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基于stm32的二乘二取二安全系统实现.doc
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基于stm32的二乘二取二安全系统实现.doc
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摘要
随着中国的城市化的高速发展,城市间铁路交通线路数量越来越多,列车速
度越来越快,对站间安全信息的传输提出了更高的要求,不论是安全性、可靠性,
还是实时性都面临巨大的挑战。本文以铁路交通安全系统为背景,对现在常用的几
种冗余技术研究比较,设计出一种应用于铁路安全信息传输设备的基于 STM32 的
二乘二取二安全传输系统,从而提高铁路安全信息传输设备的安全性和可靠性。
本文重点内容主要包括以下几个方面:
1、本文深入研究当前热门的冗余技术——双机热备、三中取二、二乘二取二。
并给出选择二乘二取二冗余结构的具体原因;
2、介绍 Cortex-M3 内核结构,以及基于该内核的 STM32 芯片。对 STM32 芯
片的内部结构、资源以及配套开发环境进行详细介绍;
3、本文采用模块化设计方法,将站间安全信息传输设备按照功能进行划分。
给出基于 STM32 的二乘二取二系安全统结构,以及各个子模块结构和功能。
子模块主要有 5 个模块:主板模块,通信板模块,采集驱动板模块,网络接
口模块,电源模块;
4、对可能产生的故障进行分析,对故障发生后怎么处理提出建议方法;
5、对系统重要数据结构和 CPU 模块进行实现和测试。
关键词:STM32;二乘二取二;冗余;传输设备
Abstract
With China's rapid development of urbanization, number of railway transit line
between cities is increasing, speed of train gets faster and faster, secure information
transfer between stations on the proposed higher requirements, whether it is security,
reliability, or timeliness are facing enormous challenges. In this paper, on the background
of railway system security, the structure of existing embedded redundant is researched and
compared, a design of structure of double 2-vote-2 base on stm32 which is used in safety
information transmission optical communication inter-sations equipment, thus improving
railway safety information safety and reliability of transmission equipment.
This paper focuses mainly include the following:
1, the paper studies the current hot redundant technology, gives reasons to choice of
double 2-vote-2 from other redundant structure;
2, introduction structure of Cortex-M3 core, and structure of STM32 chip that based
on the core. Gives the details of STM32 chip which’s internal structure and resources,
and supporting the development environment;
3, It is built to a modular design approach, the inter-station transmission equipment
safety information is divided according to functions, given the structure of double
2-vote-2 based STM32, and various sub-module structure. There are five sub-module:
CPU module, communication module, collecting and driver module, network interface
module, power module;
4, the possible faults is analyzed, put forward the methods and suggestions how to
deal with the failure of post;
5, implementation and test on the important part of system-structure of data and the
CPU module.
Key Words: STM32;double 2-vote-2;redundancy;transmission equipment
1
第 1 章 绪论
近十几年,随着我国高速铁路的飞速发展,对铁路传输系统的可靠性和安全性提
出了更高的要求。传输设备作为铁路系统中负责信息传递的重要成员,并且直接关系
