（信号与信息处理专业论文）基于arm的电力电缆沟道监测系统的研究与实现.pdf

摘要 摘要 计算机技术和通讯技术的发展，推动着监测系统由孤立的分布式现场总线监 测系统向着开放的嵌入式网络监测系统的方向发展。本文中所实现的基于a r m 的 电力电缆沟道监测系统，就是一个典型的嵌入式网络监测系统。它是一个集嵌入 式系统技术、工业现场总线技术和工业以太网络技术三者于一体的综合性工程。 其中，作为上位机的a r m 嵌入式系统介于由c a n 现场总线构成的智能数据采集 节点网络与w e b 通讯网络之间，是二者之间信息交互的桥梁和纽带。 本文以嵌入式上位机系统、w e b 通讯控制器系统和c a n 数据采集网络为具 体的研究对象，选取p h i l i p s 公司生产的a r m 7 嵌入式处理器芯片l p c 2 2 9 0 作为 硬件平台核心，以嵌入式g c o s i i 操作系统和嵌入式t c p i p 协议为软件平台，采 用软、硬件协同设计的方法，实现了一套对西安市地下电力电缆沟道进行实时监 测的系统。 论文首先介绍了基于嵌入式芯片l p c 2 2 9 0 的上位机系统硬件平台的实现，然 后介绍了i t c o s i i 操作系统的移植、w e b 网络通讯控制器的软硬件设计以及现场 总线c a n 数据采集网络的实现方法，最后对系统的相关单元编写了调试程序。文 章的重点是硬件电路的设计实现以及电路各个功能模块之间的联系。论文结尾对 全文进行了总结，并对系统的下一步工作进行了展望。 关键词：嵌入式系统a r m现场总线 i t c l o s i i 传感器 a b s t r a c t a b s t r a c t w i mt h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h e m o n i t o r i n gs y s t e m s a r ed r i v e nf r o mt h ed i s t r i b u t e df i e l d b u si s o l a t i o nm o n i t o r i n g s y s t e m st ot h eo p e ne m b e d d e dn e t w o r k e dm o n i t o r i n gs y s t e m s t h ep o w e r c a b l ec h a n n e l m o n i t o t i n gs y s t e mb a s e do na r ma c h i e v e di nt h i sp a p e ri s at y p i c a le m b e d d e d n e t w o r k e dm o n i t o r i n gs y s t e m s i ti sac o m p r e h e n s i v ep r o j e c t sw h i c hi n t e g r a t e d e m b e d d e ds y s t e m st e c h n o l o g y , i n d u s t r i a lf i e l db u st e c h n o l o g ya n di n d u s t r i a le t h e r n e t t e c h n o l o g yt h r e et oo n e a m o n gt h e m ，t h eh o s tc o m p u t e ri sc o m p o s e db yt h ea r m e m b e d d e ds y s t e m i tl i e sb e t w e e nt h ec a nf i e l d b u si n t e l l i g e n td a t aa c q u i s i t i o nn o d e n e t w o r ka n dt h ew r e bc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，a st h eb r i d g ea n db o n d sf o r t h e i n f o r m a t i o nt oi n t e r c h a n g e i nt h i sp a p e r , t h ea r me m b e d d e dh o s tc o m p u t e rs y s t e m ，t h ew e bc o m m u n i c a t i o n c o n t r o l l e rs y s t e ma n dt h e nt h ec a nf i e l d b u si n t e l l i g e n td a t aa c q u i s i t i o nn o d en e t w o r k s y s t e ma r et a k e na sac o n c r e t er e s e a r c ho b j e c t ae m b e d d e du n d e r g r o u n dp o w e rc a b l e c h a n n e lr e a l - t i m em o n i t o r i n gs y s t e mf o rx i a nc i t yi sr e a l i z e db yt h ec o - d e s i g nm e t h o d o fs o f t w a r ea n dh a r d w a r ew i 也t h ea r ms e r i e se m b e d d e dp r o c e s s o rl p c 2 2 9 0a st h e c o r eo fh a r d w a r ep l a t f o r m ，t h ee m b e d d e dj _ t c o s - i io p e r a t i n gs y s t e ma n dt c p p r o t o c o la st h es o f t w a r ep l a t f o r m f i r s t l y , t h ec o n s t i t u t i o no fh a r d w a r ep l a t f o r mw i t ht h ea r ms e r i e se m b e d d e d p r o c e s s o rl p c 2 2 9 0 i si n t r o d u c e d t h e nt h et r a n s p l a n ts t e p so ft h ee m b e d d e di - t c o s i i o p e r a t i n gs y s t e m ，t h ed e s i g n m e t h o do fs o f h t c a r ea n dh a r d w a r eo ft h ew e b c o m m u n i c a t i o nc o n t r o l l e rs y s t e ma n dt h et h ec a nf i e l d b u si n t e l l i g e n td a t aa c q u i s i t i o n n o d en e t w o r ks y s t e m ，a r ei n t r o d u c e d f i n a l l y , t h ed e b u g g e rp r o g r a m m e r sa b o u tr e l a t e d u n i t so ft h es y s t e mi sp r o g r a m m e d t h ee m p h a s i so ft h i sp a p e ri st h ed e s i g na n d r e a l i z a t i o no fh a r d w a r ec i r c u i t sa n dt h e nt h el i n k sb e t w e e ne a c hf u n c t i o n a lm o d u l e s t h ee n do ft h i sp a p e ri st h es u m m a r yo ft h ew h o l ep a p e ra n dt h eo u t l o o ko ft h e n e x t k e y w o r d s ： e m b e d d e ds y s t e ma r m p c o s - i i s e n s o r 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 本人签名：尘里墨垒 导师签名：z 簦丝 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题产生的背景与意义 本课题是为西安市电力局承担的一项科研项目。