（通信与信息系统专业论文）铁路区间光纤通信系统管理监控单元设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着铁路技术的迅速发展，铁路部门对于通信的要求越来越高，结合铁路通信的 特点与需求，实验室开发了一套基于时分复用的铁路区间光纤通信系统，该通信系统 是为了实现调度通信和区间从业人员能与外界取得联系而设计的通信设施。在通信系 统基础上设计的监控单元目的是为管理人员了解通信系统的运行状况，同时还可以了 解各区段内从业人员对信道的使用情况，从而全面地掌握信道信息，并根据实际需求 合理分配信道。 通过对监控管理的功能需求分析，本文监控单元设计的功能分为故障检测功能、 监控功能和用户管理功能，其中故障检测分为线路故障检测和通话柱故障检测，监控 功能主要是对用户进行中的业务和信道的使用情况进行监控，用户管理是根据实际情 况对用户使用信道的情况进行调整。 本文的设计分为硬件部分和软件部分，通过对区间光通信系统的分析，设计了以 a n 2 1 3 1 s c 为核心的硬件电路。监控单元作为铁路区间光纤通信系统一个独立的业务 单元，其硬件部分主要完成监控单元和计算机以及监控单元和通信系统主控单元之间 的数据传输，间接地实现计算机到主控芯片的通信，从而通过计算机对通信系统进行 管理。软件部分包含固件程序、驱动程序和上位机应用程序三个部分。结合 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 接口通信协议和串口通信协议，固件程序完成数据的中转， u s b 接口通信部分是对来自上位机的用户请求进行响应，串口通信部分是根据上位机 的请求命令完成与m c u ( m i c r o c o n t r o lu n i t ) 之间的数据交互。驱动程序实现u s b 外 设在p c 机上的识别。上位机应用程序为人机接口，用户通过上位机界面实现对通信 系统的监控管理功能。 关键词：铁路区间通信；u s b 接口；a n 2 1 3 1 s c ；监控；管理 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fr a i l w a yt e c h n o l o g y , t h ec o m m u n i c a t i o nr e q u i r e m e n t s o ft h er a i l w a ys e c t o ri sg e t t i n gh i g h e ra n dh i g h e r , c o m b i n i n gw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c sa n d n e e d so fr a i l w a yc o m m u n i c a t i o n ，as e to fr a i l w a ys e c t i o no p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n s y s t e m sw h i c hi s b a s e do nt i m ed i v i s i o nm u l t i r i l e x i n gt e c h n o l o g yh a sd e v e l o p e di no u r l a b o r a t o r y t h es y s t e mi si no r d e rt oa c h i e v ed i s p a t c h c o m m u n i c a t i o na n df o rr a i l w a y p r a c t i t i o n e r st oc o n t a c tw i t ho u t s i d e t h em o n i t o r i n gu n i tb a s e do nt h es y s t e mh a st h e p u r p o s eo fm a s t e r i n gt h eo p e r a t i o ns t a t u so fc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n dc h a n n e lu s a g e f o r m a n a g e r st og r a s pt h e c h a n n e li n f o r m a t i o n ，a n dd i s t r i b u t ec h a n n e l sb a s e d0 na c t u a l d e m a n d t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ed e m a n df o rm o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n tf u n c t i o n s ，t h e m o n i t o r i n