分布式列控目標(biāo)控制器通信總線的研究

楊曉東，楊東穎，孫永奎，曹 源

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司 科技發(fā)展部，青島 266111；2.北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100044；3.北京交通大學(xué) 軌道交通運行控制系統(tǒng)國家工程研究中心，北京 100044）

為滿足人們出行快速、便捷的需求，保證安全性和運輸效率的同時，提高對于多種系統(tǒng)運行平臺的兼容性，針對下一代列控系統(tǒng)的研究已經(jīng)展開[1]。作為道岔、信號機等信號設(shè)備的執(zhí)行單元，列控目標(biāo)控制器（OC，Object Controller）是列控系統(tǒng)研究工作的關(guān)鍵部分。

OC是室外信號設(shè)備的執(zhí)行單元，由分散的電子接口模塊組成，是連接上層計算機與室外信號設(shè)備的一個橋梁，是保障列車安全高效行車的關(guān)鍵信號基礎(chǔ)設(shè)備。在軌道交通領(lǐng)域，站場一般存在多個信號設(shè)備，需要多個OC相互協(xié)調(diào)，保證其與上層計算機安全實時通信[2]。

在文獻[3]中，雖然研究與探討了OC相關(guān)關(guān)鍵性問題，并進行研究與設(shè)計，但是對于多個OC的安全通信總線方面的問題，還未有相關(guān)研究。OC呈分布式特點，存在通信實時性以及通信效率等問題，并且其對通信要求高可靠、高安全，但目前存在的通信總線無法解決這些關(guān)鍵性問題?；诜植际教攸c，研究多OC的安全通信總線及其通信機制問題具有實際價值。多OC的最終目的就是為了實現(xiàn)對多個信號設(shè)備的安全可靠控制，在這種控制中，通過基于分布式的OC通信總線，使數(shù)據(jù)包能夠?qū)崟r并準(zhǔn)確地從源節(jié)點送至目的節(jié)點，保障信號設(shè)備與上層安全計算機的安全可靠通信。

1 通信總線結(jié)構(gòu)

1.1 目標(biāo)控制器

在下一代列控系統(tǒng)中，OC是信號機、道岔等信號設(shè)備的執(zhí)行單元，設(shè)置在信號設(shè)備附近，沿軌旁呈分布式結(jié)構(gòu)。

OC實時采集信號設(shè)備的狀態(tài)信息，并通過安全計算機傳遞到聯(lián)鎖計算機，通過計算處理將進路辦理命令通過安全計算機傳遞給布置在軌旁的OC，控制信號機、道岔的轉(zhuǎn)換和開放[3]。

1.2 通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

總線結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)確保在節(jié)點掉電和節(jié)點故障的情況下不會影響總線控制器與其他節(jié)點之間的通信[4]，本文采用總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于總線用于固定的OC內(nèi)，具有固定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)備地址，且拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線型，采用共享方式傳輸總線數(shù)據(jù)，列車總線必須有且只有一個主OC控制網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信和介質(zhì)分配?？紤]到總線網(wǎng)絡(luò)的可靠性，總線上可有多個冗余主OC，但在總線輪回周期時間內(nèi)，只能有一個主OC是控制網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信和介質(zhì)分配，其他備用的主OC在總線中完成從設(shè)備的功能。總線管理器之間采用令牌算法進行切換管理總線。OC與列車通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 OC與列車通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

通信總線采用時間觸發(fā)[5-7]的方式，主OC將每一個輪回時間劃分為固定的時間片，即基本周期。為了保證通信的實時性，一個周期的時間要求盡量短，并且能夠支持發(fā)送緊急數(shù)據(jù)。

本文制定了線路冗余以及主設(shè)備冗余兩種冗余方案以達到容錯的目的。

（1）OC同步發(fā)送出相同的數(shù)據(jù)在兩條路線上，但是它只從其中的一條線路上接收數(shù)據(jù)，同時監(jiān)視另一條線路。這兩條線路在一定的情況下可以進行切換。

（2）主設(shè)備的冗余描述了從幾個總線管理器中選擇一個作為主設(shè)備在輪回周期內(nèi)對總線的控制。系統(tǒng)在初始化時根據(jù)主權(quán)轉(zhuǎn)移協(xié)議采用一個總線管理器作為主設(shè)備，其余處于備用主設(shè)備狀態(tài)。每個總線管理器內(nèi)都包含一個總線配置的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，總線配置由一個實現(xiàn)索引來確定，同時該總線配置的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是以令牌的傳遞來排序。

