具備車地傳輸能力的地鐵列車HDLC數(shù)據(jù)偵聽裝置

周炯

摘? 要：文章通過(guò)分析上海地鐵一號(hào)線列車DINBUS總線物理層、鏈路層，設(shè)計(jì)了具備車地傳輸能力的列車運(yùn)行數(shù)據(jù)偵聽裝置。硬件由基于SOPC II的FPGA收發(fā)模塊、STM32單片機(jī)、LTM收發(fā)模塊構(gòu)成;列車運(yùn)行時(shí)，偵聽裝置將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于Flash中，列車停靠車站時(shí)，單片機(jī)通過(guò)LTE收發(fā)模塊以UDP協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)至地面服務(wù)器。在上海地鐵一號(hào)線列車對(duì)該裝置進(jìn)行了實(shí)車測(cè)試，能夠?qū)崟r(shí)獲取列車運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。進(jìn)一步開發(fā)數(shù)據(jù)分析軟件，即可進(jìn)行列車技術(shù)狀態(tài)分析，為安全運(yùn)行提供保障。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)偵聽;HDLC;SOPC;車地傳輸;UDP協(xié)議

中圖分類號(hào)：TP393? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）03-0014-03

Abstract： Based on the analysis of the physical layer and link layer of DINBUS bus in Shanghai Metro Line 1， a train operation data listening device with vehicle-to-ground transmission capability is designed in this paper. The hardware is composed of FPGA transceiver module based on SOPC II， STM32 single-chip microcomputer and LTM transceiver module. When the train is running， the listening device stores the data in Flash. When the train stops at the station， the single-chip microcomputer sends data to the ground server with UDP protocol through the LTE transceiver module. The device is tested on the train of Shanghai Metro Line 1， and the train operation data can be obtained in real time， and the design goal is achieved. With the further development of data analysis software， the technical status of the train can be analyzed to provide a guarantee for safe operation.

Keywords： data interception; HDLC; SOPC; vehicle-to-ground transmission; UDP protocol

引言

上海地鐵一號(hào)線采用西門子進(jìn)口的8輛編組列車，列車于1993年上線運(yùn)行，距今已有20多年，已經(jīng)過(guò)了2次大修，其控制系統(tǒng)采用了西門子的sibas系統(tǒng)，車輛總線為DinBus。隨著車輛運(yùn)營(yíng)里程的增加，列車故障率呈上升趨勢(shì)，故障呈現(xiàn)多樣性。當(dāng)時(shí)的車載列車診斷系統(tǒng)功能偏重于運(yùn)行功能的安全控制，診斷系統(tǒng)人機(jī)界面提供的信息是有限的，僅記錄列車運(yùn)行中的故障信息，不具備所有信息的記錄功能。車輛逐漸進(jìn)入生命周期的末段，經(jīng)過(guò)大修沒(méi)有更換過(guò)控制系統(tǒng)的地鐵車輛，為保證其運(yùn)用可靠性，需依托車輛的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行故障分析、預(yù)測(cè)，愈來(lái)愈多的故障需要進(jìn)行車輛總線底層的數(shù)據(jù)分析才能根本解決，從而保證列車的安全運(yùn)行。

1 系統(tǒng)組成及工作方式

整個(gè)裝置系統(tǒng)框圖如圖1所示，由四部分組成。（1）DinBus接口電路;（2）基于SOPC 的FPGA DinBus，主要完成DinBus 總線HDLC鏈路控制、曼徹斯特編碼、解碼工作;（3）STM32 單片機(jī)及其以太網(wǎng)接口;（4）LTE模塊。單片機(jī)與FPGA以SPI方式相連;與LTE模塊有串口和USB兩種方式，以太網(wǎng)接口為連接外部PC進(jìn)行有線數(shù)據(jù)下載接口。

偵聽裝置使用前，需將該車型的總線信息按特定格式編制成文本文件，通過(guò)以太網(wǎng)口下載到裝置中，下載時(shí)采用TCP/IP協(xié)議。該接口還可以用于從裝置上傳數(shù)據(jù)至pc機(jī)，上傳數(shù)據(jù)時(shí)采用UDP協(xié)議。

2 基于SOPC的總線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊

上海地鐵一號(hào)線列車CCU間數(shù)據(jù)通訊采用高級(jí)數(shù) 據(jù)鏈路控制（High Level Data Link Control），簡(jiǎn)稱HDLC，控制方式為主從方式，通訊速率500kbps。本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)收發(fā)模塊采用Altera公司 Cyclone IV E系列 EP4CE6E2

2C8N，由HDLC IP核和NIOS CPU兩部分構(gòu)成。HDLC IP軟核由先導(dǎo)幀檢測(cè)、時(shí)鐘解析、同步模塊、HDLC鏈路控制、通信存儲(chǔ)器組成;NIOS CPU 是一個(gè)通過(guò)Avalon總線定制實(shí)現(xiàn)的專用處理器，其將Avalon接口、定時(shí)器模塊、URA核、SPI核共同集成在一片F(xiàn)PGA上。收發(fā)模塊結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.1 幀檢測(cè)單元

幀檢測(cè)單元是一個(gè)序列檢測(cè)電路，采用狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，采用16倍于總線速率的時(shí)鐘信號(hào)（8MHz）為采樣時(shí)鐘進(jìn)行采樣。檢測(cè)過(guò)程為：總線在空閑時(shí)是處于高阻狀態(tài)的，新的數(shù)據(jù)幀開始的判斷條件為：連續(xù)檢測(cè)到至少16個(gè)高電平，緊接著檢測(cè)到16個(gè)低電平后，檢測(cè)到一個(gè)上升沿。

