基于嵌入式技术的轨道交通车站设备信息前端处理器及方法 【技术领域】
本发明属轨道交通车站设备技术领域，特别是涉及一种基于嵌入式技术的轨道交通车站设备信息前端处理器及方法。
背景技术
作为城市公共交通系统的一个重要组成部分，目前城市轨道交通有地铁、轻轨、市郊铁路、有轨电车以及悬浮列车等多种类型，号称“城市交通的主动脉”。目前我国正处于轨道交通建设的繁荣时期，中国已经成为世界上最大的城市轨道交通市场。
我国轨道交通的发展前景是广阔的，但是不能忽视当今轨道交通系统所存在的问题。车辆、车站设备、监控系统基本采用控制器与微机监控系统，涉及各厂商的不同设备和通信协议，随着车站设备种类、数量的增加，需要更多的集成量和关联度，使整个轨道交通系统既具有网络管理功能又具备高度的自治能力，所以各系统的信息采集、数据互通正变得更加复杂。在现代化城市中，轨道交通车站设备种类繁杂，相互交叉，各类设备的控制系统之间又存在制式的差异，不同种类设备控制系统之间的信息并不能互通有无，不能有效的共享信息，若某种设备出现了问题，其他设备控制系统并不能立即得到该信息，必定会耽误处理问题的时间，甚至会造成危害的进一步扩大。从而可以看出，单独线路设备控制系统建设方式所带来的运营模式已经给轨道交通建设与运营以及安全带来了很大的障碍。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题是提供一种能有效地管理车站设备与车辆运营状态，将异构的轨道交通车站设备系统同构化的一种基于嵌入式技术的轨道交通车站设备信息前端处理器及方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于嵌入式技术的轨道交通车站设备信息前端处理器，所述的轨道交通车站设备信息前端处理器位于轨道交通上层中央监控用计算机与中间层控制设备之间，具有不同的I/O接口及可扩展的I/O接口，所述的轨道交通车站设备信息前端处理器包括相互并联的现场设备通信模块、标准信息输出模块和实时信息存储模块，以及与上述三个模块相连的系统配置模块；
现场设备通信模块：根据不同的通信协议，及各个协议的波特率、数据位、停止位、校验位以及校验方法设置现场设备通信模块，包括车辆、机电设备、信号设备的通讯类型；并可根据车站设备通讯信息，增加对应的通信模块；
标准信息输出模块：实现存储转发信息的功能，轨道交通不同设备的通讯信息控制的I/O触点、内部寄存器分别对应于车站设备信息前端处理器内存不同单元，通过这种物理单元的虚拟映射，不同车站设备的控制信息集中在嵌入式车站信息前端处理器中；这样，监控计算机只需要通过标准的Modbus规约访问车站信息前端处理器即可；实时信息存储模块：用于修改、删除、查询各种设备运行的实时状态信息；
系统配置模块：对整个系统的运行过程进行相应的配置。
一种使用基于嵌入式技术的轨道交通车站设备信息前端处理器的方法，包括下列步骤：
(1)初始化配置：在系统启动时，根据配置文件，初始化与各通信端口的连接设置，即指定各通信资源的分配问题以及所使用的通信函数；
(2)系统建立通信任务，主要包括以下3个任务：
(a)与监控计算机进行基于Modbus TCP/IP协议的通信，实时收发数据信息；
(b)与现场设备实时通信并收发数据；
(c)实时检测与各个现场设备的通信状态，如果发生错误就把诊断信息存储在指定的缓存区域。
所述的步骤(2)的步骤(a)是在TCP协议上进行数据传输，由于TCP是面向连接的传输协议，系统随时侦听连接的情况，确保数据的安全和准确；由于数据处理模块的本质是存储转发，嵌入式车站设备信息前端处理器根据监控计算机的指令，把各个现场设备的状态信息以标准Modbus报文格式发送给监控用主机。
所述的步骤(2)的步骤(b)是根据车站现场设备的通信方式，嵌入式车站设备信息前端处理器轮询各关键寄存器和输入输出端子的状态，并实时刷新映像寄存器；在向上传输信息时，采用被动方式，即由监控用主机发出查询命令，由嵌入式车站设备信息前端处理器响应命令。
所述的步骤(2)的步骤(c)是指嵌入式车站设备信息前端处理器随时监控与各种现场设备的通信状态，若有某种设备的通信发生故障，则应向上报警，嵌入式车站设备信息前端处理器专门开辟了固定的存储区来保存车站各种现场设备的通信状态，监控工作站通过读取该指定缓存区来判断通信状态。
有益效果
本发明能更有效地管理车站设备与车辆运营状态，将异构的轨道交通车站设备系统同构化，为轨道交通的网络化运营与维护创造基础与标准，促进国内轨道交通事业的发展。
【附图说明】
图1为本发明车站设备信息前端处理器系统结构图。
