǐng)求類型也不確定，這主要取決于使用者何時(shí)操作了維護(hù)軟件以及操作了維護(hù)軟件上哪一個(gè)按鈕，因此維護(hù)軟件接口采用TRDP的消息數(shù)據(jù)協(xié)議。

當(dāng)以太網(wǎng)應(yīng)用軟件接收到維護(hù)軟件的消息數(shù)據(jù)后，激活MD回調(diào)函數(shù)，回調(diào)函數(shù)會(huì)判斷消息類型，并根據(jù)消息類型進(jìn)行相應(yīng)的處理，同時(shí)調(diào)用VOS模塊中的信號(hào)量函數(shù)vos_semaGive（），激活被掛起的維護(hù)接口響應(yīng)線程。當(dāng)維護(hù)接口響應(yīng)線程接收到回調(diào)函數(shù)的信號(hào)量重新恢復(fù)運(yùn)行;調(diào)用vos_mutexLock（）函數(shù)對(duì)共享資源上互斥鎖，處理結(jié)束后解除對(duì)共享資源的互斥鎖，釋放共享資源。軟件流程圖如圖1（b）所示。

三、 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)室將安裝有車輛網(wǎng)絡(luò)模擬軟件的筆記本電腦與門系統(tǒng)控制器用以太網(wǎng)線連接起來(lái)，將門系統(tǒng)控制器接上外部地址編碼線后，接通110V直流電源，同時(shí)啟動(dòng)車輛網(wǎng)絡(luò)模擬軟件。通過(guò)安裝在筆記本電腦上的wireshark軟件，抓取以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包如下圖所示。IP地址為10.0.1.18的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備發(fā)送的TRDP PD數(shù)據(jù)的組播地址為239.255.0.1，IP地址為 10.0.1.60 的門系統(tǒng)發(fā)送的TRDP PD數(shù)據(jù)的組播地址為 239.255.1.60。二者之間可以建立有效的TRDP通信。

四、 結(jié)語(yǔ)

本文實(shí)現(xiàn)了基于以太網(wǎng)通信的軟件通信模塊設(shè)計(jì)并用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。隨著以太網(wǎng)應(yīng)用的普及推廣，門系統(tǒng)的一些軟件維護(hù)工作會(huì)逐步地全部轉(zhuǎn)移到以太網(wǎng)接口上實(shí)現(xiàn)，并借助5G網(wǎng)絡(luò)或車地網(wǎng)絡(luò)，更輕松地開(kāi)展維護(hù)工作。

作者簡(jiǎn)介：

姚茂軍，南京康尼電子科技有限公司。