６ 基于３Ｇ的地铁ＭＶＢ数据传输的双通道设计 基于３Ｇ的地铁ＭＶＢ数据传输的双通道设计 Ｄｕａｌ Ｃｈａｎｎｅｌ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｓｕｂｗａｙ ＭＶＢ Ｄａｔａ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ３Ｇ 赖华尧 ‘ （南京河海科技有限公司，江苏南京２１００９８） 黄凤辰 花再军 陈 钊 （河海大学计算机与信息学院，江苏南京２１００９８） 摘要：现有的地铁安全运营主要依赖运行控制中心和车载故障诊断系统的帮助，存在诊断不准确和无法实时诊断的弊 端，需要研究一种远程诊断技术，实现远程实时采集地铁车载数据，并在远程提供实时诊断意见，提高地铁安全运营可靠性。 为此提出一种基于３Ｇ的地铁ＭＶＢ数据传输的双通道设计，该设计使用ＡＴＭＥＬ公司ＡＶＲ单片机ＡＴＸＭＥＧＡ３８４Ｃ３作为 主控制器，采用芯讯通公司的ＷＣＤＭＡ模块ＳｌＭ５３２０Ｅ和ＣＤＭＡ２０００模块ＳＩＭ６３２０Ｃ作为无线通讯模块，将ＭＶＢ数据 采集后通过ＷＣＤＭＡ和ＣＤＭＡ２０００通道同时传输给列车运行控制中心，中心专家在线诊断并给出处理意见。试验表明， ＭＶＢ数据传输设备能够稳定可靠的通过３Ｇ网络传输ＭＶＢ数据，目前该设备已经通过了南京浦镇车辆厂的测试，准备在 无锡地铁２号线上应用。 关键词：３Ｇ，多功能车辆总线，ＸＭＥＧＡ，ＳｌＭ５３２０Ｅ，ＳＩＭ６３２０Ｃ，双通道 Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｄｕａｌ ｃｈａｎｎｅｌ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｓｕｂｗａｙ ＭＶＢ ｄａｔａ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ３Ｇ ｉｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒＴｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ．ｕｓｅｓ ＡＴＭＥＬ ＡＶＲ ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ＡＴＸＭＥＧＡ３８４Ｃ３ ａｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．ａｄｏｐｔｓ ＳｌＭＣＯＭ Ｓ ＷＣＤＭＡ ｍｏｄｕｌｅ ＳＩＭ５３２０Ｅ ａｎｄ ＣＤＭＡ２０００ ｍｏｄｕｌｅ ＳｌＭ６３２０Ｃ ａｓ ｔｈｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ Ｔｈｅ ＭＶＢ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｉｓ ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｔｒａｉｎ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｅｎｔｅｒ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ＷＣＤＭＡ ａｎｄ ＣＤＭＡ２０００ ｃｈａｎｎｅｌ，ｔｈｅ ｃｅｎｔｒａｌ ｅｘｐｅｒｔｓ ｏｎｌｉｎｅ ｄｉａｇｎｏｓｅ ａｎｄ ｇｉｖｅ ａｄｖｉｃｅｓ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：３Ｇ，ＭＶＢ，×ＭＥＧＡ，ＳＩＭ５３２０Ｅ，ＳＩＭ６３２０Ｃ，ｄｕａｌ ｃｈａｎｎｅ１． 现有的地铁安全运营主要依赖车载故障诊断系统和运行控 制中心的帮助，车载故障诊断系统只能在车辆回库后才能下载 数据进行诊断，无法实现实时诊断；运行控制中心主要依据司机 对故障现象的描述进行诊断，由于运行控制中心专家不能悉知 列车现场电气特性，存在诊断不准确的弊端 ］。为解决上述问 题，需要研究一种远程诊断技术，实现远程实时采集地铁车载数 据，并在远程提供实时诊断意见，提高地铁安全运营可靠性。 列车控制及监控系统（ＴＣＭＳ），作为整车的控制系统，通过 多功能车辆总线（Ｍｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｂｕｓ，ＭＶＢ）实现与牵引 控制系统、空气制动控制系统、辅助供电系统、信号系统、车门系 统、广播监控系统等部件的数据交换＿２］。ＭＶＢ总线上传输的数据 反应了列车运行过程中的各种信息，通过采集和处理ＭＶＢ总线 数据，并将这些数据通过３Ｇ网络传输到列车运行控制中心，可 供中心的专家分析并给出处理建议。为了保证３Ｇ网络数据传输 的可靠，可以使用双通道设计，即系统同时使用ＷＣＤＭＡ和ＣＤ— ＭＡ２０００网络传输数据，从而实现提高地铁安全运营可靠性 。本 文提出了一种基于３Ｇ的地铁ＭＶＢ数据传输的双通道设计。 １ 系统总体结构 图１ 系统结构框图 以同时使用ＷＣＤＭＡ和ＣＤＭＡ２０００传输同样的一份数据，也 可以单独使用ＷＣＤＭＡ或者ＣＤＭＡ２０００传输数据，另外一个 ＭＶＢ数据传输设备主要由ＭＶＢ数据采集模块和数据通信 通道作为备用通道，当ＷＣＤＭＡ或者ＣＤＭＡ２０００通道无法使 模块两部分构成。ＭＶＢ数据采集模块有三个功能：一是接入 ＭＶＢ总线采集ＭＶＢ数据；二是将ＭＶＢ数据透明传输给数据通 信模块；三是将ＭＶＢ数据和数据通信模块返回的专家诊断信息 显示到车载平板电脑上供司机查看。数据通信模块主要实现将 ＭＶＢ数据通过ＷＣＤＭＡ和ＣＤＭＡ２０００网络传输到列车运行 控制中心以及将中心的专家诊断建议传到ＭＶＢ数据采集模块。 整个系统的结构框图如图１。 用时，启用备用通道。 ２数据通信模块硬件设计 数据通信模块选用ＡＴＭＥＬ公司高性能单片机ＡＴＸＭＥＧＡ一 ３８４Ｃ３作为主控芯片 ，采用芯讯通公司的ＳＩＭ５３２０Ｅ和ＳＩＭ一 ６３２０Ｃ作为３Ｇ通讯模块，数据通信模块和ＭＶＢ数据采集模块 构图如图２。 之间采用ＳＰＩ接口通信，数据通信模块作为ＳＰＩ从机，其硬件结 数据通信模块可以通过多种方式进行３Ｇ数据传输，系统 根据会根据预先设置的工作模式进行网络连接和数据处理，可 ＡＴＸＭＥＧＡ３８４Ｃ３是ＡＴＭＥＬ公司ＡＶＲ ＸＭＥＧＡ系列单片 机的典型代表，要处理的ＭＶＢ数据量大，传输速度要快，而 《工业控制计算机）２０１７年第３０卷第５期 ７ 列车运行控制中心 ＼ 审 ｆ ＡＴ） ＧＡ３８４Ｃ３ 数据通信模块 ｊ ｓｐＩ Ｉ ＭＶＢ数据采集模块ｌ 圈２通信模块硬件结构图 ＡＴＸＭＥＧＡ３８４Ｃ３正好具有处理能力强，ＳＲＡＭ内存足够大的 特点。 