CN103391298A

CN103391298A - 基于网络通信的轨道交通实时数据同步系统

Info

Publication number: CN103391298A
Application number: CN2012101397546A
Authority: CN
Inventors: 戴康; 沈雪亮; 刘传勇; 迟宝全; 林先贤
Original assignee: SHANGHAI FITSCO INTELLIGENT TRAFFIC CONTROL CO Ltd
Current assignee: SHANGHAI FITSCO INTELLIGENT TRAFFIC CONTROL CO Ltd
Priority date: 2012-05-08
Filing date: 2012-05-08
Publication date: 2013-11-13

Abstract

本发明公开了一种基于网络通信的轨道交通实时数据同步系统，包括：轨道交通系统内的两个以上的CPU，每个CPU分别与一个网卡相连接，所述网卡之间相互连接。本发明适合与不同类型的CPU，适合实时性要求较高的系统，实现方式简单，基于标准的工业以太网，UDP协议简单方便，不需要复杂的网络链接，链接方式为点对点，具有较高的实时性和可靠性。

Description

基于网络通信的轨道交通实时数据同步系统

技术领域

本发明属于软件算法领域，用于数据的实时同步通信。

背景技术

在工业控制系统和安全信号系统（应用于航空电子、铁路信号、核电等行业）中，软件系统一般采用多个CPU实现，软件系统之间需要进行实时的数据同步。为了确保数据同步的高实时性和高可靠性，必须采用有效的通信方式在软件系统之间进行实时数据同步，避免由于数据同步不及时或丢失导致系统功能失效、甚至安全事故的发生。该方法可以克服传统的同步通信方式一些缺陷。

目前在轨道交通信号系统行业，CPU之间的数据同步多采用共享内存RAM方式。采用共享内存RAM同步CPU之间数据，虽然数据传输量可以比较大，但该方式有如下缺点：

1.对硬件设计有限制，必须将两块CPU设计在同一块主板上，系统架构耦合性高。

2.程序设计必须按照具体的硬件定制，可移植性差。一旦改动或升级，必须重新开发。

3.不可以并行处理。一个CPU存取RAM数据时，另一个CPU不可以同时存取。

另外，传统的数据传输方式，如CAN总线，高速串口等，由于传输数据量较小，时间确定性差，不能适应轨道交通信行业实时性能要求比较高、性息处理量较大、安全关键系统CPU间的数据同步。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于网络通信的轨道交通实时数据同步系统，它可以适合与不同类型的CPU，适合实时性要求较高的系统。

为了解决以上技术问题，本发明提供了一种基于网络通信的轨道交通实时数据同步系统，包括：轨道交通系统内的两个以上的CPU，每个CPU分别与一个网卡相连接，所述网卡之间相互连接。

本发明的有益效果在于：适合与不同类型的CPU，适合实时性要求较高的系统，实现方式简单，基于标准的工业以太网，UDP协议简单方便，不需要复杂的网络链接，链接方式为点对点，具有较高的实时性和可靠性。

网卡之间的连接基于工业以太网，MAC层以上的协议由处理器完成，MAC协议由网卡实现。

传输层采用用户报文协议UDP，网络层采用互联网协议IP协议。

每个CPU只能同时支持一个实时同步链接，链接方式为点对点方式。

实时同步的每包数据不超过1470字节，实时响应时间不超过5ms。

附图说明：

图1是以太网发送流程图。

图2是报文延时示意图。

图3是网络链接方式示意图。

具体实施方式

本发明提供一种基于网络通信的轨道交通实时数据同步系统，该方法能够应用于包括但并不局限于信号系统、工业控制系统等领域。

本发明基于网络通信的实时数据同步的技术方案是：如图1所示：

1）此方法首先采用基于802.3标准的工业以太网。MAC层以上的协议由处理器完成，MAC协议由网卡实现。

2）传输层采用UDP协议，网络层采用IP协议，这部分基于实时操作系统在处理器上实现。每个CPU只能同时支持一个实时同步链接，链接方式为点对点方式。

3）实时同步的每包数据(报文)不超过1470字节。本方法可根据需要改变每次同步数据长度，每包有效应用数据可在0～1470字节之间，也可对链接点进行配置更换，最高可在1ms内完成一次完整的数据同步。例如，采用MPC8360支持的最高667M主频的CPU上，基于风河公司的实时操作系统VxWorks，其任务切换的响应时间为微秒级。

4）通信延迟。报文经历的时间延迟T包括以下几部分，如图2所示。

(l)发送节点通信处理机封装延迟Tp;

(2)报文等待延迟Tw，;

(3)报文发送延迟Tl;

(4)报文传播延迟Tt;

(5)接收节点通信处理机解包延迟Tu;

(6)高层协议(通信子网上层协议)控制时延Tc;

