（安全技术及工程专业论文）地铁列车监测系统主控单元设计与控制网络研究.pdf

e 塞窑迪厶堂亟上堂垃监塞垦si 墨i a b s t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h e i n c r e a s i n gt r a n s p o r t a t i o nl o a d ，t h e m e t r os y s t e mk e e p s a c c e l e r a t i n g ，a n dt h ei d l et i m ei sd e c l i n i n g t h e r e f o r , t h es e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h e t r a i nb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n t t r a i ns u r v e i l l a n c es y s t e mi sd e s i g n e dt or e a l i z e a u t o m a t i cd r i v e ，s p e e dl i m i t ，m a l f u n c t i o na n a l y s i sa n dr e m o t ec o n t r 0 1 t h e s ef u n c t i o n s r e d u c et h er i s k sf r o mm a n u a lo p e r a t i o n ，a n de n h a n c et h er e s p o n s ep e r f o r m a n c ea n d r e l i a b i l i t y t h ed e t a i l e dd e s i g no ft h ec e n t r a lc o n t r o lu n i tu s e di nt h et r a i ns u r v e i l l a n c es y s t e m w a sd e s c r i b e di nt h i sp a p e r , w h i c hb e l o n g e dt ot h ep r o j e c t l o c a l i z a t i o no fg u a n g z h o u m e t r ol i n en o 1 ”t h en e wt r a i nb u sa n dv e h i c l eb u sw e f ec h o s e ni nt h i sd e s i g nb a s e d o nt h ea n a l y s i so fs t a t i cs e r v i c ep e r f o r m a n c eo ft h eo r i g i n a lm o d u l eb u s ，a n dd e t a i l e d r e s e a r c hw a sm a d eo nt h ep r o t o c o lp o l i c yo f t h eb u s c e n t r a lc o n t r o lu n i tc o n s i s t e do f4m o d u l e s ：h o s tp c ，m o d u l eb u sa d a p t e r , v e h i c l e b u sa d a p t e ra n dt r a i nb u sa d a p t e r t h eh o s tp cw a sd e s i g n e dw i t hu c o s i ip o r t i n g e d o nt h ep c i 0 4s b c t h es b cc o n n e c t e dw i t hah d l ca d a p t e ra n dt w ol o na d a p t e r s t h r o u g hp c i 0 4 b u sa n dc o m b i n e dt ob ea c o m p l e t ec e n t r a lc o n t r o lu n i t h d l ca d a p t e r w a sd e s i g n e db a s e do na r m 7 ，a n da d a p t e db e t w e e nh d l ca n dp c i 0 4b u s e su s i n ga d u a lp o r tr a mw i t hp a r t i t i o n s a sf o rt h el o na d a p t e r , a l le x i s t i n gp r o d u c tw i t h h i 曲一l e v e lp a r a m e t e r sw a si n s t a l l e do nt h es b c ，a n dt h ei n t e r f a c ef o rd a