g u n i t d e s i g n f a u l td e t e c t i o n s ，m o n i t o r i n gf u n c t i o n sa n du s e rm a n a g e m e n t f u n c t i o n s t h ef a u l td e t e c t i o n sh a v el i n ef a u l td e t e c t i o na n dc a l lc o l u m nf a u l td e t e c t i o n t h e m o n i t o r i n gf u n c f i o n sa r em a i n l yt ou n d e r s t a n dt h eb u s i n e s st h a tu s e r sa r ei na n d t h eu s a g e o fc h a n n e l t h ea i mo fu s e rm a n a g e m e n ti st oa d j u s tt h eu s eo fc h a n n e lw i t ha c t u a l s i t u a t i o n s t h ed e s i g no ft h i sa r t i c l ei sd i v i d e di n t oh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，w i t ht h ea n a l y s i so f r a i l w a yd i s t r i c to p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，id e s i g n e dt h eh a r d w a r ec i r c u i tw h i c h h a sa n 2131s ca st h ec o r e a sa ni n d e p e n d e n tp a r to fr a i l w a yd i s t r i c tc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ， t h eh a r d w a r ep a r tw i l lc o m p l e t et h ec o m m u n i c a t i o nm o n i t o r i n gu n i ta n dc o m p u t e r , a sw e l l a sm o n i t o r i n gu n i ta n dc o n t r o l l e rm c uo fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h es o f t w a r es e c t i o n c o n t a i n sf i r m w a r e ，d r i v e r sa n dp ca p p l i c a t i o n s ，c o m b i n e dw i t ht h eu s bi n t e r f a c e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o la n dt h es e r i a lc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，t h ef i r m w a r ew i l l c o m p l e t et h ed a t at r a n s f e r , t h eu s b i n t e r f a c ec o m m u n i c a t i o ni su s e dt or e s p o n dt h eq u e s t s w h i c ha r ef o r mt h eh o s tc o m p u t e r , a n dt h es e r i a lc o m m u n i c a t i o nc o m p l e t e st h ed a t a e x c h a n g eb e t w e e nm c u a n dc o m p u t e r , t h ed r i v e rc o m p l e t et h ei d e n t i f i c a t i o no fp ct ou s b p e r i p h e r a l ，t h ea p p l i c a t i o ni st h em a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，w i t hw h i c hu s e r sw i l lr e a l i z et h e m o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n t t oc o m m u n i c a t i o ns y s t e m k e yw o r d s ：r a i l w a y d i s t r i c tc o m m u n i c a t i o n ；u s bi n t e r f a c e ；a n 2 1 3 1 s c ； m a n a g e m e n t ；m o n i t o r 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 课题研究背景及意义 第1 章绪论 铁路是一个集机械、运输、工程、电气、车辆等部门于一体的运输系统，各部门 以铁路运输为中心，相互协同运作。