随着社会的发展，城市供电、 输电电缆都正逐渐从架空线改为了通过地下电力电缆沟道来传输，而且，城市高 低压输电电缆入地率已成为了城市管理水平的一个重要标志【l 】。但大多数地下电缆 沟道内电缆密集，环境恶劣，除供电负荷的正常变化之外，在供电紧张季节，设 备和电缆的超负荷运行，会在电缆局部和接头处产生过热现象，以致电缆绝缘层 因温度过高而引起电缆着火事故。另外，地下电缆沟道由于通风不畅，在炎热、 潮湿甚至积水的情况下沟道内积聚的有害气体对电缆巡检人员的生命安全也构成 了威胁【2 】。因此，研制一套现代化的电缆沟道检测系统，对电缆沟道环境和电力电 缆运行状态进行实时传输、全程监测、状态显示、临界报警、预测提示、事件分 析统计等，就成为现实的、迫切的提升电力电缆沟道管理水平的要求p 1 。 本系统设计的最终目标是建立起一套对地下电缆沟道进行实时监测的监控系 统。通过传感器信息的采集，本系统能够将西安市各个地下电力电缆沟道的进水 情况、电缆沟道内的有害气体情况、电缆沟道内的工作温度情况、以及电缆沟道 内电缆的防盗情况等信息通过智能c a n 总线网络采集后，再通过上位机的w e b 通讯控制器实时地上传到西安市电力局的中央监控计算机中去，以达到对整个西 安市动力电缆防盗、防爆、防水和防人员维修事故的目的。另外，通过此套监控 设备的使用，还可以使供电局电缆工区对电缆沟道的管理由人工周期巡检、事后 补救式转变为全时全程监测、人工周期维护和事件应急反应处理式相结合的管理 模式。将事故隐患消除在萌芽状态，防患于未然，降低事故和人员成本，提高供 电质量，增加经济效益。 1 2 系统总体架构 监测系统作为现代企业不可缺少的重要组成部分，已广泛应用于工业现场监 测、交通、医院、远程教育等诸多领域。可以有效地避免安全隐患的发生，实现 无人值守的目的。早期的模拟监控系统不能联网，只能与监控中心进行点对点通 信。随着传感器技术、现场总线技术和网络技术的发展，监控系统已由点对点的 单个监控过渡到了数字化的网络监控。根据本项目研制的目的和应用功能，整个 系统分别由信息采集层、编码通讯层、信息处理展示层【3 】组成，如图1 1 所示为本 系统总体架构。 基于a r m 的电力电缆沟道监测系统的研究与实现 应瓣，蚓通讯服务器 处理展示中心i 厂1 l “” 键盘 模块 l c d 模块 温i 湿 度i 度 传l 传 感i 感 器i 器茎囊li 耄i 耋i 室l 耋 囤li 圈 a n y c a n 模块 ll a n y c a n 模块 “菡砸 图1 1 系统总体架构 ( 1 ) 信息采集层，由电力电缆沟道所有需要监测信息的传感设备组成。包括： 电缆沟道的侵入传感器、电缆沟道温度和主干电缆接头温度传感器、电缆沟道湿 度传感器、可燃性气体传感器、有毒有害气体传感器、明火传感器、烟雾传感器 等。信息采集层的主要功能是完成相应信息的实时、准确采集。 ( 2 ) 编码通讯层，由现场总线技术c a n 采集数据传输网络、上位机w e b 通 讯控制器和公共i n t e m e t 网组成。这部分的主要功能是将传感器得到的模拟信号和 开关量信号按照既定的规则编码，并按照c a n 总线协议发送到上位通讯机中。这 部分是本系统的核心，主要包括c a n 总线输入( 出) 模块( 必要时可以输出控制 信号) 、通讯电缆、上位嵌入式通讯控制机和通讯服务器模块等单元。 ( 3 ) 信息处理展示层，实现对电缆沟道信息、传感器信息、位置信息和报警 信号等进行整理、存储，并按照业务逻辑和要求的格式与地理信息系统( g i s ) 的数 据复合，然后以w e b 的方式发布呈现给授权管理系统的人员和供电局各级领导， 完成系统的管理和维护等。包括数据库服务器、g i s 系统、应用服务器、管理机等 单元。这部分内容虽然是本项目的一个必要组成部分，但具体的工作由西安市电 力局管理中一t l , 的技术人员来负责开发【3 1 ，因而信息处理层的具体实现在本文中不做 详细论述。 1 3 课题的国内外发展状况 基于a r m 的电力电缆沟道远程监测系统这个项目的实现，是一个集嵌入式系 统技术、工业现场总线技术和工业以太网络技术三者于一体的综合工程。因而这 三者中每一项技术的发展都会对其产生深远影响。 1 嵌入式系统发展 器一 巷 一起 曩一嚣一 w 一 一 第一章绪论 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减，且对功 能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统，最早应用在武器 控制和军事指挥系统中。