基于TRDP 的CCU 模擬軟件設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘要：隨著列車控制系統(tǒng)的智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，列車實(shí)時以太網(wǎng)TRDP由于其傳輸速率可達(dá)到100Mb/s，已逐漸替代速率1～1.5Mb/s的WTB和MVB網(wǎng)絡(luò)，成為高速動車組的控制網(wǎng)絡(luò)。在列車實(shí)時以太網(wǎng)中，列車中央控制單元CCU作為最關(guān)鍵的核心部件，負(fù)責(zé)列車的通信、過程控制及顯示控制的管理。文章介紹了一種基于TRDP網(wǎng)絡(luò)的CCU模擬軟件的設(shè)計(jì)方法，用于與車載子系統(tǒng)通信，以滿足調(diào)試需求。該軟件基于C語言編寫，具有簡單易學(xué)、可移植性高、模塊化、結(jié)構(gòu)化的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：C語言；列車中央控制系統(tǒng)；TRDP協(xié)議；模擬軟件

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）27-0062-04

0 引言

列車設(shè)備接入列車控制網(wǎng)絡(luò)前均需要對自身設(shè)備的功能進(jìn)行調(diào)試，這就需要CCU實(shí)物以提供地面測試。對CCU的研究有基于IsaGRAF應(yīng)用程序的模擬CCU串口通信的軟件設(shè)計(jì)[1]，有基于MVB的城軌車輛CCU 設(shè)計(jì)[2]。對TRDP 的調(diào)試之前有相關(guān)研究抓取TRDP報(bào)文進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的軟件[3]，但著重在于數(shù)據(jù)分析而沒有進(jìn)行交互控制。本文提供一種基于C語言的模擬CCU軟件對子系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，用于在車輛總裝前對子系統(tǒng)設(shè)備提供地面驗(yàn)證，節(jié)約調(diào)試成本。軟件可部署于個人電腦，通過以太網(wǎng)連接子系統(tǒng)，控制以太網(wǎng)發(fā)送TRDP報(bào)文與子系統(tǒng)通信，并模擬列車CCU列車設(shè)備的調(diào)度和調(diào)試，對調(diào)試列車設(shè)備有重要的意義。

本文首先對列車實(shí)時以太網(wǎng)協(xié)議TRDP進(jìn)行介紹，然后詳細(xì)介紹了CCU模擬軟件設(shè)計(jì)開發(fā)過程，包括TRDP協(xié)議移植、通信參數(shù)的配置、組播的加入、過程數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)的實(shí)時顯示、用戶界面設(shè)計(jì)、子系統(tǒng)部件狀態(tài)監(jiān)視、故障記錄等。最后，通過搭載地面半實(shí)物平臺與車載受電弓控制單元通信，驗(yàn)證了CCU模擬軟件開發(fā)的正確性、實(shí)用性。

1 列車實(shí)時以太網(wǎng)協(xié)議TRDP 介紹

TRDP協(xié)議棧基于傳統(tǒng)以太網(wǎng)架構(gòu)，數(shù)據(jù)鏈路層采用Ethernet以太網(wǎng)協(xié)議，傳輸層使用TCP/UDP協(xié)議進(jìn)行傳輸，過程數(shù)據(jù)和消息數(shù)據(jù)都可使用UDP發(fā)送[4]。過程數(shù)據(jù)是實(shí)時周期性數(shù)據(jù)，用于列車關(guān)鍵控制和列車狀態(tài)信息的傳輸，是CCU模擬軟件需要的數(shù)據(jù)；消息數(shù)據(jù)是實(shí)時非周期性數(shù)據(jù)，不用于控制。圖1為TRDP協(xié)議棧架構(gòu)圖。

IEC61375-2-3協(xié)議定義了TRDP過程數(shù)據(jù)通信單元PDU的組成，報(bào)文頭部長度為40個字節(jié)，如圖2 所示。

TRDP過程數(shù)據(jù)通信單元報(bào)文頭包括報(bào)文計(jì)數(shù)器SequenceCounter，根據(jù)協(xié)議SequenceCounter需要在發(fā)送過程保持累加，另外還包括協(xié)議版本ProtocolVer?sion、信息類型MsgType、通信標(biāo)識符ComID、數(shù)據(jù)長度DatasetLength、報(bào)頭校驗(yàn)和HeaderFCS等。

