基于MVB 與以太網(wǎng)冗余通信的司機(jī)顯示單元數(shù)據(jù)同步設(shè)計(jì)

饒?zhí)熨F，王 雨，張 義

（株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

當(dāng)前機(jī)車網(wǎng)絡(luò)通信多采用多功能車輛總線（multifunction vehicle bus，MVB）與以太網(wǎng)冗余設(shè)計(jì)模式［1‐4］，在整車控制網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)控制模塊與輸入輸出單元、司機(jī)顯示單元（driver display unit，DDU）及事件記錄單元等均采用MVB 與以太網(wǎng)冗余連接。任意時(shí)刻，在MVB與以太網(wǎng)中傳送的數(shù)據(jù)均保持一致。一旦有網(wǎng)絡(luò)通信線路發(fā)生故障，可進(jìn)行通信線路自動(dòng)切換。

動(dòng)力集中列車中，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中兩個(gè)司機(jī)顯示單元的軟硬件完全一致，差別僅在于默認(rèn)顯示主界面不同，因此兩個(gè)顯示單元在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的地位完全一樣。行車過程中，一個(gè)顯示單元被默認(rèn)為牽引顯示，其主界面顯示牽引狀態(tài)數(shù)據(jù)；另一顯示單元被默認(rèn)為制動(dòng)顯示，其主界面顯示制動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)。因?yàn)閮蓚€(gè)司機(jī)顯示單元完全冗余，所以要求兩個(gè)顯示單元任意時(shí)刻發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)控制單元的數(shù)據(jù)（包括脈沖信號、電平信號）完全一致。因此，司機(jī)在任一顯示單元中進(jìn)行數(shù)據(jù)設(shè)置操作后，該顯示單元利用現(xiàn)有的通信方式通知另一顯示單元進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，從而保證兩顯示單元數(shù)據(jù)時(shí)刻保持一致。

由于MVB 與以太網(wǎng)通信采用冗余設(shè)計(jì)且數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)存在各類繁雜要求（如各類型脈沖信號、電平信號數(shù)據(jù)交換），這增加了兩司機(jī)顯示單元數(shù)據(jù)同步發(fā)送的復(fù)雜性。由于設(shè)計(jì)方法采用MVB與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)獨(dú)立處理的方式，且目前同步處理方法不完善，導(dǎo)致經(jīng)常出現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)解析處理錯(cuò)誤及脈沖信號同步成電平信號的情況。為此，本文提出一種新的MVB與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信冗余設(shè)計(jì)方法（包括數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送的冗余處理），其將MVB與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，有效防范數(shù)據(jù)解析錯(cuò)誤；同時(shí)提出在數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)針對脈沖與電平信號采用不同的處理方法，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步，該處理方法降低了數(shù)據(jù)同步難度，提升了數(shù)據(jù)同步的正確率。

1 MVB與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)冗余處理

1.1 原設(shè)計(jì)方法

MVB 數(shù)據(jù)交換與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交換是各自獨(dú)立處理的。MVB通信直接調(diào)用底層封裝函數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，整個(gè)過程較為簡單。以太網(wǎng)數(shù)據(jù)處理方法如圖1所示。在獲取以太網(wǎng)數(shù)據(jù)后，根據(jù)協(xié)議定義數(shù)據(jù)在以太網(wǎng)數(shù)組中的偏移結(jié)構(gòu)體，然后根據(jù)具體偏移進(jìn)行數(shù)據(jù)解析。既往機(jī)車整車控制網(wǎng)絡(luò)中，由于沒有建立MVB端口與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的一一映射關(guān)系，所以經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)偏移計(jì)算錯(cuò)誤的情況。

圖1 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)獨(dú)立處理方法Fig. 1 Independent processing method of Ethernet data

