列控車載設備診斷維護終端的設計與實現

張友兵 劉 嶺 崔俊鋒

1 診斷維護終端簡介

列車運行過程中，車載設備應用軟件實時檢測故障情況，并將檢測到的故障存儲起來以備下載分析。故障記錄包括UTC時間、系統時間戳、報告故障的文件名、報告故障的行號、故障碼和字符串形式的故障描述等信息。

但CTCS－2級和CTCS－3級列控車載設備可能存在軟硬件故障，為此開發一種診斷維護終端。

診斷維護終端用于修改列控車載主機存儲的配置參數，查看配置參數的描述信息，檢查車載主機存儲的配置參數取值，審查或清除車載主機存儲的應用故障記錄。診斷維護終端是一個工作在PC機上的獨立軟件，通過USB－CAN轉換設備與車載主機進行通信。根據故障記錄的文件名和行號可以快速定位故障發生的位置，利用故障碼和字符串形式的描述信息可以直觀分析故障原因。

診斷維護終端采用通用軟件，以應對不同車型、用戶、需求等變化信息帶來的影響，而且便于軟件升級維護，提高了軟件通用性和可維護性，也提高了軟件與車型的適配性。

2 系統原理

圖1為診斷維護終端的系統原理圖。診斷維護終端通過USB－CAN轉換設備與車載主機通信連接。用戶操作診斷維護終端，診斷維護終端響應用戶操作，并將用戶操作轉換成符合通信協議的數據發送給車載主機，車載主機接收數據并從數據中識別出用戶命令。

對于正確的用戶命令，車載主機根據具體命令內容執行對應的響應，并將響應結果轉換成符合通信協議的數據發送給診斷維護終端；診斷維護終端接收數據并提取出車載主機的響應結果，將響應結果及時顯示在診斷維護終端的界面上供用戶查看。

對于錯誤的用戶命令，車載主機識別錯誤類型，回復具有針對性的提示信息，并將提示信息轉換成符合通信協議的數據發送給診斷維護終端；診斷維護終端接收數據，提取出車載主機的提示信息，顯示在診斷維護終端的界面上，及時提示用戶輸入命令有誤，指導用戶執行正確的操作。

圖1 列控車載主機診斷維護終端

3 軟件設計

3．1 軟件結構

診斷維護終端軟件分為：通信層、邏輯處理層和顯示層三層。

3．1．1 通信層

通信層包含接收和發送數據模塊。接收數據模塊通過USB－CAN轉換設備從車載主機接收數據，傳給邏輯處理層的接收數據管理模塊。發送數據模塊從邏輯處理層的發送數據管理模塊獲取數據，通過USB－CAN轉換設備發送車載數據。

3．1．2 邏輯處理層

邏輯處理層包含如下模塊。

1．響應用戶操作模塊。接收用戶指令，并傳遞給發送數據管理模塊。

2．接收數據管理模塊。從通信層的接收數據模塊得到車載主機數據，提供給處理數據模塊進行解析和邏輯處理。

3．處理數據模塊。從接收數據管理模塊提供的車載主機數據中提取報文幀或空閑幀，對其進行數據類型檢查、數據長度檢查、時間戳檢查、CRC校驗等，如果檢查不通過，則置工作狀態為初始狀態；從通過檢查的報文幀中提取有效數據，根據GBK編碼將有效數據轉換成可以顯示的字符串，提供給界面顯示數據管理模塊；使用通過檢查的空閑幀來判斷與車載主機的通信是否超時，如果超時則置工作狀態為初始化狀態。

4．保持通信連接模塊。與車載主機建立通信連接；當連接斷開時，主動與車載主機重新建立通信連接；連接正常時，當沒有指令需要發送給車載主機時，定時組建保持連接幀并傳遞給發送數據管理模塊，以保持與車載主機的通信連接。

5．發送數據管理模塊。從保持通信連接模塊得到需要發給車載主機的數據，從響應用戶操作模塊得到需要發給車載主機的用戶指令，調用通信層的發送數據模塊將數據發給車載主機，同時向界面顯示數據管理模塊提供需要界面顯示的用戶指令。