2.2 曼碼解碼、時(shí)鐘同步模塊

Dinbus總線的曼徹斯特編碼有30個(gè)先導(dǎo)幀，此部分主要完成幀同步、曼徹斯特編碼解碼、時(shí)鐘解析并鎖相的工作。

2.3 數(shù)據(jù)解析&CRC模塊

該部分依據(jù)HDLC規(guī)范進(jìn)行鏈路控制、數(shù)據(jù)解析工作，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的CRC校驗(yàn)。

2.4 收發(fā)模塊工作過(guò)程

收發(fā)模塊采用了包含九個(gè)狀態(tài)的有限狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。圖中R_t1， R_t2， R_t3為過(guò)渡狀態(tài)。“幀檢測(cè)”模塊檢測(cè)到一個(gè)新的數(shù)據(jù)幀開始后，通過(guò)使能信號(hào)觸發(fā)曼碼解碼及時(shí)鐘同步模塊，接收30個(gè)先導(dǎo)幀，進(jìn)行時(shí)鐘解析及同步工作（Pre_Rec），同步完成后解碼出幀頭（Head_Rec），根據(jù)解析出的幀頭數(shù)據(jù)，判斷該幀的類型及數(shù)據(jù)長(zhǎng)度;“R_t1”→“Data_Rec”→“R_t2”→“CRC校驗(yàn)”完成該幀的數(shù)據(jù)接收及校驗(yàn)，若為功能幀，接收24位數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)到“R_t3”→“Rec_End”狀態(tài);若為數(shù)據(jù)幀，接收相應(yīng)長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)并進(jìn)行校驗(yàn)，判定該條數(shù)據(jù)是否已完整接收（HDLC可通過(guò)多幀發(fā)送一完整信息），沒(méi)有完整則轉(zhuǎn)回“R_t1”繼續(xù)接收余下數(shù)據(jù);已完整則轉(zhuǎn)至“R_t3”→“Rec_End”狀態(tài)。

圖3 接收控制狀態(tài)機(jī)

2.5 異常時(shí)的處理

接收異常有兩種情況：一是“CRC校驗(yàn)”錯(cuò)誤，二是幀終止分界符與電平序列不相符。當(dāng)發(fā)生異常情況時(shí)，為完整記錄數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)仍然保存，并加注異常碼。

3 LTE模塊

LTE模塊采用N72V05模塊，其結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

該模塊工作溫度為-40°-+85°，LTE數(shù)據(jù)頻段及傳輸速率為：

？藎LTE FDD： B1， B3， B5， B8：non-CA cat4， Max 150Mbps（DL）/Max 50Mbps（UL）

？藎LTE TDD：B38， B39， B40， B41：non-CA cat4， Max 150Mbps（DL）/Max 50Mbps（UL）

滿足上海地鐵車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)的要求，傳輸協(xié)議按“老車-地面通信協(xié)議接口規(guī)范”編寫。

4 實(shí)車測(cè)試

4.1 試驗(yàn)環(huán)境

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)效果，選擇了上海地鐵一號(hào)線AC01型增擴(kuò)編列車0120號(hào)進(jìn)行了靜態(tài)測(cè)試，列車由3個(gè)單元構(gòu)成。試驗(yàn)在一個(gè)單元中進(jìn)行，總線拓?fù)鋱D如圖5所示。

總線信息為：總線通訊速率500kbps，CCU（中央控制單元）地址為01，DDU（狀態(tài)顯示單元）地址為02，TCU（牽引單元）地址為03、05，BECU（電制動(dòng)單元）地址為04、06、07，偵聽裝置采用透明模式，不占地址。

4.2 試驗(yàn)步驟

（1）連接偵聽裝置，下載配置文件，設(shè)置其IP地址為222.66.139.200，傳輸端口30110（基于上海地鐵車地傳輸通訊接口規(guī)范）;（2）合蓄電池，加電;（3）通過(guò)DDU觀察Sibas系統(tǒng)工作情況;（4）sibas完全啟動(dòng)后，設(shè)置一故障（如緊急開門），確認(rèn)在DDU上已報(bào)警;（5）筆記本電腦地址設(shè)置為222.66.139.10，連接偵聽裝置，并下載數(shù)據(jù);（6）開啟地面服務(wù)器，測(cè)試LTE連接及數(shù)據(jù)傳輸。

4.3 偵聽數(shù)據(jù)示例（見圖6）

數(shù)據(jù)示出了02、03、04與主機(jī)01 的交互過(guò)程。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了具有基于LTE進(jìn)行車地傳輸功能的列車HDLC數(shù)據(jù)偵聽裝置的結(jié)構(gòu)，對(duì)內(nèi)部各模塊的功能進(jìn)行了描述。通過(guò)在上海地鐵AC01列車進(jìn)行現(xiàn)車測(cè)試，能夠獲取HDLC總線數(shù)據(jù)，可以通過(guò)以太網(wǎng)接口下載數(shù)據(jù)，也可以通過(guò)LTE進(jìn)行車地傳輸，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能。基于通訊協(xié)議分析，進(jìn)一步開發(fā)分析軟件，即可得出列車不同工況下各設(shè)備的具體工作參數(shù);基于大數(shù)據(jù)的積累、挖掘，可為列車的運(yùn)用、檢修提供數(shù)據(jù)支持，實(shí)現(xiàn)該型列車的智能運(yùn)維，為安全運(yùn)營(yíng)提供保障。

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