基于Linux的高速磁浮列车车载诊断系统开发

摘要

磁浮列车是一种采用无接触电磁悬浮原理使车辆悬浮于轨道上方的新型交通工具。鉴于磁浮列车的众多优点及国情，我国在引进国外先进技术的同时，也在积极的开展对此项技术的国产化研究。磁浮列车车载诊断网络主要用于对车辆电子电气部件进行在线诊断，通过采集车辆上各部件的状态信号和部分模拟量，来判断各部件是否有功能故障，同时执行相关的命令操作，对列车是否能安全稳定运行起着重要作用，所以被誉为列车的“神经中枢”。在深入了解该系统的原理及结构特点后，因为标准Linux的实时性不好，不能很好地满足系统实时性的要求，所以本论文选择了免费、开源的RTLinux实时操作系统作为软件运行平台，它是一个通过在标准Linux内核上打补丁进行构建的硬实时、多任务操作系统，在此系统下完成了基于嵌入式PC104的车载诊断系统功能，并对其实时性进行了测试。
　　 本文首先分析了诊断系统的研究现状，课题的选题背景和意义；然后介绍了嵌入式操作系统特点、优势以及几种典型实时操作系统；通过对标准Linux的实时性不足的原因进行分析后，从而引出RTLinux，并对RTLinux的系统原理、机制、系统特点以及程序开发流程进行详细研究，接下来介绍了基于PC104的嵌入式RTLinux实时系统平台的搭建。
　　 接着在对磁浮列车车载诊断网络的功能、工作原理、工作流程比较熟悉的基础上，论文提出了实现磁浮列车车载诊断系统的设计方案，然后根据不同功能划分成一些功能模块，具体的模块比较多，大致的包括了：驱动模块、数据采集模块、不同地址空间数据传输模块、TCP/IP网络通信设计和诊断系统人机界面设计等几个部分；整个诊断软件的开发涉及到RTLinux下进程、线程的编程，Socket网络通信和RTLinux下Qt图形界面开发等多项内容。
　　 最后，论文研究了在RTLinux下设备驱动程序的开发，由于RTLinux的自身特点与标准Linux驱动开发存在一定的差别，主要针对CAN设备驱动程序的设备注册、中断注册、中断程序实现、设备操作结构体等进行了研究，并设计实现了。这样本论文实现了从CAN现场总线发送采集的数据，把采集到的数据经过协议转换，利用工业以太网把数据发送到列车诊断计算机，列车诊断计算机对数据进行处理和分析，把有故障的电气电子部件的相关信息通过诊断系统的屏幕实时的显示出来。整个诊断软件界面友好，操作方便简洁，可以对车辆上电气电子部件进行在线诊断。
　　 本论文在诊断系统主要功能实现之后，还对诊断系统软件进行了仿真测试，测试的结果与预期的分析相一致。整个诊断软件系统性能稳定，操作简便，实时性高。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1研究的背景

1.2磁浮列车技术国内外研究现状

1.3诊断技术的现状及发展

1.4研究意义及目的

1.5研究内容及方法

第2章嵌入式操作系统

2.1嵌入式系统分类

2.2典型嵌入式实时系统

2.2.1 Windows CE

2.2.2 Vx Works

2.2.3 μtC/OS-Ⅱ

2.2.4 RTLinux

2.3本章小结

第3章 RTLinux实时系统原理及程序开发

3.1影响Linux实时性的主要因素

3.2实时化Linux内核的方案

3.3 RTLinux设计与实现

3.3.1中断机制

3.3.2 RTLinux调度机制

3.3.3 RTLinux的时钟机制

3.3.4 RTLinux实时任务

3.3.5 RTLinux实时内核的模块构架

3.3.6 RTLinux进程间通讯

3.4 RTLinux下的程序开发

3.4.1实时部分的开发

3.4.2 RTLinux下的模块编译

3.4.3 RTLinux下线程创建

3.4.4非实时部分的实现

3.5 X86构架下嵌入式RTLinux平台搭建

3.6本章小结

第4章高速磁浮列车车载诊断系统设计

4.1磁浮列车车载诊断系统结构和功能

4.2系统分析

4.3硬件与操作系统选择

4.4诊断系统的软件总体设计

4.5诊断软件总体设计

4.5.1诊断软件功能

4.5.2诊断系统软件工作流程图

4.5.3诊断系统软件总体框架

4.5.4车辆诊断计算机(SDR)

4.5.5车辆诊断计算机的基本功能

4.5.6 SDR各模块具体实现

4.5.7列车诊断计算机FDR

4.5.8实时系统RTLinux的性能测试

4.5.9软件仿真数据测试及分析

4.6本章小结

第5章嵌入式RTLinux下CAN设备驱动的实现

5.1 SPI接口

5.2 MCP2510控制器

5.3 CAN总线电路与接口原理图

5.4 RTLinux下驱动开发

5.4.1设备文件分类

5.4.2 RTLinux下设备的注册与注销

5.4.3 RTLinux中断

5.4.4设备文件的操作接口

5.4.5 RTLinux下CAN驱动数据流向流程

5.5本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士期间完成的论文