車載PIS一體化系統PIS主程序設計方案分析

戴國琛

摘 要：介紹了車載PIS一體化系統中PIS主程序的軟件架構及設計方案，并結合實際項目對設計方案可行性進行了分析。

關鍵詞：車載PIS一體化；以太網；總線負載

1 緒論

車載PIS一體化系統是將TCMS主控制程序與PIS主程序集成在一個主控制器中（VCU），連接在以太網總線上，通過VCU既能監視、控制整列車，又能實現PIS系統功能。本文件詳細描述了車載PIS一體化系統中PIS主程序的開發工具、軟件架構、軟件組織形式和軟件設計規范。本文根據實際項目數據進行以太網總線負載計算，對軟件設計方案進行了可行性分析，為軟件模塊設計提供依據。

2 實施方案

2.1 網絡架構

列車通信網絡由以太網總線構成，以太網總線貫穿整列車。

一列車的兩個VCU互為冗余，當其中一個故障時，另外一個將自動接替它的工作，實現無縫切換，保證PIS系統的正常運行。

TCMS主控制程序與PIS主程序在VCU設備內部實現數據交互。

2.2 開發工具說明

PIS主程序軟件使用ISaGRAF 5.2版本的開發工具開發，該軟件開發框架為：程序、字典、IO配線。

程序主要用于創建邏輯關系，字典用于定義各種變量，包括數據結構體，IO配線主要實現了本地變量與其他以太網設備的數據交換，首先IO配線將本地變量映射至相應協議的數據包中，在通過以太網協議將數據包發送至以太網總線，以太網協議的實現封裝在底層庫。

2.3 軟件架構

PIS主程序的軟件架構主要由三部分組成：配線端口、數據輸入輸出模塊、邏輯控制模塊。

在VCU與各PIS系統設備之間，需要建立一個以太網通訊連接。IO配線的類型主要是根據過程數據的類型進行劃分的，不同的通訊協議過程數據類型不同。在使用IO配線端口時，首先要將過程數據的類型導入應用軟件中，數據類型導入完成之后，配置各設備的配線端口。應用程序數據與過程數據之間存在映射的過程，從過程數據獲取所有PIS設備的數據，以及將VCU中映射的數據發送給各PIS設備，這些工作都在配線端口中完成。

在數據輸入輸出模塊中，輸入是將IO配線端口的數據復制給本地變量組中，而輸出則相反。PIS系統設備數據輸入輸出程序： P_II_HW、P_IO_HW。

PIS主程序邏輯診斷包括八個功能模塊：線路信息初始化及報站功能、DACU初始化及控制功能、客室廣播功能、司機室對講功能、乘客緊急對講功能、預錄緊急語音播報功能、各功能優先級診斷、PIS系統狀態診斷。

2.4 軟件組織形式

模塊采用代碼段來描述。代碼段使用PRG來靈活組織。本系統中輸入輸出模塊各對應一個PRG，邏輯模塊按照功能分類來組織劃分PRG。特殊模塊單獨作為一個PRG。

模塊與模塊之間采用全局變量來交換數據。全局變量使用數據集來組織。本系統中所有輸入輸出的全局變量使用數據集來組織。

數據集 （以下簡稱DUT）的目的是將對應同一個節點或同一個功能的各種變量聚集于一個結構中。一個DUT由基本的數據類型組成，且可以包含不同數據類型的變量。

在本系統中DUT可以用作硬件輸入輸出變量，各個PIS設備的狀態，各個功能碼對應的診斷變量，軟硬件版本號。

DUT用于從一個POU傳送數據到另一個或者多個POU中。當編寫程序時，只需要在POU對應的變量組里面定義該DUT結構，這樣POU中需定義的變量數目將會大大減少。

3 以太網總線負載計算

發送報文的時間以毫秒計算。

UPD報文的大小以字節計算。

TRDP報文的大小以字節計算。

下面公式給出了UPD報文服務的網絡負載估計方法，單位為字節/秒：

（以太網封裝 + IP報文頭 + UDP報文頭 + 數據長度） * 1000 / 發送報文的周期 = （26 + 20 + 8 + 數據長度） * 1000 / 發送報文周期 = （54 + 數據長度） * 1000 / 發送報文周期

下面公式給出了TRDP報文服務的網絡負載估算方法，單位為字節/秒：

（以太網封裝 + IP報文頭 + UDP報文頭 + TRDP報文頭 + 數據長度） * 1000 / 發送報文周期 = （26 + 20 + 8 + 40 + 數據長度） / 發送報文周期 = （94 + 數據長度） / 發送報文周期

以蘇州輕軌二號線的總線數據為例，對于各個系統的總線負載計算，TRDP報文數據負載如下：

RIOM10_1：（（94 + 8） * 1000 / 50 + （94 + 24） * 1000 / 50） * 2 = 8800 字節/秒。同理RIOM11、RIOM21、RIOM31均為TRDP通訊，網絡負載分別為8640 字節/秒、8640 字節/秒、4820 字節/秒。

UDP報文數據負載如下：

RIOM10_2： （（54 + 8） * 1000 / 50 + （54 + 40） * 1000 / 50） * 2 = 6240 字節/秒。同理，車門、空調、輔助、DDU、DACU、HMI、FDU、IDU、DLMU、DSDU、PECU、DRV、公共端口均為UDP通訊，網絡負載分別為40800 字節/秒、1264 字節/秒、1272字節/秒、15680 字節/秒、4960 字節/秒、2800 字節/秒、928 字節/秒、928 字節/秒、992 字節/秒、992 字節/秒、7440 字節/秒、464 字節/秒和648 字節/秒。

由此可以計算總線負載：

（8800 + 8640 + 8640 + 4820 + 6240 + 40800 + 1264 + 1272 + 15680 + 4960 + 2800 + 928 + 928 + 992 + 992 + 7440 + 464 + 648） * 8 / （100 * 1024 * 1024） = 0.89%

4 結論

以太網總線負載0.89%遠小于理論帶寬的30%到40%，因此該軟件設計方案符合總線負載要求，可以保證車載PIS一體化系統的可用性和可靠性。

參考文獻：

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