ＳｌＭ５３２０Ｅ是芯讯通公司的ＷＣＤＭＡ／ＨＳＤＰＡ无线通讯模 块＿５］，上行速率可达３８４ｋｂｐｓ，下行速率可达３．６Ｍｂｐｓ，同时也 图３主程序流程图 向下兼容ＥＤＧＥ／ＧＳＭ／ＧＰＲＳ。ＳｌＭ６３２０Ｃ是芯讯通公司的 定只发一个通道还是两个通道同时发送，如果发送失败则重新 ＣＤＭＡ２０００ ｌｘ／ＥＶＤＯ无线通讯模块，上行速率可达１．８Ｍｂｐｓ， 尝试发送，直到发送失败超过３次认为该通道有问题需要切换 下行速率可达３．１Ｍｂｐｓ。两种模块都有诸如ＵＳＢ、ＵＡＲＴ、ＳＰＩ、 通道。如果没有网络数据要发送，则重新回到主循环开始处。 ＩＩＣ、ＳＩＭ ｃａｒｄ等外设接口。 ｒ＞（ＭＥＧＡ３８４Ｃ３是Ｘｍｅｇａ系列单片机，它与Ｍｅｇａ系列 ＭＡ×３１０７是ＭＡＸＩＭ公司的ＳＰＩ／ＩＩＣ转ＵＡＲＴ芯片，其带 有一个显著区别是Ｘｍｅｇａ具有更加精细的中断机制，Ｘｍｅｇａ 有１２８字的ＦＩＦＯ，在整个系统中主要起接口转换和数据缓冲的 系列单片机的每种中断可以设置中断级别，共高中低三个级别， 作用，ＭＡ×３１Ｏ７和ＳＩＭ５３２０Ｅ／ＳＩＭ６３２０Ｃ之间使用ＵＡＲＴ接 高优先级的中断可以打断低优先级的中断优先处理，即中断嵌 口，和ＡＴ×ＭＥＧＡ３８４Ｃ３之间使用ＳＰＩ接口，ＭＡＸ３１０７作为 套，而Ｍｅｇａ系列不存在中断级别和中断嵌套的概念。 ＳＰＩ从机。ＡＴＸＭＥＧＡ３８４Ｃ３作为ＳＰＩ主机。 本系统主要用到ＳＰＩ主中断、ＳＰＩ从中断、ＴＶｖＩ中断、ＳＰＩ从 为了实现两个无线通讯模块能够同时工作，ＳＩＭ５３２０Ｅ和 片选中断、两个ＭＡＸ３１０７中断，ＳＰＩ主中断、ＳＰＩ从中断、Ｔｖｖｌ ＳＩＭ６３２ＯＣ都有各自的外围电路、ＳｌＭ卡电路和天线。整个通信 中断均为中等优先级中断级别，其他为低优先级中断级别。ＳＰＩ 模块工作电压为４．５－１８ＶＤＣ，可以使用ＵＳＢ供电或者其他电源 主中断用来向ＭＡＸ３１０７发送数据，ＳＰＩ从中断用来接收ＭＶＢ 适配器。为了快速处理数据．使用ＡＴＸＭＥＧＡ３８４Ｃ３内部３２ＭＨｚ 数据采集模块发送来的数据，将要发送的ＭＶＢ数据存放在待发 时钟源。 送缓存，ＴＶｖＩ中断用来往时钟芯片发送数据，ＳＰＩ从片选中断用 ３数据通信模块软件设计 于读取ＭＶＢ数据采集模块发送来的第一个寄存器值，通过这个 系统程序选择在ＩＡＲ Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ ＩＤＥ集成 寄存器值可以知道ＭＶＢ数据采集模块是想发送ＭＶＢ数据到 开发环境下使用Ｃ语言进行开发，通过ＪＴＡＧ接口来烧写和调 ３Ｇ网络，还是想读取接收到的３Ｇ网络数据。两个ＭＡＸ３１０７中 试程序，所有功能都通过主程序和中断来实现，主程序流程图如 断分别用来处理ＳＩＭ５３２０Ｅ和ＳＩＭ６３２０Ｃ发送给ＭＡ×３１０７的 图３所示。 数据，这些数据先缓存在ＭＡ×３１０７中断，然后通过中断通知 首先系统上电后进行模块初始化，包括时钟设置、Ｉ／Ｏ端口 ＡＴＸＭＥＧＡ３８４Ｃ３到ＭＡ×３１０７中获取。