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光纤局城网网络节点设备在高速铁路安全信息中软件应用
【摘 要】 要实现安全信息传输,光纤是最佳的选择介质,在信号传输过程中,利用光纤专用网络,提供优质通道,达到铁路所需求的信息传送实时性,在具抗干扰能力方面比较突出,效果显著,发展到一定程度可以减少或替代电缆,在建设过程中可以融合计算机技术,来解决大量的一些信息实时处理,高速铁路车站安全信息,光纤局域网利用的光纤通信技术、网络技术和微机技术都可以实现信息的实时、可靠、安全、传输高效性.
【关键字】 光纤局城网 网络节点 高速铁路 应用
一、软件功能结构
光纤局域网网络节点设备的功能主要是对网络节点设备中SCC 的控制、双口RAM 交换数据的控制.
按功能把网络节点设备分成几个模块,即网络节点设备初始化模块、帧接收模块、帧发送模块、协议控制模块、双口RAM 读写数据模块.
网络节点设备初始化模块主要对网络节点设备上的硬件进行初始化操作,包括CPU, SCC 和双口RAM.双口RAM的初始化主要是向双口RAM 中的数据单元写入初始化数据(OOH) 以及数据块标志位的初始化.SCC 的初始化主要是对SCC 的一些设置如时钟方式、时钟速率、本站地址、中断设置、码型等等,这些设置直接影响SCC 的运行.CPU 的初始化主要是CPU 内部资源的分配以及一些状态位的初始化,这些是网络节点设备上软件运行正常的基本条件,一般是程序的最开始.
帧发送模块、帧接收模块主要是CPU 控制SCC 发送和接收帧.SCC 发送帧是通过CPU 向SCC 的发送FIFO 中写入要发送的数据并向SCC 的命令寄存器中写入发送帧命令来实现.帧接收模块主要是CPU 通过查询或中断获得SCC 收到帧的指示,并通过SCC 的状态寄存器和接收FIFO 获取帧的状态和内容.
双口RAM 读写数据模块是在硬件的基础上,通过软件对数据冲突进行检测和处理.
协议控制模块是通过软件实现数据通信协议,通信双方如何进行对话,网络通信中传的信息/ 报文格式与控制方式,差错控制与线路合理利用.
二、软件抗干扰能力
不管是传导干扰、辐射干扰,或是系统自身的祸合干扰,其对单片机的影响主要表现为两种情况: 一是程序跑飞,不按程序员预先安排的步骤运行,而是跳转到其他地址去运行,产生一些错误的动作,甚至步入死循环.这是计算机受干扰后表现最为突出的一种现象；二是改变数据、标志位及输出口,造成运算错误、判断失误和输出混乱.因此,只要我们在编程中解决以下几个问题,抗干扰就会成为可能:
1) 不让干扰破坏程序本身的内容.2) 在程序跑飞后能重新回到正常的程序入口处,干扰过后能恢复正常运行.3) 减少程序跑飞后执行非法指令的时间,以降低跑飞的程序所造成的危害.4) 不要让程序进入死循环.5) 因干扰而导致数据、标志、输出口的改变,要能及时发现,及时纠正.
单片机自身的一些特点为解决上述问题提供了可能:1) 目前大多数单片机应用系统的程序存储器是只读存储器,一般干扰不会修改其内容.2) 单片机指令集所对应的机器码作为单片机硬件的一部分事先由厂家做好,各种不正常组合的机器码可以预测其结果.3) 单片机有丰富的指令系统和较强的是非判断能力.4) 单片机内部为软件抗干扰提供了丰富的硬件资源.
编程时不能让程序任意跳转,否则整个程序会纠缠在一起,一个好的程序结构,不仅能增加程序的可读性,而且对软件抗干扰方案的实施有着十分重要的意义.结构化程序设计就是把整个程序分解为若干个功能模块,每个功能模块都应是一个正规程序,即只有一条输入线和一条输出线,并且模块中的每个节点均有一条从输入线经过节点到达输出线的路径.
设置软件狗其目的是定时监视程序是否正常运行.在一些新近推出的单片机中.有很多增加了对程序定时监视的硬件.但目前仍有相当一部分单片机没有这一功能,我们可以利用单片机本身定时器资源设置一个软件狗.
