基于以太网与PROFIBUS-DP的铁路信号系统研究

许 波，蒋大明

（北京交通大学 电子信息工程学院，北京 100044）

铁路信号系统是用技术手段实现信号、道岔以及进路之间的制约关系和操作顺序的联锁控制系统，是保证车站行车安全的信号系统。目前国内外对铁路信号的控制大多采用上、下位机的方法来实现。在微机联锁系统中，下位机仅需实现数据的采集、命令发送等，而把主要的联锁功能置于上位机，这样一来，上位机承载负担过重，一旦上位机发生故障，系统的安全性、可靠性将得不到保证，甚至可能使系统处于瘫痪的危险。如果能将一些信息处理和联锁功能置于下位机，就会大大减轻上位机的负担，降低风险，使整个系统的安全性、可靠性得到有效保证。

现场总线的本质是线路简单且信息处理现场化。采用现场总线技术，可以在现场进行诊断、维护和管理信息，从而使得大量信息在现场就地处理、减少现场与控制机之间的信息往返。本文提出的基于以太网与PROFIBUS-DP技术的铁路信号系统就是针对此问题进行研究设计采用PROFIBUS技术解决上下位机的问题，并通过以太网技术进行远程通信，真正实现铁路控制系统一网到底。

1 基于以太网与PROFIBUS-DP的铁路信号系统模型总体方案

1.1 基于以太网与PROFIBUS-DP的铁路信号系统特点

PROFIBUS-DP是优化的、高速的通信连接，专为自动控制系统和设备级分散I/O之间通信设计，是目前全球应用最为广泛的一种现场总线。由于开放性好，各大自动化厂商均有支持PROFIBUSDP的产品，现在已纳入我国的国家标准。同时，以太网技术发展迅速，通信速率不断提高，成本却不断降低。上层机构在建立自己的信息管理系统时，以太网已成为必不可少的一部分。基于以太网与PROFIBUS-DP的铁路信号系统可实现底层测控与上层管理的紧密连接，使用户能够容易地由Internet通过办公管理网络垂直地向下接入各个现场设备，实现直接、安全、快速的监控调度。

1.2 基于以太网与PROFIBUS-DP通信系统模型结构

基于以太网与PROFIBUS-DP的铁路信号系统主要由以下5部分组成：（1）上位机：PC、PLC等完成总线通信控制与管理。（2）代理控制器模块：控制以太网协议芯片与PROFIBUS-DP协议芯片实现数据转换。（3）以太网通信模块：实现上位机与代理平台的TCP/IP通信。（4） PROFIBUS-DP通信模块：实现下位机与代理平台的现场总线通信。（5）下位机：信号机、转辙机等PROFIBUS接口的现场设备。如图1。

图1 以太网与PROFIBUS-DP通信系统模型结构

2 以太网与PROFIBUS-DP通信系统模型的硬件设计

2.1 代理控制器模块

代理控制器模块中的CPU采用LPC-2368，它是代理平台控制系统的核心。LPC2368是一款基于ARM7的微控制器，适用于各种串行通信的应用。此模块主要功能就是通过控制以太网接口芯片及PROFIBUS-DP协议芯片来实现数据转换通信。

2.2 以太网通信模块设计

以太网通信模块主要由芯片DP83848C、隔离变压器HR911105A以及RJ45插头组成。LPC2368芯片内部包含了一个功能齐全的10 M/100 Mbps以太网MAC，因此实现以太网通信只需在芯片外部接一个以太网PHY（物理层）接口和相关电路即可。本系统选用DP83848C作为以太网物理层接口芯片，它提供了包括MII／RMII／SNI接口．可以很方便地与LPC2368连接。其电路框图如图2。

图2 以太网接口电路框图

2.3 PROFIBUS-DP通信模块

PROFIBUS-DP通信模块主要负责代理控制器和上位机之间的数据通信，包括参数配置和数据交换。它的硬件电路主要由协议芯片SPC3、驱动器SN65176、光耦隔离器HCPL0601和RS485接口组成。

