多任務(wù)TDCS車站分機(jī)通信協(xié)議的設(shè)計

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)計了實時多任務(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)實現(xiàn)多線程之間的通信，使用信號量和互斥量實現(xiàn)多線程之間的同步；針對以太網(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)計了一個數(shù)據(jù)包分析算法來解析自定義協(xié)議。實踐證明，該設(shè)計具有響應(yīng)速度快、適應(yīng)性強(qiáng)的特點。
關(guān)鍵詞：TDCS；車站分機(jī)；多任務(wù)；通信協(xié)議

    列車調(diào)度指揮系統(tǒng)(TDCS)是實現(xiàn)鐵路各級運輸調(diào)度對列車進(jìn)行透明指揮、實時調(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)軟件主要實現(xiàn)兩個方面的功能：
    (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)接收計算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備、無線車次號設(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RS 422串口通信方式實現(xiàn)；接收命令模塊由以太網(wǎng)通信方式實現(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)，針對上述3個模塊，本文分別建立了3個任務(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)制實現(xiàn)了多任務(wù)之間的通信，而用信號量、互斥等方式實現(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)要對其分門別類進(jìn)行處理就必須明確數(shù)據(jù)的類型、實際長度以及數(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。本文針對以太網(wǎng)通信和串口通信，分別建立了對應(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算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備狀態(tài)信息、無線車次號信息、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，報文類型用來識別該報文是聯(lián)鎖設(shè)備信息、無線車次號信息或者調(diào)度命令信息；序列號用來判斷接收報文的連續(xù)性；CRC錯誤檢測綴用來判斷接收報文的正確性，可以根據(jù)需要選擇不同的生成多項式；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RS 422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)，無線車次號設(shè)備、無線命令調(diào)度設(shè)備和計算機(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)，只能被動地接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。
    在串口通信中，必須為每一個數(shù)據(jù)報文設(shè)計一個起始碼和結(jié)束碼，如0x03，并對報文中所有與起始碼和結(jié)束碼相同的字符進(jìn)行轉(zhuǎn)義。接收方接收到該報文時，再按照轉(zhuǎn)義規(guī)則對其進(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：報文類型、序列號和CRC錯誤檢測綴的作用與以太網(wǎng)通信協(xié)議相同；從機(jī)地址用來區(qū)分該報文的目的地是無線車次號設(shè)備、無線調(diào)度命令設(shè)備還是計算機(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)計相應(yīng)的分析算法進(jìn)行分析并處理。在此設(shè)計了一個數(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)制允許多個進(jìn)程和多個線程同時執(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)行超時及異常處理時，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的作用。