为了保证各部门之间信息的通畅，以便于指挥列 车运行和对列车的编解、调度，铁路有一套完整的专用通信。传统的铁路专用通信包 括干、局线通信，区段通信，无线通信，站场通信，应急通信和列车通信等。区段通 信分为区间调度通信、区间专用电话、区间数据通信。作为铁路专用通信的一部分， 它是为铁路沿线各基层部门进行行车指挥、列车调度、管理维护以及进行一般公务联 系而设置的专用铁路通信系统。其中区间电话作为区间专用电话的分支，其作用是在 发生紧急情况的时候铁路工作人员能与相邻车站取得联系，并能接通区段内的列车、 电力调度和车务、电务、工务等专用电话以及通过相关回线与长途台通信，以满足区 间作业的工作人员与外界取得联系从而获取资源的需要【1 【2 1 。比如被迫在区间停车的 列车车长或在区间作业的工作人员在发现突发故障和需要分配相关资源的时候能及 时与车站值班员或者相关领导取得联系进行紧急防护和业务联系等 3 】 4 1 。 目前，区间电话的基本线路结构是由2 4 对电缆芯线构成【7 】，如果是电气化铁 路区段则需要另外再加设一对芯线，以两端车站为终端，在每隔1 5 公里左右的距离 安装一部电话机，采用自动式电话机装在沿线通话柱的防尘、防湿及加锁的固定金属 箱内【5 。在电气化铁路区段可通过加设的对芯线与电力调度电话回线接通。在架空 明线区段可由电杆上的区间接线盒临时接通各站及养路电话回线。在自动闭塞区段可 接通站间行车及各站电话回线。区间电话机的设置位置一般是对应于区间通过信号 机。 随着铁路技术的不断发展，在铁路通信中对区间通信的要求也越来越高，不仅要 有基本的通话功能，还要求通信具有更高的稳定性，尤其是在应急抢险中，还希望区 间通话柱可进行视频、语音和数据信号的传输，并能实现区间内多方电话会议功能 3 】【4 】 瞄j 。传统的以铜材料为传输介质的通信方式已不能满足这些需要，同时，随着我国经 济的不断发展，对铜材料的需求加大，铜材价格走高，铜芯电缆价格也越来越贵，从 而造成线路铺设的成本增加。综合上述原因，铁路区间通信目前的方式缺点过多，迫 切需要一种新的通信方式。 光纤以其通信容量大、中继距离长、抗干扰和适应能力强、保密性高等优点完 全满足了现代通信中高速传输和大数据量传输的需要，同时因其体积小、重量轻、 便于施工维护、原材料丰富，潜在价格低廉从而减少了投入成本成为目前有线通信 中主流的通信煤质【l0 1 。铁路通信网络从上世纪8 0 年代开始使用光纤作为传输媒介 匹南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 p j 。从那时候开始，铁路光纤通信系统迅速发展。铁道部在1 9 8 8 年颁布的铁路主要 技术政策中将“电缆为主、无线为辅”的规定修改成“大力发展光缆、电缆，积极 采用微波通信”的新规定，并相继在1 9 9 2 年和1 9 9 4 年对铁路主要技术政策进行 具体说明和修订，明确提出“停止新开同轴电缆工程”和“干线铁路通信以光缆传 输为主新建干线一般应采用光缆 6 1 ”。铁路区间通信作为铁路通信的一部分也趋 向于使用光纤通信，在此背景下，实验室开发了一套基于光纤的区间电话系统。本 文研究研究区间光通信的监控系统，通过u s b 转串口的功能实现区间通信系统主控 芯片与上位机进行数据的传输，用于显示光纤信道中的信息和调整用户信息，方便 在车站的工作人员可以随时了解光纤信道的工作情况。 1 2 本文的结构安排 本论文主要内容是铁路区间光通信系统信道监控单元的设计。本文的区间通信系 统是鉴于铁路区间通信系统的缺陷及需求，实验室自主研发的产品，作为该通信系统 的一部分，区间通信监控单元主要负责对信道中的信息进行收集和处理。本文所做设 计是铁路区间通信的一部分，所以只有在整体通信系统中才有使用价值，才能被理解。 因此，文中首先介绍了铁路通信系统的背景、意义，然后从软件设计和硬件设计的角 度对本设计所做工作进行描述。 本文分为五章，下面是各章节的具体安排： 第一章：绪论。首先课题研究的背景和意义进行介绍，然后阐述本文的研究内容 和论文的总体框架。 ： 第二章：区间光通信监控系统原理。首先整体介绍铁路区间光纤通信系统的原理， 为监控单元使用位置和作用定位，然后是对监控单元的原理作介绍，让我们对监控单 元的结构有一定的了解。 第三章：硬件电路设计。介绍了铁路区间光纤通信系统监控单元的硬件电路设计， 包括主要应用芯片的介绍，并详细介绍了各部分电路的功能，给出了p c b 设计原理 图和硬件连接图。 第四章：软件设计。