2 通信總線設(shè)計

2.1 總線分層與協(xié)議設(shè)計

根據(jù)OC的通信需求，可將時間觸發(fā)總線的結(jié)構(gòu)分為OC管理層、驅(qū)動層、鏈路層、物理層4個分層模型，如圖2所示。OC管理層將邏輯控制單元的應(yīng)用數(shù)據(jù)封裝成幀，實現(xiàn)按幀透明傳輸；驅(qū)動層將邏輯處理單元的數(shù)據(jù)通過不同的通信實現(xiàn)方式傳輸給總線；數(shù)據(jù)鏈路層主要負(fù)責(zé)將鏈路層數(shù)據(jù)幀正確傳輸給對應(yīng)的總線對象，包括時間觸發(fā)機制、組幀和解幀、字符轉(zhuǎn)義、差錯控制；物理層負(fù)責(zé)實際數(shù)據(jù)傳輸，根據(jù)實際物理引線，通過操作時鐘線和數(shù)據(jù)線實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)。

圖2 OC分層結(jié)構(gòu)

為實現(xiàn)OC管理層能對總線進行統(tǒng)一操作，需要設(shè)計一個OC應(yīng)用協(xié)議（OCAP，Object Controller Application Protocol）。OC管理層待服務(wù)用戶需要總線通信服務(wù)時，利用OC應(yīng)用協(xié)議組OCAP數(shù)據(jù)幀后，再由驅(qū)動層將數(shù)據(jù)傳輸給總線鏈路層。總線控制單元根據(jù)目的地址將數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)綄?yīng)的節(jié)點，并交付給OC管理層，完成一次數(shù)據(jù)通信。

OC管理層協(xié)議實現(xiàn)了總線上設(shè)備之間的通信透明傳輸。OC傳輸?shù)臄?shù)據(jù)具有非固定長度的短報文的特性，因此OCAP數(shù)據(jù)段適宜采用變長方式，以及短報文方案設(shè)計（256 byte），整體定義如表1所示。

表1 OCAP格式

字段解釋：

（1）幀序號（16 bit）：分組序號，按1遞增，無分組默認(rèn)為0x01；

（2） 目的地址（16 bit）：目標(biāo)地址，識別目的接收方；根據(jù)OC的數(shù)量選擇8 bit，留有余量；

（3） 源地址（16 bit）：數(shù)據(jù)發(fā)送者的地址；

（4） 周期號（16 bit）：用于識別進行的周期數(shù)；

（5） 類型信息（8 bit）：用于識別協(xié)議信息所表達類型；

（6） 應(yīng)用屬性（8 bit）：表示所屬應(yīng)用數(shù)據(jù)屬性，如是否攜帶數(shù)據(jù)等。其他位預(yù)留，第1位表示當(dāng)前應(yīng)用類型是否有應(yīng)用數(shù)據(jù)，1是，0否；

（7） 幀長度（8 bit）：數(shù)據(jù)長度，不包括兩字節(jié)的校驗和；

（8） 數(shù)據(jù)段（變長）：將要發(fā)送的數(shù)據(jù)，大小在0～230 Byte；

（9） 校驗和（16 bit）：使用校驗和對要數(shù)據(jù)進行校驗。

鏈路層實現(xiàn)時間觸發(fā)通信總線核心部分，包括時間觸發(fā)機制管理、主從控制邏輯、時鐘同步、差錯控制、調(diào)度等。

鏈路安全通信協(xié)議滿足時間觸發(fā)總線設(shè)計需求的鏈路層通信協(xié)議，用于完成通信總線通信設(shè)備之間數(shù)據(jù)安全可靠通信。設(shè)計的數(shù)據(jù)鏈路安全協(xié)議幀格式如表2所示。

