（电路与系统专业论文）无中心总线型列车内部通信系统的研制[电路与系统专业优秀论文].pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 电话通信是目前国内外主要采用的通信方式之一；而且随着国内经济的快速发展， 电话已纪深深的融入了人们的日常生活。但是由于铁路运输的特殊性，在我国目前的客 运列车上电话通信并未广泛推广。目前我国大部分列车上内部通信是通过对讲机系统来 实现的，对讲机通信时噪声大，话音质量差，呼叫的针对性差。 本文在考虑列车通信环境和动态编组的特点的基础上，研制了用于列车内部通信的 无中心总线型列车内部通信系统。每节车厢的乘务室内设一部电话，其号码同车厢编号 相同；此外广播室内设一部电话，号码固定为3 3 ，但其位置可以编在任意一节车厢。 系统采用总线拓扑结构和分布式控制策略，不设中心主机，各分机彼此独立并共享一对 总线实现通话。系统能够实现单呼、群呼和强插三种通话方式，且每个分机都具有单独 设号功能。 本文首先介绍了无中心总线型列车内部通信的产生背景及应用场合；然后阐述了系 统通信模型的建立、通信协议的实现和各种系统信令；并在此基础上介绍了系统的具体 结构特点和主要工作过程；同时对系统硬件和软件设计方案进行了详细的描述，最后对 多通道无中心总线型内部通信系统的设计思想进行了研究。 无中心总线型列车内部通信系统具有通信联系快速，线路成本低且利用率高，用户 扩展灵活方便，工程布线简单，使用维护简便等优点，可替代国外进口产品。该系统目 前己使用在国内的高级客运列车上，增强了铁路运输的安全性和可靠性，提高了工作人 员的工作效率，能够为旅客提供方便快捷的服务，使铁路更加具有竞争性。除此之外， 本系统还可取代医院、部队和酒店等处的传呼系统，也可应用在企业生产环境下进行生 产调度。 关键词：列车内部通信无中心总线型d t m f多通道 华中科技大学硕士学位论文。 a b s t r a c t t e l e p h o n ec o m m u n i c a t i o ni st h em o s tw i d e l ye m p l o y e dw a y so fc o m m u n i c a t i o ni nt h e w o r l d t e l e p h o n ec o m m u n i c a t i o ni sd e e p l ye m b e d d e di np e o p l e sl i v e sa st h en a t i o n a l e c o n o m i c d e p e n d s b e c a u s e o ft h e s p e c i a l i t y o fr a i l w a y t r a n s p o r m t i o n ，t e l e p h o n e c o m m u n i c a t i o nd o e sn o ts p r e a dw i d e l yi nt h ep a s s e n g e rt r a i n si no u rc o u n t r y a tp r e s e n ti n t e r c o m m u n i c a t i o ni sr e a l i z e db yi n t e r p h o n es y s t e mi nm o s to ft h ep a s s e n g e rt r a i n s i n t e r p h o n e c o m m u n i c a t i o nh a sm a n yd i s a d v a n t a g e ss u c ha ss e r i o u sn o i s e ，b a dq u a l i t yo fv o i c e ，l a c ko f p e r t i n e n c eo f c a l l i n g i nt h i sp a p e r , o nt h eb a s i so fc o n s i d e r i n gt h et r a i nc o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n ta n d d y n a m i c a l l yg r o u p i n g ，t h en o n c e n t r a l s w i t c h i n gb u ss t r u c t u r et r a i ni n t e r - c o m m u n i c a t i o n s y s t e mi sd e v e l o p e d ，w h i c hi su s e df o ri n t e rc o m m u n i c a t i o ni nt r a i n s t h e r ei sae x t e n s i o n t e l e p h o n ei nt h ec r e w - c a b i no fe a c hc o a c h ，a n dt