一般由微处理器、存储器、传感器等微电子器件和微型 操作系统、应用软件组成【4 】。共同实现实时控制、监视管理等各种自动化处理任务。 目前，由于嵌入式系统具有体积小、可靠性高、功能强大、灵活方便等诸多优点， 其应用已深入到工农业、教育、国防、科研等各个领域，对各行各业的数字化和 信息化改造、提高生产效率等方面起了极其重要的推动作用。各种各样的新型嵌 入式系统设备在应用数量上已经远远超过了通用计算机。随着应用和研究的逐渐 深入，嵌入式系统正向着网络化、智能化、规范化和集成化的方向发展。 2 c a n 现场总线的发展 c a n ( c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k ) 总线即控制器局域网络，是现场总线的一种，它 是德国b o s c h 公司为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开 发的一种串行数据通讯总线m 】。它与其它总线最大的区别是两个节点之间传送信 息时报文中没有地址信息，而是对不同性质的数据加以标识。在通讯时，以全网 广播为基础，各接收节点根据报文中反映数据性质的标识符过滤报文。由于c a n 总线支持差分收发，具有很强的纠错能力，尤其适合传输距离较远的高噪声环境， 所以各半导体制造商相继开发出了众多支持c a n 协议的集成芯片，更是大大推动 了c a n 总线的广泛应用。 本系统中的数据采集层网络利用c a n 总线，可以非常方便地将现场总线接入 无处不在的i n t e m e t 网络，实现数十公里以外，乃至整个西安市地区地下电力电缆 沟道的监测；同时，沟道内c a n 总线智能节点上挂接的一系列数据传感器，可以 实时的将沟道内电力电缆的工作数据进行采集、管理，并上传监测管理中心，以 满足构建起西安市电力电缆沟道的现代化管理要求。 3 工业以太网技术的发展 工业以太网是基于网络的控制系统，目前还处于不断的完善和发展过程中。 由于以太网具有价格低廉、传输速度高、用户基础广泛、网络抗干扰能力强等突 出优点，不仅在办公系统和商业局域网中取得了巨大成功，而且在工业现场的监 测网络中也有广泛的应用，并正在向着工业现场应用的传感器层发展；而开放的 嵌入式网络监测系统正是适应孤立监测系统向工业以太网络监测系统发展的一种 高级监测形式i j 刿。 开放的嵌入式网络监测系统可以通过现场的智能节点来完成对现场工作环境 的实时监测任务，同时也可以满足监测系统网络化通讯的要求，方便地实现信息 的实时采集和传输。分布式监测系统的数据采集功能主要是由现场智能节点上挂 接的传感器网络来实现的，所以智能节点的设计也是本系统设计中的一个重要环 节；而且智能节点的数据采集、传输功能和性能将会影响到整个监测系统的性能。 4 基于a i m 的电力电缆沟道监测系统的研究与实现 本系统中的以太网通讯控制器，作为数据采集网络底层节点与上层监控中心 主站之间的桥梁，不仅可以将底层传感器的信息数据采集上来，还可以将采集到 的实时数据上传，以完成对采集数据的处理和显示。 总之，网络监测系统是传统监测系统的进一步发展，是计算机网络在工业监 测系统控制领域的扩展，是计算机网络通讯技术和工业现场数据实时采集技术互 相融合的产物，也是今后工业监测系统和实时数据自动采集系统的发展方向。 1 4 本文主要工作及内容安排 本文是作者在研究生学习期间所参与的一个科研项目。论文以嵌入式网络监 测系统为研究对象，选用p h i l i p s 公司的嵌入式a r m 7 处理器l p c 2 2 9 0 为硬件核 心，以嵌入式i 上c o s i i 操作系统为软件平台。因为本项目是一个工程性的科研项 目，它的最终目的是要研制出一套能够解决对西安市地下电缆实现防盗、防爆、 防毒、防火的具体监测系统，所以本文涉及到的都是一些具体性的研制工作。主 要是硬件系统电路的搭建和软件功能的编程实现。本论文内容结构安排如下： 第一章：介绍了项目的来源、目的和意义；论述了系统的总体架构；对系统 实现中关键技术的国内外发展状况进行了介绍。 第二章：深入探讨了a r m 体系结构的特点，在此基础上，选用p h i l l i p s 公 司生产的a r m 7 系列处理器l p c 2 2 9 0 芯片作为嵌入式上位机系统硬件平台的核 心。