1.2 新設(shè)計(jì)方法

新的通信系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)方法，保證了MVB 與以太網(wǎng)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)完全一致。MVB 通信采用端口形式進(jìn)行定義，端口根據(jù)其配置的F_CODE 值決定存儲(chǔ)區(qū)域大小。F_CODE 值一般配置為4，一個(gè)端口號對應(yīng)一個(gè)32 字節(jié)的存儲(chǔ)區(qū)域。在數(shù)據(jù)接收和發(fā)送時(shí)，只須知道當(dāng)前數(shù)據(jù)變量所在的端口號及其在32 字節(jié)中的偏移（字節(jié)變量采用字節(jié)偏移、位變量需采用字節(jié)偏移與在該字節(jié)中的位偏移），便可訪問該變量。

以太網(wǎng)通信數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送一般采用char型數(shù)組，并且一幀包含多個(gè)端口數(shù)據(jù)。建立端口與以太網(wǎng)通信數(shù)據(jù)的一一映射（圖2）后，只需將MVB通信函數(shù)重載，就可保證以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送方式與MVB的完全相同，從而防止以太網(wǎng)數(shù)據(jù)解析因煩瑣而產(chǎn)生錯(cuò)誤。在函數(shù)調(diào)用時(shí)，只存在端口號的差異，其他參數(shù)（如偏移）則完全一樣，這樣可有效防止因以太網(wǎng)數(shù)據(jù)獲取方式與MVB 的不一致而導(dǎo)致的錯(cuò)誤，也可為后續(xù)MVB與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)同步做好前期預(yù)處理。

圖2 以太網(wǎng)與MVB 數(shù)據(jù)映射關(guān)系圖Fig. 2 Mapping diagram of Ethernet data and MVB data

將以太網(wǎng)接收的數(shù)據(jù)直接拷貝到對應(yīng)以太網(wǎng)映射端口數(shù)組指針?biāo)赶虻牡刂分腥?，即可建立以太網(wǎng)與MVB 的數(shù)據(jù)映射關(guān)系，其示例代碼如圖3 所示。

圖3 映射建立的示例代碼Fig. 3 Sample code by map building

建立映射關(guān)系之后，MVB通信與以太網(wǎng)通信采用的通信函數(shù)示例如下：

（1）MVB通信函數(shù)，包括字節(jié)獲取函數(shù)和字節(jié)寫入函數(shù)。

get_uchar（int port_num，int ofs_byte）//字節(jié)獲取函數(shù)，其中，port_num為端口號，ofs_byte為變量在32字節(jié)中的偏移。

put_uchar（int port_num，int ofs_byte，unsigned char value）//字節(jié)寫入函數(shù)，其中，port_num 為端口號，ofs_byte 為變量在32 字節(jié)中的偏移，value 為寫入的數(shù)值。

（2）以太網(wǎng)通信函數(shù)，包括字節(jié)獲取函數(shù)和字節(jié)寫入函數(shù)。

get_uchar（char *rdp_port，int ofs_byte）//字 節(jié) 獲取函數(shù)，其中，rdp_port 為端口映射指針，ofs_byte 為變量在32字節(jié)中的偏移。

put_uchar（char *rdp_port，int ofs_byte，unsigned char value）//字節(jié)寫入函數(shù)，rdp_port 為端口映射指針，其中，ofs_byte 為變量在32 字節(jié)中的偏移，value為寫入的數(shù)值。

為進(jìn)一步優(yōu)化MVB與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交換函數(shù)，在通信冗余時(shí)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信優(yōu)先信號進(jìn)行數(shù)據(jù)選擇，對MVB函數(shù)與以太網(wǎng)函數(shù)進(jìn)一步封裝。將以太網(wǎng)映射端口與MVB 端口用結(jié)構(gòu)體數(shù)組存儲(chǔ)，并采用宏定義為MVB與以太網(wǎng)的映射端口建立唯一的宏索引（圖4）。因此，傳遞端口信息只傳遞其宏索引，不必考慮當(dāng)前的通信方式，也無須同時(shí)調(diào)用MVB與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交換函數(shù)，使函數(shù)調(diào)用更加簡便。