h et e l e p h o n e sa d d r e s sc o r r e s p o n d st ot h e n u m b e ro ft h ec o a c h i na d d i t i o nt h e r ei sab r o a d c a s t i n gt e l e p h o n ew h o s ea d d r e s si ss e tt o3 3 i nb r o a d c a s t i n gr o o m ，b u tt h eb r o a d c a s t i n gr o o mc a nb ep l a c e di na n yc o a c ho ft h et r a i n t h e b u st o p o l o g i c a ls t r u c t u r ea n dd i s t r i b u t e dc o n t r o lt e c h n o l o g ya r ea d o p t e di nt h es y s t e m ，w h i c h d o e s n ts e tt h ec e n t r a ls w i t c h i n ga n di nw h i c ht h ee x t e n s i o nt e l e p h o n e sa r ei n d e p e n d e n c eo f e a c ho t h e ra n dc o m m u n i c a t ew i t he a c ho t h e rt h r o u g has h a r e db u s t h es y s t e mc a nr e a l i z e t h r e ec a l lm o d ei n c l u d i n gs i n g l e - c a l l ，g r o u p c a l la n di n t e r r u p t c a l l ，i na d d i t i o ne a c he x t e n s i o n t e l e p h o n ec a l ls e ti t sa d d r e s sb yi t s e l f f i r s t ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h er e a s o nw h yi t i s d e s i g n e da n dw h e r ei ti ss u i t e dt ob e a p p l i e d t h e n ，h o wt oe s t a b l i s ht h ec o m m u n i c a t i o nm o d e la n dh o w t or e a l i z ec o m m u n i c a t i o n p r o t o c o la r ed i s c u s s e d ，a l ls y s t e ms i g n a l i n g sa r ei n t r o d u c e d o nt h eb a s i so ft h ed i s c u s s i o n ， t h em a i nc h a r a c t e r i s t i c sa n dw o r k i n gp r o g r e s so f t h es y s t e ma r ei n t r o d u c e d a tt h es a m et i m e ， t h ep r i n c i p l ea n dr e a l i z a t i o no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r ed e s c r i b e di nd e t a i l ，a n d f i n a l l yt h e d e s i g no fm u l t i c h a n n e lb u si n t e r c o ms y s t e mi sp r o p o s e d n o n c e n t r a l s w i t c h i n gb u ss t r u c t u r e t r a i ni n t e r - c o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a sm a n y 华中科技大学硕士学位论文 a d v a n t a g e ss u c ha sf a s tc o m m u n i c a t i o n ，l o wc o s tb u t1 1 i 曲u t i l i z a t i o nf a c t o ro ft h ec h a n n e l ， f l e x i b i l i t yf o ri n c r e a s i n gu s e r s ，e a s yw i r i n gi n s t a l l