黨夢(mèng)茜

在軌道交通運(yùn)行線路中，信號(hào)設(shè)備對(duì)于保障線路安全發(fā)揮著重要作用。其中計(jì)軸設(shè)備是通過檢測(cè)區(qū)段占用/空閑狀態(tài)來保證列車運(yùn)行安全［1］?；诂F(xiàn)有的計(jì)軸設(shè)備，本文提出了一種在進(jìn)路首末端配置計(jì)軸點(diǎn)進(jìn)行列車進(jìn)路占用檢查的模式，該模式可明顯降低投資成本和人員維護(hù)成本。另外，針對(duì)現(xiàn)有的計(jì)軸器通常采用繼電器輸出進(jìn)路狀態(tài)（進(jìn)路占用/空閑狀態(tài)），無法直接與聯(lián)鎖實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全通信的問題，設(shè)計(jì)了一種進(jìn)路狀態(tài)判別處理器，通過該處理器計(jì)軸設(shè)備能夠?qū)⑦M(jìn)路狀態(tài)編碼后輸送至聯(lián)鎖，從而實(shí)現(xiàn)與聯(lián)鎖系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)安全傳輸。

1 需求分析

1）實(shí)現(xiàn)進(jìn)路判別及處理。進(jìn)路狀態(tài)判別處理器接收到計(jì)軸器傳遞的進(jìn)路狀態(tài)（占用/空閑）信息后，先與聯(lián)鎖輸入的進(jìn)路選擇信息、道岔定/反位狀態(tài)進(jìn)行一致性校核，再將列車進(jìn)路空閑或占用狀態(tài)傳遞給聯(lián)鎖。

2）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全傳輸。遵從RSSP-I安全通信協(xié)議，進(jìn)路狀態(tài)判別處理器與聯(lián)鎖通過網(wǎng)口進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)安全傳輸。

3）實(shí)現(xiàn)設(shè)備工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)。將進(jìn)路狀態(tài)判別處理器的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)通過網(wǎng)口傳遞至集中監(jiān)測(cè)，便于工作人員了解設(shè)備運(yùn)行狀況。

2 設(shè)計(jì)方案

進(jìn)路狀態(tài)判別處理器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)見圖1，主要由電源模塊、主控模塊和監(jiān)測(cè)模塊構(gòu)成。其中：電源模塊主要將24 V電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V電壓，向主控模塊和監(jiān)測(cè)模塊供電；主控模塊作為核心模塊，主要實(shí)現(xiàn)進(jìn)路判別及處理功能，并遵從RSSP-I安全協(xié)議，與聯(lián)鎖實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)安全傳輸；監(jiān)測(cè)模塊是集中監(jiān)測(cè)和進(jìn)路狀態(tài)判別處理器的一個(gè)接口單元，將設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)發(fā)送至集中監(jiān)測(cè)。

2.1 電源模塊

如圖1所示，電源模塊主要由24-5 V電壓轉(zhuǎn)換電路、負(fù)載開關(guān)電路、5-3.3 V電壓轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成。24-5 V電壓轉(zhuǎn)換電路將24 V電壓轉(zhuǎn)化為5 V電壓，輸入至負(fù)載開關(guān)電路；負(fù)載開關(guān)電路采用3個(gè)完全相同的具有熱關(guān)斷保護(hù)功能的單通道負(fù)載開關(guān)TPS22810，可避免元器件結(jié)溫過高，確保元器件處于安全工作區(qū)域［2］。負(fù)載開關(guān)電路將5 V電壓分3路送至5-3.3 V電壓轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換為3路3.3 V電壓，對(duì)于主控模塊和監(jiān)測(cè)模塊供電。

圖1 進(jìn)路狀態(tài)判別處理器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

2.2 主控模塊

主控模塊采用冗余設(shè)計(jì)，包含2個(gè)結(jié)構(gòu)、功能完全相同的硬件模塊，每個(gè)模塊主要包含主控CPU模塊、W5500網(wǎng)口芯片模塊和通信狀態(tài)展示模塊。

2.2.1 主控CPU1/2

主控CPU1/2模塊是主控模塊的核心電路模塊，均選用STM32F407VET6芯片。主控CPU1/2模塊電路主要包含電源、調(diào)試下載電路、啟動(dòng)方式選擇電路、晶振電路、復(fù)位電路，這些電路結(jié)合主控CPU1/2芯片稱為一個(gè)最小系統(tǒng)［3］，從而保障CPU正常工作。

