多任務(wù)TDCS車站分機(jī)通信協(xié)議的設(shè)計(jì)[圖]

摘要：為了處理TDCS車站分機(jī)從鐵路局調(diào)度中心、車務(wù)終端和計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備接收的各種信息，在此基于Windows操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)多任務(wù)程序。在多任務(wù)程序中，使用消息機(jī)制和消息緩沖區(qū)實(shí)現(xiàn)多線程之間的通信，使用信號(hào)量和互斥量實(shí)現(xiàn)多線程之間的同步；針對(duì)以太網(wǎng)通信任務(wù)和串口通信任務(wù)，建立了相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)了一個(gè)數(shù)據(jù)包分析算法來解析自定義協(xié)議。實(shí)踐證明，該設(shè)計(jì)具有響應(yīng)速度快、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。

列車調(diào)度指揮系統(tǒng)(TDCS)是實(shí)現(xiàn)鐵路各級(jí)運(yùn)輸調(diào)度對(duì)列車進(jìn)行透明指揮、實(shí)時(shí)調(diào)整、集中控制的現(xiàn)代化信息系統(tǒng)，它由鐵道部、鐵路局中心局域網(wǎng)及車站基層網(wǎng)組成。TDCS車站分機(jī)是車站基層網(wǎng)的設(shè)備，起到信息的采集、上傳及下發(fā)的作用，在整個(gè)系統(tǒng)中占有非常重要的地位。

1 功能分析

在車站分機(jī)系統(tǒng)中，車站分機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方面的功能：

(1)接收鐵路局調(diào)度中心和車務(wù)終端的調(diào)度命令，經(jīng)過命令解析處理后，經(jīng)無線調(diào)度命令設(shè)備發(fā)送至列車執(zhí)行；

(2)接收計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備、無線車次號(hào)設(shè)備、無線調(diào)度命令設(shè)備發(fā)送的狀態(tài)信息，經(jīng)過解析和重新封裝后，將狀態(tài)信息發(fā)送到鐵路局調(diào)度中心和車務(wù)終端。

由以上分析可知，系統(tǒng)主要有以下3個(gè)功能模塊：接收狀態(tài)模塊、接收命令模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。其中，接收狀態(tài)模塊由RS422串口通信方式實(shí)現(xiàn)；接收命令模塊由以太網(wǎng)通信方式實(shí)現(xiàn)；數(shù)據(jù)處理模塊主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理和發(fā)送。

2 多任務(wù)模型的創(chuàng)建

基于Windows操作系統(tǒng)，針對(duì)上述3個(gè)模塊，本文分別建立了3個(gè)任務(wù)：串口通信任務(wù)、以太網(wǎng)通信任務(wù)、數(shù)據(jù)處理任務(wù)。其中數(shù)據(jù)處理任務(wù)作為主線程，包含數(shù)據(jù)的接收與上傳，其處理過程如下：

(1)接收線程收到數(shù)據(jù)，放入緩沖區(qū)，并用PostMessage()向主線程發(fā)送消息，通知主線程有數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)；

(2)主線程使用ReadFile()函數(shù)讀取緩沖區(qū)數(shù)據(jù)；

(3)主線程判斷收到的數(shù)據(jù)是否有變化：若有變化，調(diào)用WriteFile()函數(shù)或SendData()函數(shù)發(fā)送消息，并將定時(shí)器清除；否則，繼續(xù)等待。數(shù)據(jù)處理任務(wù)的具體流程如圖1所示。

在該系統(tǒng)中，使用AfxBeginThread()函數(shù)創(chuàng)建以太網(wǎng)通信任務(wù)、串口通信任務(wù)和數(shù)據(jù)處理任務(wù)之后，用消息機(jī)制實(shí)現(xiàn)了多任務(wù)之間的通信，而用信號(hào)量、互斥等方式實(shí)現(xiàn)了線程之間全局變量和函數(shù)的同步。

3 通信協(xié)議設(shè)計(jì)和解析

協(xié)議是數(shù)據(jù)發(fā)送與接收方都必須遵守的一種規(guī)則，這種規(guī)則一部分是發(fā)送方及接收方所認(rèn)識(shí)的信息組成格式即信息結(jié)構(gòu)，另一部分是由信息結(jié)構(gòu)的協(xié)議類型及協(xié)議操作符所組成的會(huì)話方式即傳輸控制。