a t i o n ，c o n v e n i e n c ef o ru s i n ga n d m a i n t a i n i n ga n ds oo n i tc a l lr e p l a c et h es a m et y p eo f p r o d u c ta b r o a d a tp r e s e n t ，t h es y s t e m i se m p l o y e di nt h et o p g r a d ep a s s e n g e rt r a i n si no u rc 0 1 2 1 1 1 1 y , i ti m p r o v e st h es a f e t ya n d r e l i a b i l i t yo fr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n i ta l s oi n c r e a s e st h ew o r ke f f i c i e n to ft r a i n m e na n dc a n p r o v i d ef a s ta n dc o n v e n i e n ts e r v i c e st op a s s e n g e r s t h es y s t e mm a k e sr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n m o r ec o m p e t i t i v e b e s i d e si nt r a i n s ，t h es y s t e mc a l lr e p l a c et h ec a l l i n gs y s t e mu s e di n h o s p i t a l s ，b a r r a c k s ，h o t e l sa n ds o o n i tc a na l s os p r e a df o rp r o d u c t i o nd i s p a t c hi n e n t e r p r i s e s k e yw o r d s ：t r a i ni n t e r - c o m m u n i c a t i o nn o n c e n t r a l s w i t c h i n g b u ss t r u c t u r e d t m fm u l t i c h a n n e l 1 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：袭恩宇 日期乒晔f 手月艿目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和、汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于不保密“ ( 请在以上方框内打“j ”) 学位论文作者签名：衰恩字 日期茹孵仁月之饵 指导教师签名：椭k 日期：垆年年月巧日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题背景和来源 1 绪论 电话通信是目前国内外采用的主要通信方式之一；而且随着国内经济的快速发展， 电话已经深深的融入了人们的日常生活。但是由于铁路运输的特殊性，在我国目前的客 运列车上电话通信并未广泛推广。在我国目前运行的列车当中，具备现代通信设备的新 型列车很少，大多是未铺设通信线路旧型列车。大部分旧型列车上工作人员之间的内部 通信是通过对讲机系统来实现的【“。对讲机通信时噪声大，话音质量差；而且不具有拨 号功能，主叫用户呼叫被叫时所有用户都能听到，不能准确地找到被叫用户，呼叫的针 对性差。 列车电话系统通常包括两种：列车内部电话和列车公共无线电话。列车内部电话用 于乘务员之间、乘务员与旅客之间以及旅客与旅客之间的信息联系；列车公共无线电话 用于车上旅客和车下电话网用户通话。早在2 0 年代，美国铁路就开始试验列车电话， 随后欧美的一些国家及日本相继开通了列车无线电话吼德国铁路自1 9 2 6 年以来发展 列车公用电话，到1 9 8 6 年，几乎所有城间特快列车都安装了投币式公用电话，旅客在 车上即可与国内外通话：到1 9 9 2 年全部采用磁卡，旅客可以用电信部门已采用的电话 卡打电话【2 】。日本东海新干线列车电话系统包括业务电话系统和公用电话系统：业务电 话系统使司机室和列车长室的电话可以与全国铁路电话用户通话；公用电话系统可与全 国的电话用户通话。这些国家的列车电话采用的都是无线通信系统，虽然各有不同，但 基本上都由以下三部分构成：( 1 ) 车上移动通信装置，包括列车电话机和移动转接装置；) ( 2 ) 无线通信基站和通话计费及计费结算中心；( 3 ) 铁路与上述中心进行数据通信的 铁路计算中一t j , t 2 1 。 我国现有列车通信系统存在的主要问题有通信设备安装率低、设备陈旧、系统功能 差；随着铁路运输的提速，列车通信任务也越来越重，现有系统很难满足铁路运输中列 车通信的需求。