摘要 ：為解決 CTCS-3 級(jí)的安全計(jì)算機(jī)平臺(tái)內(nèi)部通信總線不安全的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種能夠滿足 EN50159 中有關(guān)安全網(wǎng)絡(luò)需求的總線。該總線具備硬件二乘二取二，能夠?qū)��?yīng)用層數(shù)據(jù)分組打包，且對(duì)應(yīng)用層數(shù)據(jù)添加 C R C 編碼和校驗(yàn)，并且能檢測(cè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路連接狀態(tài)的主 - 從之間全雙工的數(shù)據(jù)通信等多項(xiàng)通信功能和安全保障功能。能夠解決車載平臺(tái)內(nèi)部安全通信的問(wèn)題，對(duì)安全計(jì)算機(jī)車載平臺(tái)的研究具有重要意義。

　　關(guān)鍵詞 ：安全總線 ;安全平臺(tái) ;時(shí)序狀態(tài)機(jī) ;SBP

　　1 概述

　　CTCS-3 級(jí)列車控制系統(tǒng)是一個(gè)故障 - 安全的高安全等級(jí)系統(tǒng)，車載系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線 GSM-R 網(wǎng)絡(luò)，獲取行車許可等信息，按照地面控制系統(tǒng)的指令進(jìn)行車輛運(yùn)行控制。以國(guó)內(nèi)武廣高度鐵路線的 ATP 車載為例，ATP車載設(shè)備由以下單元 / 模塊組成。1)安全計(jì)算機(jī)(VC);2)軌道電路信息接收單元(TCR);3)應(yīng) 答 器 信 息 接 收 模 塊(B T M) 及 應(yīng) 答 器天線 ;4)無(wú)線通信模塊(RTU);5)人機(jī)界面(DMI);6)列車接口單元(TIU);7)測(cè)速測(cè)距傳感器。其中，安全計(jì)算機(jī)(VC)，作為核心處理設(shè)備，承擔(dān)了 ATP 車載設(shè)備的核心處理邏輯，是 ATP 車載設(shè)備最重要的部件。VC 主要包含如下幾個(gè)部分。

　　1)主控邏輯單元 ;2)測(cè)速測(cè)距單元 ;3)安全輸入輸出單元 ;4)通信接口單元 ;5)安全通信單元。

　　SBP 安全總線完成安全計(jì)算機(jī)平臺(tái)中的板間安全通信功能，完成主控板之間、主控板和功能板之間的數(shù)據(jù)交互，向上層提供經(jīng)過(guò)校驗(yàn)和可靠性驗(yàn)證的數(shù)據(jù)鏈路。SBP 安全總線采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的主 - 從工作模式，使用 3 條信號(hào)線進(jìn)行串行數(shù)據(jù)通信。SBP 安全總線需要識(shí)別并報(bào)告所有硬件取二錯(cuò)誤，識(shí)別并檢測(cè)鏈路的連接狀態(tài)、硬件的錯(cuò)誤狀態(tài)，能夠保證數(shù)據(jù)發(fā)送的完整性和可控性，檢測(cè)干擾的存在，進(jìn)行上電自檢和運(yùn)行周期檢測(cè)。

　　2 SBP總線結(jié)構(gòu)

　　SBP 通信模塊由 SBP 主端模塊(SBP Master)、SBP 從端模塊(SBP Slave)和連接模塊組成。為滿足安全完整性需求，系統(tǒng)架構(gòu)采用雙系同構(gòu)方式(M 系和 N 系)，兩系獨(dú)立運(yùn)行，形成二乘二結(jié)構(gòu)，兩系運(yùn)行在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行取二操作，保證運(yùn)行結(jié)果的正確性。在 SBP 傳輸協(xié)議中，明確區(qū)分取二錯(cuò)誤和傳輸鏈路錯(cuò)誤，兩種錯(cuò)誤可以分別檢測(cè)并具備功能完整性檢測(cè)功能。

　　SBP 的 傳 輸 協(xié) 議 分 為 MAC 層 和 PHY 層， 其中 MAC 層完成傳輸狀態(tài)的控制和寄存器堆的更新，MAC 層 對(duì) 上 提 供 寄 存 器 訪 問(wèn) 接 口， 寄 存 器 使 用Memory Mapped 映射 ;PHY 層完成物理信號(hào)的傳輸和物理硬取二的實(shí)現(xiàn)，物理層的傳輸使用 3 根硬件連線，1 根 SCK 時(shí)鐘線由主端驅(qū)動(dòng)，1 根 MO數(shù)據(jù)線由主端驅(qū)動(dòng)，1 根 SO 數(shù)據(jù)線由從端驅(qū)動(dòng)。

