（测试计量技术及仪器专业论文）基于并行打印接口数据采集和数据回写系统研制.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 我国是一个幅员辽阔，人口众多，资源分布极不均匀的国家，因此交通运 输对经济的发展有着至关重要的作用。而铁路运输具有运量大、速度快、安全、 节能、环保等优点，在我国的运输行业中扮演着越来越重要的角色。目前我国 经济正处于发展阶段，对运输业的运量和速度提出了很高的要求，加之公路、 航空、水运等的发展，在运输业内部上演了越来越激烈的竞争。在这种情况下， 就要求铁路网上承担集中办理大量货物列车到达、解体、编组出发、直通和其 它列车作业的编组站具有高效率的运转能力。然而，我国编组站内的调车作业 计划仍然由人工编制，受指挥人员业务技能水平的影响，编制质量差别较大， 不能保证在现有硬件设施下最大效率的工作。 为了提高铁路货运编组效率，需要对当前现车信息进行分析，通过对实时 现车信息按照一定算法生成最优调车作业计划，并且，根据该算法编制的软件 已在贵阳货运站通过现场测试，取得突破性进展。但是，由于诸多原因，通过 直接访问数据库的方式获取现车信息比较困难，因此现在获取现车信息和回写 最优调车作业计划均由人工完成。由于人工输入数据的准确性欠佳，一旦数据 错误将会直接导致生产上的安全问题，不可预见的因素太多，不利于实际推广。 所以，怎样获取数据库中的现车信息和回写最优调车作业计划，成为当前迫在 眉睫的问题。本课题在此背景下成立，采用加入硬件设备的方式，成功解决了 不通过数据库接口，直接获取1 m i s 系统中的现车数据和反馈调车作业计划数 据的问题。 论文通过详细分析，并在铁路货运部门实地考察，在保证生产现场原有系 统安全j 下常工作的前提下，最终确定以下方案：让t m i s 数据库通过计算机并 行接口输出当前现车信息到打印机，在此过程中采用打印并行口旁路数据采集 的方式，将现车信息截获，并且不影响系统打印功能；用单片机通过p s 2 总线 通讯协议，模拟人工键盘输入所生成的“最优调车作业计划”( 包括英文字母、 汉字、符号以及键盘控制命令) ；通过串行总线完成数据接收和控制命令接收， 并用l a p 技术完成程序的维护升级。本课题中硬件核心采用s s t 8 9 e 5 6 4 ，芯片 内置串行口，拥有外部中断、定时中断等丰富的硬件资源，特别是l a p 技术的 应用，使得整体硬件的开发、升级和维护都有了长足进步。 通过本文对基于并行打印接口数据采集和数据回写系统的研制，积累了大 量关于计算机接口的综合应用编程、单片机外围电路设计的经验，以及对i a p 技术的掌握。为以后这方面的开发打下坚实基础。 关键词：调车作业计划：并行口；旁路；p s 2 总线；l a p 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 c h i n ai sac o u n t r yw i t hav a s tt e r r i t o r y , ag r e a ta n a o u to fp o p u l a t i o na n dt h e d i s t r i b u t i n go fr e s o n r c eo u to fp r o p o r t i o n i t si m p o r t a n tt ot h ed e v e l o p m e n to f e c o n o m i ct od e v e l o pt r a n s p o r t a t i o n f o rt h ev i r t u eo fh i g hs p e e d i n e s s ，g r e a tc a p a c i t y , e n e r g ys o u r c es a v e d ，s e c u r i t ya n dl i r l ec o n t a m i n a t i o n , t h et r a n s p o r t a t i o no fr a i l w a y w i l lp l a yam o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei nt h ef u t u r e i t st h es e e d t i m eo ft h e e c o n o m i cd e v e l o p m e n to fc h i n a , t h es p e e da n dq u a n t i t yo ft r a n s p o r t a t i o ni s r e q u e s t e d i nt h i ss i t u a t i o n ，i ti sr e q u i r e dt h a tt h er a i l w a yn e t w o r kh a n d l et h ea r r i v i n g ， s h u n t i n g ，d e p a r t i n g j o b si n t e g r a t i v e l y h o w e v e r , d u et ot h ef a c tt h a tt h es h u n t i n gp l a n w i m i nt e c h n i c a ls t