6．界面顯示數據管理模塊。從處理數據模塊獲取車載主機數據，從發送數據管理模塊獲取用戶指令，以時間先后順序依次顯示在診斷維護終端的界面上，便于用戶查看和指導用戶操作。

3．1．3 顯示層

顯示層包含界面顯示收發信息模塊和更新界面控件屬性模塊。界面顯示收發信息模塊，從邏輯處理層的界面顯示數據管理模塊獲取需要界面顯示的數據，并將數據依次顯示在界面上，供用戶查看交互過程或指導用戶執行具體的操作。更新界面控件屬性模塊，負責響應用戶操作，并根據用戶操作設置診斷維護界面控件的使能屬性，保證用戶可以執行什么操作和不可以執行什么操作。

3．2 消息定義

診斷維護終端與車載主機通信中使用了4種消息：請求幀、保持通信幀、報文幀和空閑幀。診斷維護終端使用請求幀與車載主機建立通信連接，并發送用戶指令；在通信連接建立后，在沒有用戶指令需要發送時，保持連接幀與車載主機正常的通信連接。車載主機使用空閑幀與診斷維護終端建立通信連接，當沒有數據需要發送時，使用空閑幀與診斷維護終端保持通信連接；通信連接建立并接收到用戶指令后，有數據需要發送時使用報文幀將數據發送給診斷維護終端。

3．3 工作狀態機

診斷維護終端邏輯處理層的保持通信連接模塊采用狀態機的設計思想，包括初始狀態、等待啟動命令狀態、建立通信狀態和保持通信狀態。

1．初始狀態：診斷維護終端剛啟動時，處于初始狀態，初始化所有全局變量，清空發送和接收數據緩沖區，并轉入等待啟動命令狀態。

2．等待啟動命令狀態：診斷維護終端等待車載主機的啟動命令，如果沒有收到啟動命令，保持該狀態不變；如果收到啟動命令，則轉入建立通信狀態；如果收到的數據存在數據類型錯誤、數據長度錯誤、時間戳錯誤、CRC校驗錯誤等情況時，轉入初始狀態。

3．建立通信狀態：診斷維護終端向車載主機發送建立通信連接的請求幀，并等待車載主機回復通信連接成功的應答，如果收到則轉入保持通信狀態，否則保持當前狀態不變；如果收到的數據存在數據類型錯誤、數據長度錯誤、時間戳錯誤、CRC校驗錯誤等情況時，轉入初始狀態。

4．保持通信狀態：診斷維護終端從車載主機接收數據、解析數據，并在界面顯示車載主機的提示信息；響應用戶的操作并將用戶操作發送給車載主機；如果收到的數據存在數據類型錯誤、數據長度錯誤、時間戳錯誤、CRC校驗錯誤等情況時，轉入初始狀態；如果在規定時間內沒有收到車載主機的任何有效數據，認為通信異常，也轉入初始狀態。保持通信連接模塊狀態機如圖2所示。

圖2 保持通信連接模塊狀態機

3．4 下載配置參數文件流程

下載配置參數文件的過程：人工加載配置參數文件；診斷維護終端自動將配置參數文件分割為若干個請求幀；提取一條請求幀，將請求幀分割為若干個CAN幀，依次發送給車載主機；判斷是否存在尚未發送給車載主機的請求幀，如果存在則按上一步方法將請求幀發送出去，否則結束流程。下載配置參數文件過程如圖3所示。

圖3 下載配置參數文件過程

3．5 透傳用戶命令流程

當用戶需要查看配置參數描述信息、修改制定的配置參數、下載應用故障記錄或清空車載設備存儲的應用故障記錄時，只需要在診斷維護終端界面輸入指定的指令并發送給車載主機，車載主機收到指令后向診斷維護終端回復對應的信息。