ＳＩＭ５３２０Ｅ和ＳＩＭ６３２０Ｃ 设置、ＳＰｌ／ｌＩＣ／ＵＡＲＴ设置、配置读取、ＭＡＸ３１ ０７初始化等等。然 发送给ＭＡＸ３１０７的数据包括ＡＴ命令的响应，主动通知的网络 后判断ＭＡＸ３１０７是否收到数据，如果有则读取收到的数据供 状态信息以及收到的３Ｇ网络上的数据。 后续处理，没有则进入下一步判断是否接收到数据采集模块数 通过双通道设计、重发机制、定时检测任务等等手段，可以 据，如果有则存储数据到发送缓存，没有则进入下一步判断是否 提高地铁ＭＶＢ总线数据传输的可靠性，通过对这些ＭＶＢ数据 需要切换通道，如果是则执行切换通道逻辑处理，不是则进行网 的监测分析提高了地铁运营的安全性。 络连接，网络连接步骤需要根据工作模式启动单独连接ＷＣＤ— ４网络连接 ＭＡ或者ＣＤＭＡ２Ｏ００，或者同时启动两个模块的连接。如果网络 由于芯讯通公司提供的应用资料只有一套完整的ＡＴ命令 连接不成功，则继续尝试直到超过３次认为连接失败，设置需要 集，没有专门的ＴＣＰ／ＩＰ网络服务应用手册，这里主要介绍如何 切换通道，如果连接成功，判断是否收到３Ｇ网络数据，有则处 使用ＳＩＭ５３２０Ｅ或ＳＩＭ６３２ＯＣ完成ＴＣＰ网络连接，以供借鉴。 理放到接收网络数据缓存，没有则判断待发送缓存是否有数据， ＳＩＭ５３２０Ｅ或ＳＩＭ６３２０Ｃ网络连接的步骤基本一致，ＳｌＭ６３２０ｃ 有则发送网络数据，发送网络数据步骤也需要根据工作模式决 需要使用“ＡＴ＋ＣＳＯＣＫＡＵＴＨＮＶ＝１”和“ＡＴ＋ＣＳＯＣＫＡＵＴＨ＝，． ８ ｃａｒｄ”．”ｃａｒｄ ”没置Ｕｓｅｒ／Ｐａｓｓｗｏｒｄ，而ＳＩＭ５３２０Ｅ小需要，＿卜 而以ＳＩＭ５３２０Ｅ为例，其ｌ圳络连接流程如 ４所示。 坫ｌＦ ３Ｇ的地铁ＭＶＢ数据传输的舣通道设计 １Ｏ）ＡＴ＋ＣＩＰＣＬ０ＳＥ＝Ｏ／／火 Ｓｏｃｋｅｔ并『｝・断ＴＣＰ连接 通过步骤１）～４）叮以榆测ＳＩＭ卡和刚络环境避奇就绪，通 过步骤５）～６）建ｌ上ＴＣＰ网络连接，通过步骤７）发送需要发送的 网络数据，通过步骤８）～９）接收ＴＣＰ网络Ｌ的数槲，通过步骤 １０）町以关闭网络连接。 ５试验结果与分析 将ＭＶＢ数据传输没备接人地铁列车的ＭＶＢ总线，ＭＶＢ数 据采集模块源源小断地把采集到的ＭＶＢ数据传输给数据通信 模块，数据通信模块｛耳根据配畏好的服务器ＩＰ地址和端口，发 送ＭＶＢ数据到服务器端，这里的服务器采用『舣Ｊ络测试助手 Ｌ具 软件。通过观察发现，数据通信模块的网络状态指示灯有二一种状 态：灭、慢闪、快闪。灭表示ＳＩＭ５３２０Ｅ或者ＳＩＭｊ６３２ＯＣ尚末开 图４网络连接流程图 ＳＩＭ５３２０Ｅ上电开机，等待５ｓ待模块稳定后，ＳＩＭ５３２０Ｅ会 自动寻找可川的网络并进行 络注册。首先判断重新开机次数 是否达到３次，如果是则结束本次连接过程，不是则进行ＳＩＭ 卡检测，如果检测到ＳＩＭ卡不正常则结束本次连接过程，ＳＩＭ卡 正常则检 Ｍ络注册是否成功，如果嘲络注册不成功则延时 １００ｍｓ再次尝试，商至尝试３次不成功时 新开机进行网络连 接；如果网络注册成功，则执行打开网络命令，如果打开网络不 成功则延时１００ｍｓ再次尝试打开网络，直至尝试３次不成功时 重新开机进行网络连接，如果打开网络成功，则执行网络连接命 令，如 建 网络连接不成功则延时１００ｍｓ再次执行网络连接 命令，良争尝试３次不成功时重新开机，如果成功建立网络连 接．