FlexRay总线在计算机联锁系统中的应用研究

摘要

铁路计算机联锁系统作为一种实时的安全苛求系统,对实现铁路的安全高效运行发挥着至关重要的作用。计算机联锁系统主要经历了机械联锁控制、6502电气集中联锁控制、计算机联锁控制和全电子计算机联锁控制4个发展阶段。全电子计算机联锁系统结合几十年的计算机联锁系统发展经验以及现代电子技术的成果,具有高可靠性、高安全性和智能性的特点。在当前的全电子计算机联锁中全电子执行层和安全联锁逻辑层之间采用 RS485总线或 CAN总线等现场总线实现安全信息地传输。2000年由 BMW、DaimlerChrysler、Philips、Freescale、Bosch等公司组成的FlexRay联盟制定了新一代车载网络通信协议—FlexRay总线。它的出现满足了车内控制应用的通信需求,提高了汽车的操纵性,可靠性和舒适度。
　　本文介绍了FlexRay总线以及计算机联锁系统的国内外研究现状,并对FlexRay总线的主要特性进行了分析,包括总线的物理传输、通信机制、帧结构、节点群启动与唤醒、时钟同步及拓扑结构。与传统的CAN等现场总线相比,FlexRay总线具有通信速率高、实时性强及有效数据容量大等方面巨大的优势,而且它支持多种拓扑结构,可根据实际情况灵活调整。论文在分析了计算机联锁系统的总体架构后,提出了一种基于FlexRay总线的全电子计算机联锁冗余总线型拓扑结构。同时设计了以单片机Atmega128L为微控制器、MFR4200为总线控制器和TJA1080为总线驱动器的总线节点接口硬件电路。在此基础上,论文给出了节点初始化配置流程、节点通信流程、数据接收发程序以及节点运行状态和节点唤醒流程。课题中构建了FlexRay总线通信电路可靠性数学模型,并对其进行了可靠度的数学计算。此外,对计算机联锁系统中FlexRay总线通信进行了安全性分析。由于计算机联锁系统中传输安全信息的通信网络必须具有故障—安全特性,论文对全电子计算机联锁系统中FlexRay总线通信网络进行了故障—安全保障研究。在保障系统生存性上,冗余FlexRay总线型拓扑结构是实现故障—安全的基础。同时,在FlexRay总线物理层、链路层和应用层采取了各种有效措施,用来保证安全信息传输的完整性、实时性和可测性。最后对课题研究进行了总结,并指出研究中存在的一些问题与不足。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 国内外研究动态

1.3 研究目的及研究内容

2 基于FlexRay总线的全电子计算机联锁系统

2.1 FlexRay总线的特性分析

2.2 FlexRay总线相对于CAN总线的优势

2.3 基于 FlexRay总线的全电子计算机联锁系统

3 FlexRay总线节点硬件设计与实现

3.1 FlexRay总线节点原理框图

3.2 FlexRay总线节点电路

3.3 PCB板制作

3.4 电路板焊接与调试

4 FlexRay总线节点软件设计与实现

4.1 FlexRay总线协议参数配置

4.2 FlexRay总线节点初始化

4.3 FlexRay总线通信流程

4.4 FlexRay节点运行状态

4.5 节点发送程序与接收程序

4.6 FlexRay总线节点唤醒

5 FlexRay总线通信网络故障-安全

5.1 FlexRay总线通信电路可靠性

5.2 FlexRay总线通信安全性

5.3 FlexRay总线通信网络故障-安全保障

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果