围绕l p c 2 2 9 0 芯片的片内资源，实现了诸如u s b 、u a r t 、c a n 总线以及电 源等功能模块的硬件电路设计，同时也介绍了嵌入式系统硬件开发的一般性原则。 第三章：讨论了嵌入式操作系统的特点，在此基础上详细介绍了i - l c o s i i 嵌 入式操作系统在a r m 芯片l p c 2 2 9 0 上的移植过程。 第四章：详细介绍了基于l p c 2 2 9 0 监测系统上位机w e b 网络通讯控制器的 硬件电路设计；对嵌入式以太网控制芯片c s 8 9 0 0 的软硬件设计进行了详细介绍； 对通用t c p i p 协议和嵌入式t c p i p 协议的特点进行了比较，并介绍了嵌入式 z l g i p 协议栈在本系统上的移植过程。 第五章：介绍了基于c a n 现场总线的数据采集网络的设计，深入研究了在监 测系统中，c a n 智能数据采集网络的软、硬件设计方法；针对实际工程中所碰到 的问题，提出了基于a n y c a n 模块的c a n 智能节点设计方案。 第六章：介绍了本项目系统中各单元电路驱动程序的实现方法；并对系统的 相关功能模块进行t i l l 试评估。 结束语：对本文的工作进行了总结，并指出了本课题中下一步需要研究解决 的问题。 第二章监测系统上位机硬件平台的实现 5 第二章监测系统上位机硬件平台的实现 本章主要介绍监测系统上位机硬件平台的实现。在本项目的整个监测系统中， 上位机处于编码通讯层的地位，它是构成整个系统的核心，而嵌入式的a r m 处理 器又是上位机平台的核心。上位机平台主要由基于a r m 7 的嵌入式微处理器芯片 l p c 2 2 9 0 组成，上位机设备能够通过以太网接口和c a n 总线接口连接外部网络， 实现数据的接收和上传。具体来说就是接收由现场总线传来的实时传感器采集信 号，并将采集得到的模拟信号和开关量信号按照既定的规则编码后，再通过w e b 网络发送到位于电力局监控中心的中央计算机中【3 】。 2 1 上位机系统的硬件设计原则 1 嵌入式系统的软、硬件协同设计方法 嵌入式系统的硬件设计和软件规划必须根据具体的应用任务，以功耗、成本、 体积、可靠性、处理能力等为指标来选择，大多对实时性有严格要求。早期的嵌 入式系统设计方法通常是采用硬件优先原则：在只粗略估计软件任务需求的情况 下，首先进行硬件设计与实现，然后在此硬件平台之上再进行软件设计。这样硬 件和软件就是两个独立的部分，是由硬件工程师和软件工程师按照拟定的设计流 程分别去完成的。这种传统的设计方法只能改善硬件和软件各自的性能。在有限 的设计空间中不可能对系统做出较好的性能综合优化；而且系统的设计在很大程 度上依赖于设计者的经验和反复实验，因而很难达到充分利用硬件、软件资源取 得最佳性能的效果【5 】【3 7 】。同时，一旦在测试时发现问题需要对设计进行修改时， 整个设计流程将重新进行，对成本和设计周期的影响很大；显然这种结果是灾难 性的。这种软、硬件分离开发方式的开发过程如图2 1 所示。 系统描述 l j i 硬件描述软件描述 il i 硬件设计软件设计 i 士 系统集成 图2 1 软、硬件分离开发流程图 9 0 年代以来，随着电子系统的复杂化和微型化，使得嵌入式系统变成了一个 软、硬件高度结合的系统。而且在嵌入式系统设计中，硬件和软件也不再是截然 6 基于a r m 的电力电缆沟道监测系统的研究与实现 分开的两个概念，而是紧密结合相互影响的；因而出现了软、硬件协同设计的方 法。即使用统一的方法和工具，对软件和硬件进行描述综合和验证，在系统目标 要求的指导下，通过综合分析系统软、硬件功能及现有资源来正确划分软、硬件 功能，协同设计软、硬件体系结构，以最大限度地挖掘系统的软硬件能力；避免 由于独立设计软、硬件体系结构而带来的种种弊病，以得到高性能、低代价的优 化设计方案，使系统能够保持在最佳工作状态。简单地说，就是让软件和硬件体 系作为一个整体，并行设计找到软、硬件的最佳结合点，使它们能够以最有效的 方式互相作用互相结合；软硬件协同设计过程如图2 2 所示。 系统描述 上 硬件软件任务划分 i 上0上 硬件设计 i - - i 硬件软件接口设计卜_ 叫 软件设计 上 软硬件集成设计 上 i 仿真验证 i 上 综合实现 图2 2 软、硬件协同设计流程图 这种方法的突出特点是将协同设计、协同测试和协同验证相结合，充分考虑 软硬件的关系，并在设计的每个层次上给以测试验证，使得问题能尽早发现和解 决，以避免灾难性错误的出现。 2 硬件设计的一般性原则 硬件设计一般以满足功能为前提要求。