介绍了铁路区间光纤通信系统监控单元的软件程序设计，包 括u s b 固件程序、驱动程序以及上位机应用程序。 第五章：系统调试与试验结果分析。对整个监控单元的程序进行调试，包括u s b 设 备的安装，固件程序的加载和上位机m f c 界面的数据显示和处理。对调试结果进行 分析，并针对各种遇到的问题进行解决。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 第2 章区间光纤通信系统管理监控单元原理 2 1 区间光纤通信系统结构 区间光通信系统如图2 1 所示，其主要组成有站端设备、光纤线路、光通话柱。 车站与车站之间通过光纤线路连接，站端设备安装在车站，该设备内部包含供电模块、 光电转换模块、辅助通信模块、主控单元以及支持外线自动电话业务的业务子板、与 调度系统对接的2 b + d 模块、支持e 1 数据业务模块等。 光纤一 光纤一 图2 1 铁路区间光通信的结构图1 在车站之间分配有若干通话柱，在每个通话柱上安装全光接口，用于在需要进行 通信时连接便携式终端，通话柱结构如下图所示。在每个通话柱上的无源器件是由光 分路器和光耦合器构成，用于在有手持便携式终端接入光通话柱的时候将光信号传递 到便携式终端上以及将终端发出的光信号耦合到光纤中。在光通话柱使用的便携式手 持终端为可热插拔的即用即插设备，可实现的功能是进行话音、数字以及图像等信号 的接受和发送，方便在区间内的工作人员可以随身携带并在需要时与外界取得联系。 图2 - 2 光通话柱结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 铁路区间光通信系统具有车站以及光通话柱间互通或者多方通信的功能，当任意 终端发起多方通话时，其它终端都可以加入到通话中。一般便携式手持终端只具备通 话和数据传输功能，如果将视频设备通过手持终端接入到网络中，可以进行图像的传 输，甚至进行视频会议。 2 2 管理监控单元原理 监控单元安装在通信系统的站端设备中，该单元通过4 8 5 总线与主控单元的单片 机芯片连接。通信系统的主控芯片在4 8 5 总线上以轮询的方式向各从芯片发起呼叫， 呼叫信息中包含从芯片的地址信息，个从芯片对主控芯片的呼叫信息进行核对，如果 呼叫信息中的地址信息与自己的地址吻合则该从芯片与主控芯片建立通信。监控单元 芯片与主控芯片建立连接后将会按照用户在上位机界面上的命令进行操作，通过相关 协议进行所需数据的传输。站端设备内部通信结构如图2 3 所示。 卜 监控 m c u h 计算机 主控制 业务1 卜螺 m c u 2 m c u 确 n 导 ： 卜业务n m c u _ 图2 - 3 监控单元芯片所在4 8 5 总线的通信结构 监控单元的作用是将光纤信道中的信息以数据的形式发送到p c 机上，以便于工 作人员随时可以了解通信系统的工作状况。该监控单元具有如下功能： 1 监控功能，获取光纤信道中各类业务的使用情况，该通信系统中的业务有话音 通信、视频通信、数据传输等，通过监控单元可以了解各类业务的使用情况；了解各 在线用户信息，根据用户在线i d 可了解用户所在信道以及正在进行的业务等信息。 2 管理功能，因为通信系统的配置是自动完成，所以监控单元的管理功能主要是 针对用户，考虑到可能出现的情况对用户可进行提醒和中断通信的功能。 3 故障检测功能，可以通过监控单元对通信信道进行检查，根据此检查判断信道 是否出现故障。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 2 3 需求分析 一个能正常工作的系统，随着时间的流逝或者外界环境的改变不可避免的会出现 故障，所以，设置故障检测功能，及时发现故障并对故障定位是一个完整系统不可缺 少的部分。本设计中的故障检测功能主要是对通信线路的检测和对通话柱功能的检 测，线路检测是由分别位于两个相邻车站的主控设备和辅控设备能否建立通信来完 成；通话柱功能检测是检测通话柱中各业务板模块能否正常工作。 作为管理人员，及时掌握系统的相关信息是必不可少的，对于铁路区间光纤通信 而言，工作人员需要了解使用通信系统的用户数量，各用户使用了哪些业务，通过对 这些信息的了解，工作人员再进行相关的管理。 本文涉及到的通信系统使用的是十分复用的方式，使用3 2 个帧，其中第0 帧用 于帧同步，第1 6 帧用于发布信令，所以提供给用户通信的只有3 0 个帧，因为每个帧 有5 个时隙，其中个时隙用于话音通信，四个时隙用于e 1 接口通信，并且话音通 信中上行和下行需要各占据一半的时隙【l2 1 ，所以用于话音通信的时隙比较少，即，同 时使用话音通信业务的用户不能太多，根据这一点本监控单元设计了用户离线的功 能。当同时在线的用户较多时，管理员可以查询各用户在线时间的长短，对于长时间 在线的用户，管理员根据需要迫使其离线。 根据以上分析本设计中的监控单元具有故障检测、信息监控和用户管理三个功能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第3 章区间光纤通信系统监控单元硬件电路设计 3 1 设计方案 监控单元通信结构框图如图3 1 所示，监控单元的通信分为两部分，一部分是使 用u s b 接口与计算机通信，另一部分使用串行接口与主控m c u 通信。 