a t i o n si sm a d eu pm a n u a l l y , w h i c hi sb o u n dt ob ei n f l u e n e e db yt h e p r o f e s s i o n a ll e v e lo f t h es t a f f , t h eh a r d w a r ec a nl a o tb ef u l l ya n de f f i c i e m l yu s e d t oi r e p r o v et h em a r s h a l l i n ge f f i c i e n c y , w em u s ta n a l y z ec u r r e n tt r a i nl i s ta n d o p t i m i z e t h e s h u n t i n g p l a nb y c e r t a i n m e t h o d a c t u a l l y , t h i sm e t h o dt h e m e t h o d b a s e ds o f t w a r eh a sb ei m p l e m e n t e da n dt e s t e di ng u i y a n gs t a t i o n h o w e v e r , a si ti sd i m c u l tt oa c c e s sd a t ab ya c c e s s i n gd a t a b a s e t h ei n f o r m a t i o nh a st ob e o b t a i n e dm a n u a l l y , w h i c hw i l li n e v i t a b l yc 部l s es o m em i s t a k ea n dt h u sb r i n ga b o u t h i d d e nd a n g e r sa n do t h e ru n f o r e s e e np r o b l e m s s oi ti su r g e n tf o ru st os o l v et h e p r o b l e mo fr e a d i n ga n dw r i t i n gd a t af r o mt h ed a t a b a s e t l l i sp a p e rp r o p o s e sa h a r d w a r em e t h o dt oa c c e s s i n gt h et r a i nl i s td a t aa n ds h u n t i n gp l a nd a t ab y p a s s i n gt h e d a t a b a s ei n t e r f a c e t h r o u g ht h o r o u g ha n a l y s i sa n df i e l d w o r ko nf r e i g h ts t a t i o na n d ，t h ef i n a lp l a ni s d e c i d e dw i t h o u ti n f l u e n c i n gt h ef o r m e rw o r k i n gp r o c e d u r e f i r s t l y , t h ed a t ao ft r a i n l i s ti so b t a i n e df r o mt h ep a r a l l e li n t e f f a e eo ft h ep r i m e rw i t h o u ti n t e r r u p t i n gt h e p r i n t e r sw o r k i n g t h e n ，u s i n gh cp s 2b u sp r o t o c o lo fs i n g l ec h i pm i c y o c o ，t h e o p t i m a ls h u n t i n gp l a n ”，w h i c hi n c l u d et h ee n g l i s hl e t t e r ，c h i n e s ec h a r a c t e r , s i g n a n dk e y b o a r dc o n t r o lc o m m a n d i sm a d eu pb ys i m u l a t i n gt h ea r t i f i c i a lk e y b o a r d f i n a l l y , t h ea c c e s s i n go fd a t at o g e t h e rw i t hc o n t r o lc o m m a n di sc o m p l e t e dt h r o u g h s e r i a lb u s i nt h i sp r o j e c t , t h ek e r n e lh a r d w a r ei ss s t 8 9 e 5 6 4 w h i c hh a ss e r i a l i n t e r f a c eb u i l ti n ，e x t e r n a li n t e r r