在设计的过程中可以遵守以下几条原 n - ( 1 ) 在硬件设计中应该多采用新的和功能完善的芯片进行大胆的创新【7 】。因为 新的和功能完善的芯片往往功能更加强大，具有更高的精度和可靠性，这样可以 大大简化系统电路的设计，并能够在满足系统功能和可靠性要求的前提下为以后 系统升级留下余地。( 2 ) 采用开放式硬件架构，把握硬件技术的主流和未来发展， 在设计中充分考虑系统未来的升级。由于相对于软件的升级而言，硬件的升级要 复杂得多。因此在硬件设计之初就应该尽可能留有余地，并尽量使电路做到通用， 以便将来的修改和扩充。例如在f l a s h 和s d r a m 等部分电路的设计上，既要考虑 第二章监测系统上位机硬件平台的实现 到当前价格的因素，又要考虑到不同厂家芯片的兼容性，并要为大容量的芯片留 有扩充的余地。相应的要留出控制线，以便于将来选用更大容量的存储芯片。( 3 ) 要充分利用现有的成熟的技术，尽可能选择典型电路，为硬件系统的标准化、模 块化打下良好的基础。使用成熟的设计技术可以保证电路的正确性和可靠性，并 且可以缩短设计时间。( 4 ) 系统扩展与外围设备的配置水平，不但能充分满足应 用系统的功能要求，并应该留有适当的余地以便于进行二次开发。( 5 ) 硬件结构 应该结合应用软件方案一并考虑，充分考虑到硬件结构与软件方案间产生的相互 影响。考虑的原则是能够用软件实现的功能应该尽可能的由软件来实现，以简化 硬件结构，节省硬件成本。( 6 ) 系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配，以提 高系统整体性能的最大利用率。( 7 ) 可靠性及抗干扰性设计也是硬件设计中必不 可少的一部分。它包括器件选择、去耦滤波、印刷电路板布线通道隔离等方面。( 8 ) 在整体设计中应该考虑系统的成本，使性价比达到最优。 3 上位机系统的硬件平台组成 根据上位机在本系统中的功能和作用的分析，我们将上位机平台分为以下7 个主要部分：处理器部分、电源部分、存储系统、通讯接口部分、g p i o 、l c d 和 j t a g 调试接口部分。其中通讯接口部分又由c a n 总线输入、输出模块和嵌入式 w e b 通讯控制机模块组成。而存储系统又由扩展内存、n o r 型f l a s h 程序存储 器和用来存储采集数据的n a n d 型f l a s h 电子盘组成。图2 3 为本项目中嵌入式 上位机的硬件单元结构框图。 2 3 上位机的硬件单元结构框图 在下面的论述中，将分别对上位机系统中的这些硬件单元电路设计进行详细 说明。 8 基于a r m 的电力电缆沟道监测系统的研究与实现 2 2a r m 处理器选型 1 系统中a r m 处理器的作用 在本系统中，嵌入式a r m 处理器是整个系统的控制管理中心，负责完成网卡 芯片的驱动、t c p i p 协议的实现、中断服务程序的执行、串口数据的收发、数据 的存储以及一些算法的运算等。在一般的系统设计中，处理器的选型需要考虑的 主要因素有：处理性能、技术指标、功耗指标、软件支持工具、是否内置调试工 具、供应商是否提供评估板等因素。而在具体的器件选择上应从以下因素来考虑： 生产规模、使用的普遍性、购买的容易性等。并且，在满足性能的前提下，应尽 量使用一些可容易购买到的普通器件。 2 a r m 7 处理器选型 a r m 结构是基于精简指令集计算机( p d s c ) 原理而设计的【1 0 】【1 4 l 。指令集和相关 的译码机制比复杂指令集( c i s c ) 计算机要简单得多。这样使用一个小的、廉价的处 理器核，就可实现很高的指令吞吐量和实时的中断响应。为增加处理器指令流的 速度，a r m 7 系列使用3 级流水线技术。允许多个操作同时处理，比逐条指令执 行要快。由于使用了流水线技术，通常在执行一条指令的同时对下一条指令进行 译码，并将第三条指令从存储器中取出。其流水时序如图2 4 所示。 指令1 指令2 指令3 取指译码执行指令1 取指译码 执行指令2 j 取指译码执行指令3 l jljl j 晰 图2 4a r m 7r i s c 指令的三级流水线技术 a r m 7 t d m i s 处理器使用了一个被称为t h u m b 的独特的结构化策略，它非常 适用于那些对存储器有限制或者需要较高代码密度的大批量产品的应用。 a r m 7 t d m i s 处理器基本上具有两个指令集：标准3 2 位a r m 指令集和1 6 位 t m m b 指令集。