CTCS-3級列控車載記錄下載器的軟件設計

張友兵 馬 麟 張國振 崔俊鋒 王天嬌

張友兵:北京全路通信信號研究設計院有限公司運行控制研究設計院 助理工程師 100073 北京

馬 麟:北京全路通信信號研究設計院有限公司運行控制研究設計院 工程師 100073 北京

張國振:北京全路通信信號研究設計院有限公司運行控制研究設計院 工程師 100073 北京

崔俊鋒:北京全路通信信號研究設計院有限公司運行控制研究設計院 工程師 100073 北京

王天嬌:北京全路通信信號研究設計院有限公司運行控制研究設計院 工程師 100073 北京

在CTCS-3級列控系統中，當列車高速運行時，車載設備實時監控列車運行速度，保證列車運行安全。CTCS-3級列控車載設備包含CTCS-2級主機模塊(C2CU)、車載安全計算機單元(ATPCU)、列車網管(TSG)、速度距離處理單元(SDP)等重要模塊，通過這些模塊的協同工作，保證車載設備能夠實時監控列車運行。C2CU、ATPCU、TSG、SDP等車載設備模塊在工作過程中，會產生大量的運行記錄，如果深入分析這些運行記錄，就可以定位車載設備發生故障的位置及類型，進而可以快速消除故障，提高車載設備可用性。

但是車載設備模塊存儲運行記錄的空間有限，最多可以存儲250條。如存儲空間已滿，則新記錄將替換掉老記錄，如果不能及時下載或轉存，則將丟失除了最新的250條記錄之外的所有運行記錄。因此，急需開發記錄下載器，用于在線實時監測車載設備模塊產生的運行記錄，下載并保存。

1 記錄下載器工作原理

記錄下載器是一個在線實時監測和保存車載設備運行記錄的設備。它沒有配備電源，通過竊電方式從車載設備模塊獲取能量，當車載設備模塊上電，與其相連的記錄下載器就自動進入工作狀態，并實時監測車載設備模塊的運行記錄，自動下載車載設備模塊產生的新記錄，同時過濾掉老記錄。記錄下載器是一個通用設備，具有16MB的存儲空間，可以保證至少存儲10萬條運行記錄。可以自動下載CTCS-3級列控車載設備各個模塊的運行記錄，包括C2CU、ATPCU、TSG、SDP等重要模塊。通過專用工具可以將存儲的記錄拷貝到電腦上，供分析使用。記錄下載器還是一款安全性較高的實用工具，只用于下載，而不會干擾或影響車載設備模塊的正常工作。

2 記錄下載器軟件結構

將記錄下載器連接到車載設備模塊上，循環執行接收數據、處理數據和存儲數據流程，實現在線監測、下載和存儲運行記錄的功能。因此，記錄下載器軟件分為數據接收、數據處理和數據存儲3個主要模塊。

1．數據接收模塊。通過中斷方式接收來自車載設備模塊的數據。每向車載設備模塊發送一條命令，車載設備模塊就回復一批數據。由于數據長度有限，因此可以設計一個定長的數組。同時，還要設計一個全局變量，用于記錄來自車載設備模塊的數據長度。

2．數據處理模塊。將來自車載設備模塊的數據進行處理，逐條提取記錄，根據協議組幀并存儲在記錄下載器的FLASH中。同時，還需要識別出車載設備模塊的提示信息，如果是繼續下載，則向車載設備發送下載記錄命令;如果提示記錄下載完畢，則自動轉入等待狀態，等待一段時間后，再向車載模塊發送下載命令，同時過濾已經下載過的運行記錄。

3．數據存儲模塊。將數據處理模塊提取出的運行記錄存儲在記錄下載器的FLASH中。

3 記錄下載器的在線狀態轉換

通過不同狀態的相互轉換，實現記錄下載器周期性地下載、提取和存儲運行記錄。數據處理模塊狀態轉換關系如圖1所示。當記錄下載器上電進入工作狀態后，首先進入初始化狀態，之后隨著記錄下載器與車載設備模塊的數據交互，實現狀態的自動轉換，完成下載和保存車載設備模塊運行記錄的功能。

1．初始狀態。車載設備模塊上電后，記錄下載器也隨之上電，自動進入初始狀態，向車載設備模塊發送初始化命令，轉入未啟動狀態。

2．未啟動狀態。進入該狀態后，等待來自車載設備模塊的“啟動指示”。如果沒收到，則保持未啟動狀態;如果在超時范圍內收到“啟動指示”，則向車載設備模塊發送“系統時間命令”，并進入等待系統時間狀態;如果等待“啟動指示”超時，則進入系統恢復延時狀態。

3．等待系統時間狀態。記錄下載器等待來自車載設備模塊的系統時間。如果在超時范圍內沒有收到系統時間，則保持該狀態;如果收到，則向車載設備模塊發送“系統版本命令”，并進入等待系統版本狀態;如果等待系統時間超時，則進入系統恢復延時狀態。

4．等待系統版本狀態。記錄下載器等待來自車載設備模塊的系統版本。如果在超時范圍內沒有收到系統版本，則保持狀態;如果收到，則進入等待下載指示狀態;如果等待系統版本超時，則進入系統恢復延時狀態。