u p t i o na n dr e g u l a ri n t e r r u p t i o n f u r t h e r m o r e t h e a p p l i c a t i o no fi a pt e c h n o l o g yt r e m e n d o u s l yi m p r o v et h eh a r d w a r ed e v e l o p m e n t , u p d a t i n ga n dm a i n t e n a n e 2 t h r o u g ht h es t u d yo ft h ep r i n t e r - p a r a l l e l i n t e r f a c e b a s e dd a t aa c c e s s i n ga n d s t o r i n gs y s t e m ，m yp r o g r a m m i n ga b i l i t yo i lc o m p u t e ri n t e r f a c eh a sb e e ni m p r o v e da l o t b e s i d e s ，ig o ta c q u a i n t e dw i t ht h ei a pt e c h n o l o g y , w h i c hw i l lb eab a s i sf o rm y f u t u r ed e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：s h u n t i n gp l a n ；p a r a l l e li n t e r f a c e ；b y p a s s ；p s 2b u s ；l a p 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景与意义 第1 章绪论 1 1 1 背景： 随着中国经济的蓬勃发展，铁路运量大幅度增长，要求铁路运营模式从经 验管理过渡到现代化管理。在铁路运营系统中有两个数字足以让中国铁路部门 感到自豪：中国铁路的运营里程仅占世界铁路的6 ，却完成了世界铁路总运量 的2 2 。中国铁路能有这样的作为，信息化建设功不可没。铁路运输管理信息系 统( t m i s ) 、铁路运输调度指挥管理信息系统( d m i s ) 和铁路客票发售和预订系统， 可以说是中国铁路信息化最有代表性的三个系统。 铁道部运输管理信息系统( t m i s - - t r a n s p o r t a t i o nm a n a g e m e n t i n f o r m a t i o ns y s t e m ) 是为在现代信息化管理中，向管理人员提供一个完整的 信息系统来获取及时、准确、完整的信息，提供决策支持而提出来的，旨在通 过计算机网络从全路2 0 0 0 多个车站( 段) ，实时收集列车、机车、车辆、集装 箱以及所运货物的动态信息，对列车、车辆、集装箱和货物进行节点式追踪， 为全路各级运输管理人员提供及时、准确和完整的运输信息和辅助决策方案， 实现紧密运输、均衡运输，提高运输生产效率，改善客户服务质量。在t m i s 规 划之初，确定了以中央数据库为核心体系架构，由四大部分组成，分别是中央 数据库系统，站段系统，部、局、分局应用系统和计算机网络系统，由网络系 统将前三大部分联成一个整体。原始信息由站段直接报送中央数据库系统，各 路局和分局再从中央数据库访问各种业务数据。这种大集中的体系结构对于铁 道部全面统筹和优化运输资源、提高铁道运输生产和管理效率而言，是非常合 理的，也是一种必然趋势。但是，随着业务系统应用的不断深入、需要访问的 数据量越来越大，从而对大集中体系结构中网络的稳定性、可靠性、通讯和带 宽都有很高要求。而如此高水准的网络建设需要一个过程，为了在高水准网络 的建设过程中，有效地满足各路局、分局在生产、经营和管理等各方面应用对 实时数据的要求，铁道部决定，采取一个过渡性的措施原始信息3 级建库， 即把原t m i s 设计方案要求原始信息由站( 段) 系统直接报送铁道部中央系统调 整为原始信息从车站逐级上报、落地和转发，在分局、路局和铁道部分别建立 原始信息数据库，方便各级运输组织和各个管理部门对原始信息的共享应用。 因此整个系统数据库相当庞大和复杂，而且封闭性强。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 在我国铁路货运周转时间中，站内停留时间约占整个运输时间的三分之一， 而其中编组站内的停留时间占有相当大的比重。因此，降低货车在编组站的停 留时间，能够有效提高编组站解编能力，加快货车周转是提高铁路货运市场竞 争力的有效途径。编组站主要在铁路网上承担集中办理大量货物列车到达、解 体、编组出发、直通和其它列车作业，并为此设有比较完善的调车作业的车站， 主要流程可以归纳为以下几点： l 、列车到达：e h 至, j 达车号员根据接收的确报信息核对现车，根据到达车次的 实际检查情况，汇集商检、列检和列车安全检测设备提供的相关信息，修 改到达确报，然后接入相应股道而成为站存现车； 2 、解体作业：到达线路上的车列进行分析，对于本站作业车、检修车，和到 达的中转车辆则根据车辆的到站和分类线使用规则，编制相应的解体计 划； 3 、编组作业：依据站存车和编组计划编制相应的编组调车钩计划，重新编组， 形成待发车列； 4 、列车出发：对待发车列经车号、商检、列检检查后，形成出发列车； 编组站中主要设备是调车场和调车设备，完成的任务也就是编组站的主要 任务解编车流，其中已投入运用多年的现车管理系统( 编组站现车管理信 息系统) 系统和t m i s 系统紧密相连，其所需要的数据是从t m i s 数据库系统中 提取，主要功能是为人工编制钩计划提供车流信息和验证调车作业计划执行， 即计划的编制实际仍由人工完成。