張友兵 王建敏 孫 可

在CTCS-2級列控系統(tǒng)中，車載設(shè)備通過多功能車輛總線 (MVB)向人機(jī)界面 (DMI)實(shí)時(shí)傳遞列車的位置、速度、等級、模式等重要信息，DMI在界面上以圖形、文字等形式，實(shí)時(shí)顯示列車的各種運(yùn)行狀態(tài)信息。司機(jī)通過操作DMI界面的按鍵，將信息及時(shí)傳遞給車載設(shè)備，達(dá)到調(diào)整列車運(yùn)行狀態(tài)的目的。所以DMI和車載設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性非常重要。

1 MVB總線簡介

根據(jù)IEC61375-1標(biāo)準(zhǔn)，列車通信網(wǎng)絡(luò)在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上為2層總線結(jié)構(gòu):鉸鏈?zhǔn)搅熊嚳偩€ (WTB)和多功能車輛總線 (MVB)。WTB主要完成列車級的數(shù)據(jù)通信;MVB主要完成車輛級內(nèi)部功能設(shè)備的數(shù)據(jù)通信。

當(dāng)MVB用作短距離數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，通常采用雙絞線，在不采用中繼器的情況下，傳輸距離可達(dá)20m。當(dāng)需要長距離數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，采用光纖通信，傳輸距離可達(dá)2km，其速率可達(dá)1.5Mb/s。MVB采用總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，總線上的其他設(shè)備作為從設(shè)備，在主設(shè)備的管理下完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

MVB總線支持周期性和偶發(fā)性2種類型的數(shù)據(jù)傳輸，周期性數(shù)據(jù)在一個(gè)特征周期相內(nèi)發(fā)送，偶發(fā)性數(shù)據(jù)是在2個(gè)周期相的間隔中按需要傳輸。

2 DMI與車載設(shè)備的通信原理

2.1 周期數(shù)據(jù)傳輸

在列車運(yùn)行過程中，車載設(shè)備需要實(shí)時(shí)向DMI發(fā)送列車當(dāng)前位置、實(shí)際速度、允許速度、目標(biāo)速度、運(yùn)行等級、運(yùn)行模式、制動狀態(tài)、軌道電路碼等重要信息，DMI在界面上以圖形、文字等形式實(shí)時(shí)顯示，提示司機(jī)監(jiān)控列車的運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)，DMI需要實(shí)時(shí)向車載設(shè)備報(bào)告當(dāng)前狀態(tài)。

車載設(shè)備和DMI之間需要彼此在每個(gè)工作周期發(fā)送給對方的數(shù)據(jù)定義為周期數(shù)據(jù)。周期數(shù)據(jù)至少需要分配2個(gè)MVB端口，一個(gè)用于車載設(shè)備向DMI傳遞列車速度、位置等，如圖1中的端口6;另一個(gè)用于DMI向車載設(shè)備傳遞DMI工作狀態(tài)等，如圖1中的端口5。一個(gè)MVB端口可以傳遞的數(shù)據(jù)量有限，如果車載設(shè)備需要向DMI傳遞的周期數(shù)據(jù)超過了MVB端口的承載量，可以根據(jù)需要增加新的MVB端口。

圖1 DMI與車載設(shè)備的通信原理圖

2.2 非周期數(shù)據(jù)傳輸

在列車運(yùn)行過程中，車載設(shè)備和DMI之間還需要傳遞大量非周期數(shù)據(jù)。包括車載設(shè)備需要向DMI傳遞的軌旁信息、線路條件、坡度信息、聲音文本信息、車站名等，以及DMI需要向車載設(shè)備傳遞司機(jī)操作DMI時(shí)產(chǎn)生的按鍵信息。

非周期數(shù)據(jù)具有消息種類繁多、消息發(fā)送時(shí)機(jī)隨機(jī)、消息長度不一致等特點(diǎn)，因此需在MVB協(xié)議之上建立一層用于管理非周期數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的協(xié)議——非周期數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。

