一種利用邏輯分析儀實現(xiàn)TCN數(shù)據(jù)采集與分析的方法

劉 頡,易靈芝,申 慧,吳赟

(湘潭大學,湖南湘潭,411105)

0 引言

列車通信網(wǎng)絡(luò)（TCN）集高速列車控制、狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)以及旅客信息服務系統(tǒng)等為一體，以車載微機為主要技術(shù)手段，將這些系統(tǒng)產(chǎn)生的大量列車信息轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的數(shù)字信息進入車載微機并在網(wǎng)上交換，從而保證了列車高速、穩(wěn)定、安全的運行。目前它已形成國際標準，在世界各國鐵路上得到了廣泛的應用。然而，同一列車中的TCN產(chǎn)品往往由不同的供應商提供，各廠商提供的TCN產(chǎn)品在互聯(lián)過程中，經(jīng)常會遇到不明原因的通信異常情況，為分析網(wǎng)絡(luò)故障原因，需要一種能長時間完整記錄TCN數(shù)據(jù)的設(shè)備。基于此，本文提出一種基于邏輯分析儀的TCN數(shù)據(jù)采集與分析的方法，利用安捷倫邏輯分析儀16801A的跳變存儲方式實現(xiàn)TCN數(shù)據(jù)的長時間采集，并通過LabVIEW圖形化編程軟件編制解碼分析程序，將TCN原始數(shù)據(jù)解碼成對應的TCN報文，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信故障的快速高效排查，以保障列車的安全運行。

1 研究背景

傳統(tǒng)的TCN數(shù)據(jù)的采集與分析有兩種方法，一種是利用TCN網(wǎng)絡(luò)模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄，如株洲南車時代電氣股份有限公司DTECS系統(tǒng)中的ERM，該類設(shè)備能長時間記錄網(wǎng)絡(luò)通信過程中的過程數(shù)據(jù)，但也有一定的局限性，如無法記錄監(jiān)視數(shù)據(jù)、消息數(shù)據(jù)及異常幀。另一種是基于示波器開發(fā)的TCN數(shù)據(jù)分析儀，該類設(shè)備能完整的記錄通信過程中的所有數(shù)據(jù)，但因為示波器的采樣頻率一般較高，且存儲深度有限，記錄時間很短，一般記錄時間為幾百微秒到幾秒。

基于上述研究現(xiàn)狀及問題，本文提出了一種基于邏輯分析儀的TCN數(shù)據(jù)采集與分析的方法，它具有以下特點：

1) 采集時間長，最大采樣時間可達20分鐘；

2) 記錄數(shù)據(jù)全，能正確解析出TCN網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)倪^程數(shù)據(jù)、監(jiān)視數(shù)據(jù)、消息數(shù)據(jù)及異常數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)的組成

2.1 系統(tǒng)硬件

典型的TCN數(shù)據(jù)采集的硬件拓撲如圖 1所示。按照不同的采集對象選擇合適的測試夾具接入TCN網(wǎng)絡(luò)，將邏輯分析儀的探頭連接至測試夾具引出的信號線，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集。

2.2 系統(tǒng)軟件

圖1 TCN數(shù)據(jù)采集的硬件拓撲

系統(tǒng)軟件為一套運行在計算機上的TCN解碼分析程序，程序利用LabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境編寫，以數(shù)據(jù)流驅(qū)動程序的運行，將邏輯分析儀采集的原始數(shù)據(jù)進行分析，利用各個過閾值點的時間來計算各段高低電平的持續(xù)時間，進而實現(xiàn)波形解析。

3 TCN數(shù)據(jù)采集

用于TCN數(shù)據(jù)采集的儀器為安捷倫16801A邏輯分析儀，是由美國安捷倫科技有限公司生產(chǎn)的一款便攜式邏輯分析儀，支持同時測量34個邏輯通道，最大定時采樣率為1.0GHz（半通道）/500MHz（全通道），最大存儲深度32M。16801A支持跳變存儲（transitions/store qualified）方式記錄波形數(shù)據(jù)，該方式所記錄的原始數(shù)據(jù)僅僅包括過閾值的狀態(tài)和跳變時間，以圖 2為例，存在3處過閾值點。過『點1』后記為低電平0，并記錄跳變時間T1；過『點2』后記為高電平1，并記錄跳變時間T2；過『點3』后記為低電平0，并記錄跳變時間T3。

圖2 安捷倫16801A邏輯分析儀跳變存儲

這種數(shù)據(jù)記錄方法和利用示波器采集數(shù)據(jù)相比，保存的信息要少得多，因此能夠一次性采集較長時間的信號。

4 解碼分析程序設(shè)計與實現(xiàn)

TCN數(shù)據(jù)的解碼分析程序的具體執(zhí)行流程如圖 3所示。程序開始運行時，通過用戶界面選擇所需解碼的TCN數(shù)據(jù)類型，根據(jù)用戶選擇信息，分別調(diào)用MVB或WTB的解碼配置信息。程序讀取邏輯分析儀采集的原始數(shù)據(jù)，將原始數(shù)據(jù)進行整理并轉(zhuǎn)化為GB/ T 28029.1定義的數(shù)據(jù)符及非數(shù)據(jù)符，根據(jù)解碼配置轉(zhuǎn)化為相應的位編碼，由位編碼信息判定數(shù)據(jù)幀為正常幀還是異常幀，并執(zhí)行幀解碼操作，最后將解碼后的數(shù)據(jù)寫入TXT文本，解碼分析程序執(zhí)行完成。