SPC3内部集成1.5 K的RAM、模式寄存器、状态寄存器、中断寄存器以及保证SPC3可靠运行的看门狗。还有8位数据总线线和11位地址总线线。由于该芯片集成了完整的PROFIBUS-DP协议，可独立完成全部DP的通信控制功能，这就加速了通信协议的执行效率，降低了设计成本。RS 4 8 5总线驱动芯片选用SN 6 5 1 7 6，可使PROFIBUS-DP的数据传输速率高达12 Mbps。为了实现总线与LPC2368系统的隔离，本系统采用了HCPL0601系列超高速光耦。

3 基于以太网与PROFIBUS-DP通信系统软件设计

3.1 以太网通信模块软件设计

3.1.1 μC/OS-II操作系统的移植

μC/OS-II的移植主要集中在3个部分,即OS_CPU.H，OS_CPU_A.ASM，OS_CPU_C.C。如OS_CPU.H中开关中断的宏:

#i f OS_CRITICAL_METHOD = =2

#defineOS_ENTER_CRITICAL()ARMDisableInt()

#defineOS_EXIT_CRITICAL()

ARMEnableInt()

#endif

ARMDisableInt()和ARMEnableInt()是用汇编语言来编写的，分别为关中断和开中断。

3.1.2 TCP/IP协议栈的实现

TCP/IP协议栈由网络接口层、网际层、传输层和应用层构成。每一个协议作为一个模块来实现，同时还提供了几个函数作为协议的入口点。整个协议的实现方案，可以把不同的功能按照不同的任务来实现，通过一个简单的任务管理器来管理和调度。

以太网通信模块采用实时性较好的UDP通信协议，共有4个任务：lwip_init_task()，tcpip_thread()，udp_recv_thread()，udp_send_thread()。在lwip_init_task()任务中进行LwIP的协议栈的初始化，网络接口（net i f结构体）的初始化，并且分别创建其它3个任务。

3.2 PROFIBUS-DP通信模块软件设计

3.2.1 PROFIBUS-DP分析

PROFIBUS协议的结构定向根据ISO7498国际标准，以开放系统互联网络OSI为参考模型。PROFIBUS-DP在物理层采用的是RS-485的传输方式，各个设备均连在具有线型拓扑结构的总线上。每一个线段可以连入的最大设备数是32，每个线段的最大长度为1200 m。当设备多于32或扩大网络范围时，可以使用中继器连接各个不同的网段。

PROFIBUS-DP在MAC层使用基于Tok en Pas-sing的主从轮询协议。在PROFIBUS的Token Passing网络上各点都连在总线上，其物理地位等同，被赋以统一的逻辑地址（FDL地址），在总线上的各站点按照功能、本身智能化程度等特性的不同分为主站（Master）、从站（Slave）2种类型。

3.2.2 PROFIBUS-DP通信模块的实现

PROFIBUS-DP通信模块的软件部分主要包括：初始化、组态、数据交换。如图3。

图3 状态机流程图

4 基于以太网与PROFIBUS-DP通信系统测试

试验网络中，以太网连入PC机，上位机程序用Visual Basic编写。主站发送Set_Prm数据报文，从站以Shor t_Ack做短确认。主站发送Chk_Cfg报文，同样以Shor t_Ack进行短确认。主站向从站发送诊断请求帧Slave_Diag.req，从站诊断响应Slave_Diag.res。之前的参数化和组态顺利完成后，主站发送Dat a_Exchange.r eq，从站回应Data_Exchange.res。此后主、从站之间开始周期性的数据交换。通过实验建立了通信，实现了数据接收以及数据管理的功能。完成了以太网与PROFIBUS-DP的数据转换，基本达到预期效果。

5 结束语

本文完成了以太网与PROFIBUS技术相结合在铁路信号系统实现的初步研究。重点研究了以太网与PROFIBUS-DP实现通信，并从硬件和软件2方面进行了系统的设计。参照具有良好实时性能的PROFIBUS-DP现场总线协议与以太网协议相关联，避免了以太网随机访问的冲突，很好的提高了通信效率和可靠度。基于以太网与PROFIBUS-DP技术必将成为铁路信号系统发展的趋势，为铁路信号智能通信提供更好的性能。

[1] 侯维岩，费敏锐. PROFIBUS协议分析和系统应用[M]. 北京：清华大学出版社，2006.

[2] 阳宪惠. 现场总线技术及应用[M]. 北京：清华大学出版社，1999.