因此，目前全路还没有真正意义上的调车作 业计划自动编制系统投入现场使用。由于人工编制的调车作业计划受指挥人员 业务技能水平的影响，编制质量差别较大，且在实际运用中生产部门不对调车 作业计划的优劣进行评价，更增加了编制人员的随意性。而低质量的调车作业 计划将增加调车作业时分，不利于生产效率的提高，带来极大生产资源浪费( 调 车每增加一次作业，就会增加大量燃油消耗) 。而目前我国的货运站就存在解编 组能力不足的问题，它直接导致铁路货运能力滞后，若要提高货运能力必须增 添硬件设施，需要耗费大量的人力物力，但是通过提高调车作业计划的编制水 平，将在不改造现有硬件设施的情况下充分利用现有资源，最大限度地提高调 车工作效率，缓解车站调车能力紧张的局面，同时还能节省能源开支，直接创 造经济效益，达到一举多得的目的。 西南交大峨嵋校区交通运输系提出基于改进后的“消逆法”和“对口法” 的调车决策模型，具有初始信息采集、选编目标的自动选定、钩计划自动编制、 钩计划优化、钩计划柔化、钩计划的人工干预、钩计划执行过程的动态演示、 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 钩计划打印等8 个基本功能的货调智能指挥系统，并于2 0 0 6 年3 月在贵阳东站 试运行，每r 要对7 列左右的小运转车流进行货运性选编，至目前为止已成功 运行了近半年的时间。该系统生成的调车作业计划和人工编制的计划相比，平 均提高调车作业效率约3 0 。 然而，调车作业计划的自动编制需要以现车信息作为原始数据输入，但现 车信息存在于t m i s 数据库系统中，出于系统安全等诸多方面原因，从现车管理 信息系统数据库中获取数据比较困难。所以现在试用的货调智能指挥系统一旦 需要现车信息和反馈生成的调车作业计划，均需要通过人工输入。通常解决关 于这样的问题一般采用的方式有两种，第一种是详细阅读系统相关手册，与该 数据库研发小组沟通，最终完成数据库的对接；第二种是采用其它途径的方式 获取数据，例如对外输出数据，扫描、打印等方式，具体采用哪种方法必须通 过需求分析才能确定。其中第一种方法耗时较多，而且牵涉面广，研发资金也 较高，但是其优点在于不需要额外增添设备；第二种方法需要针对设备接口开 发硬件，但由于当前对并行口、u s b 口、串行口等常用接口开发技术较成熟，只 需根据实际情况作具体调整、测试即可，开发周期相对较短。考虑到综合因素， 本设计中选择第二种方法。 货调智能指挥系统和t m i s 数据库系统的数据交换，将会大大提高调车作业 计划自动编制系统的现场适应能力，从而最大程度安全地向现场提供高效可靠 的调车作业计划，真正意义上实现“自动编制”的功能。但是，数据接口的开 发成为该项目推广的瓶颈，因此解决数据接口成为当务之急。 1 ，1 2 研究意义： 铁路运输对于我国这样一个地域辽阔的大国来说，在国民生产、生活中都 扮演着一个举足轻重的角色，其货运能力有着其它运输方式无法比拟的优点。 但随着改革开放的深入，经济的迅速腾飞，运力不足和运送时间较长的缺点日 益突出，主要矛盾集中在编组站中，货车在编组站中编组所消耗的时间过多， 如果能解决货调智能指挥系统数据接口的问题，就能够实现调车作业计划全自 动编写，不仅仅比原有人工编制调车作业计划可靠、安全，而且铁路运输生产 效率也将得到大幅度提高，由于系统还能对待编车流进行深度选编，最大限度 地满足现场装卸作业时“对货位”的需求，在提高调车效率的同时，大大降低 了装卸作业时分，极大程度地缓解了该站设备能力紧张的局面。从而使得铁路 运输单位在原有硬件设施条件下提高运输能力，为铁路运输更好的在国民经济 建设中发挥效力奠定良好基础。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 因此本课题以货调智能指挥系统为背景平台，综合考虑后，采用打印并行 口旁路采集数据的方式从t m i s 现车管理信息系统中获取待编车流，并加入光电 隔离、缓冲驱动等电路，从而在不影响原有生产现场硬件、软件的前提下，解 决了调车作业计划自动编制过程中原始数据难于获取的瓶颈，节约人力物力以 及时间，提高了调车作业计划自动编制系统的适应能力。同时，系统生成的调 车作业计划还要返回原系统，在缺乏相应数据接口和权限的情况下，只能通过 人工键盘输入。人工操作键盘在大批量处理数据中误码率较高，且所需要时间 较长，也给现场生产带来危险和不可靠的因素，这对于铁路生产部门来说是绝 不允许出现的情况。所以也采用硬件的方式，模拟人工键盘输入，利用计算机 的p s 2 接口回传数据。因此该课题就如何从t m i s 系统中进行所需数据采集和 回写展开研究，用硬件设备替代繁琐的人工操作，使系统中这个环节的数据得 以安全可靠地传输。并且该硬件实用于此类“信息孤岛”，所以，这种硬件设备 的开发具有一定的实际应用价值。 