如果我国的新型列车上能够安装前面介绍的i 垂i # p n 车无线电话系统，那 么列车通信状况将得到极大的改善。但是列车无线电话系统的建立牵涉到整个铁路通信 网的改善，不仅仅是改造列车内部的通系设备。我国现有铁路通信设备和通信技术总体 来说只达到发达国家8 0 年代初的水平，移动无线推广率低：列车调度电话调度员与司 机通话质量差，场强覆盖率低，还有很多地区处于死区，山区、隧道等无线电波传播困 难问题未得到经济有效解决，移动无线网还未完善1 3 。短期内这种现状不可能得到很大 华中科技大学硕士学位论文 的改善，所以在现有条件下建立列车无线公用电话系统不太现实；但是我们可以通过建 立列车内部电话系统来最大限度的改善列车通信状况。基于此，应无锡束德电子公司的 要求，自主丌发了一一个功能齐全，操作简单、低成本的列车内部通信系统无中一t 5 总 线型列车内部通信系统。 1 2 课题研究内容 本文研制了符合列车通信要求的无中心总线型列车内部通信系统。本系统不设主 机，采用信道共用技术和总线拓扑结构，降低了线路成本且提高了利用率：能够实现单 呼电话对讲、广播群呼和强插功能；系统扩展灵活方便，工程布线简单，满足列车动态 编组的要求。本课题的具体设计研究内容有： 1 ) 系统通信模型的建立和通信协议的研究： 2 ) 系统主要特点及工作原理介绍 3 ) 分机电话硬件电路设计，包括控制电路、通话电路、d t m f 收发电路和键盘模 块等的电路设计； 4 ) 编写系统软件： 5 ) 系统信令设计； 6 ) 多通道总线型内部通信系统的研究。 1 3 课题的意义 无中心总线型列车内部通信系统在借鉴传统内部通信系统的基础上，结合列车通信 的特定环境及动态编组的特点开发研制出来了一种新型列车内部通信系统。系统的研制 成功大大提高列车内部通讯的通信质量和可靠性，并可替代进口产品。本系统目前已使 用在国内的高级客运列车上，提高了工作人员的工作效率，能够为旅客提供方便快捷的 服务。列车内部通信系统的安装使铁路更加具有竞争性，为树立铁路运输的良好形象， 提高服务质量和档次做出了贡献。 无中心总线型内部通信系统不仅仅只是在列车上使用，还可以在很多其它场合下代 替传统的内部通信系统，并能克服传统系统易阻断的弊端。本系统可取代医院、部队和 酒店等处的传呼系统。由于该系统能够实现广播呼叫和单呼电话对讲等功能；具有线路 成本低且利用率高，通信联系快速，使用维护简便，音量大，通话质量好等特点；也适 合于企业生产环境的使用，可在大范围、强噪声的生产场所用于生产调度、电话会议、 f “+ 播找人和通信联络；具有广泛的应用前景和使用价值。 华中科技大学硕士学位论文 2 通信模型和通信协议 列车内部通信之所以发展缓慢，主要是因为列车内部通信环境和列车结构特殊，常 用的通信系统都不能满足列车内部通信的要求。因此设计列车内部通信系统之前，必须 根据列车内部通信的特点建立合适的通信系统模型。本章首先讲述如何建立合适的列车 内部通信系统的模型，然后在此基础讨论通信协议的实现。 2 1 通信模型的建立 列车是由列车车头和车厢依次串联而成，且每列列车车头和车厢的编组并非固定不 变；在实际运行过程中车厢经常相互挂接获摘除，列车车厢的数目和顺序处于动态的变 化中【4 1 。列车内部通信系统模型必须能够适应列车的串型结构和动态编组的特点。 2 1 1 拓扑结构的选择 普遍认为，对内部通信系统影响较大的三个因素是：通信介质，系统拓扑结构和通 信协议。其中通信协议又将受到拓扑结构的影响，故而内部通信系统的拓扑结构的选择 便显得特别重要。以下将以列车内部的特殊通信环境为前提，从网络吞吐量、网络响应、 可靠性、接口复杂性、工程布线、可扩充性、可维护性及软件开销等方面考虑，选择适 合于列车内部通信系统的拓扑结构。目前内部通信系统的一般采用四种基本的拓扑结 构：星型、环型、总线型和树型。【1 8 】 1 9 】 1 ) 星型结构 星型拓扑结构比较简单，而且最容易实现，它通常与有效的中心控制方式相结合。 目前企事业单位使用的程控用户内部交换系统就是采用这种拓扑结构 7 】，其用户话机通 过各自的电话线路与中心交换机相连。该系统的呼叫过程是主叫用户通过拨号呼叫被叫 用户，由主机向被叫用户振铃，被叫用户听到振铃声后接昕电话。 这种结构存在的主要缺点有：( 1 ) 工程布线麻烦，组网困难。列车内部通信系统采 用星型结构时，每节车厢的用户分机都要独自通过一对电话线路接往中心交换机，电话 线路成本高利用率低；随着车厢数目的增多线路也就越来越多，布线麻烦。在列车重新 编组时，若拆除了中心交换机所在车厢，整个内部通信网要重新组建，给列车动态编组 带来很大的麻烦。( 2 ) 可靠性低。如果中心交换机出了故障，整个系统就会停止工作， 系统内所有用户分机都依赖于中心交换机的能力。中心交换机除了影响整个系统的可靠 3 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ：= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = e = = = = = = = = 性外，还是系统的“瓶硼”，即当它的能力饱和时，就会 | 现超负载【i g 情：兄。