杨晓东;杨东颖;孙永奎;曹源
【摘 要】目标控制器是下一代列控系统中重要的地面设备,它是轨旁信号设备的执行单元,控制信号设备的开关和转换,承担命令信息执行和信号设备状态采集的任务,其数据的正确传输对列车运行安全起着重要作用.针对下一代列车运行控制系统中分布式目标控制器特点和其通信需求,提出一种适用于分布式目标控制器通信子系统设计方法,并对设计的通信总线进行实验验证,实验结果表明,所设计的通信总线的通信时延能保持在20 ms以内,满足通信需求. 【期刊名称】《铁路计算机应用》
【年(卷),期】2018(027)005
【总页数】7页(P55-60,72)
直插led灯珠烟雾过滤器【作 者】杨晓东;杨东颖;孙永奎;曹源
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【作者单位】中车青岛四方机车车辆股份有限公司科技发展部,青岛 266111;北京交通大学电子信息工程学院,北京 100044;北京交通大学电子信息工程学院,北京 100044;北京交通大学轨道交通运行控制系统国家工程研究中心,北京 100044
【正文语种】中 文
【中图分类】U284.482:U285:TP39
为满足人们出行快速、便捷的需求，保证安全性和运输效率的同时，提高对于多种系统运行平台的兼容性，针对下一代列控系统的研究已经展开[1]。作为道岔、信号机等信号设备的执行单元，列控目标控制器（OC，Object Controller）是列控系统研究工作的关键部分。
OC是室外信号设备的执行单元，由分散的电子接口模块组成，是连接上层计算机与室外信号设备的一个桥梁，是保障列车安全高效行车的关键信号基础设备。在轨道交通领域，站场一般存在多个信号设备，需要多个OC相互协调，保证其与上层计算机安全实时通信[2]。
在文献[3]中，虽然研究与探讨了OC相关关键性问题，并进行研究与设计，但是对于多个OC的安全通信总线方面的问题，还未有相关研究。OC呈分布式特点，存在通信实时性以及通信效率等问题，并且其对通信要求高可靠、高安全，但目前存在的通信总线无法解决这些关键性问题。基于分布式特点，研究多OC的安全通信总线及其通信机制问题具有实际价值。多OC的最终目的就是为了实现对多个信号设备的安全可靠控制，在这种控制中，通过基于分布式的OC通信总线，使数据包能够实时并准确地从源节点送至目的节点，保障信号设备与上层安全计算机的安全可靠通信。 1 通信总线结构
1.1 目标控制器
在下一代列控系统中，OC是信号机、道岔等信号设备的执行单元，设置在信号设备附近，沿轨旁呈分布式结构。
OC实时采集信号设备的状态信息，并通过安全计算机传递到联锁计算机，通过计算处理将进路办理命令通过安全计算机传递给布置在轨旁的OC，控制信号机、道岔的转换和开放[3]。
1.2 通信网络结构
总线结构应当确保在节点掉电和节点故障的情况下不会影响总线控制器与其他节点之间的通信[4]，本文采用总线型拓扑结构。由于总线用于固定的OC内，具有固定的网络拓扑结构和设备地址，且拓扑结构为总线型，采用共享方式传输总线数据，列车总线必须有且只有一个主OC控制网络数据通信和介质分配。考虑到总线网络的可靠性，总线上可有多个冗余主OC，但在总线轮回周期时间内，只能有一个主OC是控制网络的数据通信和介质分配，其他备用的主OC在总线中完成从设备的功能。总线管理器之间采用令牌算法进行切换管理总线。OC与列车通信网络拓扑结构如图1所示。
图1 OC与列车通信网络拓扑结构
通信总线采用时间触发[5-7]的方式，主OC将每一个轮回时间划分为固定的时间片，即基本周期。为了保证通信的实时性，一个周期的时间要求尽量短，并且能够支持发送紧急数据。
本文制定了线路冗余以及主设备冗余两种冗余方案以达到容错的目的。
（1）OC同步发送出相同的数据在两条路线上，但是它只从其中的一条线路上接收数据，同时监视另一条线路。这两条线路在一定的情况下可以进行切换。
（2）主设备的冗余描述了从几个总线管理器中选择一个作为主设备在轮回周期内对总线的控制。系统在初始化时根据主权转移协议采用一个总线管理器作为主设备，其余处于备用主设备状态。每个总线管理器内都包含一个总线配置的数据结构，总线配置由一个实现索引来确定，同时该总线配置的数据结构是以令牌的传递来排序。
2 通信总线设计
2.1 总线分层与协议设计