上行光纤 下行光舛 图3 1 监控单元通信结构框图 如上图所示，监控单元的通信为上位机将命令通过u s b 接口发送给监控单元， 然后监控单元根据上位机请求与通信系统主控m c u 进行交互，最后，监控单元将通 信系统的信息再通过u s b 接口发送给上位机，完成命令的响应。 监控单元硬件包括固件程序存储模块，固件程序存储在e e p r o m 中，u s b 芯片 与e e p r o m 通过1 2 c 总线进行通信，用于在芯片上电复位后将进行固件程序的自动 加载；串口模块是使用u s b 单片机的串口引脚与m a x 4 8 5 连接来完成r s 一2 3 2 的通 信。 根据通信的需要，在选择监控单元的芯片时希望芯片能同时具有u s b 接口通信 功能和串口通信功能，因此选择了a n 2 1 3 1 s c 芯片。下图是该芯片的内部结构。 图3 - 2a n 2 1 3 1 s c 内部结构图 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 a n 2 1 3 1 s c 芯片是c y p r e s s 公司的一款集成了u s b 接口所需技术和电路的具 有8 0 5 1 单片机功能的芯片 1 3 。如图3 2 所示，u s b 总线的d + 和d 引脚与集成的u s b 收发模块相连。串口引擎( s i e ) 用于对发送或接收至u s b 接口的串行数据进行编译 码，并执行错误更正、为填充以及其它一些u s b 需要的信号级操作，最后发送数据 字节到u s b 端口或从u s b 端口接收数据字节。串口引擎( s i e ) 的主要作用是进行 串行数据的编译、纠错、位填充以及一些其它操作【14 1 ，最后从u s b 端口发送或接收 数据字节。 图中，a n 2 1 3 i s c 内部的微处理器是一个增强型的8 0 5 1 ，其执行指令的速度比普 通8 0 5 1 更快 1 鲥，并且具备更多新的特性。它内部自带r a m 用于存储数据和程序， 使e z u s b 具有“软”的特性，即，可对该芯片进行编程，这样就使得a n 2 1 3 1 s c 芯 片的外设可以不需要e p r o m 、r o m 、f l a s h 等存储器。 监控单元硬件电路的基本工作原理是，在主机发送命令时，监控单元芯片接受主 机自u s b 接口发来的数据，再从串口将消息发送到4 8 5 总线上，通过4 8 5 总线与主 控单元进行通信。在设备发送数据时，监控单元从4 8 5 总线接受数据，再从u s b 接 口将数据发送给主机，如此就完成了主机与外设之间的通信。根据这些要求，本文设 计了如图3 3 所示的结构图，该结构主要是通过e z u s b 芯片来完成从u s b 接口到串 口的一个转换，两个接口分别用于芯片与上位机的通信和芯片与主控板中主控制 m c u 的通信。 3 2 芯片介绍 图3 - 3 硬件结构图 本系统选用c y p r e s s 公司的e z u s b 2 1 0 0 芯片a n 2 1 3 1 作为系统的主要芯片，完 成u s b 与串口之间的转换，选用a t m e l 公司a t 2 4 c 6 4 型号的e e p r o m 用于存放固件 程序，以实现固件程序的自动加载，选用m a x 4 8 5 用于将监控单元接入到4 8 5 总线 上。 西南交通大学硕士研究生学位论文1 第8 页 3 2 1a n 2 1 3 1 s c 本设计中主要使用a n 2 1 3 1 s c 芯片的两种通信接口，在使用该芯片进行通信之前 需要对该芯片的相关功能有一定的了解，其中，在使用串口进行通信时，需要对定时 器的相关寄存器以及串口相关的寄存器进行设定设定，所以对于寄存器的使用较多。 除了8 0 5 1 ，e z u s b 系列的芯片中还有个u s b 内核 16 | ，它是由u s b 接口和串行 接口引擎组成。它的作用是实现u s b 协议，以便简化固件代码的编写。a n 2 1 3 1 s c 芯片的存储空间分为内部r a m 和外部r a m ，内部r a m 为2 5 6 字节，外部r a m 扩 展为i o o k b 。该芯片是e z u s b 系列中较简单实用的一款芯片，其i o 口速率可达 2 m b 1 。7 1 ，采用4 4 引脚的p q f p 封装，其引脚图如图3 4 所示。 陲攫暇套国 | | l l 蠡睡萋昌 图3 4a n 2 1 3 1 s c 引脚图1 8 】 e z u s b 包含一个增强型的8 0 5 1 内核19 1 ，不仅具有标准8 0 5 1 的特性，还因为消 去了空闲的总线周期从而使得运行速率提高。相比较于标准8 0 5 1 ，增强型8 0 5 1 具有 如下特点： ( 1 ) 将1 2 时钟序旨令周期缩减到4 时钟指令周期，从而提高了指令执行速率。 ( 2 ) 在功能增加了一个数据指针：d p t r l ，一个串口：u a r t l ，一个1 6 位定 时器：t i m e r 2 。 ( 3 ) 相对于标准8 0 5 1 ，增强型8 0 5 1 增加了8 个中断：i n t 2 i n t 6 ，p f i ，t x d l 和r x d l ，t 2 。 一一一一一一一跏一 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 ( 4 ) 工作电压为3 3 v ，可通过主机u s b 接口直接供电。 ( 5 ) 在控制传输中，给s e t u p 和d a t a 分配各自的缓冲器。 ( 6 ) 通过自动指针、快速传输模式的方式实现快速外部传输。 a n 2 1 3 1 s c 的所有i o 引脚都具有第二功能，每个i o 引脚都有四个寄存器位， 分别。是：p o r t n c f g 、o u t n 、p i n s n 、o e n 。 3 2 2m a x 4 8 5 在r s 4 8 5 总线上，传输速率和传输距离成反比，想要达到较高的速率只能缩短 传输距离，并且收发器芯片型号有很多各型号的性能也不相同，在选择收发器型号时 要根据自己的实际情况。本文选用的m a x 4 8 5 是m a x i m 公司的一款收发器芯片。它 支持的最高速率2 5 m b p s ，接收灵敏度为+ 2 0 0 m a ，在同一串行总线上最多可连接3 2 个收发器 2 7 。其结构如图3 5 所示。 r o _ _ r e d e d i 芯片引脚说明如下表所示： 图3 5m a x 4 8 5 表3 1m a x 4 8 5 管脚功能 v c c b a g n d 管脚号代号管脚说明 接收器输出脚，当a b2 0 0 m v 时，r o 为高电平； 1r 0 当a 2 0 0 m v 时，r o 输出高电平，a b i n s e r t r e s o u r c e 然后弹出一个对话框【5 0 】， 如图4 9 所示。在该界面中可以插入很多项目，在本设计中插入的是m e n u ( 菜 单) 。选中m e n u ，点击n e w 新建一个菜单。在新建成的菜单中点击鼠标右键弹 出一个非模态的对话框，选择p r o p e r t i e s 弹出对话框【5 1 1 ，在该对话框中可修改菜 单的名称。 图4 - 9 插入菜单界面 在菜单的左上角的方框用鼠标双击将弹出对话框，将会弹出图4 1 0 的对话 框，该对话框用于设定菜单项的属性，i d 代表在程序中的控件i d 号，c a p t i o n 为菜单项的名称。选择p o p u p 可以将菜单项设置成下拉菜单，否则将是一个单 独的菜单项。 图4 1 0 菜单选项属性 除了下拉菜单中的顶层选项，对于每个菜单选项，都有相应的函数来完成该 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 6 页 选项的内容，菜单项的函数可以在c l a s s w i z a r d 中创建，如图4 11 ，在该图中的 m e s s a g em a p s 选项下选择需要建立函数的菜单项的i d 和m e s s a g e s ，然后点击 a d d f u n c t i o n 弹出设定函数名的对话框，将函数名设定点击确定建立新函数。 4 11c ! a s s w i z a r d 界面 下图是对话框的属性设置界面，在该属性界面中的m e n u 栏选择需要与之相 关联的菜单i d 将对话框与菜单关联起来，从而在对话框界面中可以使用菜单的 功能。 图4 - 1 2 对话框属性界面 在使用菜单时，如果菜单选项的功能需要弹出对话框来实现，那么可以在菜 单函数中使用d o m o d a l o 函数将所使用的对话框弹出。 在监控界面中使用用于显示数据信息的m f c 控件主要是l i s tb o x 和l i s t c o n t r o l ，在使用时需先定义与控件关联的成员变量。对于l i s tb o x 控件，可使用 a d d s t r i n 9 0 函数和i n s e r t s t r i n g ( ) 函数将信息显示到控件中；对于l i s tc o n t r o l 控件 的使用，首先要在m f c 工程下的o n l n i t d i a l 0 9 0 函数中写入如下代码： 1 1 1 一l i s t c t r l m o d i f y s t y l e ( 0 ，l v s r e p o r t ) ； ml i s t c t r l i n s e r t c o l u m n ( o ，” 用户i d ”) ；插入列 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 7 页 ml i s t c t r k l n s e r t c o l u m n ( 1 ，” 用户进行中的业务”) ； ml i s t c t r l i n s e r t c o l u m n ( 2 ，”用户状态”) ； w h i l e ( n c o l 检测设备连接”，弹出图5 5 所示的对话 匡界面，点击确定按扭后将会显示设备的连接情况，如果连接正常将会得到图中的提 示。 