由于MVB解碼和WTB解碼擁有相似的過程，僅在位編碼轉(zhuǎn)換為幀數(shù)據(jù)時存在區(qū)別，因此，本文將不分開進行描述。

4.1 原始數(shù)據(jù)讀取

邏輯分析儀單次采集所導出的數(shù)據(jù)記錄可達到上百字節(jié)，如果一次性全部讀入程序，將影響程序運行速度甚至造成內(nèi)存不足；所以需要從前往后讀取數(shù)據(jù)記錄，每次讀取一定量的數(shù)據(jù)，并記錄當前所讀取到的位置，供下次迭代時從指定的位置開始讀取；把單次讀取的原始數(shù)據(jù)解析為高低電平序列，然后逐步拼接，最后得到完整的高低電平序列。

LabVIEW中文件讀取函數(shù)受到初始讀取位置的影響，程序在每次迭代時，重新設(shè)置當前讀取位置，保證當前所讀數(shù)據(jù)為上一次數(shù)據(jù)之后的那段，相關(guān)后面板程序框圖見圖 4：

圖4 設(shè)置讀取位置

4.2 數(shù)據(jù)格式整理

邏輯分析儀采集的原始數(shù)據(jù)記錄以標準CSV文本格式保存，數(shù)據(jù)之間使用逗號分隔，將讀取的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為二維數(shù)組，方便程序進行后續(xù)處理。如圖 5，為經(jīng)過原始數(shù)據(jù)格式整理后，轉(zhuǎn)換為二維數(shù)組形式的原始數(shù)據(jù)。

圖5 轉(zhuǎn)化為二維數(shù)組形式的原始數(shù)據(jù)

4.3 轉(zhuǎn)換為TCN數(shù)據(jù)符及非數(shù)據(jù)符

圖6部分后面板代碼將把上述二維數(shù)組拆分為兩個一維數(shù)組，分別為各個過閾值后的高低電平判斷和過閾值時間數(shù)組。每次循環(huán)獲取相鄰兩個閾值時間，并將它們相減，即計算兩個過閾值點的時間差。

其中，時間轉(zhuǎn)換VI的功能是將字符串形式的時間轉(zhuǎn)換為以納秒為單位的數(shù)字，例如：將“-24 ms”轉(zhuǎn)化為“-2.4E+7”。

圖3 TCN數(shù)據(jù)的解碼分析流程

如果前后兩次過閾值點時間差較大（除以500ns并取整后，大于等于5），可以認為這兩處過閾值點分別為某幀的幀尾和該幀之后的幀頭。

● 如果為上述情況，將該段電平序列記為“#”，表示閑置電平，非幀數(shù)據(jù)；另外，將后面幀的過閾值時間保存下來，作為后面幀的起始時間。

● 如果不為上述情況，表示這兩個過閾值點在同一個幀上，所以過閾值時間不用記錄；另外，需要根據(jù)時間差，使用半比特電平序列來表示幀信息，例如時間差為1.2us，除以500ns取整為2，表示存在連續(xù)2個半比特電平。

圖6 代碼段

由此可以得到半比特高低電平數(shù)組和幀頭位置，如圖 7所示。

圖7 半比特高低電平數(shù)組&幀頭位置

幀頭位置可直接保存至解碼數(shù)據(jù)，不用做后續(xù)處理。

4.4 轉(zhuǎn)換為TCN位編碼

需要將半比特高低電平數(shù)組合并為轉(zhuǎn)換為半比特高低電平序列，然后轉(zhuǎn)換為碼元序列，例如上述半比特高低電平數(shù)組可轉(zhuǎn)化為序列“01100110011”。

然后應該拼接上一輪讀取原始數(shù)據(jù)后解析所生成的半比特（上一輪可能會有剩余，也可能沒有，完全取決于其數(shù)目的奇偶性），就得到完整的半比特高低電平序列。程序?qū)崿F(xiàn)如圖 8所示。

圖8 半比特高低電平序列

4.5 轉(zhuǎn)換為TCN幀數(shù)據(jù)

將半比特高低電平序列依據(jù)“#”拆分為各個幀，分別單個解析各個幀的碼元，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為TCN幀數(shù)據(jù)。程序?qū)崿F(xiàn)如圖 9所示。

圖9 碼元序列

圖10 最大可記錄時間

圖11 WTB解碼后數(shù)據(jù)文件

5 測試驗證

如圖 10所示，經(jīng)測試驗證，采用本方法連續(xù)記錄1210964ms(約20分鐘)的TCN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。

TCN解碼分析程序可將得到的碼元信息按照方便閱讀的方式進行組織，然后保存至解碼文件，解碼文件為標準的TXT格式，如圖 11所示，為一組WTB解碼后的數(shù)據(jù)文件的一部分,TCN解碼分析程序可正確解碼監(jiān)視數(shù)據(jù)、過程數(shù)據(jù)。

為驗證TCN解碼分析程序?qū)Ξ惓?shù)據(jù)的解碼能力，利用安捷倫任意波形發(fā)生器33250A分別模擬發(fā)送了幀頭錯誤、數(shù)據(jù)異常、CRC校驗錯誤的數(shù)據(jù)幀，經(jīng)邏輯分析儀采集，并利用TCN解碼分析儀程序解碼，可正確解碼出相應的錯誤信息，解碼結(jié)果如圖 12所示。

6 結(jié)論

本文提出一種利用邏輯分析儀實現(xiàn)TCN數(shù)據(jù)采集與分析的方法，并進行了系統(tǒng)設(shè)計與實驗驗證，結(jié)果表明，該方法能實現(xiàn)TCN數(shù)據(jù)的長時間記錄，且能正確解析出網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)倪^程數(shù)據(jù)、監(jiān)視數(shù)據(jù)、消息數(shù)據(jù)及異常數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的完整記錄與分析，滿足用戶對TCN網(wǎng)絡(luò)故障分析的需求。

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