2.2.2 基于W5500網(wǎng)口芯片的數(shù)據(jù)通信

W5500與主控CPU（主機(jī)）連接見圖2，有MOSI、MISO、SCLK、SCSn 4路信號(hào)［5］。MOSI代表主機(jī)輸出，W5500輸入；MISO代表主機(jī)輸入，W5500輸出；SCLK接收主機(jī)的SPI時(shí)鐘信號(hào)；SCSn為片選信號(hào)。主控CPU芯片通過W5500網(wǎng)口芯片和聯(lián)鎖進(jìn)行雙向通信［5］。

圖2 主控CPU和W5500連接圖

2.2.3 通信狀態(tài)展示模塊

主控CPU與SN74HC245DW緩沖器連接，輸出CPU工作狀態(tài)至多個(gè)LED指示燈。工作狀態(tài)包含CPU工作/故障狀態(tài)、接收/發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)、與監(jiān)測(cè)CPU芯片通信狀態(tài)等。

2.3 監(jiān)測(cè)模塊

通過串口通信方式接收主控CPU1/2發(fā)送的主控模塊運(yùn)行狀態(tài)，并將主控模塊與監(jiān)測(cè)模塊的運(yùn)行狀態(tài)通過W5500網(wǎng)口芯片送至集中監(jiān)測(cè)。如圖1所示，監(jiān)測(cè)模塊主要由監(jiān)測(cè)CPU3、TF卡模塊、W5500網(wǎng)口芯片3及通信狀態(tài)展示模塊組成。其中，監(jiān)測(cè)CPU3采用和主控模塊相同的CPU芯片，與CPU1/2進(jìn)行通信；TF卡模塊可在卡槽內(nèi)插入，方便修改系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)邏輯，從而適應(yīng)不同場(chǎng)合的功能需求，提高設(shè)備的利用價(jià)值；W5500網(wǎng)口芯片將主控CPU傳遞的數(shù)據(jù)信息發(fā)送至集中監(jiān)測(cè)，輸出的數(shù)據(jù)信息包括進(jìn)路狀態(tài)、通信狀態(tài)、CPU故障/工作狀態(tài)等；通信狀態(tài)展示模塊將監(jiān)測(cè)CPU3和主控CPU通信狀態(tài)、監(jiān)測(cè)CPU3工作/故障狀態(tài)等，通過緩沖器輸出至LED進(jìn)行顯示。

3 軟件實(shí)現(xiàn)

軟件實(shí)現(xiàn)分為主控模塊軟件和監(jiān)測(cè)模塊軟件2部分，主函數(shù)實(shí)現(xiàn)流程見圖3。

圖3 軟件主函數(shù)實(shí)現(xiàn)流程

1）進(jìn)入主函數(shù)main（）進(jìn)行初始化配置。首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化配置，配置完成后開始進(jìn)入while（1）循環(huán)，對(duì)于W5500端口進(jìn)行初始化配置。

2）W5500接收數(shù)據(jù)。判斷端口接收到數(shù)據(jù)后，進(jìn)入W5500接收數(shù)據(jù)程序。首先將接收數(shù)據(jù)指示燈點(diǎn)亮，再由CPU對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理時(shí)需先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，再進(jìn)行進(jìn)路判別及處理。

3）W5500發(fā)送數(shù)據(jù)。發(fā)送數(shù)據(jù)前，由CPU對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，再由W5500發(fā)送數(shù)據(jù)程序發(fā)送數(shù)據(jù)，并點(diǎn)亮發(fā)送數(shù)據(jù)指示燈。

3.1 主控模塊軟件

3.1.1 基于RSSP-I協(xié)議的數(shù)據(jù)安全傳輸

隨著網(wǎng)絡(luò)通信的日趨深入，為鐵路通信帶來了極大的便利性和實(shí)用性，為保障信號(hào)安全設(shè)備互聯(lián)互通，必須采用統(tǒng)一的接口和協(xié)議［6］。本文將RSSP-I協(xié)議應(yīng)用于進(jìn)路狀態(tài)判別處理器和聯(lián)鎖之間的數(shù)據(jù)安全通信。RSSP-I協(xié)議具有6種安全防御技術(shù)：序列號(hào)、時(shí)間戳、超時(shí)、源標(biāo)識(shí)、反饋報(bào)文和雙重校驗(yàn)，可對(duì)應(yīng)解決封閉式網(wǎng)絡(luò)中的通信威脅，保障數(shù)據(jù)通信安全［7-8］。