t h u m b 指令集的1 6 位指令长度使其可以达到标准a r m 代码两倍 的密度，却仍然保持a r m 的大多数性能上的优势，这些优势是使用1 6 位寄存器的 1 6 位处理器所不具有的。这是因为t h u m b 代码和a r m 代码一样，在相同的3 2 位寄 存器上进行操作。t h u m b 代码仅为a r m 代码规模的6 5 ，但其性能却相当于连接 到1 6 位存储器系统的相同a r m 处理器性能的1 6 0 t 1 6 】。 考虑到各种因素，在本系统的实际构造中，我们选用了由p h i l i p s 公司生产 的一款a r m 7 系列微处理器l p c 2 2 9 0 ，来作为整个上位机系统的处理核心。 3 l p c 2 2 9 0 简介 第二章监测系统上位机硬件平台的实现 9 l p c 2 2 9 0 是基于一个支持实时仿真和跟踪的1 6 3 2 位删7 t d m i s t mc p u 。 对代码规模有严格控制的应用可使用1 6 位t h u m b 模式将代码规模降低超过3 0 ， 而性能的损失却很小【m 】【l 。由于l p c 2 2 9 0 的1 4 4 脚封装、极低的功耗、多个3 2 位定时器、8 路1 0 位a d c 、2 路c a n 、p w m 通道以及多达9 个外部中断，使它 们特别适用于汽车、工业控制应用以及医疗系统和容错维护总线。通过配置总线， l p c 2 2 9 0 最多可提供7 6 个g p i o 。由于内置了宽范围的串行通信接口和c a n 总线 接口，使得它非常适合于通信网关、协议转换器以及其它各种类型的应用。这也 是在本项目设计中我们选择这款嵌入式微处理器的原因。它的主要特性如下：( 1 ) 1 6 k b 片内静态r a m 。( 2 ) 2 个互联的c a n 接口，带有先进的验收滤波器。多个 串行接口，包括2 个1 6 c 5 5 0 工业标准u a r t 接口，多个高速f c 接口和2 个s p i 接口。( 3 ) 8 路1 0 位a d 转换器，转换时间低至2 4 4 9 s 。( 4 ) 2 个3 2 位定时器( 带 4 路捕获和4 路比较通道、p w m 单元( 6 路输出) 、实时时钟和看门狗。( 5 ) 多达 7 6 个通用接口( 可承受5 v 电压) ，9 个边沿或电平触发的外部中断引脚。( 6 ) 向 量中断控制器，可配置优先级和向量地址。( 7 ) 通过外部存储器接口可将存储器 配置成4 组，每组的容量高达1 6 m b y t e ，数据宽度为8 1 6 3 2 位。( 8 ) 可通过个别 使能和禁止部分外部功能来优化功耗。( 9 ) 双电源供电。( 1 0 ) c p u 操作电压范围： 1 6 5 1 9 5 v ( 1 8 士0 1 5 v ) 。( 1 1 ) 们操作电压范围：3 3 6 v ( 3 3 v 士1 0 ) ，可承 受5 v 电压。 2 3 上位机供电单元、时钟单元、复位单元电路设计 1 上位机电源电路设计 电源系统的质量关系到整个系统的稳定性，设计一个稳定可靠的电源是电子 系统可靠工作的基础。根据不同的电源消耗需求和对于电源纹波的指标要求，可 以选择线性稳压源方案或开关稳压电源方案来给设备供电。对于前一种方案可以 获得低噪声、低价格等益处，同时也存在效率低、发热较大等缺点。对于开关电 源方案，正好与线性电源方案的优缺点相反。开关稳压电源一般可以获得9 0 以 上的工作效率，但同时可能会引入开关噪声，而且辅助电路也相对复杂。 根据分析，我们构造的整个系统需要的电源有5 v 、3 3 v 和1 8 v 三种。其中 u s b 接口、i o 接口、c a n 总线接口和l c d 接口需要5 v 。l p c 2 2 9 0 的处理器内 核电压需要1 8 v ，其它部分的电压都为3 3 v 。由于逻辑电路部分功耗很小，根据 l p c 2 2 9 0 手册我们查到，l p c 2 2 9 0 的功耗也不超过4 0 0 m w 。系统主要的功率消耗 为l c d 部分，但实际上液晶显示器l c d 的功耗也在5 0 0 m w 以下。 由于l p c 2 2 9 0 系列控制器具有独立的模拟电源和模拟地引脚，所以为了降低 噪声和出错几率，模拟电源和数字电源应该隔离。 1 0 基于a r m 的电力电缆沟道监测系统的研究与实现 上位机核心板需要同时供应3 3 v 电源和5 0 v 电源才能正常工作。对于5 0 v 电源，精度要求在4 - 5 以内，典型电流消耗为7 0 m a 。l m 2 5 7 5 具有输入电压范围 宽、输出电流大、耗散功率小的优点，可以满足上位机核心板的设计要求。