（通信与信息系统专业论文）数字专用通信设备中通信子系统的设计与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第日页 a b s t r a c t 飞 p r i v a t e - c o m m u n i c a t i o n d e v i c e s a r e v e ry i m p o r t a n t d e v i c e s u s e d i n r a i l w a y c o m m u n i c a t i o n s y s t e m . a s t h e d e v e l o p m e n t o f t h e d i g i t a l c o m m u n i c a t i o n s y s t e m , i t i s n e c e s s a r y t o d e v e l o p d i g i t a l p r i v a t e - c o m m u n i c a t i o n d e v i c e s . t h e t h e s i s a i m s a t d e v e l o p i n g a d i g i t a l p r i v a t e - c o m m u n i c a t i o n d e v i c e . t h i s d e v i c e i s d e v e l o p e d u s i n g a d v a n c e d p r o g r a m c o n t r o l s w i t c h t e c h n o l o g y . i t h a s p e r f e c t i n t e r f a c e - b o a r d s . t h i s d i g i t a l p r i v a t e - c o m m u n i c a t i o n d e v i c e h a s t h e f o l l o w i n g r e m a r k a b l e c h a r a c t e r i s t i c s : h i g h - r e l i a b i l i t y , fl e x i b l e n e t t i n g m e t h o d s , h i g h e x p a n d a b i l i t y e t c . a t t h e f i r s t , t h e s y s t e m r e q u i r e m e n t a n d d e s i g n a r e a n a l y z e d a s a w h o l e . s e c o n d l y , a s t h e m a i n p a rt s , t h e d e s i g n a n d r e a l i z a t i o n o f t h e c o m m u n i c a t i o n s u b - s y s t e m u s e d i n t h e d e v i c e a r e d i s c u s s e d i n g r e a t d e t a i l . i n h a r d w a r e d e s i g n , t h e u s e o f p s d a n d i t s i n t e r f a c e c i r c u i t , t h e h i g h - l e v e l s e r i a l c o m m u n i c a t i o n c o n t r o l l e r s a b 8 2 5 2 5 , d o u b l e p o r t r a m i d t 7 1 3 0 , a n d r s 4 2 2 t r a n s m i t t e r r e c e i v e r ma x 4 9 1 e m o d u l e a r e d e s c r i b e d . t h e p e r f o r m a n c e o f h a r d w a r e s t r u c t u r e i s a n a l y z e d a t t h e e n d o f h a r d w a r e d e s i g n . i n s o f t w a r e d e s i g n , b a s e d o n t h e i n t r o d u c t i o n o f h i g h - l e v e l d a t a l i n k c o n t r o l p r o c e d u r e , t h e m a i n p a rt s o f t h e p r o g r a m u s e d i n m as t e r n o d e a r e c o n s i d e r e d a s a n e x a m p l e , i n c l u d i n g s e r i a l c o m m u n i c a