基于TRDP 的CCU 模拟软件设计与应用

摘要：随着列车控制系统的智能化、网络化发展，列车实时以太网TRDP由于其传输速率可达到100Mb/s，已逐渐替代速率1～1.5Mb/s的WTB和MVB网络，成为高速动车组的控制网络。在列车实时以太网中，列车中央控制单元CCU作为最关键的核心部件，负责列车的通信、过程控制及显示控制的管理。文章介绍了一种基于TRDP网络的CCU模拟软件的设计方法，用于与车载子系统通信，以满足调试需求。该软件基于C语言编写，具有简单易学、可移植性高、模块化、结构化的优点。

关键词：C语言；列车中央控制系统；TRDP协议；模拟软件

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）27-0062-04

0 引言

列车设备接入列车控制网络前均需要对自身设备的功能进行调试，这就需要CCU实物以提供地面测试。对CCU的研究有基于IsaGRAF应用程序的模拟CCU串口通信的软件设计[1]，有基于MVB的城轨车辆CCU 设计[2]。对TRDP 的调试之前有相关研究抓取TRDP报文进行数据分析的软件[3]，但着重在于数据分析而没有进行交互控制。本文提供一种基于C语言的模拟CCU软件对子系统设备进行调试，用于在车辆总装前对子系统设备提供地面验证，节约调试成本。软件可部署于个人电脑，通过以太网连接子系统，控制以太网发送TRDP报文与子系统通信，并模拟列车CCU列车设备的调度和调试，对调试列车设备有重要的意义。

本文首先对列车实时以太网协议TRDP进行介绍，然后详细介绍了CCU模拟软件设计开发过程，包括TRDP协议移植、通信参数的配置、组播的加入、过程数据通信、数据的实时显示、用户界面设计、子系统部件状态监视、故障记录等。最后，通过搭载地面半实物平台与车载受电弓控制单元通信，验证了CCU模拟软件开发的正确性、实用性。

1 列车实时以太网协议TRDP 介绍

TRDP协议栈基于传统以太网架构，数据链路层采用Ethernet以太网协议，传输层使用TCP/UDP协议进行传输，过程数据和消息数据都可使用UDP发送[4]。过程数据是实时周期性数据，用于列车关键控制和列车状态信息的传输，是CCU模拟软件需要的数据；消息数据是实时非周期性数据，不用于控制。图1为TRDP协议栈架构图。

IEC61375-2-3协议定义了TRDP过程数据通信单元PDU的组成，报文头部长度为40个字节，如图2 所示。

TRDP过程数据通信单元报文头包括报文计数器SequenceCounter，根据协议SequenceCounter需要在发送过程保持累加，另外还包括协议版本ProtocolVer⁃sion、信息类型MsgType、通信标识符ComID、数据长度DatasetLength、报头校验和HeaderFCS等。

每个TRDP通信都使用一个通信标识符（comID） ，该comID在每个PDU报头中传输。comID是数据结构的唯一标识符，由用户自行定义，为大于999 的整数值。

紧跟报文头的是后续数据，长度最长为1 432字节的用户数据。

2 软件设计与开发

2.1 开发环境

软件开发环境选用Windows系统社区版VS 2022 进行编译，采用MSVC编译器，具有良好的兼容性、丰富的库函数支持、高效的代码优化和方便调试的优点。采用XAML窗口模式提供丰富的界面展示效果。

2.2 软件结构

软件分为前台和后台程序。前台程序包括用户界面模块、数据实时显示模块、故障记录模块。后台程序包括网络通信模块、数据处理模块，如图3所示。

软件主要执行过程包括：TRDP协议的移植、UDP 连接建立、加入组播发送和接收进程处理、前台数据显示、故障数据记录。

2.3 软件设计架构图

软件整体架构图如图4所示。

1） 软件开始执行后，对TRDP报文结构进行定义，通过UDP包形式采用符合TRDP报文结构的方式对TRDP报文进行封装。

2） 列车以太网大多采用组播形式进行报文收发。检测到连接按钮被点击后，通过HMI界面的IP地址和组播地址建立连接并加入组播。此步骤通过调用C 语言标准库函数进行。