5．等待下載指示狀態。記錄下載器等待來自車載設備模塊的下載記錄指示。如果在超時范圍內沒有收到下載記錄指示，則保持;如果收到，則進入發送下載命令狀態;如果等待下載記錄指示超時，則進入系統恢復延時狀態。

6．發送下載命令狀態。記錄下載器已經確認車載設備模塊進入正常的工作狀態，將向車載設備模塊發送“下載記錄命令”，并進入下載記錄狀態。

圖1 記錄下載器在線狀態轉換圖

7．下載記錄狀態。記錄下載器收到來自車載設備模塊的一批數據，逐條提取記錄，根據協議組幀，并將包含一條運行記錄的完整幀存儲到記錄下載器的FLASH中。如果數據結尾含有“繼續下載記錄指示”，則記錄下載器向車載設備模塊發送“繼續下載記錄命令”，并等待來自車載設備模塊的下一批數據;如果數據結尾含有“下載記錄結束指示”，則進入周期下載延時狀態;如果在數據提取中遇到以前已經下載過的記錄，說明車載設備模塊最新的運行記錄已經下載完畢，記錄下載器向車載設備模塊發送“結束本次下載記錄流程命令”，進入等待結束指示狀態。如果下載記錄超時，則進入周期下載延時狀態。

8．等待結束指示狀態。記錄下載器等待來自車載設備模塊的“下載記錄結束指示”。如果收到指示，則進入周期下載延時狀態;如果沒有收到，則保持該狀態，繼續等待;如果等待“下載記錄結束指示”超時，則進入周期下載延時狀態。

9．周期下載延時狀態。如果延時沒有到時，記錄下載器繼續保持延時狀態;如果延時到時，記錄下載器進入發送下載命令狀態，執行下一次下載車載設備模塊運行記錄的流程。

10．系統恢復延時狀態。如果系統恢復未到時，則保持系統恢復延時狀態;如果系統恢復到時，則進入初始狀態。

4 記錄下載器的關鍵技術

4.1 過濾已下載記錄

在記錄下載器的在線狀態轉換中，下載記錄狀態最為復雜，需要根據運行記錄的開始和結束特征逐條提取記錄，并識別該記錄是否為新記錄。如果是新記錄，則組幀并存儲在FLASH中;如果是已經被下載過的，則過濾并結束本次下載記錄流程。

車載設備模塊在產生每一條運行記錄的時候，都會在記錄的頭部附上當時的系統時間，而且這個時間是惟一的和遞增的。所謂惟一，就是附加在每一條運行記錄的系統時間不同;所謂遞增，就是附加在后一條運行記錄的系統時間總是比前一條時間要大。根據惟一性和遞增性這2個特征，就可以實現只下載新記錄并過濾舊記錄的功能。

車載設備模塊發送記錄時，總是按照從最新到最老的順序，即按照附加在記錄上的系統時間從大到小的順序。每下載完一批記錄，記錄下載器將系統最大時間作為下一次下載記錄的參考時間。進入下一次下載記錄的流程時，每提取一條記錄，就將該記錄的系統時間與參考時間進行比較，系統時間比參考時間大的就是新記錄，組幀并保存在FLASH中。如果遇到系統時間等于參考時間，說明新記錄已經下載完畢。

4.2 數據處理模塊與數據儲存模塊的速度匹配

數據處理模塊從來自車載設備模塊的數據中逐條提取記錄，組幀后傳遞給數據存儲模塊。數據存儲模塊需要將包含記錄的完整幀存儲在記錄下載器的FLASH中。但是，數據處理模塊處理速度很快，而數據存儲模塊存儲速度相對要慢很多，如果2個模塊之間的速度不匹配，必然要導致部分車載設備模塊的運行記錄丟失。

為了實現數據處理模塊與數據存儲模塊的速度匹配，設計一個開關量。如數據處理模塊判斷該開關量為打開狀態時，就向數據存儲模塊傳遞數據，傳遞完畢后，再將該開關量置為關閉狀態;如判斷該開關量為關閉狀態時，就將數據存儲到記錄下載器的FLASH中，當存儲完畢后，再將該開關量置為打開狀態。通過數據處理模塊和數據存儲模塊共同管理該開關量，實現這2個模塊之間的速度匹配。

4.3 不掉電存儲數據

記錄下載器通過竊電的方式從車載設備模塊獲取電量供自己使用，顯然能夠獲取的電量是有限的，而執行寫FLASH操作卻比較耗電。為此，為記錄下載器設計了一種能夠勻速向FLASH寫入數據的方法。

由于記錄下載器1 s內可以向FLASH中寫入500字節數據，那么每寫入1個字節需要2 ms。數據存儲模塊按照8字節1組將數據分為多個小組，設計每20 ms寫入1組數據，即寫入1組數據之后開始計時，計時滿20 ms，再向FLASH中寫入下一組數據，直到所有數據都寫完為止。通過這種方式，不但可以保證數據以最高效的方式存儲在FLASH中，而且可以保證不會造成掉電，使記錄下載器始終處于在線工作狀態。

5 結束語

目前記錄下載器已經研發完畢，正在進行實驗室測試和驗證階段，將會成為實時在線下載CTCS-3級列控車載設備各個模塊運行記錄的有效工具。

［1］張曙光．CTCS-3級列控系統技術創新總體方案［M］．北京:中國鐵道出版社，2009．

［2］CTCS3-300T車載設備技術條件［R］．北京:北京全路通信信號研究設計院有限公司，2012．