图5 5 检测设备连接 图5 6 为管理员界面，在该界面中可以获取用户的信息，如在线用户i d 、用户正 在进行的业务类型，在通信系统中可以进行的业务有话音通信、视频通信、数据传输、 电话会议等。通过业务信息，管理员可以了解到当前使用各类业务的用户数量。对于 用户信息和业务信息，管理员通过点击管理员界面上的信息显示按键来显示。 图5 6 信息显示 考虑到通信系统使用的是时分复用，并且通信时隙比较少，所以当在线用户比较 多时，管理员需要根据自己的判断进行手动处理。用户提示功能是当管理员发现线路 拥塞或发现用户长时间在线时，给予其提示，希望其能尽快离线。管理员在使用此功 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 2 页 能后，通信系统将向所选择的用户发送提示音。 用户信息 状愁 卜毒糕誓骺譬 3 话音通信用户在线 4 话音遁信用户在线 5 话音通信用户在线 6 话音通信用户在线 t 无业务进行用户离线 一=：wo_i二二_=一勰 。“ l i 盘盖。蠢三_ 二五墓耋鎏。鋈誊量i j 。：盘蠹芝：盥汪i - 业务信息 r - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ， i | 信息显示 目 k 茹盗；i 茹茹置尚；誓i 萄五菡盆盆崮蔷釜幽 用户在线时间 进行中的用户数 进行中豹带户数 进行中的用户数 进行中的用户数 进行中的用户数 进行中的用户数 图5 7 强迫用户离线功能 上图为使用用户离线功能的情况，输入需要离线用户的i d ，点击用户离线按钮， 然后点击信息显示按钮，在用户信息中将会看到被迫离线的用户将不再进行任何业 务，并且处于离线状态，同时，在业务信息中进行业务的用户数将减少一个。 l 2 用户时间查询i| 1 1i 涌户驸澍萱询_ | i _ _ _ - _ _ - - o _ - _ _ - _ _ - - _ _ 一o l 嘲 图5 8 在线时间查询 图5 8 是用户在线时间查询的截图，其中前两幅图是对不同用户进行查询，并且 显示在线时间，第三幅图是查询不到用户信息的显示结果。 监控单元还具有故障检测功能。因为通信系统的终端分别位于两端车站和位于车 站之间的通话柱节点，所以本文设计的故障检测功能分为线路故障检测和通话柱节点 检测。图5 - 9 是线路无故障的显示结果。 塑 一 _ l m 一户 一。 筒矛；l|pl 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 3 页 图5 9 线路检测 疆焉 通话： i 通话： ：通话； ；通话： i 通话： l 通话； 土1 愚 岱甍 主节点 主节点 主节点 主节点 主节点 至接正常 业务板1 工作正常 业务板2 工作正常 业务板3 一- 7 作正常 业务板d 工作正常 业务板5 工作正常 业务板6 工作异常 图5 一1 0 节点检测 图5 1 0 是对某一通话柱节点进行检测的结果，每个通话柱的终端都具有多个业 务板用于进行不同的业务，所以对节点的检测不仅要检测节电是否能连接到通信网络 中还需要检测通话柱终端各业务板是否能正常工作。 5 3 调试过程中的问题和解决办法 在课题设计时，遇到了一些列软件和硬件的问题，在这里将所遇到的问题进行简 单的介绍。 1 u s b 芯片不能被p c 机识别，晶振没有信号输出；在首次设计电路图时没有 设计r e s e t # ( 复位) 引脚的外围电路，而是作为悬空处理，查阅芯片手册后得知该引 脚需使用0 1u 电容接至3 3 v 电源信号，并使用1 0 0 k q 电阻接地，形成一个振荡电 路，提供有效的复位信号。 2 使用e e p r o m 下载固件程序时，选用a t 2 4 c 1 6 型号的芯片，芯片手册中介 绍该芯片的内存为1 6 k ，但是却无法加载6 k 的i i c 文件；经测试后发现该芯片只能 存储小于2 k 的文件，所以判定手册中描述内存的单位为b i t ，而文件占用内存的单位 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 4 页 为字节，最后选择内存大小为8 k 的a t 2 4 c 6 4 芯片。 3 加载固件程序后芯片将退出连接状态，不被p c 机识别；经过程序调试后发现， 如果在固件程序中循环占用的时间太长将会出现这种情况，所以在编写固件程序时尽 量减少循环所占用的时间。 4 进行串口通信时，只能发送或只能接受数据，不能进行数据的来回传递；在 使用示波器观察监控单元单独发送和单独接收数据信息时后发现监控单元芯片发送 数据的速率和主控芯片发送数据的速率不一致，所以监控单元不能对接收到的数据进 行正确的判定。在初始化设定时，将监控单元芯片串口通信的速率设定为与主控芯片 的串口速率相同，从而解决该问题。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 5 页 总结，d ：目 在对通信系统进行管理时需要对系统中的信息进行了解和处理，本文根据铁路区 间光纤通信系统的需要，制作了对光纤信道进行管理的监控单元，实现了对光纤信道 中信息的显示，并结合需要对一些信息进行处理。