協(xié)議字段說明：

（1） 起始位（8 bit）：幀0x02，表示該幀開始標(biāo)識；

表2 鏈路層協(xié)議格式

（2） 幀長度（8 bit）：表示該數(shù)據(jù)段長度；

（3） 目的地址（8 bit）：表示該幀是屬于哪個通信對象；

（4） 應(yīng)答序號（8 bit）：應(yīng)答已接受到的幀的序號，用于差錯重傳；

（5） 幀序號（8 bit）：標(biāo)識數(shù)據(jù)幀唯一性；

（6） 控制信息（8 bit）：攜帶一些屬性信息；

（7） 源地址（8 bit）：表示該數(shù)據(jù)幀發(fā)送對象；

（8） 時間戳（16 bit）：用于時鐘同步的計時時間；

（9） 數(shù)據(jù)段：長度變長，需要傳輸?shù)纳蠈訑?shù)據(jù)；

（10） 校驗碼（16 bit）：檢驗碼采用CRC-CCITT標(biāo)準(zhǔn)碼，多項式表示0x11021；

（11） 幀尾（8 bit）：幀尾0x03，表示該幀結(jié)束。

2.2 總線時間同步設(shè)計

采用局部時鐘和全局時鐘相結(jié)合方式，在主控節(jié)點的發(fā)送周期內(nèi)，各從節(jié)點同步于主控節(jié)點；在從節(jié)點的發(fā)送周期內(nèi)，各個節(jié)點以自身時鐘為基準(zhǔn)。本文在總線上實現(xiàn)從節(jié)點時鐘同步于主節(jié)點時鐘。在微周期的同步時隙內(nèi)，主節(jié)點向總線廣播帶有主節(jié)點時間戳的同步信息，并且?guī)в性诖宋⒅芷趦?nèi)傳輸?shù)膹墓?jié)點的ID信息，所有的從節(jié)點（OC）被動接受這些同步信息。其中，在此微周期內(nèi)傳輸?shù)膹墓?jié)點，接收到主節(jié)點發(fā)送的同步時鐘報文后，發(fā)送同步反饋報文給主節(jié)點；主節(jié)點收到從節(jié)點的同步反饋報文后，計算內(nèi)總線網(wǎng)絡(luò)延時delay，并將delay值發(fā)送給從節(jié)點；從節(jié)點收到delay值后，通過delay值校正時鐘，然后通過delaynew=[delaylast×(n–1)+delay]/n得到新的delay值，并保存新的delay值。而其它從節(jié)點，根據(jù)之前保存的delay值，調(diào)整局部時鐘，使之同步于主時鐘。

delay值的計算如式（1）[8]：

式中，t1為主節(jié)點發(fā)送同步報文中的時間戳（s）；t2為從節(jié)點接收同步時鐘報文時的時鐘讀數(shù)（s）； t3為從節(jié)點發(fā)送同步反饋報文中的時間戳（s）；t4為主節(jié)點接收到同步反饋報文時的時鐘讀數(shù)（s）。

從節(jié)點時鐘t從調(diào)整算式如式（2）：

式中：t主為主控節(jié)點發(fā)送的同步報文的時間，即時間戳的值(s)； delay為之前所計算的內(nèi)總線網(wǎng)絡(luò)延遲時間(s)。

算法的同步精度主要取決于網(wǎng)絡(luò)延時的準(zhǔn)確度，同步精度用∑(delay–delay)2/n表示。

圖3是上述算法的主從節(jié)點同步示意圖，其中，t1～t4包含在tc內(nèi)。

圖3 主從節(jié)點時鐘同步

同步初始化，主要是實現(xiàn)各個節(jié)點第一次時鐘同步，并統(tǒng)一協(xié)商確定主控節(jié)點的ID?；诒疚牡脑O(shè)計模式，通信板是主控節(jié)點，因此上電時各個節(jié)點統(tǒng)一認(rèn)為通信板為主控節(jié)點，協(xié)商一致后進入正常通信階段。

總線節(jié)點時鐘同步采用主從廣播式。在每個時間片里額外劃分出一段同步等待時間ts，如果某個節(jié)點身份確定為主控節(jié)點時，該節(jié)點的時鐘升為全局時鐘，并將自己時鐘信息廣播給全部的節(jié)點。根據(jù)主控節(jié)點反饋，使得從節(jié)點能采用時鐘補償方式修正時鐘偏差。在時間[t–ts, t+ts]內(nèi)，從節(jié)點只要收到主節(jié)點的同步信息則認(rèn)為時間片計時結(jié)束，立即進入下一個時間片計時，同步過程如圖4所示。

