一種基于Socket通信的車載設備MVB仿真方法

孫二敬，張國振，張振興

（1．北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2．北京市高速鐵路運行控制系統工程技術研究中心，北京 100070）

1 概述

列車控制通信網絡（TCN）規定列車通信網絡分為多功能車輛總線（MVB）和鉸鏈式列車總線（WTB）。MVB 是總線拓撲結構，專用于車輛內部車載設備間通信。由于具有實時傳輸的特點，可以滿足高速鐵路行業穩定性等方面的要求，MVB 在列控車載列車自動防護（ATP）系統設備間通信應用較為普遍，例如車載主機與應答器信息接收單元(BTM)之間、車載主機與人機界面單元（DMI）之間通過MVB 進行數據交互，車載設備通過 MVB采集列車的接口信息及發送列車接口命令等。

在列控車載設備ATP 開發及維護過程中，要在實驗室搭建MVB，需要總線控制器、網關、轉發器、連接器和端接器等一系列硬件支持，成本高，實施難度大，而在PC 機調試階段，從技術和成本上更是很難使用真實的MVB。

為解決此問題，本文設計了一種基于Socket通信的車載設備MVB 仿真方法。此方法使用以太網替代真實的MVB 通信，可以大大降低調試試驗階段試驗環境搭建難度和成本，提高試驗調試效率。

2 MVB仿真設計

2.1 MVB數據傳輸過程

如圖 1 所示，MVB 數據傳輸具有固定的數據端口，車載設備間通過MVB 通信需要先將數據按照通信協議打包，根據端口號1 到n的地址將數據存入相應MVB 端口，其他設備根據需求可以隨時從相應端口讀取到最新數據，實現數據的傳輸與周期性刷新。

圖1 MVB數據傳輸過程Fig.1 Process of MVB data transmission

2.2 MVB仿真方法的提出

Socket 數據傳輸過程如圖 2 所示。從圖2 中可以看出，Socket 是通過“打開—讀/寫—關閉”的模式，實現點對點的通信。Socket 傳輸數據為字節級，傳輸數據長度可自定義，這為仿真MVB 通信傳輸數據兼容MVB 數據提供了可行性。

圖2 Socket數據傳輸過程Fig.2 Process of Socket data transmission

但是與MVB 不同的是，MVB 進行數據傳輸時，發送數據的總線設備以一定時間間隔輸出數據，刷新端口。此數據可以在端口保持，直到該MVB數據端口被刷新，新的數據替代舊數據。當其他總線設備需要此數據時，讀取相應端口，即可得到最新的端口數據。而Socket 傳輸數據為一次性讀取，數據無法在端口保持，讀取方通過Socket 端口讀取一次數據后，無法通過以太網接口函數再次讀取該數據。為了在以太網通信環境下模擬設備應用軟件的MVB 交互式數據傳輸，在設備應用軟件底層增加一層虛擬MVB 軟件，可實現設備應用軟件MVB 相關接口函數的仿真，如圖3 所示。

圖3 虛擬MVB軟件示意Fig.3 Diagram of virtual MVB software

2.3 MVB仿真功能設計

MVB 仿真系統數據交互傳輸過程如圖4 所示。

圖4 MVB仿真數據交互示意Fig.4 Diagram of interaction between MVB simulation data

1）設備A/B（軟件程序）調用MVB 相關接口函數以一定時間間隔xms 寫端口，該端口為虛擬MVB 軟件中的虛擬端口。

2）每隔yms，設備A/B 虛擬MVB 軟件將所有虛擬端口的數據按照一定協議格式組成Socket數據包，經以太網發送至設備B/A。

3）設備B/A 虛擬MVB 軟件通過監聽Socket端口，讀取步驟2）中發送的以太網數據，按照一定協議格式拆分Socket 數據包，分別存入MVB 虛擬端口。

4）設備B/A（軟件程序）調用MVB 相關接口函數以一定時間間隔yms 讀端口，該端口為虛擬MVB 軟件中的虛擬端口。

為保證數據傳輸的完整性和實時性，y應小于或等于x。

3 虛擬MVB軟件模塊設計

虛擬MVB 軟件架構及數據流程如圖 5 所示，虛擬MVB 軟件主要由以下模塊組成。

圖5 虛擬MVB 軟件架構及數據流程Fig.5 Virtual MVB software architecture and data process

1）數據發送管理模塊：此模塊采用虛擬端口模擬MVB 端口接收MVB 數據，主要實現設備A 或設備B 多個MVB 端口的寫入數據功能，并將數據進行緩存，根據任務調度，組織發送端口數據。

2）數據組包模塊：此模塊將數據發送管理模塊中組織發送的多個端口數據組成Socket 數據包，Socket 數據包組成如圖 6 所示。

圖6 Socket數據包Fig.6 Socket data packet

數據組包模塊將多個需同步傳輸的MVB 數據及端口號信息，組合為一個Socket 數據包，并在Socket 數據包包頭中寫入MVB 數據標識，發送到以太網，保證在數據傳遞過程中可以根據端口號實時更新數據。

3）數據傳輸模塊：此模塊將數據組包模塊組成的數據包通過Socket 通信發送到設備B 或設備A。

MVB 采用物理存儲，定期刷新數據方式，保證設備接收到最新數據；在模擬MVB 傳輸過程中，Socket 數據包存儲于固定內存空間， Socket 數據傳輸時間應小于或等于MVB 相關接口函數寫端口時間，保證最新數據實時傳輸，不丟數據和數據不被修改。

4）數據解包模塊：設備B 或設備A 接收到以太網的Socket 數據包，通過MVB 數據標識識別為MVB 信息包，按照規定的協議，解析為不同MVB端口的數據，分別存入相應虛擬MVB 端口數據緩存，供外部軟件以讀取MVB 端口的方式讀取。

5）數據讀取管理模塊：周期讀取虛擬MVB 端口緩存，實現設備B 或設備A 的MVB 端口讀取數據功能。

4 結語

本文的設計方法以車載設備通信環境模擬為主，基于以太網Socket 通信模擬MVB 進行數據傳輸與更新，在MVB 硬件條件不足時，可滿足設備軟件程序的調試要求，并保證數據傳輸的完整性和實時性，大大提高開發和調試效率，減少開發調試環境搭建成本。