基于LabVIEW的應(yīng)答器報文解碼仿真實現(xiàn)

葉 軻，侯 艷，王 通

（北京鐵路信號有限公司，北京 102613）

應(yīng)答器是列車運行控制系統(tǒng)中用于車-地通信的關(guān)鍵部分，是列車安全運行的重要保證。應(yīng)答器報文數(shù)據(jù)作為車-地通信的信息載體，向CTCS-3 級列控系統(tǒng)車載設(shè)備提供位置、等級轉(zhuǎn)換、建立無線通信等信息，同時對CTCS-2 級列控系統(tǒng)車載設(shè)備提供線路速度、線路坡度、軌道電路和臨時限速等線路參數(shù)信息。應(yīng)答器報文中包含如此重要的線路信息，在正式報文寫入前，必須對報文的正確性進行審核。目前，報文審核還采用人工核對方式，僅能對站名、應(yīng)答器編號、公里標(biāo)和報文版本等基本信息進行核對，對報文數(shù)據(jù)無法核對，審核效率低，審核內(nèi)容有限，同時有一定審核遺漏的風(fēng)險。因此需要對報文解碼方式進行深入研究，實現(xiàn)報文數(shù)據(jù)的解析及數(shù)據(jù)自動比對，擴展審核內(nèi)容，提高報文審核效率。

1 應(yīng)答器報文格式信息

應(yīng)答器報文可分為長報文和短報文，其中長報文用戶數(shù)據(jù)位為913，短報文用戶數(shù)據(jù)位為231。為滿足復(fù)雜條件下地面到車載數(shù)據(jù)的傳輸可靠，用戶報文經(jīng)過數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換后，再進行傳輸。報文數(shù)據(jù)定義如表1 所示。

表 1 報文的格式信息Tab.1 Telegram format information

2 FFFIS解碼策略

由Form Fit 功能接口規(guī)范(Form Fit Function Interface Specification，F(xiàn)FFIS)編碼策略可以知道，在解碼過程中也應(yīng)該將報文分為長報文和短報文。令n為報文長度，則對于長報文，n＝1 023，對于短報文，n＝341。

具體解碼過程如下。

STEP 1：建立報文接收窗口，長為n＋r；（對于長報文，r＝77，對于短報文，r＝121，當(dāng)窗口移動超過7 500 位時，r＝n）。

STEP 2：對報文進行奇偶校驗，若不能通過，返回STEP 1 并移動窗口。

STEP 3：判斷窗口的最左端r位和最右端r位是否一致，若不一致，返回STEP 1 并移動窗口。

STEP 4：尋找報文的起始位置，如果找不到，返回STEP 1 并移動窗口。

STEP 5：判斷由11 位數(shù)據(jù)組成的序列是否符合數(shù)值轉(zhuǎn)換表里的數(shù)據(jù)，若不是則返回STEP 1 并移動窗口。

STEP 6：候選安全報文。

STEP 7：檢查反轉(zhuǎn)位，如果反轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)位為1，則將所有的報文數(shù)據(jù)都反轉(zhuǎn)，如果反轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)位為0，則無需進行數(shù)據(jù)處理。然后檢查控制位是否為001，如果不是，則表示接收到的是未知格式的報文，中止接收報文并返回“未知報文格式”的消息。

STEP 8：從最高位開始讀取報文數(shù)據(jù)進行11-to-10 的轉(zhuǎn)換。

STEP 9：解除擾碼。

STEP 10：輸出用戶數(shù)據(jù)和反轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)位等所需信息。

3 應(yīng)答器報文信息解碼流程

根據(jù)應(yīng)答器報文格式信息以及柜FFFIS 編碼策略的研究，設(shè)計出應(yīng)答器報文解碼的流程，繪制流程框圖，按流程圖進行后續(xù)解碼程序的編寫。流程如圖1 所示。

圖1 報文解碼流程Fig.1 Telegram decoding flow chart

4 LabVIEW狀態(tài)設(shè)計

根據(jù)FFFIS 解碼策略流程，在LabVIEW 中進行程序編寫，LabVIEW 程序如圖2 所示。具體步驟如下：

圖2 LabVIEW程序柜Fig.2 LabVIEW program block diagram

STEP 1：初始化程序；

STEP 2：建立報文數(shù)據(jù)接收窗口；

STEP 3：循環(huán)結(jié)構(gòu)移動數(shù)據(jù)窗；

STEP 4：循環(huán)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)判斷；

STEP 5：輸出數(shù)據(jù)；

STEP 6：結(jié)束。

其中Step4 為程序的核心部分，用于識別報文及對其進行數(shù)據(jù)處理。如圖3 所示，處理機制采用并行結(jié)構(gòu)，同時對信息進行檢測并對檢測狀態(tài)進行邏輯與處理。每個檢測模塊相互獨立，但都會響應(yīng)其他模塊的檢測結(jié)果。如果其中某個模塊先檢測完畢且結(jié)果狀態(tài)為“假”，則其他模塊都會放棄當(dāng)前工作狀態(tài)，所有模塊重新載入新數(shù)據(jù)進行處理，縮短了數(shù)據(jù)的處理時間。下面對其中較難實現(xiàn)的部分做詳細說明。