所以列车 内部通信系统不能采用这种结构。 2 ) 环形结构 在月、形网上，用一条传输线路将一系列节点分机连成一条封闭的环路。通信建立时， i 二环路上传输的控制信号依次通过环上的每个节点。其传输方向是单方向的，按顺时针 方向或逆时针方向只能选择其中，。种。由于环是采用两点问的链路连接，所以整个环形 系统距离可以扩大，但只要其中一个节点分机出现故障或节车厢被拆除就会导致整个 系统瘫痪。 3 ) 总线结构 总线结构是目前采用较多的一种拓扑结构。总线通信系统中所有节点分机挂接在同 一总线上。总线通信系统的主要优点有：( 1 ) 布线容易，组网简单。因为所有节点分机 都挂接在公共总线上，系统线路数量少，线路长度短；易于布线和维护。( 2 ) 可靠性高。 总线结构简单又是无源器件，从硬件观点看，十分可靠。( 3 ) 易于扩充：在总线上增加、 删除节点分机无需进行大量的连接工作，而且在埔删节点分机过程申一般不会影响其他 宵点分机工作。 4 ) 树型结构 树型结构是将多级星型结构按层次方式排列。一般在单个内部通信系统中采用的不 多。 综合以上比较，列车内部通信系统采用总线型拓扑结构。这种结构使得内部通信系 统在串型结构的列车上构建时布线简单，组网方便；列车编组时各节车厢的通信单元( 通 信节点和通信总线) 随车厢的相互挂接而剥接在一起，编组完成时列车内部通信网也建 立成功；编组改变时车厢的拆除或挂接都不需要进行大量的线路连接工作。 2 l 2 控制方式的选择 控制方式的选择是指在总线型拓扑结构的基础上，结合列车内部通信坷：境的特殊 性，列车内部通信系统采用何种方式来实现系统的控制管理功能。总线型通信系统控制 方式通常分为两利s ：集中式控n , r i 分佰式控制。 集中式控制一般要求系统设有中心主机，山主机实现整个系统控制管理功能，包括 i i 乎d q 处理、系统状态的监视和各种信号提示音的产生等。所有分机都受主机控制，分, f s i 之间的通信都必须经过主机的转接处理。这种控制方式实现简单，但可靠性差，系统内 所有分机都依赖于中心主机f i , g r 力，如果主机出了故障，整个系统就会停止工作。列车 4 华中科技大学硕士学位论文 动态编组时，每节车厢都可能被拆除，如果主机所在车厢被拆除，整个系统将停止工作。 因此这种控制方式不适合列车内部通信系统。 分布式控制系统中不设中心主机，所有分机都处于同等地位。整个系统的控制管理 功能分布式的嵌入在各个分机中，通过内部各分机的相互协作对系统进行控制和管理。 这种控制方式可靠性高，分机的增加、删除或发生故障都不会影响其它分机及整个系统 的正常工作；列车动态编组时，车厢随意拆除或挂接都不会影响内部通信系统。因此列 车内部通信采用分布控制方式。 2 1 3 列车内部通信模型 在选择了合适的拓扑结构、系统控制方式之后，列车内部通信系统的模型能够建立 了，其模型图如2 ，1 所示。 t 酉一百 图2 1列车内部通信系统模型图 列车内部通信系统采用总线拓扑结构，不设中心主机，各分机彼此独立；因此该系 统称之为无中心总线型列车内部通信系统。总线是由各车厢内固定安装的通信线路通过 车厢之间的接口互连而形成的，每节车厢设一个节点分机，节点分机通过固定的接口和 总线相连。该系统能够很好的适应列车串型结构和动态编组的特点，任意节点分机发生 故障或随所在车厢一块拆除都不会影响列车内部通信系统中其它分机的正常工作，且任 意分机组合在一起都能自成一个系统。 系统采用分布式控制策略，整个系统的正常工作是通过各分机相互协作来实现的。 各分机的协作是通过信令信息交流来实现，分机之间传递的信令信息包括通信请求、通 信应答、系统控制等信息。这些信息都是以信令数据的方式来表示的。总线通道按广播 方式工作，信令数据从源分机发出后，总线上其它分机都能监听到，且相关分机会发送 反馈数据。 2 2 话音通信协议的实现 通信协议是实现列车内部通信系统的关键部分；各种通信过程以及系统的控制管理 都必须依照通信协议来实现。通信协议的实现是本课题研究的难点和重点。本系统的通 一 5 华中科技大学硕士学位论文 信协议i 要包括两疗面：话音通信_ | ! 矗z 和佶令数掘通倩协议。 话音通信协议实现丰要包括：( 1 ) 如何奠现请旨信道的共享；( 2 ) 话哥信号传送型 式的选择。 2 2 1 话音信道共享技术 为了和进f 1 产品兼容，列车内部通信系统仪设一条屏蔽双绞线实现话音信道。系统 i q 所有分机共享该条话音信道，如何有效安排各分机使用话音信通对通信系统性能有着 霄要的影响。 在现代通信系统中，为了提高系统容量和线路利用率，信号的传输往往采用复用技 术”o 。所谓的复用技术就是把多路信号组合成个群信号，然后经由同一信道进, 7 7 - f 鲁输， 在接收端再将它们分离并相应接收。目i i l s 主要有频分复用( f d m ) 、时分复用( t d m ) 、 码分复用( c d m ) i 种复用技术1 6 。 信道复用技术虽然能够增加系统容量，提高信道利用率：但无中心总线型列车内部 通信系统中没有q j 心主机来控制信号的复用和解复用，各分机彼此独立，要采用信道复 用技术实现信道共享技术难度大，成本高。