圖4 節(jié)點時鐘同步策略

顯然ts取值大小會影響通信數(shù)據(jù)正確性。理論上ts越大，可容忍的時鐘誤差就越大，但通信效率就越低。該參數(shù)主要受各節(jié)點晶振誤差的影響。該時間段在0.3%～0.6%之間能有效地保證各節(jié)點同步，且能容忍丟失兩個節(jié)點情況下同步追蹤。

2.3 總線通信調(diào)度設(shè)計

本文的調(diào)度算法采用基于時間片輪轉(zhuǎn)的調(diào)度機制[9-10]，周期性的劃分時間片，建立一張信息調(diào)度表，使數(shù)據(jù)的傳輸都在確定的時間內(nèi)進行。

狀態(tài)信息調(diào)度表的生成主要根據(jù)編號的順序。在初始化階段，為總線中的節(jié)點分配編號，用于排列通信的順序，稱之為相對地址。同時，每個節(jié)點有一個固定的絕對地址，保證可以識別出每個節(jié)點。初始化階段，每個節(jié)點向主控節(jié)點報告自己的絕對地址，主控節(jié)點分配給每個節(jié)點一個相對地址?？偩€采用半雙工的方式，同一時刻只允許一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，在設(shè)備剛上電時，多個節(jié)點同時要獲取相對地址，這就需要采用競爭的方式選出一個節(jié)點在總線上與主控節(jié)點進行通信。本文采用二進制指數(shù)退避算法作為競爭機制[11-12]。

然而，使用單純的時間片輪轉(zhuǎn)的調(diào)度算法，總線的靈活性很低。在每個周期中，通信節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)只在自己的時隙內(nèi)，存在緊急事件得不到及時處理的情況。為了滿足更高的應(yīng)變要求，需要增加一種更加靈活的調(diào)度機制。

在時間片輪轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)上，用每個時間片的剩余時間來實現(xiàn)隨機事件的傳輸。為了滿足事件信息的發(fā)送，在每個微周期通信完成后，時隙內(nèi)的剩余時間用來查找是否有隨機事件發(fā)生。同時，為了滿足節(jié)點的增加或者退出（熱插拔）的需要，也要預(yù)留一定的時間來處理。

每個微周期時間分為兩部分：（1）正常的狀態(tài)信息發(fā)送，根據(jù)調(diào)度表發(fā)送狀態(tài)信息；（2）事件信息的傳輸或檢測是否有節(jié)點退出或加入，隨機事件信息的傳輸比查找節(jié)點退出或加入的優(yōu)先級高。時隙的分配情況如圖5所示。

在收到事件信息時，將其放入消息隊列。在8 bit標(biāo)志位中，第1 bit代表信息類型，在事件信息隊列中的幀，這位永遠(yuǎn)是1。接下來的7 bit是事件ID。事件ID即可以描述一個事件，事件信息在存入隊列時，采用靜態(tài)優(yōu)先級進行排序。事件信息的ID就代表它的靜態(tài)優(yōu)先級?？膳渲檬录蘒D與優(yōu)先級大小的關(guān)系。

圖5 時隙分配情況

要實現(xiàn)熱插拔，即在通信節(jié)點數(shù)量可變的條件下實現(xiàn)時間觸發(fā)，合理劃分時間片。在時間片數(shù)量的設(shè)置上，根據(jù)初始化檢測到的節(jié)點的數(shù)量進行時間片劃分；檢測到新加入節(jié)點或是節(jié)點退出的情況，根據(jù)節(jié)點數(shù)量實時更新時間片數(shù)量的劃分。對于查找節(jié)點的退出或是加入，若是在時間片剩余時間內(nèi)不能完成，只要時間片完成，則停止執(zhí)行這項任務(wù)，留給下個時間片進行處理。

在系統(tǒng)初始化階段，首先生成時間觸發(fā)調(diào)度表。初始化流程圖如圖6所示。

圖6 調(diào)度初始化流程圖

在系統(tǒng)初始化完成后，正式周期開始。在兩節(jié)點完成同步后，進入到正常通信階段。一個時間片內(nèi)，一個節(jié)點發(fā)送和另一個節(jié)點接收數(shù)據(jù)。周期調(diào)度流程圖如圖7所示。