t i o n p r o c e s s i n g m o d u l e , t h e c o m m u n i c a t i o n b u s - a s s i g n i n g m o d u l e , p a r a l l e l - c o m m u n i c a t i o n p r o c e s s i n g m o d u l e . a t t h e e n d o f s o f t w a r e d e s i g n , a n e x a m p l e i s g i v e n t o i l l u s t r a t e t h e u s e o f t h e c o m m u n i c a t i o n s u b - s y s t e m . f i n a l l y , t h e t h e s i s d e a l s w i t h t h e i n t e r f e r e n c e p r o b l e m i n c o m m u n i c a t i o n s u b - s y s t e m , a n d g i v e s t h e m e t h o d s u s e d t o r e d u c e i n t e r f e r e n c e . k e y w o r d s : p r o g r a m c o n t r o l s w i t c h ( s p c ) , h d l c , a n t i - i n t e r f e r e n c e 西南交通大学硕士研究生学位论文第i 页 第一章 绪论 我国的专用通信是作为通信事业的一个分支存在的，这主要是因为公用 通信网远远满足不了生产的需要。在大、中企业内部，由于企业管理的特殊 要求，逐步建立和发展了专用通信网，形成了目 前企业内部既有用于行政工 作的电话交换网，也有用于生产指挥的专用通信网的状况。前者的典型设备 是用户电话交换机，后者的典型设备则是调度机等其他专用通信设备。在石 油、电力等部门， 还有专门用于生产指挥的专用长途通信网和无线通信网。 铁路专用通信设备，尤其是调度设备，是铁路行车调度、指挥和信息联络的 重要通信设备，直接关系到铁路运输生产的安全和效能。 目 前在线上广泛使用的铁路专用通信设备全部都是模拟方式的，采用分 立元件构成，大量采用继电器和搬键结构，易损件多，维修量大，维护费用 高。调度和集中机设备在车站应用时，基本上自 成系统，各自 完全独立， 在 车站与车站之间， 每种设备的传输都需要独立的模拟实回线电缆，并在每个 车站都要设立各自 独立的安放位置，配备各自的维护人员。另外，由于目前 的调度与集中机设备没有监控端口，从而无法实现集中监控，维修人员不能 及时了解、掌握车站和站场通信设备的运行状况，需要花费大量的人力物力 巡回检修。 随着传输通道的数字化，模拟通道将被淘汰， 铁路专用通信设备的数字 化是通信发展的必然趋势，铁道部正在大力发展以 光纤为主干的数字通道， 模拟传输通道将不再增加投资。老式调度，集中机设备与数字传输通道间的 接入将会是今后面临的重大问题。 1 . 1调度设备的演化与现状 调度设备作为一种专用通信设备，其实时性强、可靠性高，广泛应用于 冶金、电力、石油、化工、铁路、航空交通、公安等领域。是发布指令、听 取汇报和调度联络的重要生产手段，为我国各行各业的高效运行发挥了重要 作用。 早期的调度设备没有交换部分，所有的调度通话接续全靠手工操作完 成，从技术上讲，非常接近早期电话网中的人工磁石台。调度设备的核心是 调度总机，简称调度机，相当于电话网中的用户电话交换机。调度机的核心 在调度台内部。 调度台采用扳键开关或按键， 操作键又分为用户键和功能键。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 每个用户键通过一对明线 ( 或载波线路) 连到用户话机上，各调度台 之间通 过电缆将每个用户键连接。 功能键则视功能多少而定. 此类调度系统功能少、 串杂音大、可靠性差，且只能单独使用，使用范围小，通常用于企业内部的 生产调度。 程控交换技术的成熟极大地促进了调度技术的发展。8 0年代，模拟程 控调度机先后被许多厂家推向市场。由于采用了中小规模集成电路，使得通 话质量和系统可靠性得到了较大提高;程控交换技术的引用，使得接续、强 插、强接、 强拆、 组呼、 通播等调度功能易于实现. 此类调度系统可靠性高， 调度功能强、组网灵活，使用范围广。 9 0年代，随着通信网的数字化，数字时分交换技术取代了 模拟空分交 换技术，出现了 数字程控调度机。此类调度机系统容量大、可扩展性强、智 能化水平高. 大规模集成电路、 数字交换技术和计算机系统集成技术的应用， 使得系统的可靠性、话音质量得到了进一步完善和提高，用户界面更友好、 操作更方便、使用范围更广. 虽然调度技术随电话交换技术的发展而发展，但调度机与交换机有着本 质的区别，在此仅以程控调度机与程控交换机的区别为例说明。程控调度机 和程控交换机的关系就如同集群移动通信系统与公用移动电话系统之间的关 系。