通过监控单元，管理人员可以随时 掌握通信系统中的信息，并在有需要的时候通过监控单元对信息进行处理。 本文取得的研究成果如下： 1 通过对区间光纤通信原理的分析，制定了铁路区间光纤通信监控单元的设计方 案，在该方案中涉及硬件和软件两方面的设计。 2 在硬件方面，根据设计方案，在综合考虑了需求和成本的情况下，合理选择器 件，使用p r o t e lx p 电路图设计软件绘制了p c b 电路图并制板，设计的电路具备结构 简单，集成度高和成本低的优点；完成了电路板上元器件的焊接，对外围电路硬件进 行调试，实现了u s b 设备在p c 机上的识别。 3 在软件方面，对c y p r e s s 公司的e z u s b2 1 0 0 系列u s b 接口芯片a n 2 1 3 1 s c 进行开发。通过编写固件程序完成u s b 芯片对上位机命令的响应以及监控单元与主 控芯片的通信；修改u s b 驱动程序，完成u s b 芯片与p c 机的通信连接；编写上位 机应用程序，将用户需要的功能在应用程序的界面中实现。 本设计存在一些不足之处，在选择芯片的时候，考虑到需要使用的芯片的功能不 多，所以选择了一款引脚较少的芯片，但是该款芯片采用的是u s b 全速通信，所以 速率较低，最高速率只有2 m ，虽然对于目前的功能需要的速率都能满足，但是考虑 到后续如果还要加入其它功能可能会在速率方面达不到要求；在使用界面显示信息的 功能时，由于芯片要完成u s b 通信以及串口通信，而u s b 中断的优先级高于串口中 断的优先级，当通过界面发送显示信息命令时，可能芯片正在进行串口通信，因为中 断优先级的不同而使得从串口获取来的信息不全从而造成显示的信息不全。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 6 页 致谢 文章到此为止，终生难忘的三年的读研生活转瞬即逝，能成为交大的一员是我终 生的荣幸，快乐而充实的三年成长经历必将对我的人生产生深远的影响，在这里，我 要向培养我的老师和伴我一起学习和生活的同学表达我的最真诚的感谢。 感谢信息光子与通信研究中的所有老师，尤其是我的导师罗斌教授，感谢你们三 年来对我的做人、做事、科研各方面的影响和培养。 感谢信息光子与通信研究中心的兄弟姐妹们，感谢你们创造的融洽和睦的研究氛 围，在于你们的交流中，我受益颇多。尤其感谢我的项目同组同学胡祖翰，他性格活 泼，学术思维敏捷，在学习中给我很大的帮组。 感谢我的父母和支持我的亲戚朋友们，做为长子现在仍不能为你们分忧解难，实 感非常的抱歉。 最后，感谢各位评阅论文及参与答辩的专家、教授，谢谢! 袁涛 2 0 1 2 0 6 1 0 于西南交大眷诚斋1 2 5 6 8 西南交通大学硕士研究生学位论文 一 第4 7 页 参考文献 1 王郐等编著。铁路通信技术 m 。北京：中国铁道出版社，2 0 0 8 1 2 。 2 王维汉。铁路专用通信 m 。北京：中国铁道部出版社，1 9 9 5 。 3 刘金虎。铁路专用通信【m 。北京：中国铁道部出版社，2 0 0 5 。 4 胡耀华，诸均安。中国铁路通信世纪回顾 m 。北京：中国铁道出版社，2 0 0 1 1 。 5 徐岩，王维汉。铁路区段调度通信网方案研究 j 。铁道学报，2 0 0 3 ，2 5 ( 4 ) ：5 8 6 1 。 6 王鹏。铁路临时通信系统设计的探讨 j 。铁路通信信号工程技术，2 0 1 0 ，7 ( 3 ) ： 3 5 3 7 。 7 刘继洲。浅谈铁路应急通信 j 】。铁道勘测与设计，2 0 0 5 ，2 ：5 3 5 4 。 8 郭忠平。浅谈铁路应急通信系统的接入技术 j 】。铁道通信信号，2 0 0 7 ，4 3 ( 4 ) ： 4 5 4 7 。 9 黄俊武。我国铁路通信的现状及发展对策 j 。中国铁路，1 9 8 5 ，8 ：4 1 0 。 1 0 顾畹仪，黄永清，陈雪，张杰，张民，喻松。光纤通信 m 。北京：人民邮电出 版社，2 0 0 6 。 1 1 黄池翔。铁路区间光通信系统的业务模块设计 d 。西南交通大学，2 0 1 1 。 【1 2 胡祖翰。光时分复用在铁路区间光通信系统中的应用研究 d 。西南交通大学， 2 0 1 1 。 1 3 土成儒，李英伟。u s b 2 0 原理与工程开发 m 。北京：国防工业出版社，2 0 0 4 7 。 1 4 边海龙，贾少华。u s b 2 0 设备的设计与开发 m 。北京：人民邮龟出版社，2 0 0 4 1 。 1 5 张弘。u s b 接口设计 m 。西安：西安电子科技大学出版社，2 0 0 2 。 1 6 】任治国等。r s 2 3 2 接口转u s b 接口的通信方法【j 。单片机与嵌入式系统应用， 2 0 0 2 ，1 2 ：3 2 3 4 。 1 7 李英伟，王成儒，练秋生。u s b 2 0 原理与工程开发 m 。北京：国防工业出版社， 2 0 0 7 。 1 8 颜荣江，余志强，张进。e z u s b 2 1 0 0 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