图2为本发明车站设备信息前端处理器模块结构图。
图3为本发明与监控工作站的通信任务流程图。
图4为本发明与现场设备的通信诊断任务流程图。
【具体实施方式】
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明采用ReWorks实时操作系统研发信息前端处理器，接入不同制式的现场设备并以标准Modbus TCP/IP协议的格式输出。
Reworks及RD简介：
本发明使用的是ReWorks嵌入式实时操作系统，该操作系统包括任务、任务通信、中断、异常、时钟、信号及计时器等基本核心模块，涵盖控制台和串口的基本I/O系统，文件系统，网络系统以及图形系统。与此同时，ReWorks系统还可以与VxWorks系统兼容。Reworks是一个高可靠、强实时嵌入式实时操作系统，采用微内核及组件技术，能根据应用需要对操作系统内核进行配置、裁剪、扩展与定制，具备较强的伸缩能力。
(1)微内核、可裁剪、可扩充：最小配置小于100K；
(2)强实时性：响应时间15微秒；
(3)与VxWorks兼容：应用源代码级、驱动目标级兼容；
(4)任务管理：支持优先级抢占和轮转调度算法；
(5)任务间通信：消息队列、时间、信号量和异步信号；
(6)支持区域和分区内存管理机制；
(7)文件系统：兼容MS-DOS文件系统；
(8)支持微秒级高精度时钟；
(9)支持速率单调管理机制；
(10)网络协议：TCP、UDP、IP、ICMP、ARP等；
(11)符合POSIX 1003.1B试试扩展标准；
(12)支持用户扩展管理。
为ReWorks嵌入式软件开发与运行提供全过程支持的软件为ReDe3。ReDe3是一个集嵌入式软件设计、开发、调试、仿真验、测试、集成部署于一体的开发平台。它以Eclipse开放体系结构为基础，集成了实时嵌入式软件建模与测试等CASE工具，提供了团队开发能力，具备了完善的工具链管理配置能力，具有指令级仿真能力，提供了所见即所得的嵌入式图形应用开发环境，具备主机开发环境与目标环境协同工作能力，并提供了丰富的目标系统运行工具，具备外部资源自动导入识别能力，提供了软件资源复用机制，具备强大的嵌入式软件定制与配置能力及集成部署与冲突检测机制。
轨道交通车站设备简介：
(1)车辆：车辆是轨道交通的主体，不同的线路可能采用了不同厂家的车辆设备。轨道交通车辆既有直流车，也有交流车，其供电系统有主变、牵引、降压变电站、接触网及电力监控设备。
(2)机电设备：主要有车站、区间、车辆段的各类低压配电设备、照明、FAS、BAS、自动电梯、自动扶梯、给排水系统、还空系统、售检票系统。
(3)通信设备：主要有传输系统、程控交换系统、无线系统、广播系统、图像监控系统、时钟系统、电源系统、线路设备组成。主要是为运营组织、指挥提供语音及图像信息以及电力监控系统(SCADA)、环控系统(BAS)、防灾报警系统(FAS)、自动售检票系统(AFC)等信息的传输。
(4)信号设备：信号系统(ATC)是轨道交通线路上唯一的指挥列车运行系统，主要有列车自动驾驶系统(ATO)、列车追踪运行保护系统(ATP)、行车指挥系统(ATS)组成。
(5)工务设备：主要有轨道、道岔、道床等。
如图1所示。本发明通过研发嵌入式轨道交通车站设备信息前端适配器，使得车站现场不同的异构设备能集成，一旦综合监控系统的监控对象发生软、硬件环境的变化，则只需修改采集点和客户端的配置即可，从而最大程度的保持上层应用系统架构不变。
嵌入式车站设备信息前端处理器是在上层中央监控室工作的，是一款由交流电源直接供电的非移动装置，无特殊的功耗要求。从国内同类厂商硬件架构设计的角度分析，X86架构本身的设计成熟度较高，相关的软硬件资源非常丰富，所使用的指令集是符合工业标准的架构，所有的开发套件都有支持X86处理器的，加上完整支持32位与64位的运算体系，以及更低的功率消耗。
由于嵌入式车站设备信息前端处理器负责各种不同现场控制设备的接入，而这些控制设备的输入接口有串口(RS232/485)、USB、以太网接口等，对上层提供统一的TCP/IP以太网络接口输出，所以嵌入式硬件的要求是要提供多个不同的I/O接口，能接入市面上主流的控制器。同时还需要具备一定的I/O扩展能力，以适应未来的扩展需要。