前者是专用指挥调度系统，它除具备交换接续的功能外，更注重群体电 话的调度和管理， 通过键盘、鼠标、 触摸屏的配置， 为用户提供友好的界面， 操作简单方便。后者面对广大公众用户，主要提供点对点的通信服务。虽然 也具有呼叫转移、 多方通话等功能， 但操作不便、 调度功能不够强大。 例如: 对于调度的组呼 ( 群呼) 、多方会议、调度机只需简单的操作即可实现;而 程控交换机则需一方一方的呼出，并且时延长、数量有限。调度台与话务台 亦不相同，调度台在整个系统中处于核心地位，系统的设计、配置均为调度 台服务，而话务台的作用是呼叫转接，是交换系统的一种辅助手段 7 概括地讲，调度专用通信系统具有如下特点16 1 : i ) 调度关系明 确:调度员与调度用户是 上下级关系， 各调度用户之间 是同级关系，通常的调度指令由调度员发出，各调度用户间不相互下达调度 指令。调度员之间是同级关系，因此要求各调度台之间相互透明，具有同样 的呼叫状态、呼叫提示等信息显示功能，每个调度台可以进行相同或不同的 调度呼叫 2 )双向呼叫一键到位:调度指挥实时性高、操作简单，只需在按键式 键盘或计算机触摸屏上进行 “ 单键直呼” ， “ 一键多号 ( 自 动找人) ”的按键 - 一一夔3 z m ;k * 9里5e 丝竺塑 匕一递3 3 操作即可实现自 动呼叫，无需记号、拨号。 3 ) 双向呼叫畅通无阻:调度工作的重要性要求调度呼叫可靠、畅通、 可通过 “ 呼叫排队” 、 “ 监听” 、“ 强插” 、 “ 强拆”等功能实现。对于公网、专 网有无线用户的综合指挥调度，其调度的强插、强拆功能不必也不可能实现 全网透明，但可通过对某部电话的呼出限制以 及对具体用户多路由、多种通 信手段的选择实现调度指挥到位。 4 ) 通信状态显示直观:调度系统具有主叫号码及相关资料 ( 如主叫姓 名、单位、地址 ) 显示功能、引导操作显示功能 ( 如操作无效、请先摘机 ) 以及用户、中继状态显示功能等，使得指挥调度简便易行。 目前，调度机的生产厂商较多，产品的体制结构、系统性能、组网能力 也各不相同。主要有模拟程控调度机和数字程控调度机两种。其中数字程控 调度机是主流。数字程控调度机根据其实现方法的不同又可分为如下3 类: ( 1 ) 专用数字程控调度系统 专用程控数字调度系统是调度产品的生产厂商采用单片机技术，以数字 交换电路为基础开发生产的调度系统，具有简单经济的特点。适合于厂矿企 业等部门的内部生产管理调度，可通过组网形成专用调度网，完成直呼、组 呼、多方通话、会议、强插、强拆等多种功能。 ( 2 ) 数据信号计算机系统结构 数 据信号计算机 系统结 构 s c s a ( s i g n a l c o m p u t i n g s y s t e m a r c h i t e c t u r e ) 与通信技术、计算机技术、微电子技术的发展密切相关，通 过在工控计算机上配置中继接口、座席转接、语音传真等多功能卡构成综合 信息处理平台实现来话的呼叫处理及简单的调度。 此类调度系统容量小、结 构简单，通常用于规模较小的调度应用。 ( 3 ) 以用户交换机为主机的智能调度系统 此类调度系统以国产或进口的用户交换机 ( p b x )为主机，同时配备键 盘调度台、计算机调度台实现来话的自 动分配和功能齐全的调度，具有容量 大、功能强、组网灵活、可靠性高等优点.适用于大容量的调度系统以及调 度、行政、专网合一的专用通信系统。 数字程控调度机采用数字通信、数字交换技术，具有模拟程控调度机无 可比拟的集成度高、容量大、呼叫处理能力强、音质好、调度速度快、服务 功能丰富等特点。适应于现代通信网数字化、智能化的发展方向。模拟程控 调度机由于其设备简单经济，在数模混合专网中仍有一定的市场。 数字程控调度机与现有通信网连接的复杂性决定了它应该具有环路、磁 矛 骊骊谓 3 i 黔黯黔豁丽丽篡 性包括调度主机和调度台两个方面。公共单元的双热备份、软件的容错冗余 设计、系统的无阻塞交换、大话务量处理能力、强电磁恶劣环境下的适应性 设计等均是系统工作稳定可靠的重要保证。 系统还应具有较强的可维护性( 如 硬件模块的带电插拔、系统的自 检、故障告替等)和远程维护能力以及可扩 性。系统的可扩展性与系统结构直接相关。调度系统应可扩展，以满足今后 业务发展的扩容需要.调度功能应根据具体应用环境有所不同，系统的软硬 件采用模块化设计能保证系统易于升级、扩充方便。 除了 如德国s i e m e n s 等国际大公司外，国内生产数字程控调度机的厂家 及其产品主要有华为公司的c 最大模拟接口1 4 4 个。数字e 1 接口4 个。枢纽主系统和车站分系统之间可以通过星型方式连接，也可以通 过共线方式连接或者综合利用两种连接方式。 “ 飞鸿9 8 铁路数字专用通信系统”具有以下特点: 1 ) 以 现代通信技术与计算机技术作为平台，不但可以实现目 前专用通 信的所有基本业务，而且还可以实现集中监控、远程维护、故障诊断和环境 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 一 一-一一一一一叫 动力监测等功能， 做到远程设备无人值守， 使维护检修工作由过去的预防修 模式转变为现代的状态修模式，符合铁路通信改革发展趋势。 2 ) 基于数字传输通道设计，采用先进的数字时分交换技术。 