t aa c c e s sw i t h s b cw a sd e s c r i b e di nt h ep a p e r t h r o u g hs e v e r a ln e t w o r k i n gt e s t s ，t h ec e n t r a lc o n t r o lu n i tw a sv e r i f i c a t e dt o b e r e l i a b l eu n d e rh e a v y1 0 a de n v i r o n m e n ta n dl o c a l i z e ds u c c e s s f u l l y k e y w o r d s ：t r a i ns u r v e i l l a n c es y s t e m ；c e n t r a lc o n t r o lu n i t ；c o n t r o ln e t w o r k ； s t a t i cs e r v i c ep e r f o r m a n c e ；h d l cb u s ；l o nb u s c l a s s n o ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数掘库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 惑毒 导师签名：卿 签字r 期：口t p 7 年2 月，日 签字日期：7 卅年l1 ，月f 7 r e 峦童理厶堂亟堂拉迨塞丝剑f e 虚 型 独创。性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和耿得的研 究成果，除了文中特别加以标泣和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：寸寺 签字只期：堋年fl 月，同 致谢 本学位论文是在导师谭南林教授的亲切关怀和悉心指导下完成的。谭老师严 谨求实的科研念度、执著追求的敬业精神、敏锐的洞察力以及平易近人的工作作 风，无不使我深受启迪，我将永远铭记在心。几年来，谭老师不仅一直对我的课 题研究和学位论文进行了精心指导，而且对我的学习生活都给予无微不至的关心。 值此论文脱稿之际，谨向谭老师表示衷心的感谢和深深的敬意。 焦风川老师、苏树强老师、张冬泉副教授、张乐乐副教授、吴斌副教授在平 时的科研工作中给了我许多具体指导和帮助，积极为我创造实验条件，在此向他 们表示衷心的感谢。 吴斌副教授、张乐乐副教授、张冬泉副教授对我的科研工作和论文撰写都提 出了许多宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 在攻读硕士的两年半罩，肖胜然同学在同常工作和学习中给了我极大的鼓励 和帮助，以及实验室的同学任春霞、于拮、周长涛、朱伟、喻文冲等，我在此一 并表示谢意。 另外，父母在漫长的求学历程中给予了我最大的理解和支持，以及无限的关 怀和奉献，值此学业完成之际，特向远方的父母表示深深的谢意和衷心的祝福。 最后，向所有关心和帮助过我的朋友表示衷心的感谢! ：世；窒堑厶堂亟f ：羔 丝塞 ! !蛊 1 引言 1 1地铁列车监测系统概述 目前，随着轨道交通体系的快速发展，其覆盖范围逐渐拓宽，运力占据了城 市客运的大部分份额。地铁列车运行速度随之不断提高，列车结构也越来越复杂， 这对列车可靠、安全及高效运行提出了更高的要求。因此，为保障列车的证常运 行，必须有一套智能的网络化系统专责列车各模块的数掘采集，进而分析并对列 车设备实施控制，既降低了人工操作的复杂度，又提高了安全性。这就是所谓的 地铁列车监测系统。 当地铁列车在线运行时，列车监测系统主动报告运行数据，并通过人机直接 对话的方式，在最短时间内实现对列车有效的控制。下面以西门子公司典型的列 车监测系统为例进行简要说明。其结构如图1 - 1 所示： 图1 - 1 列车监测系统结构图 f i g 1 1t r a i ns u r v e i l l a n c es y s t e ms t r u c t u r e 此系统采用3 节车l 单元的结构，对于一辆6 节车编组的地铁列车，由2 个 单元车级的主控系统组成，它们是通过列车总线连接的。 k l i p 智能终端接口单元利用现有的传感器等检测设备采集车辆运行的参数信 息，这些参数信息来自牵引控制单元、电子制动控制单元、空调控制单元、辅助 系统单元等。k l i p 智能终端把这些参数信息通过车辆总线发送给c f s u 中央主控 单元。 c f s u 主控单元接收这些参数信息，其软件利用内置的多个网络适配器进行网 el !至堑厶竺亟：! ；兰i i迨塞j !盖 络胁议适配和调度，与其他c f s u 通过列车总线进行数据交换，并使用h d l c 模 块总线将参数传送到司机室内的h m i 彩色液晶显示装置。 h m i 显示装置用来显示采自k l i p 智能终端的当前运行参数和故障信息以及 相关的处理措施，是重要的人机对话装置，列车司机通过h m i 获取列车监测系统 的整体信息。 