3 非周期數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

3.1 協(xié)議簡介

非周期數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議是介于MVB協(xié)議與DMI軟件應(yīng)用層或車載設(shè)備軟件應(yīng)用層之間的一層協(xié)議。當(dāng)DMI需要向車載設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，將待發(fā)送的數(shù)據(jù)先傳遞給非周期數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，由非周期數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議根據(jù)待發(fā)送數(shù)據(jù)的長度，將待發(fā)送數(shù)據(jù)分割為若干個(gè)MVB幀，通過MVB總線將若干個(gè)MVB幀依次傳遞給車載設(shè)備側(cè)的非周期數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，根據(jù)協(xié)議規(guī)則，從該若干個(gè)MVB幀中分離出一條條完整的數(shù)據(jù)，再將這些數(shù)據(jù)依次傳遞給車載設(shè)備軟件的應(yīng)用層。同理，車載設(shè)備使用相同的方法向DMI發(fā)送非周期數(shù)據(jù)。

非周期數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議具備以下功能。

1．同步狀態(tài)下正常傳遞數(shù)據(jù)。當(dāng)DMI和車載設(shè)備兩側(cè)的非周期數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議建立同步之后，在非周期數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的管理下，雙方可以正常發(fā)送和接收非周期數(shù)據(jù)。

2．失去同步時(shí)可重新建立同步的功能。在同步狀態(tài)中，非周期數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議會實(shí)時(shí)監(jiān)測DMI和車載設(shè)備。遇到異常情況時(shí)，該傳輸協(xié)議將自動轉(zhuǎn)入不同步狀態(tài)，并重新建立同步。

3．可傳遞長度較長的消息。當(dāng)DMI存在一條長度較長的發(fā)送消息時(shí)，DMI側(cè)的非周期數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議先將消息分割為若干個(gè)MVB幀，并通過MVB總線依次發(fā)送給車載設(shè)備側(cè)的非周期數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，然后車載設(shè)備側(cè)再根據(jù)協(xié)議規(guī)則，把收到的若干條MVB幀組合成一條完整的消息。

4．具備同時(shí)傳遞多條短消息的功能。當(dāng)DMI存在多條長度較短的發(fā)送消息時(shí)，DMI側(cè)的非周期數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議可通過一個(gè)MVB幀，將多條短消息同時(shí)發(fā)送給車載設(shè)備側(cè)的非周期數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，車載設(shè)備側(cè)接收后再根據(jù)協(xié)議規(guī)則，從MVB幀中分別提取出這些短消息。

5．具備數(shù)據(jù)丟失重傳的功能。DMI向車載設(shè)備發(fā)送一條消息，如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)收到正確的應(yīng)答幀，就會繼續(xù)發(fā)送下一條消息。如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)未收到正確的應(yīng)答幀，則DMI側(cè)的非周期數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議將自動轉(zhuǎn)入不同步狀態(tài)，在DMI和車載設(shè)備之間重新建立同步。之后，DMI側(cè)的非周期數(shù)據(jù)傳輸將數(shù)據(jù)重新發(fā)送給車載設(shè)備側(cè)的非周期數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。

3.2 協(xié)議基本原理

以圖1為例，非周期數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議使用1～4號共4個(gè)MVB端口，完成非周期數(shù)據(jù)的雙向傳輸。1號和2號MVB端口為一對，用于車載設(shè)備向DMI發(fā)送非周期數(shù)據(jù)，1號端口傳輸?shù)氖擒囕d設(shè)備發(fā)送給DMI的車載數(shù)據(jù)，2號端口傳輸?shù)氖荄MI回復(fù)給車載設(shè)備的車載數(shù)據(jù)應(yīng)答幀。同理，3號和4號MVB端口為一對，用于DMI向車載設(shè)備發(fā)送非周期數(shù)據(jù)。

當(dāng)DMI應(yīng)用層存在需要發(fā)送給車載設(shè)備數(shù)據(jù)時(shí)，先將DMI數(shù)據(jù)傳遞給DMI側(cè)，按照非周期數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，通過3號MVB端口發(fā)送給車載設(shè)備。車載設(shè)備側(cè)按照非周期數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，從3號MVB端口收到DMI數(shù)據(jù)，將DMI數(shù)據(jù)傳遞給車載設(shè)備應(yīng)用層，同時(shí)通過4號MVB端口回復(fù)DMI數(shù)據(jù)應(yīng)答幀，DMI側(cè)的非周期數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議從4號MVB端口收到DMI數(shù)據(jù)應(yīng)答幀。如果判斷DMI數(shù)據(jù)應(yīng)答幀正確，則保持同步狀態(tài)，繼續(xù)向車載設(shè)備發(fā)送下一條DMI數(shù)據(jù);如果判斷DMI數(shù)據(jù)應(yīng)答幀不正確，則需重新建立同步。正是通過發(fā)送數(shù)據(jù)、等待應(yīng)答幀和接收數(shù)據(jù)、回復(fù)應(yīng)答幀的方式，確保非周期數(shù)據(jù)可以完整無誤地從一方傳輸給另一方。