透傳用戶命令的一般流程：用戶在診斷維護終端界面輸入指令；診斷維護終端自動將輸入的指令組建成請求幀，并分割為若干個CAN幀，依次發送給車載主機。透傳用戶指令過程如圖4所示。

透傳用戶指令過程

3．6 界面顯示車載主機回復信息流程

用戶在診斷維護終端界面輸入指令，并發送給車載主機；車載主機收到后判斷用戶指令有效性，如果是無效的用戶指令，車載主機提示用戶輸入指令為無效；如果是有效的用戶指令，車載主機根據指令回復對應信息。診斷維護終端接收到車載主機的回復信息并顯示。該信息的流程為：診斷維護終端接收到車載主機發送的報文幀，對報文幀進行幀序號檢查、長度檢查、時間戳檢查和CRC校驗。如果通過以上檢查，將從報文幀中提取有效數據，根據GBK編碼將有效數據轉換成字符串，并在界面上顯示字符串。界面顯示車載主機回復信息過程如圖5所示。

顯示車載主機回復信息過程

GBK編碼是在GB2312－80標準基礎上的內碼擴展規范，使用了雙字節編碼方案，其編碼范圍從8140至FEFE（剔除xx7F），共23940個碼位，收錄了21003個漢字，完全兼容GB2312－80標準，支持 國 際 標 準 ISO／IEC10646－1 和 國 家 標 準GB13000－1中的全部中日韓漢字，并包含了BIG5編碼中的所有漢字。

4 關鍵技術

4．1 快速準確的數據傳輸

在數據通信中，經常存在丟失、重復、亂序、亂碼等情況，診斷維護終端通過判斷時間戳是否向上增長、比較CRC校驗值是否一致、判斷應答幀序號是否向上連續、判斷數據長度是否是期望的長度等措施，解決數據通信中可能存在的問題。

4．2 可拓展的用戶指令集

用戶在診斷維護終端界面輸入指令，點擊發送按鈕，把用戶指令透傳給車載主機，由車載主機判斷用戶指令的有效性并做出響應。因此，當需要增加新的用戶指令時，診斷維護終端并不需要做大的修改，只需要車載主機增加對其響應。

4．3 友好的人機交互方式

用戶在診斷維護終端界面上輸入指令，點擊發送按鈕將指令發送給車載主機，發送出去的用戶指令顯示在交互窗口中。車載主機收到用戶指令并對指令進行有效性判斷，對于無效的用戶指令，車載主機回復指令無效，診斷維護終端在交互窗口中顯示指令無效的提示信息。對于有效的用戶指令，車載主機將根據指令內容回復指定的信息，且在診斷維護終端交互窗口中顯示。通過這種一問一答的方式，診斷維護終端指導用戶向車載主機發送正確的指令，對車載主機進行操作。

4．4 及時的界面信息顯示

診斷維護終端一方面需要將交互的信息及時顯示在界面上，另一方面需要接收、處理和發送數據。如果將所有任務都放在UI線程中，有時會使界面卡死。因此，采用多線程的方法搭建軟件結構，設計UI和工作2個線程。UI線程負責更新界面顯示。工作線程負責接收數據、處理數據和發送數據。針對工作線程有信息需要界面顯示，由于這是工作線程和UI線程的跨線程操作，使用代理方法將工作線程的信息顯示在界面上?；驹瓌t就是工作線程負責所有的運算，UI線程負責純粹的界面更新。

5 結束語

本文介紹了一種用于列控車載設備的診斷維護終端，可以用于列控車載設備下載參數，還可以用于下載列控車載設備存儲的應用故障記錄，是列控車載設備日常運營維護、故障分析的重要工具。

［1］ 中國鐵路總公司．CTCS－2／3級列控車載設備人機界面（DMI）顯示暫行規范［S］．中國鐵路總公司，2014．

［2］ 北京全路通信信號研究設計院有限公司．CTCS3－300T列控車載設備DMI司機操作手冊［S］．北京全路通信信號研究設計院有限公司，2013．