3） 建立收发线程。通过创建线程，建立UDP数据发送线程以及UDP数据接收线程：

public MainWindow（） //主窗口创建

{

InitializeComponent（）; //初始化

udpRecvThread = new Thread（UdpRecv）; //UDP接收线程建立

udpRecvThread. IsBackground = true; //UDP 接收线程设为后台

udpRecvThread.Start（）; //UDP 接收线程开启

udpSendThread = new Thread（UdpSend）; //UDP 发送线程建立

udpSendThread.IsBackground = true; //UDP 发送线程设为后台

udpSendThread.Start（）; //UDP 发送线程开启

}

4） 显示到看板。建立委托，将接收进程里面的数据报文进行解析，根据协议位展示在看板中：

private void ShowTrainData（） //展示传输数据函数

{

this. Dispatcher. Invoke（new Action（（） => //建立委托

{

ShowTrainRecvData（）; //展示接收数据函数

}））;

}

3 模块功能设计

3.1 TRDP 协议移植

根据TRDP协议定义，定义结构体，将报文头和数据按顺序排列：

struct TRDP_PD_MSG

{

public UInt32 sequenceCounter; //消息序号计数器

public UInt16 protocolVersion; // 协议版本

public UInt16 msgType; // 消息类型

public UInt32 comId; // 通信标识符

public UInt32 etbTopoCnt; // ETB 拓扑计数器

public UInt32 opTrnTopoCnt; //Optrn拓扑计数器

public UInt32 datasetLength; // 数据长度

public UInt32 reserved; // 预留

public UInt32 replyComId; // 已请求的通信标识符

public UInt32 replyIpAddress; // 应答IP地址

public UInt32 frameCheckSum; // 报头校验和

[MarshalAs（UnmanagedType.ByValArray， SizeConst =1300）]

public Byte[] data;

}

而子系统与车辆间交互的数据均存放在data字节数组中。

3.2 组播的介绍以及加入和退出组播

列车以太网不是一对一的单点传输，CCU的公共信号（例如车速、时间等内容）需要同时发送给车辆所有子部件，所以大多动车组均采用组播形式进行发送。组播允许某个IP站点将一个报文一次发送给网络上指定的一组节点，只有该组内的节点可以接收到组播报文，其他节点则不能收到[5]。子系统的发送组播和接收组播地址由列车制造厂商规定。因此，子系统须加入发送组播和接收组播组来与CCU进行通信。

软件通过引用标准库中的两个库函数进行加入组播和退出组播操作。

using System.Net;

using System.Net.Sockets; 加入组播库函数

public void JoinMulticastGroup（IPAddress multi⁃castAddr） 退出组播库函数

public void DropMulticastGroup（IPAddress multi⁃castAddr）

3.3 连接建立

在软件建立连接过程中，通过绑定IP地址、端口号、目标组播地址，初始化ComID，初始化TRDP报文头，加入组播等操作建立模拟CCU软件和子系统设备的连接。本文示例发送的ComID设置为21304，IP地址为看板中输入的IP地址。

.private void connectBtn_Click（object sender， Rout⁃edEventArgs e） //按键响应函数

{……

IPAddress localIpAddr = IPAddress. Parse（localIP.Text）; //目的IP地址绑定

localPoint = new IPEndPoint（localIpAddr， int.Parse（localPort.Text））; //端口绑定

udpClient = new UdpClient（localPoint）; //本地端口设置

IPAddress recvMultIpAddr = IPAddress.Parse（recv⁃MultIP.Text）;//接收组播地址

jSs6SGAcbZckayEC5TIELQ==recvMultiPoint = new IPEndPoint（IPAddress.Any， 0）;// 接收组播端口