根据OC的通信需求，可将时间触发总线的结构分为OC管理层、驱动层、链路层、物理层4个分层模型，如图2所示。OC管理层将逻辑控制单元的应用数据封装成帧，实现按帧透明传输；驱动层将逻辑处理单元的数据通过不同的通信实现方式传输给总线；数据链路层主要负责将链路层数据帧正确传输给对应的总线对象，包括时间触发机制、组帧和解帧、字符转义、差错控制；物理层负责实际数据传输，根据实际物理引线，通过操作时钟线和数据线实现数据收发。
图2 OC分层结构
为实现OC管理层能对总线进行统一操作，需要设计一个OC应用协议（OCAP，Object Controller Application Protocol）。OC管理层待服务用户需要总线通信服务时，利用OC应用协议组OCAP数据帧后，再由驱动层将数据传输给总线链路层。总线控制单元根据目的地址将数据帧传输到对应的节点，并交付给OC管理层，完成一次数据通信。山体滑坡监测
OC管理层协议实现了总线上设备之间的通信透明传输。OC传输的数据具有非固定长度的短报文的特性，因此OCAP数据段适宜采用变长方式，以及短报文方案设计（256 byte），整体定义如表1所示。
表1 OCAP格式
字段解释：
（1）帧序号（16 bit）：分组序号，按1递增，无分组默认为0x01；
（2） 目的地址（16 bit）：目标地址，识别目的接收方；根据OC的数量选择8 bit，留有余量；
（3） 源地址（16 bit）：数据发送者的地址；
（4） 周期号（16 bit）：用于识别进行的周期数；
（5） 类型信息（8 bit）：用于识别协议信息所表达类型；单元测试流程
（6） 应用属性（8 bit）：表示所属应用数据属性，如是否携带数据等。其他位预留，第1位表示当前应用类型是否有应用数据，1是，0否；
（7） 帧长度（8 bit）：数据长度，不包括两字节的校验和；
（8） 数据段（变长）：将要发送的数据，大小在0～230 Byte；
（9） 校验和（16 bit）：使用校验和对要数据进行校验。
链路层实现时间触发通信总线核心部分，包括时间触发机制管理、主从控制逻辑、时钟同步、差错控制、调度等。
链路安全通信协议满足时间触发总线设计需求的链路层通信协议，用于完成通信总线通信设备之间数据安全可靠通信。设计的数据链路安全协议帧格式如表2所示。
协议字段说明：
（1） 起始位（8 bit）：帧0x02，表示该帧开始标识；
表2 链路层协议格式
（2） 帧长度（8 bit）：表示该数据段长度；
（3） 目的地址（8 bit）：表示该帧是属于哪个通信对象；
（4） 应答序号（8 bit）：应答已接受到的帧的序号，用于差错重传；
（5） 帧序号（8 bit）：标识数据帧唯一性；
（6） 控制信息（8 bit）：携带一些属性信息；
（7） 源地址（8 bit）：表示该数据帧发送对象；
（8） 时间戳（16 bit）：用于时钟同步的计时时间；
（9） 数据段：长度变长，需要传输的上层数据；
（10） 校验码（16 bit）：检验码采用CRC-CCITT标准码，多项式表示0x11021；
（11） 帧尾（8 bit）：帧尾0x03，表示该帧结束。
2.2 总线时间同步设计
采用局部时钟和全局时钟相结合方式，在主控节点的发送周期内，各从节点同步于主控节点；在从节点的发送周期内，各个节点以自身时钟为基准。本文在总线上实现从节点时钟同步于主节点时钟。在微周期的同步时隙内，主节点向总线广播带有主节点时间戳的同步信息，并且带有在此微周期内传输的从节点的ID信息，所有的从节点（OC）被动接受这些同步信息。其中，在此微周期内传输的从节点，接收到主节点发送的同步时钟报文后，发送同步反馈报文给主节点；主节点收到从节点的同步反馈报文后，计算内总线网络延时delay，并将delay值发送给从节点；从节点收到delay值后，通过delay值校正时钟，然后通过delaynew=[delaylast×(n–1)+delay]/n得到新的delay值，并保存新的delay值。而其它从节点，根据之前保存的delay值，调整局部时钟，使之同步于主时钟。
delay值的计算如式（1）[8]：
式中，t1为主节点发送同步报文中的时间戳（s）；t2为从节点接收同步时钟报文时的时钟读数（s）； t3为从节点发送同步反馈报文中的时间戳（s）；t4为主节点接收到同步反馈报文时的时钟读数（s）。
从节点时钟t从调整算式如式（2）：
式中：t主为主控节点发送的同步报文的时间，即时间戳的值(s)； delay为之前所计算的内总线网络延迟时间(s)。
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