每個TRDP通信都使用一個通信標(biāo)識符（comID） ，該comID在每個PDU報(bào)頭中傳輸。comID是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的唯一標(biāo)識符，由用戶自行定義，為大于999 的整數(shù)值。

緊跟報(bào)文頭的是后續(xù)數(shù)據(jù)，長度最長為1 432字節(jié)的用戶數(shù)據(jù)。

2 軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)

2.1 開發(fā)環(huán)境

軟件開發(fā)環(huán)境選用Windows系統(tǒng)社區(qū)版VS 2022 進(jìn)行編譯，采用MSVC編譯器，具有良好的兼容性、豐富的庫函數(shù)支持、高效的代碼優(yōu)化和方便調(diào)試的優(yōu)點(diǎn)。采用XAML窗口模式提供豐富的界面展示效果。

2.2 軟件結(jié)構(gòu)

軟件分為前臺和后臺程序。前臺程序包括用戶界面模塊、數(shù)據(jù)實(shí)時顯示模塊、故障記錄模塊。后臺程序包括網(wǎng)絡(luò)通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊，如圖3所示。

軟件主要執(zhí)行過程包括：TRDP協(xié)議的移植、UDP 連接建立、加入組播發(fā)送和接收進(jìn)程處理、前臺數(shù)據(jù)顯示、故障數(shù)據(jù)記錄。

2.3 軟件設(shè)計(jì)架構(gòu)圖

軟件整體架構(gòu)圖如圖4所示。

1） 軟件開始執(zhí)行后，對TRDP報(bào)文結(jié)構(gòu)進(jìn)行定義，通過UDP包形式采用符合TRDP報(bào)文結(jié)構(gòu)的方式對TRDP報(bào)文進(jìn)行封裝。

2） 列車以太網(wǎng)大多采用組播形式進(jìn)行報(bào)文收發(fā)。檢測到連接按鈕被點(diǎn)擊后，通過HMI界面的IP地址和組播地址建立連接并加入組播。此步驟通過調(diào)用C 語言標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)進(jìn)行。

3） 建立收發(fā)線程。通過創(chuàng)建線程，建立UDP數(shù)據(jù)發(fā)送線程以及UDP數(shù)據(jù)接收線程：

public MainWindow（） //主窗口創(chuàng)建

{

InitializeComponent（）; //初始化

udpRecvThread = new Thread（UdpRecv）; //UDP接收線程建立

udpRecvThread. IsBackground = true; //UDP 接收線程設(shè)為后臺

udpRecvThread.Start（）; //UDP 接收線程開啟

udpSendThread = new Thread（UdpSend）; //UDP 發(fā)送線程建立

udpSendThread.IsBackground = true; //UDP 發(fā)送線程設(shè)為后臺

udpSendThread.Start（）; //UDP 發(fā)送線程開啟

}

4） 顯示到看板。建立委托，將接收進(jìn)程里面的數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行解析，根據(jù)協(xié)議位展示在看板中：

private void ShowTrainData（） //展示傳輸數(shù)據(jù)函數(shù)

{

this. Dispatcher. Invoke（new Action（（） => //建立委托

{

ShowTrainRecvData（）; //展示接收數(shù)據(jù)函數(shù)

}））;

}

3 模塊功能設(shè)計(jì)

3.1 TRDP 協(xié)議移植

根據(jù)TRDP協(xié)議定義，定義結(jié)構(gòu)體，將報(bào)文頭和數(shù)據(jù)按順序排列：

struct TRDP_PD_MSG

{

public UInt32 sequenceCounter; //消息序號計(jì)數(shù)器

public UInt16 protocolVersion; // 協(xié)議版本

public UInt16 msgType; // 消息類型

public UInt32 comId; // 通信標(biāo)識符

public UInt32 etbTopoCnt; // ETB 拓?fù)溆?jì)數(shù)器

public UInt32 opTrnTopoCnt; //Optrn拓?fù)溆?jì)數(shù)器

public UInt32 datasetLength; // 數(shù)據(jù)長度

public UInt32 reserved; // 預(yù)留

public UInt32 replyComId; // 已請求的通信標(biāo)識符

public UInt32 replyIpAddress; // 應(yīng)答IP地址

public UInt32 frameCheckSum; // 報(bào)頭校驗(yàn)和

[MarshalAs（UnmanagedType.ByValArray， SizeConst =1300）]

public Byte[] data;