3 ) 系统具备数字和模拟同时 接入的能力，使数字和模拟方式互为备 份。 4 ) 系统分为“ 枢纽主系统” ( 位于分局 所在地的大站通信枢纽) 和“ 车 站分系统”( 位于沿线各车站) ，两系统分开设计，各有专用性，具有不同的 交换容量，满足相应功能要求。 5 ) 系统采用 d s p数字信号处理技术实现全双工通信并有效进行回波 抑制，具有 a g c自 动增益控制、线路条件自 适应等功能，能够适应大噪声 环境使用。 6 ) 系 统 具有 数字 环自 愈功能。 在 总体 结构中， 采用环状的 数字 通道。 保证数字环的任何一处断开都不会影响系统的正常运行，增加了系统的安全 可靠性。 7 ) 整个系统 采用双机双网备份结构， 关键接口 板可多比 一备份， 从而 减少备用板数量，实现故障时手动或自 动远程切换。 8 ) 系统前台 ( 操作台) 和后台 ( 主机)分离设置，操作台可远离主机 放置，两者之间采用2 b + d接口，实现一对线上的话音与数据同传，优化了 工作和维护环境。 9 ) 操作台 采用触摸屏式或专 用键控操作的全新控制方式， 提供优良 的 人机界面及优化的用户使用环境 ( 方便的时钟显示、音量和铃声的随机调整 等) 。 1 0 )具 有丰 富的 接口( 如: 磁石、 共总、 共分、环路、 载波、 音 频、 无 线、广播、 2 b + d . 2 m 数字中继等) 可根本性替代分局及车站以下的所有 专用通信设备 ( 如调度总机/ 分机、电话集中机、区转机等) 。 1 1 )系统设计为双机双网实时热备份结构，任何一块电路板的损坏均不 会影响系统的正常运行。保证了铁路运输设备的高可靠性。 1 2 )采用数字共线方式设计时，系统在一个数字环上可以 接入多达 2 7 种调度业务或其他专用通信业务，充分利用2 m数字中继资源。 1 3 )系统维护监控网管终端以w i n 9 8 / 9 5为操作平台，使用户操作和维 护设置灵活可靠.为未来软件升级、硬件支持提供良好环境。 1 4 )系统具有大容量的会议电路，操作台 可组织所有接口的全双工多方 会议，会议形式也可以根据需要配置为主席式会议、半双工会议等。 西 南 交 通 大 学 la 全 业暨堂 i 丝一一一一逮6 x 1 5 )各模拟接口的增益值可以 在线灵活修改，以 适应铁路网经常变化 的、复杂的线路状况. 1 6 )模拟接口 板设计为4合 1 接口 板，将选号、 环路、磁石、二/ 四线 音频四种接口集成在一块接口 板上，减少接口板的种类，利于系统维护。 1 7 )操作台具备语音的实时 录制 和重放功能， 便于操作员进行语音校对 和命令的重放，减轻了劳动强度。 1 8 )系统在设计上，采取了多级防雷和防强电 干扰措施，以 更好的适应 雷雨地区和铁路电气化区段的设备安全运用。 1 9 )系统电 源为交直流两用， 电 源板设计为负荷分担， 实时热备份方式。 近年来，调度通信的业务范围，逐步由电话通信扩展到数据通信。也就 是说，调度通信的发展方向是综合业务数字网。要在企业内部形成综合业务 数字网，就要以数字程控调度机为中心组建全新的包括各种智能通信的数字 网，逐步取代目前的空分程控调度机，以及只具有通话功能的数字程控调度 机。 1 . 2数字专用通信系统基本研发思想及其特点 本文作者参加开发的数字专用通信系统 x s t l - 2 0 0 0是基于数字程控交 换技术，主要是针对铁路专用通信设备的特点而开发。数字化铁路专用通信 设备是由设在铁路枢纽和辖区各站的专用交换设备与站间传输网构成的，与 普通电话网相比有共同的地方，也有许多独特的地方。 . 铁路专用通信系统最大的特点就是业务种类多，而且各种业务之间 没有联系。因此要求整个专用通信系统可以使用软件或硬件技术分割成若干 可以集中管理的虚拟或实际的子系统分别对应不同的业务。例如:调度有调 度子系统、各站工务、车务、电务、水电、信号电力等也各有各的子系统。 对专用通信设备和网络安全要求极高。专用通信系统，尤其是行车 调度、站间应急通信等，事关行车安全大事必须采取特殊的可靠性和安全性 措施。 . 铁路通信传输网多沿铁路各线成线状分布，且通道资源有限，因此 组网的灵活性和网络的安全性受到一定的限制，要求专用通信设备必须有充 分利用通信资源和保障网络安全的特殊设施。 . 新旧体制并存，要求系统有很好的兼容性。目前在线上使用的专用 通信系统全部为模拟系统，而且毫不例外的采用共线模式，要求交换设备必 须能接入数字线路也能接入原有的棋拟实线，而且接口 齐全。除此之外还必 赫骊丽黑i 7t 黯黯 ( ie jl赢揣37 等。 鉴于铁路通信系统拥有以上介绍的许多特点，本项目 研制的数字专用通 信系统x s t l - 2 0 0 0 具有以下性能特点: 1 )人工与自 动接续兼容性.即同一业务范围内的用户可通过拨号叫通 电话，也可由调度台的接线员转接。增强了系统灵活性和可靠性。 2 )可灵活配置成各种虚拟子系统。 能相对独立的虚拟子系统。例如调度， 系统可通过软件命令分割成各种功 各种公务通信及普通站场内部通信等 若干相互独立的子系统。子系统功能相对独立.子系统具有内部电话会议功 能。 3 )兼容性好。原共线实回线可接入枢纽主系统，也可分段接入中间站 分系统。原有实回 线也可做为系统备用通道增加系统的可靠性。 4 )调度台类型多.