戴國琛

摘 要：介紹了車載PIS一體化系統(tǒng)中PIS主程序的軟件架構(gòu)及設(shè)計方案，并結(jié)合實際項目對設(shè)計方案可行性進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：車載PIS一體化；以太網(wǎng)；總線負(fù)載

1 緒論

車載PIS一體化系統(tǒng)是將TCMS主控制程序與PIS主程序集成在一個主控制器中（VCU），連接在以太網(wǎng)總線上，通過VCU既能監(jiān)視、控制整列車，又能實現(xiàn)PIS系統(tǒng)功能。本文件詳細(xì)描述了車載PIS一體化系統(tǒng)中PIS主程序的開發(fā)工具、軟件架構(gòu)、軟件組織形式和軟件設(shè)計規(guī)范。本文根據(jù)實際項目數(shù)據(jù)進(jìn)行以太網(wǎng)總線負(fù)載計算，對軟件設(shè)計方案進(jìn)行了可行性分析，為軟件模塊設(shè)計提供依據(jù)。

2 實施方案

2.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

列車通信網(wǎng)絡(luò)由以太網(wǎng)總線構(gòu)成，以太網(wǎng)總線貫穿整列車。

一列車的兩個VCU互為冗余，當(dāng)其中一個故障時，另外一個將自動接替它的工作，實現(xiàn)無縫切換，保證PIS系統(tǒng)的正常運行。

TCMS主控制程序與PIS主程序在VCU設(shè)備內(nèi)部實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

2.2 開發(fā)工具說明

PIS主程序軟件使用ISaGRAF 5.2版本的開發(fā)工具開發(fā)，該軟件開發(fā)框架為：程序、字典、IO配線。

程序主要用于創(chuàng)建邏輯關(guān)系，字典用于定義各種變量，包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體，IO配線主要實現(xiàn)了本地變量與其他以太網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)交換，首先IO配線將本地變量映射至相應(yīng)協(xié)議的數(shù)據(jù)包中，在通過以太網(wǎng)協(xié)議將數(shù)據(jù)包發(fā)送至以太網(wǎng)總線，以太網(wǎng)協(xié)議的實現(xiàn)封裝在底層庫。

2.3 軟件架構(gòu)

PIS主程序的軟件架構(gòu)主要由三部分組成：配線端口、數(shù)據(jù)輸入輸出模塊、邏輯控制模塊。

在VCU與各PIS系統(tǒng)設(shè)備之間，需要建立一個以太網(wǎng)通訊連接。IO配線的類型主要是根據(jù)過程數(shù)據(jù)的類型進(jìn)行劃分的，不同的通訊協(xié)議過程數(shù)據(jù)類型不同。在使用IO配線端口時，首先要將過程數(shù)據(jù)的類型導(dǎo)入應(yīng)用軟件中，數(shù)據(jù)類型導(dǎo)入完成之后，配置各設(shè)備的配線端口。應(yīng)用程序數(shù)據(jù)與過程數(shù)據(jù)之間存在映射的過程，從過程數(shù)據(jù)獲取所有PIS設(shè)備的數(shù)據(jù)，以及將VCU中映射的數(shù)據(jù)發(fā)送給各PIS設(shè)備，這些工作都在配線端口中完成。

在數(shù)據(jù)輸入輸出模塊中，輸入是將IO配線端口的數(shù)據(jù)復(fù)制給本地變量組中，而輸出則相反。PIS系統(tǒng)設(shè)備數(shù)據(jù)輸入輸出程序： P_II_HW、P_IO_HW。

PIS主程序邏輯診斷包括八個功能模塊：線路信息初始化及報站功能、DACU初始化及控制功能、客室廣播功能、司機室對講功能、乘客緊急對講功能、預(yù)錄緊急語音播報功能、各功能優(yōu)先級診斷、PIS系統(tǒng)狀態(tài)診斷。

2.4 軟件組織形式

模塊采用代碼段來描述。代碼段使用PRG來靈活組織。本系統(tǒng)中輸入輸出模塊各對應(yīng)一個PRG，邏輯模塊按照功能分類來組織劃分PRG。特殊模塊單獨作為一個PRG。

模塊與模塊之間采用全局變量來交換數(shù)據(jù)。全局變量使用數(shù)據(jù)集來組織。本系統(tǒng)中所有輸入輸出的全局變量使用數(shù)據(jù)集來組織。