可得出报文总的端到端时间延迟T为:

T=Tp+Tu+Tw+Tl+Tt+Tc (1)

Tp,Tu,Tc与通信处理机的性能、采用的操作系统、通信的报文封装/解包算法及子网上层协议控制有关，采用合适的微处理器、实时操作系统以及高效的子网上层协议封装/解包算法和控制机制，就能保证Tp,Tu,Tc的确定性。式(1)中与以太网实时通信相关的延迟包括Tw,Tl,Tt，即发送节点的通信相关延迟。Tl,Tt由网络带宽和信号传播的速度决定，是确定性的。采用点对点的链接方式，避免了由于不同节点多个报文同时竞争信道产生冲突，则Tw是确定性的。

报信处理机开始发送报文到接收节点的通信处理机完全收到报文的时间间隔Ts:

Ts=Tw+Tl+Tt (2)

(a)报文文发送延迟Tl(即把Ethernet帧上载到信道的时间)。如I00Mbps的以太网，单个比特的发送时间是0.01μs:，帧间隙时间0.96μs:，则N个比特的发送延迟为:

Tl=0.01*N+0.96 (3)

而采取分包处理数据帧的最大长度为1470字节，所以发送延迟最大值为118.56μs。

(b)报文传播延迟Tt。设报文传输距离为L，传播速度为V

(接近2*108m/s)，则传播延迟Tt为:

Tt=L/V (4)

假设L<100km(远动系统);L<IO0m(近距离系统)，传播速度为V

(接近2*108m/s)，则:

Tt≤500μs (远动系统)

Tt≤0.5μs (近距离系统，可忽略)

因此，端到端时间延迟T，考虑各种因素叠加可以在5ms之内，理想状态下可控制在1ms之内。

实施方式：在下列软硬件环境中对该方法进行了实施。

1.CPU型号为PowerPC8360，667M主频，时钟计时精度66MHz；

2.操作系统版本WindRiver VxWorks Cer t Rev.6.6，内存256M；

3.10M/100M自适应网卡，以太网通信速率为I00Mbit/S，传输介质长度为小于50m；

4.传输介质，使用5类双绞线。

5.网络连接方式按照图3所示。

实施过程：

1）发送方CPU按照UDP协议打包数据，按照图1方式将数据发送到接收方CPU；

2）接收方CPU接收数据，并根据UDP协议格式，解包数据。

3）根据发明内容中的说明，分别对各个时间进行计时。

(l)发送节点通信处理机封装延迟Tp;

(2)报文等待延迟Tw，;

(3)报文发送延迟Tl;

(4)报文传播延迟Tt;

(5)接收节点通信处理机解包延迟Tu;

(6)高层协议(通信子网上层协议)控制时延Tc;

由于Tc，Tp，Tu时间分布在两个CPU之中，因此发送方记为Tcs，Tps，Tus；接收方记为Tcr，Tpr，Tur。

数据传输总时间为：

T=Tcs+Tps+Tus+Tw+Tl+Tt+Tcr+Tpr+Tur

4）通过加入时间戳的形式，测量从发出请求数据，到接收到对方CPU返回的响应数据的时间。计时方式为VxWorks下的辅助时钟计时。

经过实际实施，采用该点对点方式，往返延迟<700us,单向延迟<500us，丢包率为0，远小于5ms同步相应的限制需求。因此，还可以根据数据同步的需要，适当增加每周期传输的数据包。

因此可满足轨道交通控制、智能交通应用领域的高实时数据同步传输。

本发明并不限于上文讨论的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在于为了描述和说明本发明涉及的技术方案。基于本发明启示的显而易见的变换或替代也应当被认为落入本发明的保护范围。以上的具体实施方式用来揭示本发明的最佳实施方法，以使得本领域的普通技术人员能够应用本发明的多种实施方式以及多种替代方式来达到本发明的目的。

Claims

1.基于网络通信的轨道交通实时数据同步系统，其特征在于，包括：轨道交通系统内的两个以上的CPU，每个CPU分别与一个网卡相连接，所述网卡之间相互连接。

2.根据权利要求1所述的基于网络通信的轨道交通实时数据同步系统，其特征在于：网卡之间的连接基于工业以太网，MAC层以上的协议由处理器完成，MAC协议由网卡实现。

3.根据权利要求2所述的基于网络通信的轨道交通实时数据同步系统，其特征在于：传输层采用用户报文协议UDP，网络层采用互联网协议IP协议。

4.根据权利要求3所述的基于网络通信的轨道交通实时数据同步系统，其特征在于：每个CPU只能同时支持一个实时同步链接，链接方式为点对点方式。

5.根据权利要求4所述的基于网络通信的轨道交通实时数据同步系统，其特征在于：实时同步的每包数据不超过1470字节，实时响应时间不超过5ms。