a t p 是列车超速防护系统，a t p 根据线路参数和列车状况计算出列车的最大 允许速度曲线，并将此值与来自测距脉冲发生器的列车此时刻的实际速度相比较， 若超过最大允许速度，则列车报警且启动制动装置。1 。 a t o 是列车自动驾驶系统，可实现无人自动驾驶，自动执行列车的全部牵引 和制动控制、列车的站白j 运行和站内停车功能。在选择自动驾驶时，a t o 系统控 制列车的牵引制动设备，自动地实现列车的启动、加速、巡航、滑行以及制动等 驾驶功能。在驾驶过程中，a t p 一直执行其速度监督和超速防护，负责列车的运 行安全。 1 2地铁列车监测系统发展现状 列车监测系统是地铁列车高速、正常运行的核心组件，其关键性不言而喻。 许多国家都在致力于该系统的研究开发，由于起步较早，配合技术均较成熟，因 此都有成型系统在线运营p 】。例如，北京地铁1 号线部分列车安装了英国 w e s t i n 【g h o u s e 公司的a t o 设备( 未使用) ；上海地铁l 号线的控制系统则是从美 国g r s 公司引进的，并于1 9 9 6 年1 1 月开始在全线试用。广州地铁1 号线引进的 是德国s i e m e n s 公司的全套控制系统，在1 9 9 9 年6 月j 下式运营。 以本文涉及的广州地铁1 号线为例，其列车监测系统全部由德国西门子公司 提供，而本系统的设计标准几乎均为西门子企业内部标准。目前几个关键部件已 经老化严重，且备件多数停产，维护成本大大提高。由于国外公司的系统包含部 分先进的控制技术，但他们只提供诊断设备，不提供系统核心的原理级设计方案。 因此，对列车监测系统进行国产化并在此基础上丁r 展研究，进而设计国内标准的 列车监测系统是势在必行的。 1 3本论文的研究内容和意义 本论文基于“广州地铁l 号线国产化改造”工程，提出了地铁列车监测系统 中央主控单元的国产化方案和具体实现。 首先，基于现有的列车监测系统进行分析，明确其结构和工作原理，确定在 2 e 盛 窒堡厶堂亟 芏位迨 塞i ! 美 目酊方案中保留原有的a t o 、a t p ，以中央主控单元为国产化重点深入研究；然 后，基于设计要求对主控单元总体设计提出方案，使其硬件性能提高个档次， 并使整个设计结构清晰化；第三部分，基于数掘传输方式对通信总线霞新选型， 从软件角度讨论多总线的适配问题，并针对智能终端、a t o 、a t p 等的特点，对 传输的数掘结构进行深入分析，然后对应到选型总线的各项参数如帧结构、时延 等，以此为基础进行网络层通汛协议定制，建立起协议适配方案，再通过数学方 法论证该方案的可行性；第四部分，在网络层协议研究基础上，为主控单元设计 各种总线的硬件适配器，并将部分的网络层协议编写到适配器的软件中，降低主 控单元的通信负担，提高通信实时性和可靠性。最后，将主控单元和总线适配器 装配起来，进行组网测试，并在网络中搭接监听节点，对监控采集的数据进行评 价，据此分析主控单元及其协议适配软件的性能。 掘此，列车监测系统的国产化改造将对现有的列车监测系统进行深入分析， 对今后整个系统包括a t o 、a t p 等在内的整体自主研发积累下峰实的理论基础和 实践经验。其运行成功不仅能够提高列车性能、降低维护成本，更深远的意义体 现在推动我国轨道交通全面自主研发进程上。 塑童丝厶：至亟! ：翌位丝堑些型墨丝! 丛l 丝坠应：垫丝结盟 2 监测系统中央主控单元总体结构 2 1主控单元的设计要求 2 1 1列车监测系统的功能 地铁列车监测系统是一种对列车运行实现全面控制的的智能实时系统。它不 仅能通过智能终端接口单元采集牵引控制单元d c u ，气制动电子控制单元e c u ， 空调控制单元，辅助系统( 包括d c a c 逆变器和d c d c 变换器) 车门，空压机， 诊断系统本身和1 1 0 v d c 控制电路等部件的运转参数，还可以将参数编码后传输 给自动驾驶系统作为运行状态调节的依据，从而实现无人驾驶的实时性和可靠性。 运行参数以及据此诊断的可能故障被发送到显示装置，司机可以监控当前列车运 行的所有模块细节，并在故障发生时及时得到通知并选择处理方案。 对应目前高性能的列车监测系统，如下的功能应当设计在内f 4 1 ： ( 1 ) 系统中应当配置具备智能分布式控制能力的车辆总线，便于管理数目众多 的接口单元所采集的大量i o 数据。 ( 2 ) 系统中列车总线的设计应具备智能冗余和自动路由的能力，该功能应在网 络层实现。这样从整体上提高列车的可靠性，保证在发生故障时快速切换。 ( 3 ) 列车监测系统应配置高可靠性、具有实时传输性能的通信总线和协议，以 实现各设备模块高速、双向的数据传输。 ( 4 ) 系统的各部分运行参数以及根据参数所诊断出的故障应实时的传输到显 示装置进行显示，且根据故障类型提供可选的处理方案。 2 1 2 中央主控单元在系统中的作用 通过以上分析，可以得出中央主控单元的作用有以下几点： ( 1 ) 与k l i p 智能终端通信，采集设备运行参数，并诊断是否发生故障。 ( 2 ) 与a t o 、a t p 通信，提供设备运行数据，作为自动驾驶和超速防护的依 据，同时接收二者控制信号，刃i 即自动驾驶的运行控制，对下层k l i p 终 端设备实施调节。 ( 3 ) 与h m i 显示装置通信，显示设备运行数据和诊断的故障信息，同时提供 可行的故障处理方案。 4 e ! 塞丝厶：羔亟：! ：兰：位迨塞监型丞绝生幺l 丝塾丞整丛结翅 ( 4 ) 与同编组内其他单元的巾央圭控c f s u 通信，以此拓扑到整编组的各通f 矗 节点，不仅实现整车：f 行数掘通信和设备控制，更实现了设备冗余功能， 提高了列车运行的可靠惟。 f 图2 一l 是目前广州地铁在线运行的c f s u 主控单元的实物照片： 图2 - 1c f s u 主控单元实物 f i g 2 1o n l i n ec f s ue n t i t y 2 2主控单元的设计结构 依据中央主控单元在列车监测控制系统中的作用，c f s u 中央主控单元可以分 为四个部分：c f s u 主机、列车总线适配器、模块总线适配器和车辆总线适配器。 其结构如图2 - 2 所示。 其中，c f s u 主机是整个中央主控单元的核，1 1 , ，其采用成熟稳定的单板机设计， 板载通用的工业总线，以此实现与各适配器问的连接：主机软件方面，运行实时 操作系统进行任务调度，驱动各适配器进行协议转换和数据传输。 车辆总线适配器与k l i p 智能终端进行数掘交换，一方面采集设备运行数据进 行上传，另一方面接收主机反馈的控制信号，对底层设备实施控制和调节。 模块总线适配器向a t o 、a t p 发送下层设备采集到的数据，二者籍此进行运 算得到自动驾驶和超速防护的控制参数并反馈控制；同时相关数据也发送到h m i 显示装置进行显示，如果c f s u 主机判断设备参数存在故障，也通过模块总线适 ：也立塞丝厶翌亟 ：乏垃缝塞些型丕丝! e 基：揎整i 望 生结盟 配器发送给h m i 进行报警，并提出可能的处理力臻。 一 a t o a t p ： l i m 硅1 ：装置 k l i p 智能终端 i 一 i 一一一一- 一一一一一i 一一c f s u ! 一一一一一一一一一一1 l j 图2 - 2 中央主控单元功能结构 f i g ，2 2c f s uf u n c t i o ns t r u c t u r e 列车总线适配器是与其他c f s u 中央主控单元组网的冗余型连接，通过该适 配器，每个c f s u 都可获得整车运行状况，并加以控制；更重要的是，冗余型的 网络拓扑结构使得某一节点发生轻微故障时，具备自行切除或修复能力，不会引 起整车停运或事故。 总结来说，单板主机加上三个适配器构成了c f s u 主控单元，其模块化结构 优势明显，便于单独开发、升级和维护。以下将展开对各通信协议选型和优化的 分析，为设计高稳定性和响应速度的c f s u 打下基础。 6 e 峦坌丝厶：! ；三亟士位迨望史塞圭丝墼堑芷塾丝! i 氲 中央主控单元通信总线研究 3 1通信总线协议选型 3 1 i现场总线的技术特点 现场总线是用于现场仪表与控制系统和控制室之问的一种全分散、全数字化、 智能、双向、互联、多点、多站的通信网络，这是国际电工委员会i e c 标准和现 场总线基金会f f 对现场总线的定义。目i j i 现场总线有f f 、c a n 、d e v i c e n e t 、 l o n w o r k s 、p r o f i b u s 等用于各种工业领域。它是在8 0 年代后期发展起来的一种 先进的现场工业控制技术，集数字通信、智能仪表、微机技术、网络技术于一身， 从根本上突破了传统的“点对点”式的模拟信号或数字一模拟信号控制的局限性， 为真正的“分散式控制，集中式管理”提供了技术保证口1 。在定义中，多节点指的 是现场设备或仪表装置，如传感器、变送器、执行器和现场智能i o 等等，它们不 是传统的接收或传送信号的现场仪表，而是具有综合功能的智能仪表。 与开放式互连( o s i ) 参考模型比较现场总线物理结构没有网络层到表示层( 即 第3 - 6 层) ，只有物理层、链路层和应用层，如图3 1 所示。除此之外，考虑到现 场装置的测试功能与互操作性，现场总线基金会( f f ) 还增加了用户层。每个协 议层完成各自一套功能，报文在这些层之间被解析。 o s i 参考模型 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 链路层 物理层 现场总线网络 r 一葡锈一 图3 - 1 现场总线网络结构 f i g 3 1f i e l db u sn e t w o r kf r a m e w o r k j e 巫窒理厶置：亟翌垃迨皇生塞垂尘皇廛迤篮墼丝丛宜 物州层用以在数据链路实体川建立、维护和拆除物f 警连接。物理层包含报文 传输的物理介质，一般是导线，物理层定义了数掘通砒信号的大小、波肜、最大 节点数量、所用导线的类型和数折：传输速率。 数抛链路层的功能是保证数据的完整性并决定何时与谁对话，数据链路并不 解释传输的数据，它仅仅在物理层和网络层之间传递数据，其数据格式通常如表 3 - 1 所示： 表3 - 1 数据链路层帧格式 t a b l e3 - 1f r a m ef o r m a lo f d a t al i n kl a y e t 控制格式目标地址塬地址参数数据校验 应用层的主要任务是实现现场总线的命令、响应、数据或事件信息的控制。 