圖7 周期性調(diào)度流程圖

3 通信總線驗證

測試基于實驗室已有的硬件以及平臺，根據(jù)實驗室實際情況，安全計算機部分采用實驗室現(xiàn)有設(shè)備，利用PC104模擬通信板，以3個OC為例組成硬件實驗平臺。

3.1 OC與安全計算機通信時延測試

安全計算機與通信板之間通過以太網(wǎng)連接通信，為了獲取安全計算機與通信板之間的通信時延，測試以太網(wǎng)的通信平均延遲如圖8所示。

由圖8可知，基于以太網(wǎng)的往返通信延遲在2 ms左右。將安全計算機到通信板之間的通信時延與安全計算機到OC的通信時延分離統(tǒng)計，使得通信子系統(tǒng)的時延分析方法可在不同的網(wǎng)絡(luò)通信實現(xiàn)方案中都適用。

圖8 以太網(wǎng)通信平均時延

3.2 分布式OC數(shù)量與其通信時延關(guān)系測試

分布式OC通信總線中，通信板是連接安全計算機與OC的重要設(shè)備，其決定了安全計算機與多個OC之間的性能。因此需要在通信板連接不同數(shù)量OC的情況下，測試安全計算機到OC的通信延遲。為了測試安全計算機與分布式OC數(shù)量之間的通信延遲關(guān)系，通過在安全計算機端分別與1個、2個、3個OC進行通信測試，獲得的通信時延數(shù)據(jù)，利用MATLAB工具整理成繪圖，如圖9、圖10和圖11所示。

圖9 1個OC時通信時延

圖10 2個OC時通信時延

由圖9可知，安全計算機到分布式OC的平均時延在15 ms左右，由3.1的分析可知，以太網(wǎng)時延在2 ms左右，因此，總線的時延在13 ms左右。本文設(shè)計的調(diào)度算法是在連續(xù)2個總線調(diào)度周期內(nèi)完成信息傳輸，視為信息傳輸成功，總線調(diào)度周期是12 ms。13 ms小于24 ms，說明總線在2個調(diào)度周期內(nèi)能完成一次數(shù)據(jù)的收發(fā)，表明實際測試結(jié)果符合預(yù)期設(shè)計。同時，圖10、圖11分別代表的是安全計算機跟2個和3個OC通信，而其通信時延相對于只有1個OC的情況而言，只是略有增加（15.1 ms＜16.3 ms＜17.2 ms＜24 ms），說明在總線的一個調(diào)度周期內(nèi)，當(dāng)同時在線通信的OC數(shù)量增加時，安全計算機與OC總通信時延的增加主要受安全計算機與通信板之間通信時延的影響。

圖11 3個OC時通信時延

3.3 分布式OC的連續(xù)發(fā)送次數(shù)與其通信時延關(guān)系測試

分布式OC與安全計算機之間通過以太網(wǎng)和時間觸發(fā)總線建立通信。時間觸發(fā)通信總線基于時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度，本文設(shè)計的通信總線的每個調(diào)度周期為12 ms，總線上的節(jié)點都能完成一次數(shù)據(jù)收發(fā)。為了驗證該時間規(guī)劃策略在OC連續(xù)發(fā)送多次的通信延遲變化，在安全計算機端連續(xù)多次發(fā)送數(shù)據(jù)，測試結(jié)果如圖12所示。

由圖12可知，安全計算機與分布式OC的通信時延，與總線時間調(diào)度周期（本文設(shè)計為12 ms）成正比關(guān)系。由于總線調(diào)度周期內(nèi)（12 ms），每個OC只能進行一次數(shù)據(jù)收發(fā)，因此當(dāng)1個OC執(zhí)行n次通信事件時，約在（n×12）ms內(nèi)完成。也說明總線時間調(diào)度周期將直接制約分布式OC通信子系統(tǒng)的通信性能。

圖12 連續(xù)發(fā)送的次數(shù)與通信時延關(guān)系

4 結(jié)束語

目標(biāo)控制器作為下一代列車運行控制系統(tǒng)的地面設(shè)備，承擔(dān)著監(jiān)控基礎(chǔ)信號設(shè)備的任務(wù)，其安全、可靠、實時的通信對列車行車安全起著重要的作用。本文基于目標(biāo)控制器分布式的特點，設(shè)計了一種基于時間觸發(fā)的通信總線，并對其進行驗證測試，測試結(jié)果表明，能夠滿足通信實時性需求。

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