　　3 SBP Master控制狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)

　　MAC 模塊對(duì)內(nèi)控制鏈路的建立、數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始和結(jié)束、數(shù)據(jù)傳輸正確性的校驗(yàn)等機(jī)制。SBP 的通信過(guò)程由主端控制，4 個(gè)步驟完成一次傳輸，周而復(fù)始。每個(gè)物理幀(數(shù)據(jù)幀或控制幀)需得到另一端的反饋(ACK/NACK)才能結(jié)束，若傳輸超時(shí)，則重新發(fā)起傳輸。查詢 ：主端發(fā)起查詢幀，并等待從端應(yīng)答。狀態(tài) ：從端回復(fù)查詢幀，并報(bào)告自己的狀態(tài)，主端接收后應(yīng)答該幀。接收 ：若從端無(wú)數(shù)據(jù)待發(fā)，則該狀態(tài)跳過(guò) ;若有，則從端發(fā)送數(shù)據(jù)幀，主端接收后應(yīng)答該幀。發(fā)送 ：若主端無(wú)數(shù)據(jù)待發(fā)，則該狀態(tài)跳過(guò) ;若有，則主端發(fā)送數(shù)據(jù)幀，并等待從端應(yīng)答。其中，數(shù)據(jù)幀需要經(jīng)過(guò) MAC 層的打包和添加幀頭、CRC 校驗(yàn)等處理，經(jīng)過(guò)處理之后的數(shù)據(jù)幀格式。其中，每種數(shù)據(jù)幀格式對(duì)應(yīng)一個(gè)通信過(guò)程，即在查詢階段，主端發(fā)送的數(shù)據(jù)幀格式為主端查詢幀。

　　4 SBP Slave控制狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)

　　MAC 模塊對(duì)內(nèi)控制鏈路的建立、數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始和結(jié)束、數(shù)據(jù)傳輸正確性的校驗(yàn)等機(jī)制。使能后，SBP Slave 的 MAC 模塊進(jìn)入等到狀態(tài)，等待主端發(fā)送控制幀，根據(jù)控制幀的內(nèi)容進(jìn)行動(dòng)作。當(dāng)成功接收到一個(gè)主端查詢幀或者數(shù)據(jù)幀后，根據(jù)接收幀內(nèi)容的不同，MAC 模塊轉(zhuǎn)入不同的工作流程。

　　1)查詢 ：應(yīng)答主端查詢幀。2)狀態(tài) ：從端回復(fù)查詢幀，并報(bào)告自己的狀態(tài)，等待主端應(yīng)答該幀。3)接收 ：若從端無(wú)數(shù)據(jù)待發(fā)，則該狀態(tài)跳過(guò) ;若有，則從端發(fā)送數(shù)據(jù)幀并等待主端應(yīng)答。4)等待 ：若主端成功應(yīng)答或超時(shí)，則從端進(jìn)入等待狀態(tài)。若接收幀為數(shù)據(jù)幀，則從端應(yīng)答該數(shù)據(jù)幀并回到等到狀態(tài)。其中，數(shù)據(jù)幀需要經(jīng)過(guò) MAC 層的打包和添加幀頭、CRC 校驗(yàn)等處理，經(jīng)過(guò)處理之后的數(shù)據(jù)幀格式。其中，每種數(shù)據(jù)幀格式對(duì)應(yīng)一個(gè)通信過(guò)程，即在查詢階段，主端發(fā)送的數(shù)據(jù)幀格式為主端查詢幀。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　針對(duì)國(guó)內(nèi) CTCS-3 級(jí)列車控制系統(tǒng) ATP 車載設(shè)備的安全計(jì)算機(jī)平臺(tái)內(nèi)部通信總線，目前尚無(wú)安全的通信總線，本文通過(guò)對(duì) EN50159 中有關(guān)封閉網(wǎng)絡(luò)的安全網(wǎng)絡(luò)需求的分析，研究設(shè)計(jì)一種采用硬件二乘二取二，能夠?qū)��?yīng)用層數(shù)據(jù)分組打包且對(duì)應(yīng)用層數(shù)據(jù)添加 CRC 編碼和校驗(yàn)并且能檢測(cè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路連接狀態(tài)的主 - 從之間全雙工的數(shù)據(jù)通信等多項(xiàng)通信功能和安全保障功能的總線，有效解決車載平臺(tái)內(nèi)部安全通信問(wèn)題。

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　　作者：嚴(yán)  敢1，2，齊春晨1，2