该设计不仅仅能够解决货调智能指挥系统从t m i s 数据库系统读取和回写数 据的问题，而且在从国外进口或引进的设备，以及大、中型系统中，往往存在 诸如数据库接口没有公开，数据库接口复杂，或开发资料不齐全等问题。一旦 需要与系统进行数据交流( 读取或回写数据库) 时就束手无策，给二次或三次 开发带来瓶颈效应。针对这种从封闭系统中获取数据并回写的研究，可以方便 管理部门工作，提高生产效率和项目的管理质量，为设备或系统的再次开发带 来便利。 1 2 对于与该类封闭系统进行数据交流的研究现状 在实际应用中，由于现场情况复杂多变，对于原有系统经常要做二次开发， 以满足实际情况需要。在开发过程中一旦涉及到数据交流的时候不可避免要访 问或回写原系统的数据库，因此数据库开发在二次开发中涉及较多并且存在问 题也较多，现在比较常用的方法是基于原有数据库结构、接口进行充分了解和 详细分析，要求原有系统手册齐全，最好有开发人员配合，然后确定用什么开 发工具，现在较为流行的有d e l p h i 、s q l 、a c c e s s 、o r a c l e 等，如果对开发工 具比较熟练的情况下，开发周期主要取决于与原有数据库接口的了解程度，如 果对其结构不充分掌握，会导致系统对接过程中出现很多兼容性问题，给调试 工作带来许多困难。所以这种常规的开发模式对原有系统的依赖程度较大，开 发过程中遇到的问题也比较多，特别是在对方系统无法提供数据库接口或资料 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 不完整的情况下往往无法顺利完成开发。但其好处在于，如果成功完成数据库 的对接，就无需再添加其它设备，对数据的交流非常方便。 1 3 基于并行打印接口数据采集和数据回写系统工作原理 本设计中根据现场需求分析( 详细内容见第二章) ，最终采用并行打印接1 3 旁路数据采集，标准p s 2 总线协议回传数据，串行总线通讯的结构进行硬件设 计。以下对这三个组成部分作简要介绍： 1 3 1 并行打印接口旁路数据采集 早在1 9 9 4 年3 月i e e e 委员会就公布了新的i e e e l 2 8 4 并行接口标准，虽然 现在有所改进，但是对于从p c 机并行口获取数据技术的研究已经经历比较长的 时间，相关资料较为齐全，可行性强。 在本设计中不仅仅要考虑到从并行打印接口获取数据，同时还要满足不影 响p c 机正常输出到打印机的功能，因为现车管理系统除打印当前现车信息外， 还会打印其它数据。因此，在这里采用“旁路数据采集”的方式对打印并行口 上的数据进行捕获。所谓“旁路数据采集”方式是指在p c 机通过打印并行接口 传送数据到打印机的过程中，设立一个分支节点，从该数据流中原样“拷贝” 一份数据，并通过缓冲、增强驱动等电路设计保证打印机接收数据的正确性和 传送到打印机的数据不发生变化，从而达到不影响原有数据传输的要求。在此 过程中关键是要求对每个数据采集的实时性和准确性，即能准确响应每个数据 包到来的信号，并且打印数据是一次性全部传送完毕，所以，数据采集设备的 存储器要求能满足最大编组站的现车数据量。 1 3 2 标准p s 2 总线协议回传数据 基于p s 2 总线协议的设备接口用鼠标和键盘，它是由i b m 开发并且最初出 现在i b m 技术参考手册里。历经几次修订，使得该协议成为一个具有双向通讯 能力的总线，广泛应用于p c 机、终端机、服务器等需要鼠标和键盘的设备中。 在本设计中，回传和获取数据库中的数据都面临同样的问题数据库接 口的开发和兼容性，所以，在回传数据时也采用与读取数据同样的方式，回避 数据库接口，通过p s 2 总线，模拟人工标准键盘输入的方式，将所需数据( 包 括中文、英文、特殊字符等) 回传到现车管理系统中。由于t m i s 的数据库是一 个相当复杂和庞大的系统，而且要求安全性相当高，如果在通过数据库接口读 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 取和回写数据过程中一旦数据库出问题，就会导致铁路运输某些环节出现脱节， 严重时甚至会发生安全事故，所以要针对该系统数据库开发时要求接口兼容性 非常好，数据安全可靠，因此所花费的人力、物力和时间都会相当大。通过模 拟人工键盘操作的方式向t m i s 数据库输入数据，避开了数据库接口的开发，减 少新增添设备对原有系统的兼容性问题。 1 3 3 串行通讯总线 数据采集及回写系统与安装货调智能指挥系统的p c 机交换数据时，采用 r s - 2 3 2 c 4 8 5 串口通信总线。 r s 一2 3 2 c 标准是美国电子工业协会e i a ( e l e c t r o n i ci n d u s t r i e s a s s o c i a t i o n ) 与联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制 定的用于串行通讯的标准，于1 9 7 0 年公布的通信协议。它在制定之初便作为远 程通信接口，即为远程通信连接数据终端设备d t e 与数据通信设备d c e 制定的， 目前已广泛用于计算机与外设等之间的近端连接。它的全名是”数据终端设备 ( d t e ) 和数据通讯设备( d e e ) 之间串行二进制数据交换接口技术标准”，该标 准规定采用一个2 5 个脚的d b 2 5 连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以 规定，还对各种信号的电平加以规定。 ( 1 ) 接口的电气特性 在r s - 2 3 2 一c 中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即：逻辑“1 ”，一5 一 一1 5 v ；逻辑”0 ”+ 5 - + 1 5 v 。噪声容限为2 v 。即要求接收器能识别低至+ 3 v 的信 号作为逻辑”0 。，高到一3 v 的信号作为逻辑”1 ” ( 2 ) 接口的物理结构 r s 一2 3 2 一c 接口连接器一般使用型号为d b 一2 5 的2 5 芯插头座，通常插头在d c e 端，插座在d t e 端一些设备与p c 机连接的r s - 2 3 2 一c 接口，因为不使用对方的传 送控制信号，只需三条接口线，即”发送数据”、”接收数据”和”信号地”。所以采 用d b 一9 的9 芯插头座，传输线采用屏蔽双绞线。 ( 3 ) 传输电缆长度 由r s 一2 3 2 c 标准规定在码元畸变小于4 的情况下，传输电缆长度应为5 0 英尺，其实这个4 的码元畸变是很保守的，在实际应用中，约有9 9 的用户是 按码元畸变l o 一2 0 的范围工作的，所以实际使用中最大距离会远超过5 0 英尺， 美国d e c 公司曾规定允许码元畸变为1 0 而得出表x 的实验结果。其中1 号电缆 为屏蔽电缆，型号为d e c p n o 9 1 0 7 7 2 3 内有三对双绞线，每对由2 2 # a w g 组成， 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 其外覆以屏蔽网。2 号电缆为不带屏蔽的电缆。型号为d e c p n o 9 1 0 5 8 5 6 0 4 是 2 2 t l a w g 的四芯电缆。 表1 1 波特率与传输距离对应关系表 波特率1 号电缆传输距离( 英尺)2 号电缆传输距离( 英尺) 1 1 05 0 0 03 0 0 0 3 0 05 0 0 03 0 0 0 1 2 0 03 0 0 03 0 0 0 2 4 0 01 0 0 05 0 0 4 8 0 01 0 0 02 5 0 9 6 0 0 2 5 02 5 0 由于该标准推出较早，并且对通信接口的有关问题，如信号线功能、电气 特性等都有明确的规定，于是一般通信接口与设备制造厂商都生产与r s 一2 3 2 c 兼容的设备，使得r s 一2 3 2 c 成为计算机远程通信中广泛采用的一种串行通信接 口标准。r s - 2 3 2 c 通信虽然使用较广，但由于推出时间较早，所以在现代通信网 络中已暴露出明显的缺点，主要表现如下： ( 1 ) 传输速率不够快，陋- 2 3 2 c 规定为2 0k b p s ，通常异步通信限制为1 9 2k b p s ； ( 2 ) 传输距离不够远，根据r s 一2 3 2 c 标准，各装置之自j 的电缆长度不超过 1 5m 。不能够满足现代工业控制的需要。在施工布线中，往往也很容 易超过这个距离； ( 3 ) 接口使用非平衡发送器，电器性能不佳； ( 4 ) 接口处各信号间容易产生窜扰。 为了克服r s 一2 3 2 c 的这些缺陷，2 0 世纪7 0 年代初期又推出了r s 一4 2 2 、r s 一4 3 2 等标准。r s 一4 4 2 标准采用了平衡差分传输技术，即每路信号都使用一对以地为 参考的正负信号线。从理论上讲，这种电路结构对共模信号的抑制比为无穷大， 从而大大减小了地线电位差引起的干扰，且传输速率与距离都明显的提高。互 联电缆的最大长度与数据传输速率有关，当速率为l o o k b p s 时，传送距离为 1 0 0 0 m ：当速率为l o m b p s 时，距离仅为l o m 。这种性能的改善是由于平衡结构的 优点而产生的，这种平衡结构能从地线的干扰中分离出有效信号。 r s - 4 8 5 标准是r s 一4 4 2 标准的改进增强形式，该标准兼容r s 一4 4 2 ，且其技 术性能更先进，因而得到广泛的应用。r s - 4 8 5 不仅传输距离远，通信可靠，而 且使用单- - + 5 v 或+ 3 v 的电源，逻辑电平与传统数字逻辑t t l 兼容，此外对传输 介质物理层没有严格的要求，只需用将普通双绞线将其连接起来即可简便的组 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 成网络。除了点到点与广播通信方式外，r s 一4 8 5 还具有多点通信方式。r s 一4 8 5 标准器件的数据传输速率目前有3 2 m b p s 、1 2 m b p s 、l o m b s 、2 5 m b p s 和数百k b p s 等各种规格。 因此，本论文设计时综合考虑，采用r s 一2 3 2 c 结合r s 一4 8 5 的方式，加强通 讯总线的灵活和可靠性。 除以上三部份外，在系统i o 口的电路设计上均以t m i s 系统数据库的安全 放在第一位，为此增添了驱动、缓冲和光电隔离等电路，保证了系统的兼容性、 可靠性以及安全性。 1 4 本论文的主要内容 本论文的主要工作是解决如何安全、高效的从铁路部门t m i s 数据库系统中 实时、安全的获取现车车流信息，并反馈给“调车作业计划的自动编制”系统， 以及如何回写由其生成的“调车作业计划”的问题。