嵌入式主板采用CPC-1711CLD2NA 64位Pentium M 6U Compact PCI主板，主板兼容PICMG2.0，PICMG2.1，PICMG2.16，PICMG2.9，IPMI v1.5标准。采用Intel的Intel855GMEMCH+Intel 6300ESB ICH的嵌入式解决方案实现。最高支持400MHz FSB Intel Pentium M处理器，板载内存512M，可扩展1G，具备很高的兼容性。提供VGA显示接口。2通道PATA/100和1通道SATA/150；在板集成2个GbE，通过PCI-X实现；在板32bit PCI桥；集成协处理器实现IPMC功能，兼容IPMI v1.5标准。在板4路USB2.0Host接口；在板2路COM口，PS/2接口以及一个并口。
如图2所示，嵌入式车站设备信息前端处理器位于上层中央监控用计算机与中间层控制设备之间。控制设备根据各自的通讯协议发送报文，通过车站设备信息前端处理器，将其转化为统一的通信协议，对上提供标准的TCP/IP接口及协议输出，实现协议转换的功能。在车站设备信息前端处理器中存储有配置数据，通过配置串口设置，即可适应不同的系统制式。为了实现这样的功能，嵌入式车站设备信息前端处理器必须包括四个功能模块。
车站设备信息前端处理器的软件设计为四个模块，即现场设备通信模块，基于Modbus/TCP的标准信息输出模块，系统配置模块，实时信息存储模块。下面将这四个模块一一介绍：
(1)现场设备通信模块
现场设备通信模块必须根据现场设备的通讯类型进行设置，车站信息前端处理器的开发使用了车辆、机电设备、信号设备的通讯类型进行设置。如果要接入其它的车站设备通讯信息，只需增加对应的通信模块即可。在编写车站设备通信模块时要了解不同的通信协议，及各个协议的波特率、数据位、停止位、校验位以及校验方法等。
(2)基于Modbus/TCP的标准信息输出模块
嵌入式车站信息前端处理器的本质是一个存储转发的装置，现场不同设备的通讯信息控制的I/O触点、内部寄存器分别对应于车站设备信息前端处理器内存不同单元，通过这种物理单元的虚拟映射，不同车站设备的控制信息实际上全部集中在嵌入式车站信息前端处理器中。这样，监控计算机不需要直接访问现场设备，而只需要通过标准的Modbus规约访问车站信息前端处理器，避免了不同通信规约控制器访问上的障碍。
(3)系统配置模块
系统配置模块主要的作用就是对整个软件系统的运行过程进行相应的配置，以提高系统的运行效率与正确性。
(4)实时信息存储模块
该模块主要用于修改、删除、查询各种设备运行的实时状态信息。
如图3、4所示，车站设备信息前端处理器应用程序处理过程包括：
嵌入式车站设备信息前端处理器应用程序处理过程为：开始→初始化系统变量→车站设备通信端口的设置→网络服务器端的设置→建立若干通信任务→结束。在系统启动时，必须要根据配置文件，初始化与各通信端口的连接设置，即指定各通信资源的分配问题以及所使用的通信函数。与现场设备端的通信设置，需按照现场设备的通信方式设置通信参数，如设置串口通信方式的波特率、校验方式等。由于和监控工作站的通信方式采用以太网Modbus TCP通信方式，使用客户机/服务器模式。服务器端使用ServerSocket监听指定端口，等待客户连接请求，客户连接后，会话产生，完成会话后，关闭连接；客户端使用Socket对网络上车站信息集器的某一端口发出连接请求，连接成功后，打开会话，完成会话后，关闭连接。
初始化配置就绪后，系统开始建立通信任务，主要包括以下3个任务：与监控计算机进行基于Modbus TCP/IP协议的通信，实时收发数据信息；与现场设备实时通信并收发数据；实时检测与各个现场设备的通信状态，如果发生错误就把诊断信息存储在指定的缓存区域。
1.与监控工作站的通信任务
与监控工作站的通信任务流程图如图4所示。由于是在TCP协议上数据传输，而TCP是面向连接的传输协议，系统必须随时侦听连接的情况，确保数据的安全和准确。数据处理模块的本质是存储转发，嵌入式车站设备信息前端处理器根据监控计算机的指令，把各个现场设备的状态信息以标准Modbus报文格式发送给监控用主机。
2.与现场设备的通信任务
根据车站现场设备的通信方式，嵌入式车站设备信息前端处理器轮询各关键寄存器和输入输出端子的状态，并实时刷新映像寄存器。在向上传输信息时，采用被动方式，即由监控用主机发出查询命令，由嵌入式车站设备信息前端处理器响应命令，大部分车站设备都公开其编程口协议，用户只需要通过该协议来查询和发送控制命令，对于没有公开编程通信方式的设备可通过自由口通信方式解决。
3.现场设备通信诊断任务
嵌入式车站设备信息前端处理器必须随时监控与各种现场设备的通信状态，若有某种设备的通信发生故障，则应向上报警，嵌入式车站设备信息前端处理器专门开辟了固定的存储区来保存车站各种现场设备的通信状态，监控工作站通过读取该指定缓存区来判断通信状态。