當(dāng)主控CPU通過W5500接收數(shù)據(jù)后，首先需對(duì)接收到的報(bào)文進(jìn)行安全校驗(yàn)，通過后才可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。圖4為接收數(shù)據(jù)安全校驗(yàn)流程。首先對(duì)報(bào)文頭、尾進(jìn)行有效性檢查，有誤直接丟棄；然后再對(duì)報(bào)文中的安全校驗(yàn)域進(jìn)行檢查，包括序列號(hào)校驗(yàn)和雙通道安全校驗(yàn)碼（SVC）校驗(yàn)。序列號(hào)校驗(yàn)用于判斷報(bào)文是否有序，SVC校驗(yàn)可保障數(shù)據(jù)傳輸安全性，序列號(hào)校驗(yàn)或SVC校驗(yàn)其中之一有誤，則需要進(jìn)行時(shí)序?qū)R校正［8-9］。

圖4 接收數(shù)據(jù)安全校驗(yàn)流程

當(dāng)主控CPU通過W5500發(fā)送數(shù)據(jù)前，先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，生成發(fā)送報(bào)文。發(fā)送報(bào)文包括報(bào)文頭、安全校驗(yàn)域、用戶數(shù)據(jù)包、報(bào)文尾4個(gè)部分。其中，報(bào)文頭包含報(bào)文類型和源目標(biāo)地址；安全校驗(yàn)域包含序列號(hào)、安全數(shù)據(jù)長度、安全校驗(yàn)通道SVC_1和SVC_2；用戶數(shù)據(jù)包即需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)；報(bào)文尾CRC16，根據(jù)報(bào)文頭、安全校驗(yàn)域和用戶數(shù)據(jù)包生成。

3.1.2 進(jìn)路判別及處理功能實(shí)現(xiàn)

圖5為進(jìn)路判別及處理功能實(shí)現(xiàn)流程圖。

圖5 進(jìn)路判別及處理功能流程

1）計(jì)軸器輸出進(jìn)路狀態(tài)（空閑/占用）給進(jìn)路狀態(tài)判別處理器，如果進(jìn)路空閑則進(jìn)入（2）；如果進(jìn)路占用，則直接輸出進(jìn)路占用狀態(tài)至聯(lián)鎖。

2）判斷是否已選擇進(jìn)路。如果未選擇進(jìn)路，則直接輸出進(jìn)路空閑狀態(tài)至聯(lián)鎖；如果已選擇進(jìn)路，則進(jìn)入（3）。

3）判斷選擇進(jìn)路選擇信息和道岔的定/反位狀態(tài)是否一致。如果一致，則將進(jìn)路空閑信息傳遞給聯(lián)鎖；如果不一致，則將占用信息傳送給聯(lián)鎖，保障進(jìn)路狀態(tài)輸出符合“故障導(dǎo)向安全”原則［10］。

3.2 監(jiān)測(cè)模塊軟件

監(jiān)測(cè)模塊軟件主要是將設(shè)備工作/故障信息、進(jìn)路狀態(tài)等輸出至集中監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)模塊通過監(jiān)測(cè)CPU接收主控CPU1/2傳遞的數(shù)據(jù)信息，并通過W5500發(fā)送數(shù)據(jù)程序?qū)?shù)據(jù)信息通過網(wǎng)口傳遞給集中監(jiān)測(cè)。

4 結(jié)論

本文提出的進(jìn)路狀態(tài)判別處理器計(jì)劃在成都某條旅游線路進(jìn)行試驗(yàn)，能夠基于RSSP-I協(xié)議實(shí)現(xiàn)其與聯(lián)鎖之間的數(shù)據(jù)安全通信，接收聯(lián)鎖發(fā)送的進(jìn)路選擇信息和道岔狀態(tài)信息，并進(jìn)行一致性校核，對(duì)于保障列車運(yùn)行安全具有重要作用。