在該系統(tǒng)中，從串口和以太網(wǎng)接收到的各種的數(shù)據(jù)的類型和長度是不一致的，數(shù)據(jù)處理任務(wù)要對(duì)其分門別類進(jìn)行處理就必須明確數(shù)據(jù)的類型、實(shí)際長度以及數(shù)據(jù)本身。因此必須定義一種數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議以保證通信的可靠性和數(shù)據(jù)讀取的可用性。本文針對(duì)以太網(wǎng)通信和串口通信，分別建立了對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)協(xié)議。

3.1 以太網(wǎng)通信協(xié)議

以太網(wǎng)通信涉及的信息包括計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備狀態(tài)信息、無線車次號(hào)信息、調(diào)度命令信息。本文定義了一種以太網(wǎng)信息通用的數(shù)據(jù)協(xié)議封裝類如下：

在該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，報(bào)文類型用來識(shí)別該報(bào)文是聯(lián)鎖設(shè)備信息、無線車次號(hào)信息或者調(diào)度命令信息；序列號(hào)用來判斷接收?qǐng)?bào)文的連續(xù)性；CRC錯(cuò)誤檢測(cè)綴用來判斷接收?qǐng)?bào)文的正確性，可以根據(jù)需要選擇不同的生成多項(xiàng)式；接收數(shù)據(jù)數(shù)組將根據(jù)聯(lián)鎖設(shè)備信息、無線車次號(hào)信息和調(diào)度命令信息的相應(yīng)內(nèi)容填充。

3.2 串口通信協(xié)議

串口通信采用RS422方式。在嵌入式車站分機(jī)中，冗余的處理器單元采用輪詢的方式進(jìn)行一主多從通信。車站分機(jī)作為主機(jī)，無線車次號(hào)設(shè)備、無線命令調(diào)度設(shè)備和計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備作為從機(jī)。具體為：使用1問1答的方式，整個(gè)系統(tǒng)中車站分機(jī)發(fā)送查詢命令，其他設(shè)備是從機(jī)，只能被動(dòng)地接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。

在串口通信中，必須為每一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文設(shè)計(jì)一個(gè)起始碼和結(jié)束碼，如0x03，并對(duì)報(bào)文中所有與起始碼和結(jié)束碼相同的字符進(jìn)行轉(zhuǎn)義。接收方接收到該報(bào)文時(shí)，再按照轉(zhuǎn)義規(guī)則對(duì)其進(jìn)行還原。本文定義的通用串口數(shù)據(jù)協(xié)議封裝類如下：

其中：報(bào)文類型、序列號(hào)和CRC錯(cuò)誤檢測(cè)綴的作用與以太網(wǎng)通信協(xié)議相同；從機(jī)地址用來區(qū)分該報(bào)文的目的地是無線車次號(hào)設(shè)備、無線調(diào)度命令設(shè)備還是計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備。

查詢命令的數(shù)據(jù)格式如表1所示。

3.3 自定義協(xié)議的解析及應(yīng)用

對(duì)于從設(shè)備讀取來的數(shù)據(jù)如何才能正確按照上述協(xié)議分析并使用，則必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的分析算法進(jìn)行分析并處理。在此設(shè)計(jì)了一個(gè)數(shù)據(jù)分析類來進(jìn)行處理：

數(shù)據(jù)接收和分析基本流程：數(shù)據(jù)接收任務(wù)調(diào)用數(shù)據(jù)分析類的Write()函數(shù)，將接收到的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)分析類緩沖區(qū)；數(shù)據(jù)處理任務(wù)調(diào)用數(shù)據(jù)分析類Read()函數(shù)讀取數(shù)據(jù)分析類緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，讀取的規(guī)則是按照數(shù)據(jù)協(xié)議格式來讀取。它的基本流程如圖2所示。

4 結(jié)語

在Windows平臺(tái)下，應(yīng)用程序開發(fā)人員可以利用它提供的多任務(wù)機(jī)制開發(fā)具有并發(fā)需求的軟件系統(tǒng)，它的多任務(wù)機(jī)制允許多個(gè)進(jìn)程和多個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行。

車站分機(jī)通信軟件就是在此基礎(chǔ)上開發(fā)的；協(xié)議是數(shù)據(jù)發(fā)送與接收方都必須遵守的一種規(guī)則，在該系統(tǒng)中，從串口和以太網(wǎng)接到的收數(shù)據(jù)格式不一致，如果不對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式打包，在傳輸大量的數(shù)據(jù)和進(jìn)行超時(shí)及異常處理時(shí)，就必須進(jìn)行繁瑣的編程。本文中自定義了協(xié)議包的信息結(jié)構(gòu)，并給出了它的解析算法，在通信軟件中起到了化繁為簡(jiǎn)的作用。

作者：陳雁冰 鄭文宇 張春雨 來源：電子元器件應(yīng)用