调度台可有多媒体终端式，触模式和键控式多种选 择，多媒体调度台可实现远端实时视频监视、数据传送。可适应不同层次用 户的不同需要。 5 )集中维护管理。 系统具有集中维护管理功能， 网管终端采用w i n d o w s 界面、人机界面友好、实现对系统运行状态，现场环境的监控。系统具有数 字录音及详细通话记录，可按要求进行工作量及话务统计。 6 )接续速度快。主系统与分系统，分系统之间可采用一号信令或者专 用公共信道信令.如果采用专用公共信令，接续速度更快。 7 )组网方式灵活.本系统支持多种组网方式，可以组成网状网，环型 总网，星型网及混合网。 8 )接口 功能丰富。 具有各种功能的接口 可选， 包括磁石、 共总、 共分、 环路、载波、无线、 2 b + d , e l等。各接口板采用分散控制和控制单元小型 化的冗余设计，承载能力强，可靠性高。 9 )可靠性高。系统内部采用双机双网热备份结构，以充分保证通信的 可靠性。 对于系统中的关键部件双备份， 甚至多备份. 增强了系统的可靠性. 例如通信子系统为双备份、 热备用。 交换网络则可根据需要多备份、 热备用， 一套故障时可自 动倒换至另一套上工作. 1 0 )系统关键质量特性。本系统关键质量特性包括:呼叫接通率为 9 9 . 9 9 % ;全系统中断在 2 0年内不得超过 1 小时;单个用户中断指标为每年 3 0 分钟。 西 南 交 通 ; k * g 士 研 翅丝丝鱼魁一一一一一鲤,-r,t 1 . 3 本文的主 共研究内 容 本项目的开发过程按照既定的项目研制计划进行。严格遵守系统的需求 分析， 总体设计， 任务分解， 各分解模块的详细设计与实现， 系统整体调测， 接口模块的增加和功能的完普等开发步骤， 分阶段完成开发任务。在该项目 的开发过程中，作者作为主研人员参加了项目 的研制开发过程，完成了所分 配的设计和开发任务。本人所做的研究和设计工作大致分为两个阶段: 第一阶段是系统的整体分析与其中通信子系统的功能分析、设计与开 发。在该阶段主要完成如下的研究和设计工作:参与了系统的需求分析和总 体设计，完成了 通信子系统的设计与实现， 包括通信子系统中通信控制板、 各个接口 板上的 通信模块硬件电路的设计分析， 通信子系统中软件编写与调 试工作， 其中包括串 行通信数据链路层h d l c ( 高级数据链路控制: h i g h d a t a l i n k c o n t r o l ) 协议的单片机控制程序编写， 多点共享通信总线的从节点接 入控制程序设计，通信子系统中各个从节点通信状态的管理，以及其与上层 控制侧之间并行通信软件的编写。在通信子系统的设计与实现过程中主要做 了以下的研究工作:对单片机的外围可编程芯片p s d的原理、开发与应用， 以及对串行通信控制芯片的控制与使用，双端口存储器的设计、使用作了分 析和研究， 深入分析了 利用串行通信控制器s a b 8 2 5 2 5 实现h d l c 协议子规程， 从而实现信息在串 行通信总线上的的无差错传输. 分析了在点对多点情况下 的信道共享技术，并实现了利用属于集中控制的多点线路轮询 ( p o l l i n g ) 技术实现多点接入控制。对于通信子系统整体性能作了全面的分析与探讨， 找出通信子系统中 性能改进中的 “ 瓶颈” ，并提出了 相应的改进意见和对策。 参加了通信子系统的现场调测完成。 第二阶段是为主处理机的通信从节点程序移植到p s o s 系统做了工作。 论文首先简单分析了系统的总体框架，然后讨论了 x s t l - 2 0 0 0系统的 软、硬件结构. 作者重点讨论了x s t l - 2 0 0 0 中处理机之间信息交换途径:通 信子系统软，硬件的设计与实现。 硬件设计主要讨论了利用单片机现场可编 程系统器件 p s d 8 1 3 f 1组成真正的“ 两片” 结构的 单片机最小系统， 双端口 数据存储器 工 d t 7 1 3 0 ，串 行通信控制器 s a b 8 2 5 2 5的 特性及其接口电 路的设 计与开发，以及利用r s 4 2 2 收、发驱动电路m a x 4 9 1 e 组成平衡传输式串行通 信总线的技术。 并在总结通信子系统的总体硬件结构之后， 讨论了x s t l - 2 0 0 0 数字专用通信系统采用分散控制方式和专用通信子系统实现处理机之间信息 交换的好处与不足之处。软件设计中，在简单介绍h d l c 协议主要内容以后， 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 以 通信主节点单片机系统的通信控制软件为例详细讨论了其中比 较关键的控 制串行通信控制器s a b 8 2 5 2 5 实现h d l c 协议子规程，保证信息的无差错透明 传输的通信控制软件模块，包括信息的发送、接收，各种通信异常情况的处 理;控制从节点对通信总线使用权的多点轮询接入控制软件模块; 通信子系 统与其与上层 ( 控制层)之间的信息交换软件模块，其中包括通信从节点通 信状态的管理功能实现模块。 最后详细分析了 通信子系统中存在的各种干扰 问题以及提高通信子系统的稳定性与系统中采用的抗干扰措施。