udpRecvClient.JoinMulticastGroup（recvMultIpAddr）;//加入接收组播

sendPdMsg. protocolVersion= PP_HTONS（0x0100）;//TRDP报文头的协议版本

sendPdMsg. msgType=PP_HTONS（0x5064）; //TRDP 报文头的消息类型

sendPdMsg.comId=PP_HTONL（21304）; //TRDP 报文头的COMID

sendPdMsg.datasetLength=PP_HTONL（1300）; //TRDP 报文头的数据长度

……

}

3.4 根据通信协议进行通信

连接建立完成后，通过子系统与车辆的协议内容，在看板中展示各类收发数据，包括数值信号、开关量信号、故障信号等内容。通过int、Byte、Word型变量展示数值信号，通过bool型变量展示开关量信号和故障信号，如图5所示。

3.5 HMI 看板展示

软件的看板规划如下：分为左侧控制区和右侧展示区，展示区分为车辆发送与车辆接收。发送和接收的内容均能根据具体协议自主定义。本示例为列车受电弓控制器与列车CCU通信模拟，如图6所示。

3.6 故障记录功能

软件具有与列车司机室显示屏相同的故障记录功能，通过定义两个故障清单，展示当前故障（cur⁃rentlist） 和历史故障（historylist） 。通过接收报文的故障位从0跳变为1展示在当前记录中，从1变为0则将当前记录转移到历史记录中。故障产生与消除时均加入时间戳，以准确记录故障持续时间。

以接触网超范围故障为例，如果是从0变为1，则判断当前故障清单currentlist中是否已有此故障，如有则无须操作，如没有则增加到当前故障清单。如果是从1变为0，则将当前故障清单中故障移除，添加到历史故障清单。如图7所示。

4 软件效果验证

4.1 测试环境搭建

选用车载受电弓控制器作为被测设备，以太网连接测试电脑和被测设备。测试电脑运行CCU模拟软件，发送控制报文，接收被测设备报文。

4.2 测试工具

采用Wireshark软件对TRDP数据进行抓包，以检测软件执行情况。打开电脑Wireshark软件，对TRDP 报文进行过滤接收，可监测到模拟CCU和子系统设备双方报文正确发送，ComID设置正确，如图8所示。

4.3 测试结果分析

现场对设备进行调试，记录调试软件交互报文和展示界面正确。通过分析报文进一步验证了软件通信功能的正确性，CCU软件发送升降弓指令后，受电弓正确进行动作。这表明软件具备模拟CCU的TRDP 报文收发功能，满足设计预期。

5 结束语

本文针对目前列车子部件接入列车实时以太网调试的问题，通过TRDP报文收发、组播的加入、协议位的展示、人机交互界面的设计等方面，模拟了CCU 与子系统设备的通信，为子系统地面测试提供了条件，并对软件功能进行了测试，满足子系统调试要求。目前通过此软件测试的受电弓控制器已安装在CR400AF以及CR400BF动车组，大大节约了车辆联合调试的时间，也减少了上车后的设备故障。此软件能够推及其他子系统部件，为列车调试节约时间及成本。

参考文献：

[1] 黄瑜，朱红岗.TCMS系统中CCU通信设计开发及验证[J].电子制作，2019，27（13）：42-44.

[2] 任宝兵.城轨车辆中央控制单元设计[D].大连：大连理工大学，2014.

[3] 郭文韬，李常贤，刘洋，等.基于TRDP的动车组单车网络调试软件设计[J].工业控制计算机，2021，34（2）：21-23.

[4] 宫湛彭.列车网络TRDP消息数据通信监控软件设计与实现[D].大连：大连交通大学，2022.

[5] 唐岚，张学智.IP组播通信机制及相关问题的研究[J].西安工业学院学报，2000，20（3）：209-214.

【通联编辑：谢媛媛】