因此本系统采用一利- 简单有效的分时占用方 式束实现信道共享。所有分机竞争使用系统唯一的话音信道，谁先占用谁使用。信道一 有空闲即可提供给其它分机使用，信道利用率提高了；但是当两个或两个以上的分机用 户同时呼叫时，系统则只能保证一个分机用户的通信，其它分机用，。只能等待；为防止 某分机长期占用话音信道导致其它分机等待时i h j t 长，本系统采用了通话限时措施，分 机占用信道超时后会自动释放信道供其它分机使用。 2 2 2 话音传送型式的选择 话音信号分为数字和模拟两种型，。早期通信系统中的话音信号一般足模拟的型 式，模拟话音信号是连续的交流信号，包含多利，音频成分；信弓易受二r 扰和衰减，线路 利用率低。在出现数字交换机后，话音信号数字化了的p c m 话音抽样编码，而且是若 于个话路复用在一起的：不仅提高了话路的利用率，而且抗干扰能力强，通信质量明显 提高【，i 。由此l i 丁知在通信过程中数字话音信号相对于模拟话音信号有很多优势：但结合 实际情况，要在列车内部通信系统中实现数字话音传输却不太可行。首先数字话音信号 的复用和交换是由数字程控交换t j l 5 t j ：实现的，而内部通信系统不没主机，各分机彼此独 立，不具备这个条件。若只对线路上的啦路信号数字化刚有点得不缕失，大大增加了设 计的难度却没有充分利用数字化的优势。所以在列车内部通信系统话音信号以模拟型式 传输，并采h j 抗干扰措施来提高通信质量。 一 6 华中科技大学硕士学位论文 2 3 信令数据通信协议 列车内部通信系统不设中心主机，采用分布式控制；正常工作是通过分机之间相互 传递信令数据来实现的。总线通道按广播方式工作，信令数据从源分机发出后，总线上 其它分机都能监听到，且相关分机会发送反馈数据。 所有分机处于平等地位，都能够向总线发送信令数据，且总线上同时只能允许一个 分机发送数据。分机用户的通信请求是随机的，因而发送数据也是随机的，若两个或两 个以上同时发送数据就会发生总线冲突现象，并会导致分机通信失败。因此采用合适的 通信协议实现可靠的信令数据通信，是列车内部通信系统稳定可靠运行的有力保障。分 机之间进行信令数据通信时可以看成是一个多机通信网，因此在确定通信协议时可以参 考计算机通信网的通信协议。 2 3 1 通信网络的体系结构 为了网络系统结构的标准化，国际化标准组织定义了开放系统互联o s i 的七层模 型，作为研究计算机网络的标准协议，每层完成一个明确定义的功能并按协议相互通信。 每层向上提供所需服务，在完成本层协议时，使用下层提供的服务。o s i 参考模型如图 2 2 所示，从下到上依次为：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、 和应用层。【1 8 】 7 应用层， 6 表示层， 5 会话层， 4 传输层， 3 网络层， 2 数据链路层， 1 物理层， 图2 2o s l 体系结构 物理层提供网内两实体间的物理接口和实现它们之间的物理连接，按位传送比特 流，将数据信息从一个实体经物理信道送往另一个实体，为数据链路层提供一个透明的 比特流传送服务。数据链路层是为保证两个邻接( 共享一个物理信道) 节点间无差错数 据传输，给上层提供无差错的信道服务。网络层是接收来源计算机的报文，把它转换成 包，而后送到指定目标计算机。传输层又称端到端协议层，也是网络高层与低层之间的 接口。它负责两个会话实体之间的数据传输，接收会话层送来的报文，把它们分成若干 一 7 华中科技大学硕士学位论文 较她的片断，保证每片断都能l 嘶6 j 到达对方，并按发送的；欠序在日标t 机墨新汇集起 术。会话层是为两个不同进程建立会话连接，并管理它们存浚连接上的会话。表示层完 成许多j 数 ：l ! ：表示柏关的功能= 膨用层负责阳1 、心j 口进程之问的通信，为通信提供专i - 的l 、训 j 程序包。 列车内部信令数掘通信网j 、i 避循o s i 模式。但是若果用完令的o s i 模型所舰定的 今部功能和复杂的幼、议，会造成以下问题： 1 ) 信令数掘通信网中传递的芏要是面向控制的信令信息，当要求这种信息必须快 速而n r 靠的到达时，七层模型使数据j 交换远远慢予实时操作的要求。 2 ) 虽然o s l 有诸多优点，提供r 较火的灵活性，但这些都是以火量的硬件成本为 代价的，系统非常昂贵，同时它划分过细，十分复杂。 以上可以看出，在列车内部信令数据通信网的设计中，虽然网络协议必须是丌放的， 但网络体系结构并不需要保持与o s 一致，可采用简化的o s ! 体系结构。究竟如何简 化，需要保留哪些层的协议呢? 应接合列车通信嘲的实际情况。在o s i 环境中，列车 内部信令数据通信网具有以下两个重要特点： ”网络拓扑为总线结构，发节点和收节点只有一条圄定的链接，不存在中问转接。 2 ) 数据为带地址的帧传输。 这样，第层物理连接肯定需要，第二层肯定也需要，因为在信令数据通信时必须 组织成帧，并实现某种控制。但三层并不需要，这是因为：通信双方之问有直接链路连 接，不需要路由选择，而其它功能流量控制、差错控制等可由第二层执行。