許 波，蔣大明

（北京交通大學 電子信息工程學院，北京 100044）

鐵路信號系統(tǒng)是用技術手段實現(xiàn)信號、道岔以及進路之間的制約關系和操作順序的聯(lián)鎖控制系統(tǒng)，是保證車站行車安全的信號系統(tǒng)。目前國內(nèi)外對鐵路信號的控制大多采用上、下位機的方法來實現(xiàn)。在微機聯(lián)鎖系統(tǒng)中，下位機僅需實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、命令發(fā)送等，而把主要的聯(lián)鎖功能置于上位機，這樣一來，上位機承載負擔過重，一旦上位機發(fā)生故障，系統(tǒng)的安全性、可靠性將得不到保證，甚至可能使系統(tǒng)處于癱瘓的危險。如果能將一些信息處理和聯(lián)鎖功能置于下位機，就會大大減輕上位機的負擔，降低風險，使整個系統(tǒng)的安全性、可靠性得到有效保證。

現(xiàn)場總線的本質是線路簡單且信息處理現(xiàn)場化。采用現(xiàn)場總線技術，可以在現(xiàn)場進行診斷、維護和管理信息，從而使得大量信息在現(xiàn)場就地處理、減少現(xiàn)場與控制機之間的信息往返。本文提出的基于以太網(wǎng)與PROFIBUS-DP技術的鐵路信號系統(tǒng)就是針對此問題進行研究設計采用PROFIBUS技術解決上下位機的問題，并通過以太網(wǎng)技術進行遠程通信，真正實現(xiàn)鐵路控制系統(tǒng)一網(wǎng)到底。

1 基于以太網(wǎng)與PROFIBUS-DP的鐵路信號系統(tǒng)模型總體方案

1.1 基于以太網(wǎng)與PROFIBUS-DP的鐵路信號系統(tǒng)特點

PROFIBUS-DP是優(yōu)化的、高速的通信連接，專為自動控制系統(tǒng)和設備級分散I/O之間通信設計，是目前全球應用最為廣泛的一種現(xiàn)場總線。由于開放性好，各大自動化廠商均有支持PROFIBUSDP的產(chǎn)品，現(xiàn)在已納入我國的國家標準。同時，以太網(wǎng)技術發(fā)展迅速，通信速率不斷提高，成本卻不斷降低。上層機構在建立自己的信息管理系統(tǒng)時，以太網(wǎng)已成為必不可少的一部分?；谝蕴W(wǎng)與PROFIBUS-DP的鐵路信號系統(tǒng)可實現(xiàn)底層測控與上層管理的緊密連接，使用戶能夠容易地由Internet通過辦公管理網(wǎng)絡垂直地向下接入各個現(xiàn)場設備，實現(xiàn)直接、安全、快速的監(jiān)控調(diào)度。

1.2 基于以太網(wǎng)與PROFIBUS-DP通信系統(tǒng)模型結構

基于以太網(wǎng)與PROFIBUS-DP的鐵路信號系統(tǒng)主要由以下5部分組成：（1）上位機：PC、PLC等完成總線通信控制與管理。（2）代理控制器模塊：控制以太網(wǎng)協(xié)議芯片與PROFIBUS-DP協(xié)議芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉換。（3）以太網(wǎng)通信模塊：實現(xiàn)上位機與代理平臺的TCP/IP通信。（4） PROFIBUS-DP通信模塊：實現(xiàn)下位機與代理平臺的現(xiàn)場總線通信。（5）下位機：信號機、轉轍機等PROFIBUS接口的現(xiàn)場設備。如圖1。

圖1 以太網(wǎng)與PROFIBUS-DP通信系統(tǒng)模型結構

2 以太網(wǎng)與PROFIBUS-DP通信系統(tǒng)模型的硬件設計

2.1 代理控制器模塊

代理控制器模塊中的CPU采用LPC-2368，它是代理平臺控制系統(tǒng)的核心。LPC2368是一款基于ARM7的微控制器，適用于各種串行通信的應用。此模塊主要功能就是通過控制以太網(wǎng)接口芯片及PROFIBUS-DP協(xié)議芯片來實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉換通信。

2.2 以太網(wǎng)通信模塊設計

以太網(wǎng)通信模塊主要由芯片DP83848C、隔離變壓器HR911105A以及RJ45插頭組成。LPC2368芯片內(nèi)部包含了一個功能齊全的10 M/100 Mbps以太網(wǎng)MAC，因此實現(xiàn)以太網(wǎng)通信只需在芯片外部接一個以太網(wǎng)PHY（物理層）接口和相關電路即可。本系統(tǒng)選用DP83848C作為以太網(wǎng)物理層接口芯片，它提供了包括MII／RMII／SNI接口．可以很方便地與LPC2368連接。其電路框圖如圖2。

圖2 以太網(wǎng)接口電路框圖

2.3 PROFIBUS-DP通信模塊

PROFIBUS-DP通信模塊主要負責代理控制器和上位機之間的數(shù)據(jù)通信，包括參數(shù)配置和數(shù)據(jù)交換。它的硬件電路主要由協(xié)議芯片SPC3、驅動器SN65176、光耦隔離器HCPL0601和RS485接口組成。