它分为两个子层，一个为用户层提供服务，由现场总线信息规范所定义：一个与 数掘链路层连接，称为现场总线访问子层( f a s ) ，它弥补了被省略的网络层到表 示层中的某些通信服务。 用户层位于应用层之上，是一些数掘或信息查询的应用软件，它将通信命令 传送到应用层。在用户层，规定了标准的“功能模块”，并使用设备描述语言为用 户组态提供接口。 鉴于这种层次清晰的结构，现场总线体现出高度的协议丌放性，各控制器及 设备之间互可操作；现场设备则更加智能化，从而使整个控制系统的结构高度公一 散，提高了可靠性和设备对工业现场的适应性。 3 1 2h d l c 总线协议特性 在列车监测系统国产化设计的进程中，a t o 、a t p 以及h m i 显示装置因涉及 到与列车安全紧密相关的核心代码，故而在第一阶段中予以保留。因而，首先此 三者所使用的h d l c 总线协议需深入研究和分析；然后依掘链路层协议设计基于 h d l c 协议的用户层协议分析器及其透明侦听软件，对已有的模块总线进行挂接 监听并采集总线数据；第三步，根据采集得到的数据进行分类、拆解、时序分析， 反推至用户层协议库；最后，根据用户层协议库，设计h d l c 模块总线适配器及 其软件。以下简要介绍h d l c 总线协议： h d l c 涉及三种类型的站，即主站、从站和复合站1 6 ”。 主站的主要功能是发送命令( 包括数据信息) 帧、接收响应帧，并负责对整 个链路的控制系统的初启、流程的控制、差错检测或恢复等。 从站的主要功能是接收由主站发来的命令帧，向主站发送响应帧，并且配合 主站参与差错恢复等链路控制。 ：l e 垡至些厶堂蝗主：；三位迨塞史塞主暨望丞堑筮望丝蛆宜 复合站的主要功能是既能发送，又能接收命令帧j l l f q ；, j 应帧，并且负责整个链 路的控制。 根掘通信双方的链路结构和传输响应类型，h d l c 提供了三种操作方式：下 常l i 向应方式、异步响应方式和异步平衡方式。 除三种基本操作方式，还有三种扩充方式，即扩充萨常响应方式( s n r m ) 、 扩充异步响应方式( s a r m ) 、扩充异步平衡方式( s a b m ) 它们分别与基本方式 相对应。 h d l c 的帧格式如图3 - 2 所示，它由六个字段组成，这六个字段可以分为五中 类型，即标志序列( f ) 、地址字段( a ) 、控制字段( c ) 、信息字段( i ) 、帧校验 字段( f c s ) 。在帧结构中允许不包含信息字段i 。 信息帧 监控帧 无编号帧 b i t7 n ( r ) p f n ( s ) o n ( r ) p fsol mp ，fm 11 幽3 - 2 h d l c 协议帧格式 f i g 3 2f r a m ef o r m a to f h d l cp r o t o c o l ( 1 ) 标志序列( f ) h d l c 指定采用0 1 1 1 1 1 1 0 为标志序列，称为f 标志。要求所有的帧必须以f 标志开始和结束。接收设备不断地搜寻f 标志，以实现帧同步，从而保证接收部 分对后续字段的正确识别。另外，在帧与帧的空载期间，可以连续发送f ，用来作 时i - 自j 填充。 在一串数据比特中，有可能产生与标志字段的码型相同的比特组合。为了防 止这种情况产生，保证对数据的透明传输，采取了比特填充技术。当采用比特填 充技术时，在信码中连续5 个“1 ”以后插入一个“0 ”：而在接收端，则去除5 个 17 以后的0 ，恢复原来的数据序列，比特填充技术的采用排除了在信息流中 出现的标志字段的可能性，保证了对数据信息的透明传输。 当连续传输两帧时，前一个帧的结束标志字段f 可以兼作后一个帧的起始标 志字段。当暂时没有信息传送时，可以连续发送标志字段，使接收端可咀一直保 持与发送端同步。 9 e 丛銮迪厶：王亟! ：翌i ! 迨塞! ! 盘主丝垫丞堑篮! 亟缝丛筮 ( 2 ) 地址字段( a ) 地址字段表示链路上站的地址。在使用不平衡方式传送数掘时( 采用n r m 和 a r m ) ，地址字段总是写入从站的地址：在使用平衡方式时( 采用a b m ) ，地址字段 总是写入应答站的地址。 地址字段的长度一般为8 b i t ，最多可以表示2 5 6 个站的地址。在许多系统中规 定，地址字段为“1 1 1 1 1 1 l l ”时，定义为全站地址，即通知所有的接收站接收有关 的命令帧并按其动作：全0 比特为无站地址，用于测试数据链路的状态。因此 有效地址共有2 5 4 个之多，这对一般的多点链路是足够的。但考虑在某些情况下， 例如使用分组无线网，用户可能很多，可使用扩充地址字段，以字节为单位扩充。 在扩充时，每个地址字段的第l 位用作扩充指示，即当第1 位为0 时，后续字 节为扩充地址字段；当第1 位为“1 ”时，后续字节不是扩充地址字段，地址字段 到此为止。 ( 3 ) 控制字段( c ) 控制字段用来表示帧类型、帧编号以及命令、响应等。由于c 字段的构成不 同，可以把h d l c 帧分为三种类型：信息帧、监控帧、无编号帧，分别简称i 帧 ( i n f o r m a t i o n ) 、s 帧( s u p e r v i s o r y ) 、u 帧( u n n u m b e r e d ) 。