由于本论文以铁路生产现 场现车管理信息系统为研究对象，数据的准确性关系到现场生产安全，设备是 否能可靠、兼容接入原有系统，也直接影响到生产安全。所以在整个系统中要 充分考虑到铁路现场实际情况进行开发设计，甚至通过实地考察，现场测试去 获取研发的准确资料。 本论文的主要内容由如下五部分组成： ( 1 ) 数据采集方案设计； ( 2 ) 数据回写方案设计； ( 3 ) 通信总线设计； ( 4 ) 整体系统安全性考虑； ( 5 ) 整体电路的调试和试验。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章数据采集和回写系统整体方案分析 本论文硬件设计的首要问题是对整体系统各方面需求进行综合分析，做整 体规划，通过分析需求确定硬件系统核心( 即c p u ) 的选择，只有当整体系统核 心确定后，才能分块对硬件电路进行设计和调试，最终制p c b 板。本章就数据 采集、回写系统，以及通信总线等问题，进行分析和讨论。 2 1 并行口数据的获取 由于原有t m i s 系统具有封闭性强的特点，在不需要通过系统数据库接口前 提下要想获取其中的电子数据，只有让它向外界输出数据。而现车管理信息系 统的输出设备只有显示器和打印机，显示器上的数据只能供人通过视觉系统读 取，但针式打印机接收到的数据必须要通过计算机并行口传送，而且通过该方 式传送的数据并没有加密，所以可以考虑从打印并行口入手。根据实地考察了 解，在铁路现车系统中必然标准配备一台并行口针式打印机，并且t m i s 系统所 有数据均可以输出到该打印机，而对于并行口数据处理技术相对比较成熟，所 以，获取数据最佳途径就是通过打印机并行口获取。 2 1 1 打印机并行接口标准 i e e e 委员会在1 9 9 4 年3 月公布了新的i e e e l 2 8 4 并行接口标准，对打印机 口的5 种工作模式逐个进行了定义。这5 种模式分别是：c e n t r o n i e s 兼容模式 ( 也叫标准模式) 、字节( b y t e ) 传输模式、半字节( n i b b l e ) 传输模式、增强 并行端口( e p p ) 模式和扩展功能端口( e c p ) 模式。连接打印机的并行口通常 工作在c e n t r o n i c s 兼容模式，其它4 种模式对并行口引脚定义与该模式完全兼 容，因此数据采集系统针对该模式的特点进行设计，也利于今后扩展和升级其 它打印机口设备数据采集系统。 打印机口有2 5 针和3 6 针两种，虽然打印机标准配备3 6 针的标准插头或插 座，但实际上只利用了2 5 针插头或插座中的信号。2 5 个引脚信号可分为数据信 号、控制信号和状态信号三类，其定义如表2 - - 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 表2 1 并行口打印机主要引脚信号定义 针脚针脚 i os p p 信号寄存器 硬件 ( c e n t r o n i c s )( d - t y p e 2 5 )反转 1l输入输出s t r o b e 选通控制是 d a t a o 数据位 2 9 2输出数据 0 7 1 0 l o输入a c k 确认状态 1 1 1 l输入 b u s y 忙状态 是 n i n i t i a li z e 1 31 6输入输出控制 初始化 1 41 7输出故障指示控制 1 9 3 0 1 8 - 2 5g n dg r o u n d 信号地 打印机标准数据传输模式的理论通信速度不高于1 5 0 k b s ，而现场现车管理 系统所标准配备的针式打印机，远达不到理论传输速率。通过对其中燕岗火车 站针式打印机e p s o nl q - 1 6 0 0 ki i i 进行多次测试，发现二者之间的通信速度大 约为5 0 k b s ，只要硬件电路设计合理，程序优化得当，现有的普通8 位单片机 完全可以胜任打印机端口的数据采集任务。 2 1 2 打印机工作时序分析 打印机工作时序如图2 一l 所示，其主要信号有s t r o b e 信号( 数据选通信 号) 、b u s y ( 数据总线繁忙信号) 、a c k ( 应答信号) 和d a t a ( 数据信号，共8 条并 行i o 线组成) 。每当s t r o b e 信号的下降沿出现时，表示并行总线上数据处于 有效状态，可以从总线上读取数据；b u s y 为高电平则表示打印机正“忙”，禁止 接收数据，需等待，当打印机取走数据并处理完毕后，b u s y 被置低电平，表示 数据总线空闲可以进行下一次数据传送；在b u s y 被置为低电平的同时打印机输 出应答脉冲a c k ，通知主机可以再次上传数据。根据以上分析，若要捕获并行总 线上的数据只需要不断检测s t r o b e 信号，当它出现下降沿并且此时b u s y 为低 电平时，可以采集并行总线上的数据，完毕后向计算机反馈a c k 信号，通知计 算机接收数据完毕，则计算机继续执行发送任务，打印机等待s t r o b e 信号的下 一个下降沿出现。如此循环往复即可实现批量数据接收。