圖4 端口映射與宏索引的對應(yīng)關(guān)系Fig. 4 Correspondence between port mapping and macro index

端口索引配置數(shù)組結(jié)構(gòu)信息如下：

配置宏索引的數(shù)據(jù)交換函數(shù)示例如下：

（1）getUchar（int index，int ofs_byte，int commType）//字節(jié)獲取函數(shù)，其中，index為端口索引序號，ofs_byte為變量在32 字節(jié)中的偏移，commType 為通信冗余篩選信號（MVB或以太網(wǎng)）。

（2）putUchar（int index，int ofs_byte，unsigned char value，int commType）//字節(jié)寫入函數(shù)，index為端口索引序號，ofs_byte為變量在32字節(jié)中的偏移，commType 為通信冗余篩選信號（MVB或以太網(wǎng)）。

將MVB與以太網(wǎng)通信進(jìn)行歸一化處理，在進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，所需解析或者發(fā)送的數(shù)據(jù)在以太網(wǎng)接收數(shù)組中的具體偏移只需參考MVB 協(xié)議，保持與MVB 通信一致即可。

新的設(shè)計(jì)方法在函數(shù)內(nèi)部通過通信冗余篩選信號方式自動(dòng)完成對當(dāng)前信賴的通信方式的篩選（即當(dāng)前是信賴MVB還是以太網(wǎng)數(shù)據(jù)），有效避免了由于以太網(wǎng)數(shù)據(jù)數(shù)組較大而出現(xiàn)偏移計(jì)算錯(cuò)誤所導(dǎo)致的數(shù)據(jù)解析錯(cuò)誤。在新項(xiàng)目的應(yīng)用中，只需修改MVB與以太網(wǎng)映射關(guān)系所建立的部分代碼，即可完成MVB與以太網(wǎng)的一一映射配置，而其他通信部分代碼則無須更改即可直接重用，這樣提升了開發(fā)效率。

2 脈沖信號、電平信號發(fā)送

2.1 原設(shè)計(jì)方法

原設(shè)計(jì)方法中，脈沖信號發(fā)送［5‐8］未進(jìn)行統(tǒng)一處理。若發(fā)送脈沖信號，則定義該脈沖信號的周期計(jì)數(shù)變量，在該脈沖信號發(fā)送后（即在MVB對應(yīng)位寫入數(shù)據(jù)后）開始脈沖周期計(jì)數(shù)。當(dāng)周期計(jì)數(shù)達(dá)到該脈沖信號的周期后，再在MVB 對應(yīng)的位寫入0，自此完成脈沖信號的發(fā)送。由于對每個(gè)脈沖信號均須被單獨(dú)處理，因此，存在大量類似的代碼編寫工作，且無法直接兼容以太網(wǎng)通信條件下脈沖信號的發(fā)送。

2.2 新設(shè)計(jì)方法

當(dāng)司機(jī)在司機(jī)顯示單元設(shè)置數(shù)據(jù)后，所設(shè)置的數(shù)據(jù)將以脈沖或者電平形式發(fā)給網(wǎng)絡(luò)控制單元。脈沖信號類型包括位脈沖、字節(jié)脈沖和字脈沖。由于脈沖信號可能存在脈沖寬度差異，為方便后續(xù)脈沖信號發(fā)送數(shù)據(jù)的同步處理，將脈沖信號進(jìn)行統(tǒng)一管理，建立相應(yīng)的脈沖發(fā)送結(jié)構(gòu)數(shù)組，并為每個(gè)脈沖建立唯一的索引號。脈沖信號發(fā)送流程如圖5所示。

圖5 脈沖信號處理流程Fig. 5 Flow chart of pulse signal processing

脈沖結(jié)構(gòu)信息如下：

脈沖信號發(fā)送時(shí)采用脈沖鏈表（圖6）進(jìn)行處理。每發(fā)送一個(gè)脈沖，在脈沖鏈表中加入該脈沖發(fā)送信號；一旦脈沖信號發(fā)送周期到期，則從脈沖隊(duì)列中清除該脈沖信號。采用脈沖鏈表處理脈沖，可以實(shí)時(shí)獲取本地脈沖信息，對脈沖信號進(jìn)行統(tǒng)一管理。