}

而子系統(tǒng)與車輛間交互的數(shù)據(jù)均存放在data字節(jié)數(shù)組中。

3.2 組播的介紹以及加入和退出組播

列車以太網(wǎng)不是一對一的單點(diǎn)傳輸，CCU的公共信號（例如車速、時間等內(nèi)容）需要同時發(fā)送給車輛所有子部件，所以大多動車組均采用組播形式進(jìn)行發(fā)送。組播允許某個IP站點(diǎn)將一個報(bào)文一次發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)上指定的一組節(jié)點(diǎn)，只有該組內(nèi)的節(jié)點(diǎn)可以接收到組播報(bào)文，其他節(jié)點(diǎn)則不能收到[5]。子系統(tǒng)的發(fā)送組播和接收組播地址由列車制造廠商規(guī)定。因此，子系統(tǒng)須加入發(fā)送組播和接收組播組來與CCU進(jìn)行通信。

軟件通過引用標(biāo)準(zhǔn)庫中的兩個庫函數(shù)進(jìn)行加入組播和退出組播操作。

using System.Net;

using System.Net.Sockets; 加入組播庫函數(shù)

public void JoinMulticastGroup（IPAddress multi?castAddr） 退出組播庫函數(shù)

public void DropMulticastGroup（IPAddress multi?castAddr）

3.3 連接建立

在軟件建立連接過程中，通過綁定IP地址、端口號、目標(biāo)組播地址，初始化ComID，初始化TRDP報(bào)文頭，加入組播等操作建立模擬CCU軟件和子系統(tǒng)設(shè)備的連接。本文示例發(fā)送的ComID設(shè)置為21304，IP地址為看板中輸入的IP地址。

.private void connectBtn_Click（object sender， Rout?edEventArgs e） //按鍵響應(yīng)函數(shù)

{……

IPAddress localIpAddr = IPAddress. Parse（localIP.Text）; //目的IP地址綁定

localPoint = new IPEndPoint（localIpAddr， int.Parse（localPort.Text））; //端口綁定

udpClient = new UdpClient（localPoint）; //本地端口設(shè)置

IPAddress recvMultIpAddr = IPAddress.Parse（recv?MultIP.Text）;//接收組播地址

jSs6SGAcbZckayEC5TIELQ==recvMultiPoint = new IPEndPoint（IPAddress.Any， 0）;// 接收組播端口

udpRecvClient.JoinMulticastGroup（recvMultIpAddr）;//加入接收組播

sendPdMsg. protocolVersion= PP_HTONS（0x0100）;//TRDP報(bào)文頭的協(xié)議版本

sendPdMsg. msgType=PP_HTONS（0x5064）; //TRDP 報(bào)文頭的消息類型

sendPdMsg.comId=PP_HTONL（21304）; //TRDP 報(bào)文頭的COMID

sendPdMsg.datasetLength=PP_HTONL（1300）; //TRDP 報(bào)文頭的數(shù)據(jù)長度

……

}

3.4 根據(jù)通信協(xié)議進(jìn)行通信

連接建立完成后，通過子系統(tǒng)與車輛的協(xié)議內(nèi)容，在看板中展示各類收發(fā)數(shù)據(jù)，包括數(shù)值信號、開關(guān)量信號、故障信號等內(nèi)容。通過int、Byte、Word型變量展示數(shù)值信號，通過bool型變量展示開關(guān)量信號和故障信號，如圖5所示。

