郝 韜

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 通信信號研究所，北京 100081）

區(qū)間綜合監(jiān)控系統(tǒng)是應(yīng)用于既有鐵路，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)區(qū)間占用邏輯檢查、區(qū)間運(yùn)行方向控制、站間安全信息傳輸?shù)裙δ艿男盘栐O(shè)備，由系統(tǒng)主機(jī)、解鎖盤兩大主要部分組成。其中系統(tǒng)主機(jī)用于進(jìn)行邏輯運(yùn)算，解鎖盤用于實(shí)現(xiàn)各區(qū)間及閉塞分區(qū)邏輯狀態(tài)的顯示及區(qū)間邏輯狀態(tài)確認(rèn)命令的下達(dá)等功能，每套區(qū)間綜合監(jiān)控系統(tǒng)可配置一個(gè)或多個(gè)解鎖盤。系統(tǒng)主機(jī)與各解鎖盤之間存在雙向通信的需求。

為實(shí)現(xiàn)多對象間的相互通信，目前主流的通信方式有CAN總線[1]、工業(yè)以太網(wǎng)[2]、ProfiBus總線等[3-4]。其中CAN總線具備實(shí)時(shí)性強(qiáng)、具有優(yōu)先權(quán)和仲裁功能、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但對于本文而言CAN總線單幀數(shù)據(jù)容量有限，且在1Mbps速率下傳輸距離較短，無法滿足要求。工業(yè)以太網(wǎng)作為以太網(wǎng)技術(shù)的延伸，具有價(jià)格低廉、穩(wěn)定可靠、通信速率高等優(yōu)點(diǎn)，但在多點(diǎn)通信時(shí)需要設(shè)置專門的交換機(jī)設(shè)備，增加硬件成本，同時(shí)增加了故障可能性。ProfiBus總線基于RS-485總線[5]，采用輪詢方式通信，一主多從結(jié)構(gòu)，具備通信容量大、工作穩(wěn)定、通信距離長等優(yōu)點(diǎn)，能滿足本系統(tǒng)的通信要求，但由于ProfiBus協(xié)議需要專用芯片實(shí)現(xiàn)，硬件成本較高，且ProfiBus協(xié)議相對于本文的通信需求過于復(fù)雜[6-7]。

本文以ProfiBusDP協(xié)議[5]為基礎(chǔ)，對其進(jìn)行簡化，提出一種基于RS-485總線的系統(tǒng)主機(jī)與解鎖盤間的通信方案，以達(dá)到簡化系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及降低通信軟件實(shí)現(xiàn)難度的目的。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)需求

系統(tǒng)主機(jī)與解鎖盤間通信周期為250 ms，通信距離不小于500 m，每周期內(nèi)主機(jī)與單個(gè)解鎖盤間交互的用戶數(shù)據(jù)量為100字節(jié)，解鎖盤間無通信需求。本文所提方案應(yīng)需滿足支持系統(tǒng)主機(jī)與不少于10個(gè)解鎖盤間進(jìn)行通信，且設(shè)備間采用RSSP-I安全通信協(xié)議[8]。

1.2 總線結(jié)構(gòu)

區(qū)間綜合監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)與解鎖盤采用RS-485總線進(jìn)行通信，通信速率選用100 Kbps。系統(tǒng)主機(jī)與解鎖盤間設(shè)置2路RS-485總線，系統(tǒng)主機(jī)每系接入1路總線，各解鎖盤均同時(shí)接入2路總線，連接方式如圖1所示。

圖1 主機(jī)與解鎖盤連接方式示意圖

根據(jù)RS-485總線的電氣特性，如解鎖盤與區(qū)間綜合監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)間安裝距離不大于1 000 m，可直接使用通信電纜作為傳輸介質(zhì)。

2 通信協(xié)議

2.1 通信時(shí)序

為防止各設(shè)備同時(shí)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，產(chǎn)生總線沖突的情況，區(qū)間綜合監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)與解鎖盤間采用呼叫應(yīng)答方式進(jìn)行通信。區(qū)間綜合監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)固定作為通信主站，各解鎖盤作為通信從站。進(jìn)行通信時(shí)，主站應(yīng)以250 ms為周期向各從站發(fā)送呼叫數(shù)據(jù)，從站在接收到主站發(fā)送給本站的有效數(shù)據(jù)后，應(yīng)向主站發(fā)送應(yīng)答數(shù)據(jù)。通信時(shí)序如圖2所示。