到人民的生命安全,所以要求传输设备具备极高的安全性和可靠性。
从技术角度出发,将二乘二取二系统结构运用到传输设备中,对于提高整个系统
的安全性和可靠性有显著作用。另一方面,铁道部运基信号暂行条例中明确要求传输
设备的主机单元采用双机热备结构或二乘二取二结构
[1]
。
通过对比当前热门冗余结构,由于二乘二取二计算机联锁系统比双机热备计算机
联锁系统具有更高的安全性
[2]
,所以本文采用二乘二取二结构设计传输设备。描述了
该结构在光通信传输设备位置及作用、芯片的选择,以及系统和子模块的设计。
1.1 研究背景
1.1.1 研究意义
中国幅员辽阔、内陆深广、人口众多,资源分布及工业布局不平衡,铁路运输在
各种运输方式中占有的优势更加突出,在经济社会发展中具有特殊重要的地位和作用。
因此铁路是我国重要的基础设施、国家的大动脉、大众化交通工具。在综合交通体系
中处于骨干地位,没有铁路的现代化就难以实现国家的现代化。
运输能力要适应国民经济发展的要求,到 2020 年基本实现中国铁路现代化。其
中,在技术装备上,以客运高速、快速和货运快捷、重载为重点,使我国铁路机车车
辆技术、线路桥涵技术、通信信号技术达到国际先进水平,实现铁路信息化
[3]
。
安全是铁路永恒的主题。中国铁路始终把行车安全作为铁路自身发展和生存的永
恒主题,把以先进的技术装备保障铁路安全作为长治久安的根本大计。然而,铁路交
通中传输设备对于列车信号安全传递起着至关重要的作用。从而提高传输设备的安全
性,对轨道交通系统具有非常重要的意义。
因此,为了提高传输设备的安全性,本文提出了基于 STM32 的二乘二取二的安
全系统设计。
2
1.1.2 国内外研究现状
在国外轨道交通领域,对于铁路信号系统的安全性和可靠性有非常高的要求,发
展也比较成熟,与其相关的理论研究和标准也非常完善。为了保障铁路信号的安全性,
要求在当有故障发生时,不将故障信号传递出去,保障传递信号的安全性,即故障导
向安全的概念。在故障-安全理论的发展上,20 世纪 90 年代初,国际电工委员会(IEC)
对铁路信号系统故障-安全概念进行了量化
[4]
,制定了安全系统的设计和评估标准
IEC61508,标准中规定了系统的安全完整性等级 SIL(Safety Integrity Level),作为对
系统安全的综合评估指标,其中包括功能性(Functionality)、可靠性(Reliability)、可维
护性(Maintainability)、安全性(Safety)、效率性(Efficiency)、可用性(Usability)等指标
[5]
。随后欧洲电工标准委员会(CENELEC)基于 IEC61508 标准,对列车安全控制系统
的技术条件增加了一些系统开发和评估的参考标准,这些标准包括:1.EN50126 铁路
应用:可信性、可靠性、可用性、可维护性和安全性(RAMS)规范和说明
[6]
;2.EN50128
铁路应用:铁路控制和防护系统的软件
[7]
;3.EN50129 铁路应用:信号领域的安全相
关 电 子 系 统
[8]
; 4.EN50159-1 铁 路 应 用 : 在 封 闭 传 输 系 统 中 的 安 全 通 信
[9]
;
5.EN50159-2 铁路应用:在开放传输系统中的安全通信
[10]
。
因此,基于铁路控制信号的安全系统发展也更早更快,多个公司均开始研发自己
的安全计算机系统。具有代表性的主要有: Alcatel 公司研制的 SelTrac 列车控制系统,
其采用二取二结构;德国 Siemens 公司 SIMIS,其采用三取二结构。在安全性、可靠
性、扩展性方面,这些系统均具有非常大的优势。
然而,国内轨道交通领域虽然发展比较迟缓,在行业标准方面主要是以铁道部颁
布的技术规范文件,其中主要包括:1.运基信号[2010]537 号文《基于光通信的站间
安全信息传输设备应用技术条件(暂行)》
[1]
;2.运基信号[2010]267 号文《铁路信号
安全通信协议技术规范》
[11]
;3. 运基信号[2010]709《铁路信号集中监测系统技术条
件》
[12]
。在实际应用中,刚开始主要是以企业级铁路,例如 1984 年的南京梅山铁矿
自备铁路上运用了第一台安全计算机系统。1991 年第一个安全计算机系统在国内铁
路干线投入应用的是广州局海站。前期大部分是引进美国、法国、日本的系统设备,
后来主要是采用外部引进和内部再开发相结合的方法,从中学习外国先进技术,并根
据中国铁路实际情况加以改善。当前我国已具备自主研发安全计算机系统的能力,我
3
国自行研制出基于双机热备、三取二等不同的系统结构的安全计算机系统。其中最具
代表性的是:浙大网新众合轨道自主研发的三取二和二乘二取二安全计算机、铁道部
科学研究院通号所的计算机联锁系统等等。
1.2 本文主要内容与创新点
论文主要内容与创新点:
(1)研究当前铁路系统中常见传输设备的系统结构,通过对常用几种系统结构
进行分析对比,决定采用二乘二取二系统结构作为本系统结构。并提出了基于 STM32
的二乘二取二安全系统的总体设计方案,以及系统中各个模块详细设计。
(2)当前,大量站间传输设备的 CPU 采用的是 Intel 51 系列芯片或者 x86PC 兼
容机,它们不论是在时钟频率上还是片上资源上,都在一定程度上限制了传输设备性
能的提高。本将采用在嵌入式设备中更为常用的芯片——意法半导体公司的 STM32。
该芯片以 Cortex-M3 处理器为内核,该处理器具有门数目少,中断延迟短,调试成本
低的特点,是为要求有快速中断响应能力的深度嵌入式应用而设计的
[13]
。对该芯片内
部结构和资源进行详细介绍,对该芯片的软件编程环境进行简单描述。
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oligaga
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