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 p ， 阱坤叫眩乙z z 乏乙z z 乙 一一 8 三雀i i p 5 “s 一 2 1 3 如何安全获取数据 从打印机时序图分析后发现，直接通过硬件控制b u s y 、a c k 和s t r o b e 这三 个信号采集打印机并行口的数据并不困难，但由于该打印机还担负其它工作， 所以需要保证在采集数据同时而不影响原有系统正常工作，即在获取数据的同 时还不能影响打印机正常工作，因此就不能用取消打印机，简单采取硬件模拟 打印机接收数据的方式捕获数据。鉴于此，在这里借用网络嗅探器( 一种网络 工具软件，能从通过该网络节点传输的数据包流中复制数据包并进行分析，但 对原有流经的数据却不产生任何影响) 的概念，仅仅在原有并行数据总线上的 数据流中设立分支节点。如图2 2 所示，其中的数据采集装置就是该节点，通 过它“旁路”复制数据，并通过一定的软硬件辅助技术在复制数据后并不影响 原有控制信号和数据的传输，从而保证输出到打印机的数据流不被改变，不影 响打印机正常工作。 由于旁路截获数据时涉及到两个不同系统的连接问题，可能出现阻抗不匹 配、信号干扰衰减过重等现象，所以在接口处要加上一定的隔离保护或驱动缓 冲电路，防止两个系统之间出现相互影响，导致原有设备不能正常运转的情况 发生。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 管理计算机 图2 2 数据采集与回写装置连接示意图 2 2 数据回写方案分析 生产现场编制的调车作业计划输入现车管理系统时只能依靠人工操作p s 2 键盘输入( 由于终端机上没有u s b 接口，所以不能外挂u s b 键盘，其通用标准 键盘均为p s 2 接口) ，没有其它输入设备和方式可以采用，要想不通过数据库 软件接口向系统输入数据就必须利用标准p s 2 总线输入，所以在这里可以考虑 用硬件实现模拟标准p s 2 键盘工作的方式，取代人工输入。但由于系统其它操 作仍然需要人工控制，所以不能完全用单片机取代标准键盘工作，必须在使用 完p s 2 总线后要将控制权交回给操作员，保证原有键盘正常工作。 2 2 1 标准p s 2 协议 l 、p s 2 接口标准的发展过程 随着计算机工业的发展，键盘作为计算机最常用的输入设备也呈现出日新 月异的趋势。1 9 8 1 年i b m 推出了i b mp c x t 键盘及其接口标准。该标准定义了 8 3 键，采用5 脚d i n 连接器( d i n 标准是由德国标准化组织d e u t s c h e si n s t i t u t f u e rn o r m 建立) 和简单的串行协议，然而由于当时设计理念的差异，第一套键 盘扫描码集并没有主机到键盘的命令。为此，1 9 8 4 年i b m 推出了i b ma t 键盘接 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 口标准，该标准定义了8 4 1 0 1 键，采用5 脚d i n 连接器和双向串行通讯协议， 此协议依照第二套键盘扫描码集并设有8 个主机到键盘的命令。到了1 9 8 7 年， i b m 又推出了p s 2 键盘接口标准。该标准仍旧定义了8 4 1 0 1 键，但是采用6 脚m i n i - - d i n 连接器，该连接器在封装上更小巧，仍然用双向串行通讯协议并 且提供有可选择的第三套键盘扫描码集，同时支持1 7 个主机到键盘的命令。现 在，市面上的键盘都和p s 2 及a t 键盘兼容，只是功能不同而已。 2 、p s 2 接口硬件 一般，具有五脚连接器的键盘称之为a t 键盘，而具有六脚m i n i - - d i n 连接 器的键盘则称之为p s 2 键盘。其实这两种连接器都只有四个脚有意义。它们分 别是c l o c k ( 时钟脚) 、d a t a ( 数据脚) 、+ 5 v ( 电源脚) 和g r o u n d ( 电源地) 。 在p s 2 键盘与p c 机的物理连接上只要保证这四根线一一对应就可以了。p s 2 键盘依靠p c 机的p s 2 端口提供+ 5 v 直流电源，另外两个脚c l o c k ( 时钟脚) 和 d a t a ( 数据脚) 都是集电极开路结构，所以必须接大阻值的上拉电阻，使其平 时保持高电平，有输出时才被拉到低电平，之后自动上浮到高电平。 3 、电气特性： p s 2 通讯协议是一种双向同步串行通讯协议。通讯的两端通过c l o c k 同步， 并通过d a t a 交换数据。任何一方如果想抑制另外一方通讯时，需要把c l o c k 拉 到低电平，保持一段时间，具体操作步骤见4 2 节。如果是p c 机和p s 2 键盘 问的通讯，则p c 机必须做主机，也就是说，p c 机可以抑制p s 2 键盘发送数 据，而p s 2 键盘则不会抑制p c 机发送数据。一般两设备间传输数据的最大时 钟频率是3 3k h z ，大多数p s 2 设备工作在l o 2 0 k h z 。推荐值在1 5 k h z 左右， 也就是说c l o c k 高、低电平持续时间都为4 0us 。每一数据帧包含1 1 1 2 个位， 具体含义如表2 1 所列。 表2 1 串行数据包格式 1 个起始位总是逻辑0 8 个数据位( l s b ) 低位在前 1 个奇偶校验位奇校验 1 个停止位总是逻辑l 1 个应答位仅用在主机对设备的通讯中 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 2 2p s 2 键盘发送编码分析 键盘通过p