圖3 Step4程序柜Fig.3 Step 4 program block diagram

1）奇偶校驗檢查

判斷接收到的報文是否能夠通過奇偶校驗，也就是判斷接收到的數(shù)據(jù)的前n位二進制對應(yīng)的多項式能否整除以g(x)，即判斷公式（1）是否成立。

其中，令n＋r位連續(xù)窗口接收數(shù)據(jù)，其前n位數(shù)據(jù)為rn－1…r0，則對應(yīng)的多項式r(x)＝rn－1xn－1＋rn－2xn－2＋...＋r1x＋r0。

對于長報文來說，如公式（2）所示：

對于短報文來說，如公式（3）所示：

2）尋找報文起始位置

令由應(yīng)答器發(fā)送的長為n位的數(shù)據(jù)塊v＝[vn－1…v0] ，v是循環(huán)移動的發(fā)送報文，如公式（4）所示：

其中b＝[bn－1...b0] 為傳輸報文，S為偏移量。尋找報文起始位置即計算偏移量S值的大小。根據(jù)FFFIS 編碼策略，S值與Rf(x)[xSo(x)] 的值存在一一映射關(guān)系，同時，由FFFIS 編碼策略，如公式（5）所示：

因此只要建立一個相應(yīng)的S?Rf(x)[xSo(x)] 對應(yīng)表，那么在確定Rf(x)[V(x)] 即Rf(x)[xSo(x)] 之后，就能找到對應(yīng)的偏移量S。

其中，對于長報文來說，如公式（6）所示：

其中：o(x)為高階余子式。

3）解擾

參照FFFIS 編碼策略，對用戶信息位的數(shù)據(jù)解擾可分為以下3 個步驟。

a.使用12 位擾亂數(shù)據(jù)位計算32 位S的二進制數(shù)值。

假設(shè)選取到的12 位擾亂數(shù)據(jù)位為b106...b95，設(shè)整數(shù)B＝b106·211＋…＋b96·21＋b95·20，定義S如公式（8）所示：

b.使用32 位線性反饋移位寄存器解擾新數(shù)據(jù)，其中寄存器初值為S的值。

使用32 位線性反饋寄存器如圖4 所示，對用戶數(shù)據(jù)進行解擾，輸入為擾亂后的數(shù)據(jù)sm－1,sm－2...s0，輸出為擾亂前的數(shù)據(jù)um′－1，um′－2...um。′S為線性反饋移位寄存器的32 位二進制初始值，圖3 中的方框表示延遲單元，加號表示異或操作，系數(shù)h32,h31,h30,h29,h27,h25,h0等于1，其他系數(shù)為0，即選取的特征多項式如公式（9）所示：

圖4 32位線性反饋移位寄存器Fig.4 32-bit linear feedback shift register

具體過程多項式描述如公式（10）所示：

c.計算用戶數(shù)據(jù)的高10 位得到原始數(shù)據(jù)。至此解碼完畢，得到報文的原始數(shù)據(jù)。

5 應(yīng)答器報文信息解碼的仿真實現(xiàn)與驗證

選取1 條滬寧高鐵應(yīng)答器報文如圖5 所示，進行仿真與驗證，軟件成功對報文進行解碼。解碼過程中獲取2 進制報文數(shù)據(jù)，提取關(guān)鍵字段，應(yīng)答器在應(yīng)答器組中的位置N_PIG、報文計數(shù)器M_MCOUNT、地區(qū)編號NID_C、應(yīng)答器組編號NID_BG，進行驗證，如圖6 所示。

圖5 滬寧高鐵應(yīng)答器報文Fig.5 Shanghai-Nanjing high-speed railway balise telegram

圖6 報文解碼顯示Fig.6 Telegram decoding display

通過對關(guān)鍵字段值與解碼結(jié)果進行對比，解碼正確，解碼系統(tǒng)程序能夠準(zhǔn)確實現(xiàn)應(yīng)答器報文關(guān)鍵字段的解析，如表2 所示。

表2 報文解碼驗證結(jié)果Tab.2 Telegram decoding verification result

對于批量報文審核，在解碼系統(tǒng)程序的基礎(chǔ)上，可設(shè)計自動化的報文審核軟件，實現(xiàn)批量報文數(shù)據(jù)的快速審核，提高審核效率和準(zhǔn)確性。

6 結(jié)束語

本文從應(yīng)答器報文解析需求出發(fā)，對應(yīng)答器報文信息的結(jié)構(gòu)以及FFFIS 編碼策略進行了深入研究。設(shè)計詳細的報文解碼流程圖，基于LabVIEW 編寫解碼程序，對解碼流程中奇偶校驗檢查、查找報文起始位置以及解擾算法3 個關(guān)鍵難點進行攻克，實現(xiàn)了對具體的應(yīng)答器報文的解碼仿真。