广州地铁1号线监控系统主控单元设计与实现

摘要

随着现代地铁列车运行速度的不断提高，运输负载量的不断增大，发车间隔的不断缩短，这对地铁列车的安全性和可靠性提出了更高要求。地铁列车监控系统能够实现列车全线自动驾驶、超速防护以及故障分析和远程监控的功能，减少了人工控制的环节，提高了系统响应时间和速度。 本论文以“广州地铁1号线国产化改造”为背景，全面实现了地铁列车监控系统主控单元的国产化设计。基于对原有模块总线传输特性的研究，本设计选用了新的列车总线和车辆总线，在全面分析其协议性能的基础上对应用层的协议转换模型进行了深入的研究和探讨。 主控单元在结构上主要分为四个模块：HDLC总线通信模块、车辆和列车总线的CAN通信模块、数据缓冲模块、主CPU模块。其中HDLC模块使用串行通信控制器实现监控系统的大部分控制功能；CAN总线通信模块使用CAN控制、收发器采集车辆的状态信息；数据缓冲模块通过双口RAM实现HDLC和CAN总线的数据交换；主CPU模块使用ARM7微控制器加载uC/OS-Ⅱ实时操作系统对多任务进行调度，同时为满足系统对分时任务的需求，对uC/OS-Ⅱ的调度算法增加了一级时间片轮转的调度策略。然后，利用RM模型对系统的周期性多任务进行了可调度性分析，并对多影响因素反复测试、计量，使之达到综合最优调度，确保了系统任务设计的合理、安全、可靠。 最后通过搭建的模拟平台进行了多项组网测试，充分验证了广州地铁1号线监控系统主控单元整体的实时性、负载能力以及可靠性，完成了国产化设计。

目录

文摘

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致谢

1引言

1.1地铁列车监控系统概述

1.2地铁列车监控系统发展现状

1.3广州地铁1号线监控系统

1.4 1号线监控系统主控单元总体结构

1.5本论文的研究内容和意义

2系统总线协议转换模型研究

2.1现场总线技术简介

2.2系统总线协议选型

2.2.1 HDLC总线协议特性

2.2.2 CAN总线协议特性

2.3总线协议应用层转换模型研究

2.3.1异构总线互连技术

2.3.2协议转换模型概述

2.3.3应用层协议模型研究

3主控单元结构设计

3.1主控单元的总体方案

3.2 CPU模块结构设计

3.2.1 CPU接口设计

3.2.2 CPU供电电路设计

3.2.3 CPU复位和调试电路设计

3.3 HDLC总线通信模块设计

3.3.1电平匹配接口设计

3.3.2通信控制器SAB82525接口设计

3.3.3曼彻斯特编解码设计

3.3.4 CPLD接口设计

3.4 CAN总线通信模块设计

3.4.1 CAN总线收发器接口设计

3.4.2实时时钟接口设计

3.5数据缓冲模块设计

3.5.1 IDT71V321的特性及竞争仲裁

3.5.2 IDT71V321接口设计

4软件算法研究与改进

4.1软件总体框架设计

4.1.1软件设计目标

4.1.2软件总体结构框架

4.2操作系统uC/OS-Ⅱ的移植

4.2.1 uC/OS-Ⅱ实时系统综述

4.2.2 uC/OS-Ⅱ操作系统的移植

4.3任务调度算法研究及改进

4.3.1 uC/OS-Ⅱ中任务调度存在的问题

4.3.2改进的任务调度算法

5基于RM模型的系统可调度性分析

5.1基于理想的RM模型可调度判定

5.1.1理想的RM模型

5.1.2理想的RM可调度判定法概述

5.1.3理想的RM可调度判定法分析

5.2考虑时问开销的RM可调度性判定法

5.3考虑任务相关性的RM可调度判定法

5.4系统多任务的可调度性分析

6系统总体性能测试

6.1 HDLC总线模块测试

6.2 CAN总线模块测试

6.3系统实时性测试

6.3.1实时系统性能指标

6.3.2系统实时性测试

6.3.3测试结果分析

7结论

参考文献

作者简历