圖6 脈沖鏈表Fig. 6 Pulse linked list

脈沖鏈表關(guān)鍵函數(shù)如下：

電平信號發(fā)送比較簡單，直接調(diào)用先前定義的putUchar等相關(guān)函數(shù)，即可完成數(shù)據(jù)的發(fā)送。

脈沖發(fā)送統(tǒng)一管理方式在后續(xù)項(xiàng)目中可以直接應(yīng)用，對脈沖信號進(jìn)行簡單配置，無須重復(fù)編碼，這樣可節(jié)省開發(fā)工作量。

3 脈沖信號、電平信號發(fā)送同步

3.1 原設(shè)計(jì)方法

原設(shè)計(jì)方法中［8‐14］，由于MVB與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交換未采用歸一化處理，將MVB與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)同步進(jìn)行獨(dú)立處理，并采用不同的處理方法，這增加了問題的復(fù)雜性。在數(shù)據(jù)同步時(shí)，原設(shè)計(jì)未將脈沖信號與電平信號同步分開處理，導(dǎo)致每次數(shù)據(jù)發(fā)送均須執(zhí)行一次同步操作，讀取對方端口所有信息，然后將讀取到的數(shù)據(jù)同步發(fā)送出去。由于端口所有數(shù)據(jù)是統(tǒng)一進(jìn)行處理的，因此無法處理周期變化的脈沖信號發(fā)送。另外，當(dāng)有脈沖信號發(fā)送時(shí)，若再發(fā)送其他脈沖信號，則須等待直至前面脈沖信號發(fā)送結(jié)束，無法連續(xù)發(fā)送脈沖信號。若兩個(gè)顯示單元不斷讀取對方的發(fā)送數(shù)據(jù)，程序則會(huì)陷入死循環(huán)，造成自身無法正常進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，也無法區(qū)分脈沖信號與電平信號?？梢?，原設(shè)計(jì)方法無法滿足當(dāng)前應(yīng)用場景的需求。

3.2 新設(shè)計(jì)方法

為有效處理數(shù)據(jù)發(fā)送信息同步問題，新設(shè)計(jì)方法采用主動(dòng)觸發(fā)方式。在兩個(gè)顯示單元分別配置信號同步端口，當(dāng)本地有數(shù)據(jù)同步發(fā)送的需求時(shí)，通過該端口發(fā)送脈沖信號通知對方讀取本顯示單元信息，另一端收到信號后讀取對方信息，完成數(shù)據(jù)發(fā)送，如圖7 所示。同步方式改為通知方式，區(qū)分處理脈沖與電平信號同步，有效解決了同步死循環(huán)問題。

圖7 數(shù)據(jù)同步示意Fig. 7 Schematic diagram of data synchronization

以DDU1 為例進(jìn)行同步設(shè)計(jì)說明。假設(shè)DDU1 中的源端口分別為0x30，0x31，0x32（以下簡稱1、2、3 號源端口），在DDU1 中配置源端口0x33 作為同步信號發(fā)送端口，該端口的第1和第2個(gè)字節(jié)用于電平信息同步，后面30 個(gè)字節(jié)用于脈沖信號同步，每位對應(yīng)一個(gè)脈沖發(fā)送標(biāo)識(shí)，該標(biāo)識(shí)與脈沖索引一一對應(yīng)。同步端口信息結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 同步端口信息結(jié)構(gòu)Fig.8 Structure of synchronization port information

當(dāng)DDU1 通過源端口0x30 發(fā)送常量數(shù)據(jù)時(shí)，在0x33端口的第1個(gè)字節(jié)發(fā)送脈沖信號1，通知DDU2此時(shí)DDU1中1號源端口存在電平信號需要同步。DDU2在收到此脈沖信號變化的檢測后，算法邏輯如下：