在控制字段中，第l 位是“0 ”为i 帧，第1 、2 位是“1 0 ”为s 帧，第1 、2 位是“1 1 ”为u 帧。 ( 4 ) 信息字段( i ) 信息字段内包含了用户的数据信息和来自上层的各种控制信息。在i 帧和某些 u 帧中，具有该字段，它可以是任意长度的比特序列。在实际应用中，其长度由 收发站的缓冲器的大小和线路的差错情况决定，但必须是8 b i t 的整数倍。 ( 5 ) 帧校验序列字段( f c s ) 帧校验序列用于对帧进行循环冗余校验。其校验范围从地址字段的第1 比特 到信息字段的最后- - t t 特的序列，并且规定为了透明传输而插入的0 不在校验 范围内。 3 1 3l o n w o r k s 总线协议特性 l o n w o r k s 作为一种通用型现场总线，采用i s o o s i 模型的全部7 层通讯协议， 这是所有现场总线中唯一提供全部服务的现场总线，在工业控制系统中可同时应 用在s e n s o rb u s 、d e v i c eb u s 、f i e l db u s 等任何一层总线中n 在一个l o n w o r k s 控制网络中，智能控制设备( 节点) 使用同一通信协议与网络中的其它节点通信， 每个节点都包含内置的智能单元束完成协议的监控功能。一个l o n w o r k s 控制网络 可以有3 3 0 0 0 0 个或更多的节点，包括传感器、执行器，操作接口、控制器等。 o e 丞堡迪厶堂塑：兰位迨塞虫塞圭丝坚应丝i i ! 垫缝纽塞 由r 不需要像传统控制系统中的- ，央控制器，l o n w o r k s 分和控；驯技术显示出极 高的町靠性和系统响应，并且降低了系统的成本和运行费川。神经元芯片完成节 点的事件处理，并通过多种介质把处理结果传递给网络上的其它节点。同时还采 用匝i 向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数没霄。l o n w o r k s 传输支持双绞线、同轴电缆、光缆和红夕卜线等多种通信介质和多种拓扑结构，被 誉为通用控制网络。 l o n w o r k s 总线提供了丌放的局部操作网络( l o n ) 称为l o n t a l k 协议。l o n t a l k 协议是一个分层的、基于数据包的对等通信协议，它通过n e u r o n 神经元芯片内置 的3 个c p u 来实现一个完整的7 层网络结构，能支持网络中的灵活寻址和多通信 信道。l o n t a l k 协议所提供的服务与7 层o s i 参考模型之问的对应关系，以及各层 与三个c p u 之间的分配关系如表3 - 2 所示： 表3 - 2l o n t a l k 协议的分层 t a b l e3 - 2l o n t a l kp r o t o c o ll a y e r s 在这种网络结构之上，l o n t a l k 网络通信协议在传输速率、多种信道支持、错 误检测和寻址方式等方面具备表3 3 所示的优点： 表3 - 3l o n t a l k 协议的主要优点 t a b l e3 - 3l o n t a l kp r o t o c o la d v a n t a g e s 避免过载机制 高吞吐蹙 支持多介质 每数据帧进行错误检测 进行预测的介质访问 速率高至1 0 0 0 包，s 烈绞线、无线射频，电力线等 1 6 位c r c 校验 e 立尘适厶鲎亟土望：位迨g主叁圭丝垫丝搓i ：盈缝! f 塞 地址空间人 多种寻址模式 路由选抨透明 可调性能 确定性能 响麻时间快 安全性 互操作性 晟多2 4 8 个网络， 3 2 k 个1 ) 点 一对一，一对多，厂播寻自 白动配置路由器 可配置的定时计数器 可选扦优亢级 应用竹点响麻时间 7 m s 可选的i 止实服务 实现标准数据格式和j 对象 3 2通信总线静态服务性能对比 本方案设计中，c f s u 主控单元的基本作用就是适配三条总线。其中h d l c 总线是现有的模块总线，因与a t o 、a t p 、h m i 通信原因予以保留；而列车总线 和车辆总线拟选用l o n w o r k s 总线。对现场总线而言，其控制效果和性能指标不仅 同对象特性和采用的控制算法有关，而且直接受到控制网络服务性能( q o s ) 影响 【9 1 。控制网络服务性能可以分为静态和动态网络服务性能。其中控制网络静态服务 性能主要包括网络规模、传输速率、拓扑结构、传输介质、网络扩展性和丌发平 台的支持等。本节对其进行静态服务性能分析，以验证其与h d l c 总线能否正常 适配。 对现场总线进行静态服务性能分析，本质上要分析的就是其数据传输的整个 过程涉及到的参数：帧结构、比特率、传输有效百分比等。数据在网络中传输必 须以特定的帧格式进行。由于数掘帧都要包含控制字段、校验字段和帧标志序列 等，因而数据帧的有效传输率也是衡量控制网络静态服务性能的一个重要指标。 针对h d l c 和l o n w o r k s ，下面分析当其传送n 个有效数据字节时，它们分别需要发 送的总数据位b 。l 。 