区间综合监控系统主机与解锁盘通信方案研究

2019-10-23郝韬

铁路计算机应用 2019年10期

郝韬

（中国铁道科学研究院集团有限公司通信信号研究所，北京 100081）

区间综合监控系统是应用于既有铁路，通过计算机技术实现区间占用逻辑检查、区间运行方向控制、站间安全信息传输等功能的信号设备，由系统主机、解锁盘两大主要部分组成。其中系统主机用于进行逻辑运算，解锁盘用于实现各区间及闭塞分区逻辑状态的显示及区间逻辑状态确认命令的下达等功能，每套区间综合监控系统可配置一个或多个解锁盘。系统主机与各解锁盘之间存在双向通信的需求。

为实现多对象间的相互通信，目前主流的通信方式有CAN总线[1]、工业以太网[2]、ProfiBus总线等[3-4]。其中CAN总线具备实时性强、具有优先权和仲裁功能、成本低等优点，但对于本文而言CAN总线单帧数据容量有限，且在1Mbps速率下传输距离较短，无法满足要求。工业以太网作为以太网技术的延伸，具有价格低廉、稳定可靠、通信速率高等优点，但在多点通信时需要设置专门的交换机设备，增加硬件成本，同时增加了故障可能性。ProfiBus总线基于RS-485总线[5]，采用轮询方式通信，一主多从结构，具备通信容量大、工作稳定、通信距离长等优点，能满足本系统的通信要求，但由于ProfiBus协议需要专用芯片实现，硬件成本较高，且ProfiBus协议相对于本文的通信需求过于复杂[6-7]。

本文以ProfiBusDP协议[5]为基础，对其进行简化，提出一种基于RS-485总线的系统主机与解锁盘间的通信方案，以达到简化系统硬件结构及降低通信软件实现难度的目的。

1 系统结构

1.1 系统需求

系统主机与解锁盘间通信周期为250 ms，通信距离不小于500 m，每周期内主机与单个解锁盘间交互的用户数据量为100字节，解锁盘间无通信需求。本文所提方案应需满足支持系统主机与不少于10个解锁盘间进行通信，且设备间采用RSSP-I安全通信协议[8]。

1.2 总线结构

区间综合监控系统主机与解锁盘采用RS-485总线进行通信，通信速率选用100 Kbps。系统主机与解锁盘间设置2路RS-485总线，系统主机每系接入1路总线，各解锁盘均同时接入2路总线，连接方式如图1所示。

图1 主机与解锁盘连接方式示意图

根据RS-485总线的电气特性，如解锁盘与区间综合监控系统主机间安装距离不大于1 000 m，可直接使用通信电缆作为传输介质。

2 通信协议

2.1 通信时序

为防止各设备同时向总线发送数据时，产生总线冲突的情况，区间综合监控系统主机与解锁盘间采用呼叫应答方式进行通信。区间综合监控系统主机固定作为通信主站，各解锁盘作为通信从站。进行通信时，主站应以250 ms为周期向各从站发送呼叫数据，从站在接收到主站发送给本站的有效数据后，应向主站发送应答数据。通信时序如图2所示。

总线上各节点通信时应遵循以下要求：

（1）各从站间不进行通信交互，从站在未收到主站呼叫时，不允许向总线发送数据；

（2）各节点向总线上发送数据的时间间隔不能小于3 ms；

（3）主站超过10 ms未从对应从站收到应答数据，应判断与该从站通信失败，并呼叫下一个从站。

图2 通信时序示意图

2.2 通信协议

主站及从站间通信使用定长数据包进行通信，数据包格式见表1。

表1 数据包格式

数据包中各字段定义如下：包头固定为0xfe；包尾固定为0xff；源地址及目的地址为各节点地址信息，主站地址固定为0，从站地址从1开始，顺序增加，最多支持10个从站；用户数据为用户层信息，包括所有用户层通信数据，定义如表2所示。

表2 用户数据包格式

其中用户数据长度为“用户数据”字段的有效长度，用户数据包数为“用户数据”字段的有效包数，用户数据字段为实际用户数据。

主机与解锁盘间的通信内容属于安全信息，故采用RSSP-I安全协议对用户数据进行防护[9-10]。由于本方案中，主站与从站间采用呼叫应答机制进行通信，无法实时发送时序矫正信息，故对RSSP-I协议的时序矫正机制作如下调整：需要发送剩余偏差（SSE）或回归偏差（SSR）时，应将SSE或SSR附在下一周期的相对标准偏差（RSD）前一起发送，此时用户数据包数应根据实际情况填写。用户数据中最多只允许包含：1包SSE+1包SSR+1包RSD。主站与从站首次建立通信时，数据包交互流程如图3所示。

图3 数据交互示意图

3 软件实现及测试

在实际项目中，主机及解锁盘的硬件通信板卡均基于STM32F407芯片开发，利用芯片内置的UART串口接入RS-485总线。通信协议完全由软件实现，编程语言为标准C语言。

系统开发完成后，项目组搭建了包含1台主站与10台从站的测试环境对通信质量进行测试，并分别在主站及从站端对通信数据进行分析监测。在为期1周的通信测试过程中，主站及从站设备均未发现数据错包（基于RSSP-I协议未发生校验错误判断）、丢包或乱序（基于包序号判断）、通信周期错误等通信不稳定现象，测试期间RSSP-I协议未生重联。通过测试，验证了本文提出的通信方案稳定可靠，能较好地满足系统需求。