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第二章 系统总体功能分析与设计 x s t l - 2 0 0 0 数字专用通信系统是以 先进的数字程控交换技术为基础， 配 备完善的调度功能来实现的。 系统具有多种中继接口 方式发展新业务。该设 备具有非常强的灵活性和丰富的终端接口 板，通过配备不同的终端接口板和 中继接口，x s t l - 2 0 0 0 既可以 用做调度功能的数字程控调度机，也可以用做 普通的局用交换机，还可以用做其他专用通信设备。下面我们首先简单分析 x s t l - 2 0 0 0 的软，硬件结构特点。 2 . 1数字专用通信系统硬件结构 x s t l - 2 0 0 0 数字专用通信系统总体硬件结构如图 2 - 1 所示。 日口 c - bu s 图2 - 1 x s t l - 2 0 0 。 数字专用通信系统硬件结构 从图 2 - 1 中可以 看到， x s t l - 2 0 0 0 数字专用通信系统主要由主处理机 板 ( c p u ) 、交换网络板 ( s c u ) 、 通信控制板 ( c m u ) 、数字中继控制板板 ( d t c u ) 、 环路中继板 ( h l r j ) 、 数字话路板 ( d t h l ) 、 模拟电路控制板 ( a c u ) , 用户电路板( s l i c ) , i s d n 接口 板 ( l t u ) 、长途四线板 ( e m i c )、多频、双 音频收发号板 ( m d r s ) ，信号音板等电路板组成。其硬件结构具有如下特点: ( 1 ) 开放式总线结构设计 x s t l - 2 0 0 0 采用了3 总线 ( 即: b 总线、 c 总线和d 总线)结构，各种 功能模块全挂在总线上，其中b 总线 ( 话路时隙总线)和 c 总线 ( 控制信令 西 南 交 通 木 学 硕 垫丝丝塾燮主一一一一一塑丛 总线)是每个机框后备板上的印刷电路走线，当各种功能电路板插件插入机 框后，就可以与这些总线连接起来。d 总线是连接主备用通信控制板c p u 的 异步串行通信线。b , c 总线速率高、通信容it大.当需要增加新的功能时， 只需要在总线上加挂新的功能模块，而无需对己运行的硬件作改动。这种开 放式环境，有利于增加新功能和开发新业务，使x s t l - 2 0 0 0 数字专用通信系 统具有非常强的灵活性和再开发性。 ( 2 ) 具有多种中 继方式便于组网 x s t l - 2 0 0 0配备了数字中继板和环路中继板， 在企业内部可以通过数字 中继组网。数字中继上传送的信令既可以是中国一号信令，也可以是七号信 令，为 x s t l - 2 0 0 0在局域网内开展 工 s d n业务打下基础。x s t l - 2 0 0 0通过环 路中继与公用电话交换网 相连，来完成调度用户与公用电 话交换网用户之间 的 通信，也可以 通过环路中继与其他系统相连来进行两个系统之间的通信. x s t l - 2 0 0 0数字专用通信系统在组网时，其终端接口 方式有磁石用户线 接口、 模拟用户线接口、 工 s d n 接口。 i s d n 接口提供了调度台的接口， 为2 b + d 基本数率接口。中继接口有数字中继接口 ( 2 m b i t / s ) 和环路中继接口等。 ( 3 ) 分散控制方式提高系统可用性 x s t l - 2 0 0 0 的内部话路总线 ( b - b u s ) 采用 1 6 条 2 m b i t / s 的 h w 线 ， 共 有5 1 2 个时隙 ( 可增加为1 0 2 4 时隙) ，可以灵活分配给挂在总线上的各个终 端使用。调度机的控制方式采用主处理 c p u和随板处理机两级控制，每块 功能电路板上的微处理器都具有智能处理功能，负责本板的一些基本操作并 通过自 行开发的串行通信总线( c - b u s ) 与主处理 c p u通信。串行通信总线由 专门开发的完全符合 h d l c协议的通信子系统来控制，具有很高的可靠性。 互为备份的 c p u 之间则通过以异步串行通信总线 ( d - b u s ) 进行通信。 ( 4 ) 小单元冗余设盆提高系统可靠性 各种功能电路接口 板采用通信处理器与控制处理器两个c p u 功能分担的 方式。通信处理器专门负责通信功能的实现，各个通信从节点根据自己的节 点号从总线上收、发信息到控制处理器侧，所有的通信处理器和通信控制板 一起组成通信子系统，负责整个铁路专用通信系统的处理机间通信处理功 能.通信控制板管理各个从节点的通信状态。控制侧的处理器则解放出来只 处理与外围接口 有关的信息。这种小单元冗余设置有利于提高系统的稳定性 与可靠性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 ( 5 ) 信令方式灵活 x s t l - 2 0 0 0使用的信令方式有用户信令和局间信令两种.用户信令有模 拟用户信令和数字用户信令。模拟用户信令是用于普通电话终端与交换机之 间的一套协议;数字用户信令是在 工 s d n的用户终端与网络接口间使用的协 议，通过 i s d n 的基本数率接口 或基群数率接口的 d 通路进行信令的双向传 送，局间信令具有中国一号信令和七号信令功能。 ( 6 ) 组网方式多样 枢纽主系统车站分系统车站分系统 图2 - 2 x s t l - 2 0 0 0 系统结构框图 x s t l - 2 0 0 0系统具有在组网的时候可以 根据路、 局现有的资源利用数字 中 继进行灵活的组网。可以 组成环形总线网、星形网、网状网及混合网。星 形网中每个车站分系统对应于枢纽主系统有独享的2 m 通道，接入各种业务。 这种网络结构是以大量的 2 m资源换取较高的网络安全性。网状网中每个车 站分系统之间及分系统与枢纽主系统之间都有直达路由和迂回路由，此种网 络结构安全可靠，但同样需要耗费大量的资源。环形总线网枢纽主系统与多 个车站分系统通过 e 1相连，主系统除至端站分系统有直达路由外，其余各 站构成迁回路由， 从而构成环型总线网，这种网络结构安全性较好，而且占 用通道资源较少， 有较好的可取性， 但站点过多时接续时间长， 话音延迟大。 混合网结构结合了星型与环型的优点，在资源利用率方面界于星型与环型方 式之间。 互 顽蔽 豁黯骂黔 1 ie 3t m 133i2 . 2 x s t l - 2 0 0 0数字专用通信系统采用了一些现代的软件设计技术，以达到 软件的可维护性、可移植性、高可靠性等主要设计目 标。x s t l - 2 0 0 0数字专 用通信系统的软件设计具有以下几个特点。 ( 1 ) 模块化软件设计 x s t l - 2 0 0 0数字专用通信系统采用模块化设计技术。一个软件模块是执 行某确定功能的程序实体。从外界看来，模块的接口描述和确定了模块功能 的逻辑特性，也表征了其他软件模块如何来利用这一模块功能。至于模块功 能的内部实现细节，对外界而言是 “ 隐藏”的，也无关紧要。软件的模块化 便于增加新的性能，能适应于新的硬件和软件技术的采用，并且有利于软件 在不同处理机之间的可移植性。 ( 2 ) 分层虚拟机结构 x s t l - 2 0 0 0数字专用通信系统采用分层的虚拟机结构。每一较高层可以 利用较低层的功能，以实现高层的增强功能。最低层的进程与硬件连接，最 高层的进程则可以与其他系统的应用进程相连接。例如:通信处理软件与硬 件连接，控制整个调度系统各个处理机之间的通信，其功能则被上层:控制 侧的各种高层进程利用来实现系统的协调工作。 ( 3 ) 分布式软件 x s t l - 2 0 0 0数字专用通信系统是多处理机的分布式控制结构，因 此也是 分布式结构。具体地说，软件系统要分布在主处理板、交换网络板，数字中 继控制板板、模拟电路控制板、环路中继板、通信控制板、i s d n接口板、 调度台、维护管理终端等。在各种处理机之中的软件有所不同，但都采用分 层的模块化结构。 x s t l - 2 0 0 0 数字专用通信系统软件系统结构如图2 - 2 所示， 各模块的主要功能如下。 接续模块 该模块是运行在主处理机板上 ( c p u 采用了m c 6 8 3 6 0 集成 通信控制器) 的软件模块，主要由基本呼叫模块、七号信令模块、调度呼叫 模块等组成。接续模块是整个调度机的核心部分，是在其他模块提供的功能 基础上，实现各种交换业务的。 调度台模块运行在调度台终端上的软件模块。该模块主要实现调度 功能命令的产生，并通过通信链路模块将命令传送给接续模块，由接续模块 中的调度呼叫模块来具体实现相应调度功能。例如，调度台可以发出组呼、 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 监听、 代拨、会议电话等调度命令。 图2 - 3 x s t l - 2 0 0 0 系统软件系统结构 设备驱动模块该模块是指每一块功能电路板上随板处理器中运行的 程序，用于该板的基本操作。其中通信链路模块完成维护管理模块、接续模 块、调度台模块、其他设备驱动模块、计费终端模块与通信控制板之间的通 信。 其余的设备驱动模块分别驻留于相应的接口电 路板中，区别于不同的接 口 板而有所差异。但各个接口 板中 所共有的设备驱动模块是通信链路模块， 它负责本接口模块与其他模块的通信处理工作。 维护管理模块该模块的主要功能是用户维护管理交换机的一个窗 口，通过本模块，用户可以方便地修改局数据、调度台数据及用户数据，定 义调度台上各个功能键的含义等。还具有测试、诊断及故障显示，打印通话 记录等功能。 计费终端模块当交换模块控制呼叫完成后，将主被叫号码、通话时 长等信息通过通信链路模块传送给计费终端模块。 根据目 的码、业务类型及 所设定的计费方式和费率，计费终端模块对调度机的各种呼叫进行计费。此 模块也可以包含在维护管理模块中. 2 . 3数字专用通信系统总体结构分析 本文作者参加了x s t l - 2 0 0 0 系统的总体设计，x s t l - 2 0 0 0 数字专用通信 系统是基于先进的数字程控交换技术而构建的，整个系统的控制结构采用分 散控制结构。即采用多部处理机，以一定的分工方式来承担整个系统的控制 功能。本系统的多处理机之间的分工形式为:功能分担与容量分担相结合的 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 5 页 方式。 功能分担是指多个处理机之间按功能进行分工。常用的办法是把处理机 分为两类，分别承担若干项特定的功能。一类称为外围处理机，一类称为中 央处理机。