设置“令牌”其目的是使每个模块的进、出口处都有把关.模块化的程序在组合后,可对每一模块进行编号.模块的入口处有一发放“令牌”的语句,在模块的重要位置和模块出口,都要核对 “令牌”准予通行.并在模块出口处收回“令牌”.这样,只有当程序在正常入口处进入模块时,才能得到通行证一“令牌”,当程序从模块的其他位置非法进入时,肯定得不到“令牌”,就会在核对 “令牌”处发觉,并把程序引人出错处理或进入陷讲处理程序.重新调整各处数据、标志、输出口,再转入正常入口.具体做法是可设一令牌寄存器,核对“令牌”,检验令牌寄存器是否与本模块号一致.出口处清除令牌寄存器.
程序进程表可对程序的运行进程进行登记: 一是正在运行的模块号,多少级调用就应有多少个模块号在册登记；二是程序调用深度,可设计成类似栈指针的结构.一旦程序跑飞,在捕获到跑飞的程序后,可以查询程序进程表,从中得知程序是从哪个模块飞出,被哪个模块调用,根据调用深度和子、父模块号再向上追溯,依次去修复栈指针、标志等,确定程序的最佳入口处,减小干扰对程序的影响.程序跟踪表可以采取冗余数据结构,以防干扰破坏其正确性.
设置陷阱捕获跑飞的程序
在模块与模块之间,未被使用的空白程序存储器,以及较大模块跳转指令的后面,都应该填上如下的捕获语句:NOP
NOP
LJMP CATCH
对捕获到的跑飞程序可交纠错程序处理.
以上这些软件抗干扰的方法,在编制程序的过程中结合网络节点设备软件的特点,都得到了应用.
三、网络节点设备流程
根据前面所述,网络节点设备的软件分为主站和从站两种,由于在数据通信协议中所处的地位不同,二者的程序有很大的区别,下面将分别讨论.
主站在数据通信协议中处于控制地位,介质访问的控制有主站实现,所以主站的协议控制功能模块较为复杂.另外,主站是所有命令帧的发送端和所有响应帧的接收端,所以通过主站双口RAM 的数据量要远大于通过从站的,在对双口RAM 的访问上也要比从站复杂.还有一点是,作为网络的控制节点,主站内的程序中各事件的时序关系比较明确,所有网络中的时序关系均有主站控制,所以程序的流程中的时序关系比较清楚.
从站作为网络中的被控制节点,其程序流程也有自己的特点,从站的主程序比主站的更为简单,是一个简单的循环,所有事件按照数据通信协议的要求都有顺序关系,但所有的时序都是由主站确定,从站只是去与主站的时序对准从站的程序是在等待查询帧、发响应帧和等待命令帧三个状态之间按顺序转移,而转移的条件就是收到帧.在从站程序中,定时器的作用是防止死循环和网络出现错误的检测.因为从站收到帧的时间是由主站确定的是一个时间范围,在此范围内收到帧都是正确的,而超出时间范围就说明网络出现错误.
主站、从站程序虽然在主程序即数据通信协议的控制部分由很大差异,但它们的发送帧子程序和接收帧子程序在流程结构上是相同的,只是在具体程序实现上有些差异.特别是主站、从站的发送帧子程序可以是完全一样的,因为主站、从站只是发送帧的长度不同,所以只是在调用发送子程序时的入口参数即帧长度采用不同的值就可以了.
在接收子程序上,主站和从站的差异也很小,可以看出主站和从站的区别在于对相同中断的不同处理,包括数据和状态标志等等.由于网络节点设备的硬件决定SCC 通过中断申请方式向CPU 反映收到帧,所以接收子程序实际上就是外部中断0 的中断响应处理程序.由于SCC 的特点,所有SCC 中断源都通过一根中断线来反映的,响应中断后必须通过查询SCC 的中断寄存器来确定具体是那种中断,所以在中断处理程序当中中断寄存器内容的保护是非常重要的.
参 考 文 献
[1] 屠世祯《光纤区域网原理与设计》人民邮电出版社,1992.
[2] 高阳《计算机网络原理与实用技术》清华大学出版社,2012.
[3] 刘晓辉等《局域网组网技术》中南工业大学出版社,2007.
[4] 陈国华著《安全管理信息系统》国防工业出版社,2007.
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