總線上各節(jié)點(diǎn)通信時(shí)應(yīng)遵循以下要求：

（1）各從站間不進(jìn)行通信交互，從站在未收到主站呼叫時(shí)，不允許向總線發(fā)送數(shù)據(jù)；

（2）各節(jié)點(diǎn)向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔不能小于3 ms；

（3）主站超過10 ms未從對應(yīng)從站收到應(yīng)答數(shù)據(jù)，應(yīng)判斷與該從站通信失敗，并呼叫下一個(gè)從站。

圖2 通信時(shí)序示意圖

2.2 通信協(xié)議

主站及從站間通信使用定長數(shù)據(jù)包進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)包格式見表1。

表1 數(shù)據(jù)包格式

數(shù)據(jù)包中各字段定義如下：包頭固定為0xfe；包尾固定為0xff；源地址及目的地址為各節(jié)點(diǎn)地址信息，主站地址固定為0，從站地址從1開始，順序增加，最多支持10個(gè)從站；用戶數(shù)據(jù)為用戶層信息，包括所有用戶層通信數(shù)據(jù)，定義如表2所示。

表2 用戶數(shù)據(jù)包格式

其中用戶數(shù)據(jù)長度為“用戶數(shù)據(jù)”字段的有效長度，用戶數(shù)據(jù)包數(shù)為“用戶數(shù)據(jù)”字段的有效包數(shù)，用戶數(shù)據(jù)字段為實(shí)際用戶數(shù)據(jù)。

主機(jī)與解鎖盤間的通信內(nèi)容屬于安全信息，故采用RSSP-I安全協(xié)議對用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行防護(hù)[9-10]。由于本方案中，主站與從站間采用呼叫應(yīng)答機(jī)制進(jìn)行通信，無法實(shí)時(shí)發(fā)送時(shí)序矯正信息，故對RSSP-I協(xié)議的時(shí)序矯正機(jī)制作如下調(diào)整：需要發(fā)送剩余偏差（SSE）或回歸偏差（SSR）時(shí)，應(yīng)將SSE或SSR附在下一周期的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）前一起發(fā)送，此時(shí)用戶數(shù)據(jù)包數(shù)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況填寫。用戶數(shù)據(jù)中最多只允許包含：1包SSE+1包SSR+1包RSD。主站與從站首次建立通信時(shí)，數(shù)據(jù)包交互流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)交互示意圖

3 軟件實(shí)現(xiàn)及測試

在實(shí)際項(xiàng)目中，主機(jī)及解鎖盤的硬件通信板卡均基于STM32F407芯片開發(fā)，利用芯片內(nèi)置的UART串口接入RS-485總線。通信協(xié)議完全由軟件實(shí)現(xiàn)，編程語言為標(biāo)準(zhǔn)C語言。

系統(tǒng)開發(fā)完成后，項(xiàng)目組搭建了包含1臺主站與10臺從站的測試環(huán)境對通信質(zhì)量進(jìn)行測試，并分別在主站及從站端對通信數(shù)據(jù)進(jìn)行分析監(jiān)測。在為期1周的通信測試過程中，主站及從站設(shè)備均未發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)包（基于RSSP-I協(xié)議未發(fā)生校驗(yàn)錯(cuò)誤判斷）、丟包或亂序（基于包序號判斷）、通信周期錯(cuò)誤等通信不穩(wěn)定現(xiàn)象，測試期間RSSP-I協(xié)議未生重聯(lián)。通過測試，驗(yàn)證了本文提出的通信方案穩(wěn)定可靠，能較好地滿足系統(tǒng)需求。

4 結(jié)束語

本文基于RS-485總線，提出了一種以呼叫-應(yīng)答機(jī)制實(shí)現(xiàn)RSSP-I安全通信協(xié)議的通信方案，并基于該方案實(shí)現(xiàn)了區(qū)間綜合監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)與解鎖盤間的正常通信。該方案結(jié)構(gòu)簡單且實(shí)現(xiàn)難度較低，在對協(xié)議進(jìn)行進(jìn)一步擴(kuò)展后，可以在更多的總線通信場景下應(yīng)用。