由以上分析可知，在DMI和車載設(shè)備兩側(cè)的非周期數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議之間存在2個(gè)方向的同步:一個(gè)是DMI發(fā)送數(shù)據(jù)與車載設(shè)備接收數(shù)據(jù)之間的同步，使用3號和4號MVB端口實(shí)現(xiàn)同步;另一個(gè)是車載設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)與DMI接收數(shù)據(jù)之間的同步，使用1號和2號MVB端口實(shí)現(xiàn)。2個(gè)方向的同步是相互獨(dú)立的，且一個(gè)方向的不同步不會影響另一個(gè)方向的同步關(guān)系。

DMI發(fā)送數(shù)據(jù)與車載設(shè)備接收數(shù)據(jù)之間的同步，由DMI側(cè)的非周期數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議主動發(fā)起同步命令，車載設(shè)備側(cè)的非周期數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議響應(yīng)同步命令。同理，車載設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)與DMI接收數(shù)據(jù)之間的同步，是由車載設(shè)備側(cè)的非周期數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議主動發(fā)起同步命令，DMI側(cè)的非周期數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議響應(yīng)同步命令。

4 非周期數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議設(shè)計(jì)

非周期數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議包含發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)機(jī)和接收數(shù)據(jù)狀態(tài)機(jī)，分別如圖2、圖3所示。DMI側(cè)的發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)機(jī)，與車載設(shè)備側(cè)的接收數(shù)據(jù)狀態(tài)機(jī)之間，建立同步和數(shù)據(jù)傳輸關(guān)系，實(shí)現(xiàn)將DMI數(shù)據(jù)傳輸給車載設(shè)備。DMI側(cè)的發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)機(jī)負(fù)責(zé)發(fā)送DMI數(shù)據(jù)和等待DMI數(shù)據(jù)應(yīng)答幀，車載設(shè)備側(cè)的接收數(shù)據(jù)狀態(tài)機(jī)負(fù)責(zé)接收DMI數(shù)據(jù)和回復(fù)DMI數(shù)據(jù)應(yīng)答幀。同理，車載設(shè)備側(cè)的發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)機(jī)和DMI側(cè)的接收數(shù)據(jù)狀態(tài)機(jī)之間，建立同步和數(shù)據(jù)傳輸關(guān)系，實(shí)現(xiàn)將車載數(shù)據(jù)傳輸給DMI的功能。

圖2 接收數(shù)據(jù)狀態(tài)機(jī)

圖3 發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)機(jī)

為了在本方的發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)機(jī)和對方的接收數(shù)據(jù)狀態(tài)機(jī)之間建立同步和數(shù)據(jù)傳輸關(guān)系，需要設(shè)計(jì)4種類型的幀，分別是:同步命令幀、數(shù)據(jù)命令幀、突發(fā)命令幀和數(shù)據(jù)幀。

4.1 幀類型

1．同步命令幀:DMI發(fā)送數(shù)據(jù)和車載設(shè)備接收數(shù)據(jù)方向處于不同步狀態(tài)時(shí)，DMI側(cè)的非周期數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議向車載設(shè)備側(cè)發(fā)送同步命令幀，收到正確的應(yīng)答幀后進(jìn)入同步狀態(tài)。同理，車載設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)和DMI接收數(shù)據(jù)方向處于不同步狀態(tài)時(shí)，車載設(shè)備側(cè)的非周期數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議向DMI側(cè)發(fā)送同步命令幀，收到正確的應(yīng)答幀后進(jìn)入同步狀態(tài)。

2．?dāng)?shù)據(jù)命令幀:如果一條消息長度有限，通過一個(gè)MVB幀即可發(fā)送給對方，則使用數(shù)據(jù)命令幀將該消息發(fā)送出去;如果一條消息長度較長，通過多個(gè)MVB幀才能發(fā)送給對方，則將該條消息分割成一個(gè)數(shù)據(jù)命令幀和若干個(gè)數(shù)據(jù)幀，先將數(shù)據(jù)命令幀發(fā)送出去，再將若干個(gè)數(shù)據(jù)幀依次發(fā)送出去，對方收到后，根據(jù)數(shù)據(jù)命令幀攜帶的長度信息和各個(gè)數(shù)據(jù)幀攜帶的子幀序號，就可以組合出該條消息。