差别是第二 层执行单个链路上的这些功能，而第三层是在穿越网络的链路序列上执行这些功能。 所以，列车内部信令数据通信网结构采用三层网络结构：物理层、数据链路层和应 用层，流量控制和差错控制在数据链路层执行，报文的可靠传输在数掘链路层和应用层 中执行。 2 3 2 物理层通信接i z l j f n 介质的选择 物理层是网络体系结构的最低层，是唯一直接传输数据的。列车内部通信系统中分 机分布在列车每节车厢中，分机之削最远通信距离为列车车身的长度，长达数百米。因 此选择合适的通信接口和传输介质是实现稳定可靠的多机远程通信的基础。 总线拓扑结构局部通信网中常用的传输介质包括双绞线、同轴电缆f 挣】。双绞线是由 按桃则螺旋结构排列的两个绝缘线组成，既可以传输模拟信号也可以传输数字信号，对 j 二模拟信号，大约每5 6 k m 需要。一个放火器，对于数字信号每2 3 k m 使用一台 一 8 华中科技大学硕士学位论文 中继器。双绞线的最普遍应用是进行声音的模拟传输。同轴电缆适用于较大容量的网络， 且价格上比双绞线贵。综合比较后采用双绞线作为传输介质。双绞线完全能够满足列车 内部通信网的数据量和传输距离的要求。 微机之间的通信方式有两种：并行通信和串行通信【l o l 。并行通信是指数据的各位 同时进行传送；传送速度快；但需要多根传输线且不适合远距离传送。串行通信是一位 一位按顺序传送的通信方式。常用的串行通信接口有r s 2 3 2 和r s - 4 8 5 1 4 1 。r s - 2 3 2 通 信传输距离较近，最远达1 5 m ，不能满足远程通信要求。r s - 4 8 5 通信距离可达到1 2 k m ， 抗干扰较r s - 2 3 2 强，而且可以驱动多台设备，比较适合多机通信和远程通信。但是采 用r s 4 8 5 接口实现多机通信需要占用专门的线路来传送指令，增加了系统设计的复杂 性，工程布线的难度。 为了简化系统设计，结合电话通信系统的特点，列车内部信令数据通信网的物理层 采用d t m f ( 双音多频) 方式来实现数据传输。d t m f 是c c i t t 组织提出的邮电通讯 指令，已有专用的编解码芯片，其解码过程经过一系列的严格滤波和一套科学的算法， 可靠性极高【l ”。d t m f 信号是由一级低音频信号( 6 7 9 h z 、7 7 0 h z 、8 5 2 h z 、9 4 1 h z ) 和 一组高音频信号( 1 2 0 9 h z 、1 3 3 6 h z 、1 4 7 7 h z 、1 6 3 3 h z ) ，按一定的组合而构成的【 】。每 组音频信号各有4 个音频信号，而每种组合有一个高频信号和一个低频信号，总共有1 6 种组合。编码芯片将按键编码或b c d 码转换成正弦低频群和正弦高频群的混合双音信 号，以模拟方式传送；接收电路则对混合双音信号进行滤波和解码，将其恢复成二进制 编码。d t m f 以其很强的抗干扰能力和较高的传输速度广泛在电话、程控交换机和无线 通信设备中。d t m f 传输方式使得信令数据和话音信号能共用同线路，节省线路资源， 简化系统设计。 2 3 3 数据链路层介质访问控制协议 总线通信网中传输介质为各分机所共享，介质访问控制是指如何安排各分机使用信 令数据通道( 总线) ，以便解决信令数据传输时的总线竞争问题f l8 1 。目前，介质访问控 制方式已趋于国际标准化，常用的总线通信控制协议有轮询协议( p o l l i n g ) 、令牌总线 ( t o k e n b u s ) 和载波监听多路访问访问冲突检测协议( c s m a c d ) 等 1 9 】。 1 ) 轮询协议( p o l l i n g ) 1 9 op o l l i n g 的具体做法是由一个主控机负责全网系统的控 制，主控机按照一定的顺序依次轮询各从机，并为每个从机分配一定的通信时间，当从 机被轮询时才有权发送数据帧，对接收数据则一般没有限制。该协议可完全避免总线上 的报文包碰撞，结构简单，易于实现，也可方便地控制传输优先级。但是本系统中各分 机彼此独立，无中心主控机，因此轮询协议不适合本系统。 0 华中科技大学硕士学位论文 2 ) 令牌总线协议( t o k e nb u s ) 【1 9 1 。令牌总线在物理上，所有的站点都同时挂接在 一条电缆上，所以与令牌环网不一样。但在逻辑上，所有的站点按某种逻辑规则排列成 一个环，令牌( 特殊控制帧) 沿着该逻辑环被依次从一个站点传到下一个站点，只有得 到令牌的站点才有权控制和使用总线。任何时刻只有一个站掌握令牌，因此不会发生总 线冲突，也不用冲突检测；而且，它还具有按优先级发送数据的功能，较重要的站可以 通过延长令牌的保持时间来增加对传输介质的访问【2 “。 网络确定后，系统响应一遍所有站点传输的最长响应时间是固定的。因此令牌传递 放松法较适用于实时控制环境，可靠性高，即使网络处于重负荷下也能保证较高的效率。 但其控制协议比较复杂，软件开销较大，尤其在令牌的初始化和维护环节上。对于本设 计中的简单协议显得太过复杂。 3 ) 载波监听多路访问冲突检测协议( c s m a c d ) l j9 】。