外围处理机负责处理与话路设备关系比较密切，操作比较简单但 很频繁而实时性要求比较严格的各种作业。例如用户摘机，应答，挂机等状 态的监视等。中央处理机负责处理与话路设备无直接联系，操作比较复杂的 高一级呼叫处理。例如号码分析，路由 试选等。 图2 - 3功能分担的两级处理机结构 容量分担是指把专用通信系统中的所有用户分为若干群，每群设置一个 处理机专门负责该群用户的呼叫处理工作，多个处理机并行工作，完成功能 相同的任务。每台处理机能承担多少个用户的处理工作，要由该系统的结构 功能， 处理机的类型和处理能力等因素来决定。 功能分担的优点是机动灵活， 处理机的数量可随着容量的扩展逐步增加。但每个处理机都存储呼叫处理的 全部程序。而功能分担则与此相反，只要存储部分特定的功能就可以了。 功能分担和容量分担相结合是指先从功能分担出发，划分为外围处理机 和中央处理机，然后进一步进行容量分担。使每个外围处理机负责处理一部 分用户的呼叫处理任务。当然这些处理任务是按功能分担的原则划分给外围 处理机的。 图2 - 4功能分担和符合分担相结合的二级处理机结构 本数字调度系统中，中央处理机的功能进一步一分为二，划分为主处理 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 机和呼叫处理机。 前者主要负责系统的管理维护， 所以又叫管理监控处理机; 后者主要处理各种呼叫，又叫接续处理机。这样就形成了三级结构，其中呼 叫处理机又可按容量分担方式设置多个，分别处理一部分呼叫业务。x s t l - 2 0 0 0 的控制方式见图2 - 5 所示。 图2 - 5功能与容量分担相结合的三级处理机结构 中央处理机采用多处理机可以 通过使用低档的处理器以取得较好的性能 价格比。采用多处理机结构能提高系统的处理能力 ( 吞吐量) 。提高可靠性 与可用性，改进实时响应速度和方便地进行扩容。 x s t l - 2 0 0 0这种功能分担和负荷分担方式相结合的分散控制结构的系统 整体逻辑结构清楚，各处理器的功能、结构都模块化，便于各软件模块的编 写，并且个处理器工作比较简单，发生误操作可能性较小。但其不足之处在 于任意一个c p u 发生故障都会引起系统局部或者全部瘫痪。此外，他需要附 加的机间通信接口及相应的通信软件。 在x s t l - 2 0 0 0 数字专用通信系统的总体设计时，考虑到要保证系统内部 处理机之间的接续控制信令及数据传送的高速、可靠，我们在处理机之间的 通信途径的设计上采用通过专用通信总线 ( c - b u s )进行机间通信。并在通 信总线上使用自 行开发的符合 h d l c协议的串行通信控制规程，并采用了检 错，纠错重发等措施来保证信息的无差错传输。另外单独设立的通信模块可 以将各种功能电路板上的控制c p u 解放出来单独处理各种控制信息，而无须 关心通信状态的处理，大大减轻了控制侧c p u 的业务负荷。减小了控制侧软 件的编程复杂程度，及其对通信处理软件的干扰。提高了系统的承载能力， 可靠性和可维护性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 第三章 通信子系统的硬件分析与设计 在分散控制方式的x s t l - 2 0 0 0 数字专用通信系统中，要求多个处理机协 调工作，才能完成呼叫的接续。因此各个处理机之间怎样相互通信就成为了 一个重要的问题。这里所说的处理机之间的通信，是指处理机之间的控制信 息，辅助信息和数据的传输与交换。在采用分级分散控制系统中，机间的通 信既有不同级别之间处理机 ( 中央处理机与外围处理机)之间的通信，又有 同级处理机之间的通信问题。处理机为了进行机间通信，要占用一定的时间 和空间资源，因此合理安排机间信息的传输和交换是数字专用通信系统 x s t l - 2 0 0 0 设计的主要内容之一。 3 . 1处理机间通信的特点及可用的方式 处理机之间传输的信息主要是处理机之间的控制信息，辅助信息和数 据。控制信息一般指为了完成话音/ 数据的交换，处理机间所必须传送的信 息。辅助信息则一般指维护和测试用信息，统称机间信息。处理机间传送的 数据则一般指用户数据或者局数据。 数字专用通信系统作为一种专用数字程控交换机系统，它内部的处理机 之间的通信和计算机网内处理机之间的通信，既有相同点又有不同之处，这 是由程控交换技术的特点决定的。 1 )在交换机内部，存在着庞大的交换网络，具有大量的信道可供处理 机间通信使用。 2 )交换机采用了远端模块，其结构与局内 用户模块相同，为统一标准， 处理机要考虑远距离的信息传送问 题。 3 )数字程控交换系统中， 有功能完善和技术成熟的公共信道信号系统 c c s ，可以移植用于处理机之间的通信。 4 )交换系统内处理机之间传输的信息格式一般较短，但信息的交换比 较频繁。而计算机网内处理机之间的通信则是突发性的，大数据量的通信。 处理机间的通信方式和交换机的控制方式有着紧密的联系。1 t u ( 前 c c i t t ) 对此并未制定标准，因此通信方式比较繁多。无论采用哪一种通信 方式，其共同的目 标是保证通信的高速，高效和可靠。这是通信子系统在分 散控制交换机中的作用和位置决定的。通信方式可以从通信的物理途径和采 用的通信规程两方面来进行讨论。