3．突發(fā)命令幀:如果存在幾條短消息，且這幾條短消息可以通過一個(gè)MVB幀發(fā)送給對方，則使用一個(gè)突發(fā)命令幀攜帶這幾條短消息發(fā)送給對方。

4．?dāng)?shù)據(jù)幀:當(dāng)待發(fā)送消息長度較長，使用一個(gè)MVB幀無法全部發(fā)送給對方時(shí)，可拆分消息成一個(gè)數(shù)據(jù)命令幀和若干個(gè)數(shù)據(jù)幀依次發(fā)送給對方。因此，數(shù)據(jù)幀總是跟在數(shù)據(jù)命令幀的后面，和數(shù)據(jù)命令幀一起傳遞長度較長的消息。

4.2 接收數(shù)據(jù)狀態(tài)機(jī)

1．不同步狀態(tài)。收到同步命令幀，回復(fù)正確應(yīng)答幀，進(jìn)入已同步狀態(tài);收到其他命令幀，回復(fù)錯(cuò)誤應(yīng)答幀，保持當(dāng)前狀態(tài)不變。

2．已同步狀態(tài)。收到同步命令幀，回復(fù)正確應(yīng)答幀，保持當(dāng)前狀態(tài)不變;收到數(shù)據(jù)命令幀，判斷收到一條完整的數(shù)據(jù)，回復(fù)正確應(yīng)答幀，轉(zhuǎn)入接收命令幀狀態(tài);收到數(shù)據(jù)命令幀，判斷沒有收到一條完整的數(shù)據(jù)，回復(fù)正確應(yīng)答幀，轉(zhuǎn)入接收數(shù)據(jù)幀狀態(tài)，繼續(xù)接收后續(xù)的數(shù)據(jù)幀;收到突發(fā)命令幀，回復(fù)正確應(yīng)答幀，轉(zhuǎn)入接收命令幀狀態(tài)。

3．接收命令幀狀態(tài)。收到同步命令幀，回復(fù)正確應(yīng)答幀，保持當(dāng)前狀態(tài)不變;收到數(shù)據(jù)命令幀，判斷收到一條完整的數(shù)據(jù)，回復(fù)正確應(yīng)答幀，保持當(dāng)前狀態(tài)不變;收到數(shù)據(jù)命令幀，判斷沒有收到一條完整的數(shù)據(jù)，回復(fù)正確應(yīng)答幀，轉(zhuǎn)入接收數(shù)據(jù)幀狀態(tài)，繼續(xù)接收后續(xù)的數(shù)據(jù)幀;收到突發(fā)命令幀，回復(fù)正確應(yīng)答幀，保持當(dāng)前狀態(tài)不變。

4．接收數(shù)據(jù)幀狀態(tài)。收到同步命令幀，回復(fù)正確應(yīng)答幀，保持當(dāng)前狀態(tài)不變;收到數(shù)據(jù)命令幀，回復(fù)錯(cuò)誤應(yīng)答幀，轉(zhuǎn)入不同步狀態(tài);收到突發(fā)命令幀，回復(fù)錯(cuò)誤應(yīng)答幀，轉(zhuǎn)入不同步狀態(tài);收到數(shù)據(jù)幀，判斷收到的是一批數(shù)據(jù)的最后一個(gè)子幀，回復(fù)正確應(yīng)答幀，轉(zhuǎn)入接收命令幀狀態(tài);收到數(shù)據(jù)幀，判斷收到的是一批數(shù)據(jù)的非最后一個(gè)子幀，回復(fù)正確應(yīng)答幀，保持當(dāng)前狀態(tài)不變;收到數(shù)據(jù)幀，不是以上兩種情況，回復(fù)錯(cuò)誤應(yīng)答幀，轉(zhuǎn)入不同步狀態(tài)。

4.3 發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)機(jī)

1．不同步狀態(tài)。連續(xù)3次向?qū)Ψ桨l(fā)送同步命令幀，且連續(xù)3次在規(guī)定時(shí)間內(nèi)收到正確的應(yīng)答幀，則轉(zhuǎn)入已同步狀態(tài)，否則保持當(dāng)前狀態(tài)不變。如果發(fā)送同步命令幀，但在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒有收到正確的應(yīng)答幀，則保持當(dāng)前狀態(tài)不變，同步計(jì)數(shù)清零，重新發(fā)起建立同步的流程。