最早解决总线争用的协议 为纯a l o h a 和时分a l o h a ，它们的最大线路利用率分别仅为1 8 4 和3 6 8 ，但该解决 方法最终发展成了c s m a c d 协议。在该协议下，网络上的所有站点都平等地争用总线， 故它是一种全分布式控制结构。它通过载波检测来解决各站点对通道的竞争问题；各站 点在发送信息前，检测通道是否正被使用；若通道空闲，则立即发送；如果通道被占用， 则都不发，延时段时间后，再重复监听总线通道。为了避免通道空闲时同时多个数据 源向总线发送数据而造成数据碰撞，要求各站点在发送的同时还要检测是否发生碰撞。 如果发生碰撞，所有已发站间被迫取消自己的传送，转而监昕信道。 c s m a ，c d 协议中通信不需主控机控制，适用于突发性、数据帧传输实时性要求不 严格的场合。其优点是：协议简单，拥有大量的安装和运行维护经验。因此该协议非常 适合于无中心总线型列车内部通信系统中彼此独立的各分机之间的多机通信。不足之处 是当总线的通信数据量增大时，各个节点机都有可能需要同时发送数据，故而发生碰撞 的机会大大增加，总线利用率低口“。 为此本系统设计了一种简化的c s m a c d 协议。总线空闲时，分机在有通信请求( 通 话请求或设号请求) 时向总线上发送请求信令，总线上其它分机都处于监听状态，若监 听到总线上的信令与本机有关，就发送反馈信令。为了减小信令数据碰撞的机率，分机 发送通信请求信令后总线一直被占用，直到通信过程结束才被释放。总线占用期间通信 无关分机的功能都被禁止，即使总线上没有信令传输，通信无关分机也不能发送信令； 因而大大减少了碰撞机率。本系统采用软件监听机制，各分机以中断方式接收总线上的 信令码，在接收到信令起始标志就设置总线占用标志。然而用户的通信请求是随机的， 不排除两个或两个以上分机同时发送通信请求的可能性。各分机只有在用户按下话机键 盘上的输入确认键后才发送请求信令，由于用户手指的灵敏性不同，在起始标志的发送 一 1 0 华中科技大学硕士学位论文 = = = 2 = 2 ；= = = = = i l l 一 ! i , i i i i = = = = = = 时间内两个或两个以上分机用户同时按下输入确认键的概率很小，因此分机同时占用总 线的概率很小。此外本系统还采用了总线冲突保护措旖，总线冲突发生时仅仅导致分机 通信请求失败，不会影响整个系统的正常运行。 2 3 4 数据链路帧格式 列车内部通信系统中信令数据帧主要分为两大类：地址相关数据帧和地址无关数据 帧。地址相关数据帧包含分机地址信息，只有地址相关的分机才会处理这类数据帧；例 如呼叫过程中主叫呼叫信令数据帧中包括主叫分机地址和被叫分机地址，系统内只有被 叫分机会响应该信令帧并发送反馈信令帧。斑址无关数据帧不包括地址信息，作用于系 统内部所有分机。这类数据帧包括总线释放信令帧和强插信令帧。 地址相关数据帧格式如表2 1 所示。 表2 1 地址相关数据帧格式 f 起始标志f源地址f 目的地址f 信令类型f帧纠错l 结束标志f 起始标志：占用4 个字节，称之为前缀信息，起始标志为0 2 0 1 ，任何数据帧在起 始标志之后都不会出现与起始标志相同的数据。分机只有在收到这个标志后才认为是帧 的开始。 源地址：占用2 个字节。列车内部通信网中每个分机都有一个与分机号码相关的固 定地址编号；为了防止和起始结束标志重复，分机地址并非原始分机号码，而是采用分 机号码经过某种处理后的值。源地址是发送数据的分机地址。 目的地址：占用2 个字节。目的地址是通信目标分机地址。 信令类型：占用2 个字节。分机在中断响应中，根据信令类型来判断所应完成的任 务，并设置相应的标志位；主程序通过查询判断标志位来决定采用哪糟处理过程。源地 址、目的地址和信令类型一块称之为事件信息。 帧纠错；占用2 个字节。 结束标志：占用2 个字节。结束标志为0 3 ，任何数据帧在结束标志之前都不会出现 与结束标志相同的数据。分机在收到该标志后认为是数据帧的结束。锁纠错码和结束标 志一块称之为后缀信息。 地址无关数据帧的数据格式如表2 2 所示。表2 2 中各部分的含义和长度都和表2 1 中的对应部分相同。地址无关数据帧中的事件信息只包括信令类型码，因此长度短于地 址相关数据帧。 一 l l 华中科技大学硕士学位论文 2 4 系统信令 表2 2 地址无关数据帧格式 前面详细的阐述了列车信令数据通信的通信协议，并介绍了信令数据帧的格式。本 章将从功能方面全面具体的介绍列车内部通信系统用到的所有信令。系统信令主要包括 通话线路信令和设号线路信令。 2 4 1 通话线路信令 通话线路信令包括主叫呼叫信令、被叫确认信令、被叫摘机信令、被叫忙信令、群 呼呼叫信令、主机强插信令、通话结束信令。 主叫呼叫信令。数据帧格式为：前缀信息主叫地址被叫地址信令类型后缀信息。 主叫分机在被叫号码输入确认后发送该信令，总线开始被占用，其它所有分机接收到该 信令后都设置线路忙和通话线路忙标志位；并判断本机是否为被叫分机，若为被叫，还 需设置被叫标志位。 被叫确认信令。数据帧格式为：前缀信息被叫地址主叫地址信令类型后缀信息。 分机检测到本机为被叫后发送该信令，然后等待用户摘机；主叫分机收到该信令后设置 被