SPC3內(nèi)部集成1.5 K的RAM、模式寄存器、狀態(tài)寄存器、中斷寄存器以及保證SPC3可靠運行的看門狗。還有8位數(shù)據(jù)總線線和11位地址總線線。由于該芯片集成了完整的PROFIBUS-DP協(xié)議，可獨立完成全部DP的通信控制功能，這就加速了通信協(xié)議的執(zhí)行效率，降低了設計成本。RS 4 8 5總線驅動芯片選用SN 6 5 1 7 6，可使PROFIBUS-DP的數(shù)據(jù)傳輸速率高達12 Mbps。為了實現(xiàn)總線與LPC2368系統(tǒng)的隔離，本系統(tǒng)采用了HCPL0601系列超高速光耦。

3 基于以太網(wǎng)與PROFIBUS-DP通信系統(tǒng)軟件設計

3.1 以太網(wǎng)通信模塊軟件設計

3.1.1 μC/OS-II操作系統(tǒng)的移植

μC/OS-II的移植主要集中在3個部分,即OS_CPU.H，OS_CPU_A.ASM，OS_CPU_C.C。如OS_CPU.H中開關中斷的宏:

#i f OS_CRITICAL_METHOD = =2

#defineOS_ENTER_CRITICAL()ARMDisableInt()

#defineOS_EXIT_CRITICAL()

ARMEnableInt()

#endif

ARMDisableInt()和ARMEnableInt()是用匯編語言來編寫的，分別為關中斷和開中斷。

3.1.2 TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)

TCP/IP協(xié)議棧由網(wǎng)絡接口層、網(wǎng)際層、傳輸層和應用層構成。每一個協(xié)議作為一個模塊來實現(xiàn)，同時還提供了幾個函數(shù)作為協(xié)議的入口點。整個協(xié)議的實現(xiàn)方案，可以把不同的功能按照不同的任務來實現(xiàn)，通過一個簡單的任務管理器來管理和調(diào)度。

以太網(wǎng)通信模塊采用實時性較好的UDP通信協(xié)議，共有4個任務：lwip_init_task()，tcpip_thread()，udp_recv_thread()，udp_send_thread()。在lwip_init_task()任務中進行LwIP的協(xié)議棧的初始化，網(wǎng)絡接口（net i f結構體）的初始化，并且分別創(chuàng)建其它3個任務。

3.2 PROFIBUS-DP通信模塊軟件設計

3.2.1 PROFIBUS-DP分析

PROFIBUS協(xié)議的結構定向根據(jù)ISO7498國際標準，以開放系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡OSI為參考模型。PROFIBUS-DP在物理層采用的是RS-485的傳輸方式，各個設備均連在具有線型拓撲結構的總線上。每一個線段可以連入的最大設備數(shù)是32，每個線段的最大長度為1200 m。當設備多于32或擴大網(wǎng)絡范圍時，可以使用中繼器連接各個不同的網(wǎng)段。

PROFIBUS-DP在MAC層使用基于Tok en Pas-sing的主從輪詢協(xié)議。在PROFIBUS的Token Passing網(wǎng)絡上各點都連在總線上，其物理地位等同，被賦以統(tǒng)一的邏輯地址（FDL地址），在總線上的各站點按照功能、本身智能化程度等特性的不同分為主站（Master）、從站（Slave）2種類型。

3.2.2 PROFIBUS-DP通信模塊的實現(xiàn)

PROFIBUS-DP通信模塊的軟件部分主要包括：初始化、組態(tài)、數(shù)據(jù)交換。如圖3。

圖3 狀態(tài)機流程圖

4 基于以太網(wǎng)與PROFIBUS-DP通信系統(tǒng)測試

試驗網(wǎng)絡中，以太網(wǎng)連入PC機，上位機程序用Visual Basic編寫。主站發(fā)送Set_Prm數(shù)據(jù)報文，從站以Shor t_Ack做短確認。主站發(fā)送Chk_Cfg報文，同樣以Shor t_Ack進行短確認。主站向從站發(fā)送診斷請求幀Slave_Diag.req，從站診斷響應Slave_Diag.res。之前的參數(shù)化和組態(tài)順利完成后，主站發(fā)送Dat a_Exchange.r eq，從站回應Data_Exchange.res。此后主、從站之間開始周期性的數(shù)據(jù)交換。通過實驗建立了通信，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)接收以及數(shù)據(jù)管理的功能。完成了以太網(wǎng)與PROFIBUS-DP的數(shù)據(jù)轉換，基本達到預期效果。

5 結束語

本文完成了以太網(wǎng)與PROFIBUS技術相結合在鐵路信號系統(tǒng)實現(xiàn)的初步研究。重點研究了以太網(wǎng)與PROFIBUS-DP實現(xiàn)通信，并從硬件和軟件2方面進行了系統(tǒng)的設計。參照具有良好實時性能的PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線協(xié)議與以太網(wǎng)協(xié)議相關聯(lián)，避免了以太網(wǎng)隨機訪問的沖突，很好的提高了通信效率和可靠度?；谝蕴W(wǎng)與PROFIBUS-DP技術必將成為鐵路信號系統(tǒng)發(fā)展的趨勢，為鐵路信號智能通信提供更好的性能。

[1] 侯維巖，費敏銳. PROFIBUS協(xié)議分析和系統(tǒng)應用[M]. 北京：清華大學出版社，2006.

[2] 陽憲惠. 現(xiàn)場總線技術及應用[M]. 北京：清華大學出版社，1999.