2．已同步狀態(tài)。如果發(fā)送列表存在需要發(fā)送給對方的數(shù)據(jù)，則從發(fā)送列表中取出第一條數(shù)據(jù)作為當(dāng)前需要發(fā)送的數(shù)據(jù)。如果當(dāng)前需要發(fā)送的數(shù)據(jù)長度較短，則通過數(shù)據(jù)命令幀發(fā)送給對方。如果當(dāng)前需要發(fā)送的數(shù)據(jù)長度較長，則將當(dāng)前需要發(fā)送的數(shù)據(jù)拆分成一個(gè)數(shù)據(jù)命令幀和若干個(gè)數(shù)據(jù)幀依次發(fā)送給對方。每向?qū)Ψ桨l(fā)送一幀數(shù)據(jù)，如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)收到正確的應(yīng)答幀，則繼續(xù)發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)。如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒有收到正確的應(yīng)答幀，則轉(zhuǎn)入不同步狀態(tài)。當(dāng)一批數(shù)據(jù)的所有子幀均發(fā)送成功，則從發(fā)送列表中刪除已經(jīng)發(fā)送給對方的數(shù)據(jù)，并從發(fā)送列表中取出下一條數(shù)據(jù)作為當(dāng)前需要發(fā)送的數(shù)據(jù)，開始新的數(shù)據(jù)發(fā)送流程。

5 協(xié)議分析

5.1 實(shí)時(shí)性

對于周期數(shù)據(jù)，由于已分配了專門的MVB端口，所以車載設(shè)備每個(gè)工作周期向MVB端口發(fā)送列車當(dāng)前的速度、位置等重要信息，DMI每個(gè)工作周期從MVB端口讀取這些數(shù)據(jù)，保證DMI能夠?qū)崟r(shí)獲得最新的列車運(yùn)行信息，并將這些信息顯示在界面上。

非周期數(shù)據(jù)使用非周期數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議進(jìn)行傳輸，該協(xié)議是一種高效的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，能以最快的速度將數(shù)據(jù)傳遞給對方，確保非周期數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

5.2 正確性

周期數(shù)據(jù)使用MVB端口直接傳遞給對方，數(shù)據(jù)正確性由MVB協(xié)議保證。

非周期數(shù)據(jù)在MVB協(xié)議的基礎(chǔ)上使用非周期數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議傳遞給對方，數(shù)據(jù)正確性由MVB協(xié)議和非周期數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議共同保證。使用非周期數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)命令幀、數(shù)據(jù)幀、突發(fā)命令幀的幀頭中均包含有幀長度、幀序號等控制信息，幀序號保證各個(gè)幀之間的先后順序，幀長度保證每一幀攜帶的有效數(shù)據(jù)的長度。通過發(fā)送數(shù)據(jù)并回復(fù)應(yīng)答幀的方式可以避免丟失數(shù)據(jù)。

5.3 可用性

在DMI和車載設(shè)備之間存在2個(gè)方向的同步，其同步關(guān)系是相互獨(dú)立互不影響的，提高了非周期數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的可用性。此外發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)機(jī)和接收數(shù)據(jù)狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)，也提高了非周期數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的可用性。

6 結(jié)束語

介紹了一種CTCS-2級列控系統(tǒng)中基于MVB總線的DMI與車載設(shè)備交互數(shù)據(jù)的方法。該方法已經(jīng)應(yīng)用到了CTCS-2級列控系統(tǒng)DMI與車載設(shè)備的通信中，經(jīng)過試驗(yàn)和分析認(rèn)為該方法可以將車載設(shè)備的重要信息實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地傳遞給DMI，并可將DMI的按鍵信息實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地傳遞給車載設(shè)備，保證DMI實(shí)時(shí)顯示列車的運(yùn)行狀態(tài)，為司機(jī)通過DMI有效監(jiān)控列車安全高效地運(yùn)行提供了技術(shù)支撐。

［1］ 楊昌休．多功能車輛總線MVB關(guān)鍵技術(shù)的研究［M］．成都:西南交通大學(xué)，2010．

［2］ 宋娟，王立德，嚴(yán)翔，申萍．MVB協(xié)議分析裝置設(shè)計(jì)及其實(shí)時(shí)性分析［J］．鐵道學(xué)報(bào)，2011，33(11):41 －45．

［3］ 羅成．多功能車輛總線控制器的FPGA設(shè)計(jì)與開發(fā)［M］．大連:大連理工大學(xué)，2009．