对h d l c 数据帧而言，如图3 2 中所示，i j i 置的标志序列、地址字段和控制 字段共3 x 8 = 2 4 字节，后置的校验和标志序列为3 2 + 8 = 4 0 字节，合起来共6 4 字节， 而系统中采用的h d l c 通信控制器支持数掘帧每帧最多4 0 9 6 字节的传输。那么， 目f ； 看来，使用h d l c 总线传送n 个有效数据字节时，需要发送的总数据位： b 。28 x n + 6 4 。而n 万+ 6 4 ( 3 - 1 ) 但是正如前文3 1 2 中提到的，由于h d l c 的帧序列标志为“0 1 1 1 1 1 1 0 ”， 为 了防止与帧序列相同码型的数掘段产生，保证对数掘的透明传输，采取了比特填 充技术。当采用比特填充技术时，在信码中连续5 个“l ”以后插入一个“o ”；而 e 塞垒迪厶：茎亟：置位迨塞! i ! 墨j ：丝皇廛迪篮望丝蛆巍 在接收端，则去除5 个“1 ”以后的“0 ”，队复原水的数掂序列。那么，在此我们 为了避免造成不必要的复杂分析，对多字节连续“1 ”造成的插“0 ”忽略不计， 仅考虑l 字节内存在多少个插0 的情况。那么此处应咳讨沦的是在1 字节的8 比特中至少包含5 个连续“1 ”的情况统计。先讨论5 个连续“1 ”的情况，剩余 3 b i t ，由于邻接5 个“1 ”的一定是0 ，那么这种数的个数是： n ；= c ；c ；+ c ：c ；+ c ；+ c ；= 1 2( 3 - 2 ) 同理，有6 个“l ”相邻的数的个数： n 。= c ! + c ：+ c 卜5 ( 3 3 ) 7 个“1 ”的情况： n 7 = c ；= 2 ( 3 4 ) 8 个“1 ”的情况： n 8 = c ? = 1 ( 3 5 ) 那么总的看来，所有8 b i t 数，也就是0 - - 2 5 5 内总共包含5 个以上连续“1 ”的 数字个数为： 5 + 6 + 7 + n 8 = 2 0 ( 3 6 ) 此时，我们假设h d l c 总线上传输帧的数据字段在8 b i t 数内部均匀分配，那 么在传输一字节数掘时，实际上发送的位数按概率计算应为： 一。 8 x 垒二垫+ 9 旦：8 0 7 8( 3 7 ) 2 5 62 5 6 此时，需要发送的总数掘位数，也即公式2 - 1 应改为： 曰t o t a l 都0 7 8 糊“4 。志“4 ( 3 - 8 ) 同理，根据l o n w o r k s 总线的帧结构机制，一样可以得出使用其发送n 个字节 时，需要发送的总数据位数： b = 8 xn + 1 9 1 去+ 1 9 1 ( 3 - 9 ) 上述式子中，厂g ) = k 】i e r ) 为高斯函数，表示求取不大于实数x 的最大整 数。从而，可以得到这3 种控制网络有效字节数r l ( b y t e ) - 与发送总数据位b 。埘( b i t ) 对应关系情况见图3 - 3 。 由此可见，在传输量大的情况下，h d l c 附加的额外数据较少，效率较高； 但其不是现场总线，因而控制能力和传输距离较l o n w o r k s 都有限。 e 壅窑丝厶堂亟上! ；兰位迨塞生塞主丝墼丞丝f j 璺堡虹宜 哲效。诲教n b y t e s 图3 - 3 有效字：肖数发送总位数关系图 f i g 3 3e f f e c t i v eb y t e s s e n db i t sr e l a t i o ng r a p h 对地铁列车上目前使用的h d l c 模块总线而言，其传输率为固定的2 5 0 k b p s ； 而l o n w o r k s 总线传输距离在1 3 0 m 2 7 0 0 m 之间变化时，其传输率在1 2 5 m b p s 7 8 k b p s 之间取值。据此计算，可以得出二者有效字节n ( b y t e ) 与发送所需时间t ( m s ) 之间的关系如图3 - 4 所示。 善 暴 蓄 撂 啦 瑶 1 o o砌 o o 柯簸字节簸恂e s 图3 4 有教字霄数一总传输时间芙系图 f i g 3 - 4e f f e c t i v eb y t e s t r a n s m i s s i o nt i m er e l a t i o ng r a p h e 盛窒坦厶：兰亟 ：堂盟迨塞生丛兰控垫堑堑f ：! 盟丛虹塞 由图中可以看出，l o n w o r k s 高低速之川的范瞄覆盖了h d l c 模块总线的传输 速率，因此作为总长度有限的地铁列车，选择l o n w o r k s 这种兼顾速度和控制性能 的总线，是十分理想的。 而数掘帧的有效传输率定义为： 矿等x l o o ( 3 _ 1 0 ) 上，t o t a l 利用此结论可以推得两种总线在发送同样数目的有效字节时的帧有效传输 率，如图3 5 所示。 誊 簪 露 蒋 肇 10q。zm|m 霸箍字节敏n 舭e s 图3 - 5 有效字符数一帧利川率关系图 f i g 3 - 5e f f e c t i v eb y t e s f r a m eu t i l i z a t i o nr a t er e l a t i o ng r a p h 从图中可以看出，由于h d l c 控制器支持每帧最长数据字段4 0 9 6 字节，并且 附加字段数据较少，从而大大提高了帧利用率，适合用作纯数据传输的总线网络。 