數(shù)據(jù)集 （以下簡稱DUT）的目的是將對應(yīng)同一個節(jié)點或同一個功能的各種變量聚集于一個結(jié)構(gòu)中。一個DUT由基本的數(shù)據(jù)類型組成，且可以包含不同數(shù)據(jù)類型的變量。

在本系統(tǒng)中DUT可以用作硬件輸入輸出變量，各個PIS設(shè)備的狀態(tài)，各個功能碼對應(yīng)的診斷變量，軟硬件版本號。

DUT用于從一個POU傳送數(shù)據(jù)到另一個或者多個POU中。當(dāng)編寫程序時，只需要在POU對應(yīng)的變量組里面定義該DUT結(jié)構(gòu)，這樣POU中需定義的變量數(shù)目將會大大減少。

3 以太網(wǎng)總線負(fù)載計算

發(fā)送報文的時間以毫秒計算。

UPD報文的大小以字節(jié)計算。

TRDP報文的大小以字節(jié)計算。

下面公式給出了UPD報文服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載估計方法，單位為字節(jié)/秒：

（以太網(wǎng)封裝 + IP報文頭 + UDP報文頭 + 數(shù)據(jù)長度） * 1000 / 發(fā)送報文的周期 = （26 + 20 + 8 + 數(shù)據(jù)長度） * 1000 / 發(fā)送報文周期 = （54 + 數(shù)據(jù)長度） * 1000 / 發(fā)送報文周期

下面公式給出了TRDP報文服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載估算方法，單位為字節(jié)/秒：

（以太網(wǎng)封裝 + IP報文頭 + UDP報文頭 + TRDP報文頭 + 數(shù)據(jù)長度） * 1000 / 發(fā)送報文周期 = （26 + 20 + 8 + 40 + 數(shù)據(jù)長度） / 發(fā)送報文周期 = （94 + 數(shù)據(jù)長度） / 發(fā)送報文周期

以蘇州輕軌二號線的總線數(shù)據(jù)為例，對于各個系統(tǒng)的總線負(fù)載計算，TRDP報文數(shù)據(jù)負(fù)載如下：

RIOM10_1：（（94 + 8） * 1000 / 50 + （94 + 24） * 1000 / 50） * 2 = 8800 字節(jié)/秒。同理RIOM11、RIOM21、RIOM31均為TRDP通訊，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載分別為8640 字節(jié)/秒、8640 字節(jié)/秒、4820 字節(jié)/秒。

UDP報文數(shù)據(jù)負(fù)載如下：

RIOM10_2： （（54 + 8） * 1000 / 50 + （54 + 40） * 1000 / 50） * 2 = 6240 字節(jié)/秒。同理，車門、空調(diào)、輔助、DDU、DACU、HMI、FDU、IDU、DLMU、DSDU、PECU、DRV、公共端口均為UDP通訊，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載分別為40800 字節(jié)/秒、1264 字節(jié)/秒、1272字節(jié)/秒、15680 字節(jié)/秒、4960 字節(jié)/秒、2800 字節(jié)/秒、928 字節(jié)/秒、928 字節(jié)/秒、992 字節(jié)/秒、992 字節(jié)/秒、7440 字節(jié)/秒、464 字節(jié)/秒和648 字節(jié)/秒。

由此可以計算總線負(fù)載：

（8800 + 8640 + 8640 + 4820 + 6240 + 40800 + 1264 + 1272 + 15680 + 4960 + 2800 + 928 + 928 + 992 + 992 + 7440 + 464 + 648） * 8 / （100 * 1024 * 1024） = 0.89%

4 結(jié)論

以太網(wǎng)總線負(fù)載0.89%遠(yuǎn)小于理論帶寬的30%到40%，因此該軟件設(shè)計方案符合總線負(fù)載要求，可以保證車載PIS一體化系統(tǒng)的可用性和可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1]姚曉峰，陳曉俠，張春光.工業(yè)以太網(wǎng)總線系統(tǒng)的通信軟件設(shè)計[J].控制工程，2006， 13（3）：268-270.

[2]國際電工委員會.IEC61375-1-2007鐵路電氣設(shè)備—列車總線—第1部分：列車通信網(wǎng)絡(luò)[S].國際標(biāo)準(zhǔn).

[3]王磊，何正友.高速列車通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特點及其應(yīng)用[J].城市軌道交通研究，2008（2）：57-64.