3.5 HMI 看板展示

軟件的看板規(guī)劃如下：分為左側(cè)控制區(qū)和右側(cè)展示區(qū)，展示區(qū)分為車輛發(fā)送與車輛接收。發(fā)送和接收的內(nèi)容均能根據(jù)具體協(xié)議自主定義。本示例為列車受電弓控制器與列車CCU通信模擬，如圖6所示。

3.6 故障記錄功能

軟件具有與列車司機(jī)室顯示屏相同的故障記錄功能，通過定義兩個故障清單，展示當(dāng)前故障（cur?rentlist） 和歷史故障（historylist） 。通過接收報(bào)文的故障位從0跳變?yōu)?展示在當(dāng)前記錄中，從1變?yōu)?則將當(dāng)前記錄轉(zhuǎn)移到歷史記錄中。故障產(chǎn)生與消除時均加入時間戳，以準(zhǔn)確記錄故障持續(xù)時間。

以接觸網(wǎng)超范圍故障為例，如果是從0變?yōu)?，則判斷當(dāng)前故障清單currentlist中是否已有此故障，如有則無須操作，如沒有則增加到當(dāng)前故障清單。如果是從1變?yōu)?，則將當(dāng)前故障清單中故障移除，添加到歷史故障清單。如圖7所示。

4 軟件效果驗(yàn)證

4.1 測試環(huán)境搭建

選用車載受電弓控制器作為被測設(shè)備，以太網(wǎng)連接測試電腦和被測設(shè)備。測試電腦運(yùn)行CCU模擬軟件，發(fā)送控制報(bào)文，接收被測設(shè)備報(bào)文。

4.2 測試工具

采用Wireshark軟件對TRDP數(shù)據(jù)進(jìn)行抓包，以檢測軟件執(zhí)行情況。打開電腦Wireshark軟件，對TRDP 報(bào)文進(jìn)行過濾接收，可監(jiān)測到模擬CCU和子系統(tǒng)設(shè)備雙方報(bào)文正確發(fā)送，ComID設(shè)置正確，如圖8所示。

4.3 測試結(jié)果分析

現(xiàn)場對設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，記錄調(diào)試軟件交互報(bào)文和展示界面正確。通過分析報(bào)文進(jìn)一步驗(yàn)證了軟件通信功能的正確性，CCU軟件發(fā)送升降弓指令后，受電弓正確進(jìn)行動作。這表明軟件具備模擬CCU的TRDP 報(bào)文收發(fā)功能，滿足設(shè)計(jì)預(yù)期。

5 結(jié)束語

本文針對目前列車子部件接入列車實(shí)時以太網(wǎng)調(diào)試的問題，通過TRDP報(bào)文收發(fā)、組播的加入、協(xié)議位的展示、人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)等方面，模擬了CCU 與子系統(tǒng)設(shè)備的通信，為子系統(tǒng)地面測試提供了條件，并對軟件功能進(jìn)行了測試，滿足子系統(tǒng)調(diào)試要求。目前通過此軟件測試的受電弓控制器已安裝在CR400AF以及CR400BF動車組，大大節(jié)約了車輛聯(lián)合調(diào)試的時間，也減少了上車后的設(shè)備故障。此軟件能夠推及其他子系統(tǒng)部件，為列車調(diào)試節(jié)約時間及成本。

參考文獻(xiàn)：

[1] 黃瑜，朱紅崗.TCMS系統(tǒng)中CCU通信設(shè)計(jì)開發(fā)及驗(yàn)證[J].電子制作，2019，27（13）：42-44.

[2] 任寶兵.城軌車輛中央控制單元設(shè)計(jì)[D].大連：大連理工大學(xué)，2014.

[3] 郭文韜，李常賢，劉洋，等.基于TRDP的動車組單車網(wǎng)絡(luò)調(diào)試軟件設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2021，34（2）：21-23.

[4] 宮湛彭.列車網(wǎng)絡(luò)TRDP消息數(shù)據(jù)通信監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].大連：大連交通大學(xué)，2022.

[5] 唐嵐，張學(xué)智.IP組播通信機(jī)制及相關(guān)問題的研究[J].西安工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，20（3）：209-214.

【通聯(lián)編輯：謝媛媛】