而l o n w o r k s 总线因其优异的控制性能和分布式的自适应管理能力，以及足够的数 据传输水平，是作为列车总线和车辆总线的首选。 3 3对l o n w o r k s 协议的研究 3 3 1l o n w o r k s 协议策略分析 = 蜓塑窒堑厶兰：墅! 堂位迨塞生塞l = 焦- 垡应道笪堑缝丛红 l o n w o r k s 所使用的l o n t a l k 协议是基f - 肘参数p 预测的峰持载波监听多路访 问协议( p r e d i c t i v ep - p e r s i s t e n tc s m a ) ，其干1 一为。种信道碰撞避免技术，4 1 入了离 散r 寸f n j 下的退避标尺【m i ( b a c k o f f s c a l e ) 。l o n t a l k 叻、议中，存m a c 子层，两个相 邻帧的发送过程如图3 - 6 所示。 幽3 - 6l o n t a l km a c 层仲裁周期 f i 9 3 6 a r b i t r a t i o n c y c l e o f l o n t a l k m a c l a y e r 可见卢。紧跟在一帧传输的后面，其作用是隔丌网络上的所有帧的一个问隙时 间，在屈期间任何节点都不允许传输。跟随在崩后有r 1 个大小相等持续时间优先 时槽t 。，在l o n t a l k 协议中可允许1 2 8 个，在优先时槽后紧接的是随机时槽卢， 随机时槽的个数可达1 0 0 8 个。优先时槽和随机时槽的大小相等。 在一个仲裁周期内只允许发送一帧，在优先时槽对应的节点比随机时槽对应 的节点级别高，越靠近崩的时槽对应的节点级别就越高。在同一个网络的节点可 以分配不同的优先时槽，但不允许有相同的节点在同个优先时槽中，时槽的级 别高低从0 开始直到1 2 7 ，对任何节点要想发送帧，必需等待与之对应选择的时槽 的到来，如果在对应的时槽到来之前，前面其它时槽对应的节点发送了帧，就算 它想发送也要等到下一个周期的到来，才有可能发送。所以存在这样的可能情况， 有些节点因为总是选择的时槽比较靠后，并且总有一个以上节点选择的时槽在它 的前面，这些节点就在一定的时间内或永远没有机会发送它的帧，这在实时的现 场控制总线中是不可预估的。 节点可以不使用优先时槽，而是只用随机时槽传输帧，假如有两节点a ，b ， 如果有a 节点想发送一帧，它从1 到1 6 b l 平等分布随机时槽中随机选择一个 时槽j ，并且在选择的时槽早尝试传输它的帧，在同一仲裁周期如果b 节点同样选 择一个随机时槽i 来发送帧，如果( j 1 时，晟大响应时间t 。为： ：( n + i - 2 ) 1 。t a m e + ( 川+ 1 ) 嘭。+ ( 血型0 丝) f 。+ 1 3 ) 据此可以看出，本方案较静人方案最大响应时间有所提高。 再来看一下当网络内仅此节点要发送最小帧，其最快响应时间为： t 2 = 3 t m + ( 月一1 ) i s t o ，+ 跏， ( 3 1 4 ) 其最快响应时间也好于t d m a 方式，说明这种针对l o n w o r k s 协议m a c 子层 的仲裁周期改进确实提高了总线的实时性和响应能力。而在列车监测通信中，多 数系统消息都是频繁的短数掘帧结构，这样的改进会大大有利于实时性的改善， 同时降低数据冲突造成的延迟和修复损耗。 1 9 ：也塞童堑厶堂亟! ：堂位丝塞s 型土自 噬u 4c f s u 主机设计 4 1主控单元设计结构具体化 根据第二章提出的c f s u 主控单元设计结构，辅以第三章的协议适配分析 我们可以得到如图4 - 1 的具体设计思路： 。 细化 l i i i i i 图4 1c f s u 主控单兀详细设计 f i g 4 1c f s ud e t a i ld e s i g n 其中，- c f s l z 主 j t , 作为整个单元的调度核心，使用板载p c i 0 4 总线的单板机， 以并行传输的p c i 0 4 总线实现与各适配器间的连接；鉴于p c i 0 4 单板机x 8 6 的类 p c 结构，方便移植使用w i n c e 、l i n u x 、u c o s i i 、t h r e a d x 等各种操作系统，此 处选用曾获f a a 认证的强实时操作系统u c o s i i ，保证数据传输的实时性和系统 的高速响应能力。 车辆总线使用n e r u o nc h i p 神经元芯片主控的l o n p c i 0 4 适配器，与p c i 0 4 总线之间高速适配，实现与底层k l i p 智能终端的数据交换。 模块总线选用了a r m 7 t d m i s 作为主控c p u ，h d l c 通信控制器s a b 8 2 5 2 5 进行串行通信控制的h d l c p c i 0 4 适配器，实现与a t o 、a t p 以及h m i 显示装置 的通信。 列车总线同样使用l o n p c i 0 4 适配器与其他c f s u 实现网络冗余型连接，当