（1）從DDU1讀取1號源端口所有數(shù)據(jù)。

（2）根據(jù)脈沖配置信息，清除該端口中包含的所有脈沖信號，即脈沖對應(yīng)位置清零。

（3）若DDU2 中與DDU1 對應(yīng)的1 號源端口有脈沖信號正在發(fā)送（即在脈沖隊(duì)列中存在脈沖信息），則將脈沖隊(duì)列值填入DDU2中的該端口中。

（4）DDU2完成數(shù)據(jù)同步發(fā)送。

電平信號同步算法流程如圖9所示。

圖9 電平信號同步算法流程Fig. 9 Flow chart of level signal synchronization algorithm

若DDU1 發(fā)送脈沖索引為1 的脈沖，則在0x33端口bit 0 位發(fā)送脈沖信號，通知DDU2 此時(shí)DDU1發(fā)送了1 號脈沖，依次類推。此時(shí)DDU2 端算法邏輯如下：

（1）讀取0x33 脈沖發(fā)送標(biāo)志，檢測脈沖發(fā)送標(biāo)志位確定是否有脈沖信號發(fā)送。

（2）若檢測到有脈沖信號發(fā)送，則根據(jù)脈沖標(biāo)識(shí)與脈沖索引的對應(yīng)關(guān)系在脈沖配置數(shù)組中獲取脈沖信息，并根據(jù)脈沖的類型（位脈沖、字節(jié)脈沖、字脈沖）進(jìn)行區(qū)分處理。

（3）若為位脈沖，則直接發(fā)送脈沖信息；若為字節(jié)脈沖或字脈沖，則根據(jù)脈沖配置信息，首先獲取在DDU1 對應(yīng)的脈沖信息發(fā)送源端口中發(fā)送的值，然后填入DDU2 的脈沖配置信息中，再將脈沖信息發(fā)送出去。

脈沖信號同步算法流程如圖10所示。

圖10 脈沖信號同步算法流程Fig.10 Pulse signal synchronization algorithm flow

4 結(jié)語

動(dòng)力集中列車中，兩司機(jī)顯示單元數(shù)據(jù)同步發(fā)送時(shí)，常出現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)解析錯(cuò)誤及數(shù)據(jù)同步錯(cuò)誤情況。對此，文章提出一種基于MVB與以太網(wǎng)冗余通信的司機(jī)顯示單元數(shù)據(jù)同步設(shè)計(jì)方法。其將MVB與以太網(wǎng)通信進(jìn)行歸一化處理，針對現(xiàn)有的數(shù)據(jù)發(fā)送方法進(jìn)行改進(jìn)，適用于多種復(fù)雜的脈沖發(fā)送要求；同時(shí)，在改進(jìn)數(shù)據(jù)交換的方法基礎(chǔ)之上，實(shí)現(xiàn)了多司機(jī)顯示單元的數(shù)據(jù)同步。該設(shè)計(jì)方法已于2022年初開始在動(dòng)力集中雙源項(xiàng)目中進(jìn)行應(yīng)用，完成了廠內(nèi)及環(huán)鐵的各種試驗(yàn)調(diào)試與驗(yàn)證；目前，采用該方法的司機(jī)顯示單元已隨車投入試運(yùn)行。整個(gè)驗(yàn)證及試運(yùn)行環(huán)節(jié)中，各功能模塊無異常情況發(fā)生。結(jié)果表明，其有效地解決了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中司機(jī)顯示單元在MVB 與以太網(wǎng)冗余通信情況下的數(shù)據(jù)交互同步問題。

后續(xù)，該設(shè)計(jì)方法將被應(yīng)用到其他具備類似應(yīng)用場景的應(yīng)用項(xiàng)目中，且無須重復(fù)編碼，只進(jìn)行簡單配置即可。