则本次『烈］络连接过程结束。 ＳｌＭ５３２０Ｅ模块建立网络连接和数据收发的关键ＡＴ指令 如卜： １）ＡＴ＋Ｃ ＪＣＣｆＤ／／森询Ｓ ＪＭ 的ＩＣＣＩＤ； ２）ＡＴ＋ＣＳＱ／／检 信 ‘强度； ３）ＡＴ＋ＣＲＥＧ？／／查询ＣＲＥＧ状态，返叫“＋ＣＲＥＧ：０，１．＇表求成功； ４）ＡＴ＋ＣＧＲＥＧ？／／奁咖ＣＧＲＥＧ状态，返【ｌ１】“＋ＣＧＲＥＧ：０，１＇’表示 成功； ５）ＡＴ＋ＮＥＴＱＰＥＮ／／－Ｊｌ Ｊｔ：网络命令，返 “＋ＮＥＴＯＰＥＮ：０”表示打 玎网络成功； ６）ＡＴ＋ＣＩＰＯＰＥＮ＝Ｏ， ＴＣＰ ，”２２１．１８１ ２１１ ７７”，８０１１／／‘ｊ指定服务 端建 ＴＣＰ连接，返网“＋ＣｌＰＯＰＥＮ：０，０”表示建证ＴＣＰ连接成功； ７）ＡＴ＋Ｃ ＪＰＳＥＮＤ＝Ｏ，５／／准备发送５宁 数据，等待返同“＞”符号 后，输入婴发送的５个字１，数据即可完成发送，如果发送成功应该再返 叫“＋ＣＩＰＳＥＮＤ：０，５，５”； ８）ＡＴ＋ＣｌＰＲＸＧＥＴ＝Ｉ／／没 模块缓存收到的网络数据； ９）ＡＴ＋ＣＩＰＲＸＧＥＴ＝２，０．５７／／一次最多从ＳＩＭ５３２０Ｅ取５７个字 的缓存网络数瓠｝｝； ‘机启动；慢闪表示止在进行嘲络连接；快闪表示有 络数据在发 送或抒接收到刚络数据。数据通信模块在工作模式６下，两个通 道的服务端地址均为１７２．２６．１２７．５２：５０５２，服务器 动ＴＣＰ服 务后，收到的数据如图５所示。 图５服务器接收到的ＭＶＢ数据 从数据中可以发现，有两个客户端与服务器建＿Ｌ 了连接，并 收到ｒ它们发送的数据，分别为１８０．９８．１２５ ７：２５８５９和 １８Ｏ．９８．１７２．２２６：４７２６，这两个客户端分别对虚厂ＳＩＭ５３２０Ｅ和 ＳＩＭ６３２０Ｃ，两个客户端发送来的数据是一模一样的，达到ｌ『 ＷＣＤＭＡ通道和ＣＤＭＡ２０００通道共同传输ＭＶＢ数据的日的。 如果通过专门的ＭＶＢ数据解析软件，还可以把这些数据解析成 列车车门状态，列车速度，列车故障等信息展示出来 ６结束语 日前该设备已经通过了南京浦镇车辆厂的测试，准备在无 锡地铁２号线上应用。本设计中的舣通道可以同时使用，也可以 做热备或冷备，对其他对数据传输可靠性要求较高的场合也行 借鉴意义． ．参考文献 ［１］黄驰，苏钊颐 ｊ 有以太网接ｒｌ的地铁列车ＭＶＢ数据侦听装旯［Ｊ］ Ｉ乜力机车与城轨牟辆，２０１５，３８（３）：５６—５８ ｌ２ｊ魏宜军，彭军，刘剑锋，等．基于ＡＲＭ处理器的ＭＶＢ２类设备研究 ［Ｊ］现代电子技术，２００７（１５）：９３—９６ ［３ｊＩ 鹏，王文庆越于３Ｇ的能耗数据采集器设汁［Ｊｊ＿ｉｆ。锋机测 建－ｊ控 制，２０１５，２３（１２）：４２０２—４２０６ ｌ４¨ 颖，王芳群，吴掣，等基于×ＭＥＧＡ的便携Ｊ＝ｉ＝ｌＵ解质分析仪的没汁 ｌ Ｊｊ．电子没计 ，２０１０，１８（６）：１６７—１６９ ［５］吴响，毛亚青，赵强旗于ＳＩＭ５３２０的老年人远 监护系统设计 ｊ研 究［Ｊ］测试＿＝＿【＿：具 ｊ解决方案，２０１５（２２）：１２１—１２３ ｆ收稿Ｅｌ期：２０１７ ２ １３］