对于 3 3 v 电源，精度要求在士1 0 以内，典型电流消耗为9 0 m a ，s p x l l l 7 系列的l d o 芯片输出电流可达8 0 0 m a ，输出电压的精度在+ 1 以内，具有电流保护和过热保 护功能，广泛应用于手持式仪表、数字家电和工业控制等领域。使用s p x l l l 7 为 上位机核心板供电时，输出端需接* _ 1 0 1 t f 的钽电容用于改善瞬态响应和稳定性。 其中由l m 2 5 7 5 开关电源模块组成的电源电路设计如图2 5 所示。 7=7= 图2 5 开关电源供电电路设计 在本项目中，采用l d o 电源芯片模块s p x l l l 7 3 3 设计的3 3 v 电源供电电路 组成如图2 6 所示。 u 5 s i ”x l l l 7 m 3 - 3 j 图2 6n 1 l d o 电源芯片模块构成的电源供电电路 其中二极管d 2 用于限制电源的导通方向，经过电容c 1 6 、c 2 0 滤波，然后通 过s p x l l l 7 m 3 3 将电源稳压至3 3 v 。输出电压经电容c 2 1 、c 1 9 、c 2 3 、c 2 8 、 c 2 9 和电感l 1 、l 2 滤波后输出。为了降低噪声和出错几率，将模拟电源与数字电 源进行了隔离。图2 6 中的电感元件l 1 和l 2 就是用于电源隔离的元件( 将数字 电源的高频噪声隔离) 。而且，为了进一步抑制电源的高频干扰，在电源电路设计 中，还特意设计了滤波电容网络。 由于本项目中使用的a r m 7 芯片l p c 2 2 9 0 的核心供电电压为1 8 v ，所以为了 稳定性的考虑，在系统设计中，专门为该a r m 7 微处理器l p c 2 2 9 0 芯片核心设计 了如图2 7 所示的电源供电电路。 第二章监测系统上位机硬件平台的实现 ， 图2 7l p c 2 2 9 0 芯片核心供电电路 2 上位机时钟电路设计 a r m 7 系列的l p c 2 2 9 0 微控制器可使用外部晶振或外部时钟源，通过设置 l p c 2 2 9 0 芯片内部的p l l 锁相环电路参数可调整系统时钟频率，使系统的运行速 度更快( c p u 最大操作时钟为6 0 m h z ) 。倘若不使用l p c 2 2 9 0 芯片内部p l l 锁相 环的功能及i s p 的下载功能，则外部晶振频率范围选择在1 m h z 3 0 m h z 之间； 若使用片内p l l 锁相环功能或i s p 的下载功能，则外部晶振频率范围应该选择在 1 0 m h z 2 5 m h z 之间。在基于a r m 的电力电缆沟道监测系统这个项目的上位机 电路设计中，我们使用了频率为1 1 0 5 9 2 m h z 的外部晶振来进行系统时钟电路的设 计。之所以选用1 1 0 5 9 2 m h z 这个晶振频率的原因，一方面是可使串口波特率更精 确，另一方面，这个频率值也能够很好地支持l p c 2 2 9 0 微控制器芯片内部的p l l 锁相环功能及i s p 下载功能；电路如图2 8 所示。 图2 8 上位机外部晶振电路接口 3 上位机复位电路设计 由于l p c 2 2 9 0 这款a r m 芯片的高速、低功耗、低工作电压特性，导致其噪 声容限较低；从而在具体电路设计中对电源的纹波、瞬态响应性能、时钟源的稳 定性、电源监控的可靠性等诸多方面也就提出了更高的要求。为了保证系统复位 的高可靠性，在实际的电路设计中，我们使用了复位芯片s p 7 0 8 s 来进行复位电路 的设计，以达到提高系统工作可靠性的目的；电路原理如图2 9 所示，该系统复位 电路可完成在系统工作异常时的复位功能。s p 7 0 8 s 属于专用微处理器电源监控芯 片，其内部集成有众多组件，可监测微处理器及数字系统中的供电及电池的工作 情况。由于以上众多组件的使用，s p 7 0 8 s 芯片可有效地增强系统的可靠性及工作 效率。s p 7 0 8 s 芯片包含一个看门狗定时器、一个微处理器复位模块、一个供电失 败比较器以及一个手动复位输入模块，该芯片适用于+ 3 0 v 或+ 3 3 v 的电源工作环 境。 1 2 基于a p 6 t 的电力电缆沟道监测系统的研究与实现 - = fj f 图2 9 上位机复位电路接线图 如图2 9 所示，信号n r s t 连接到上位机a r m 芯片l p c 2 2 9 0 的复位脚r e s e t ； 信号n t r s t 连接到l p c 2 2 9 0 内部j t a g 接口电路的复位引脚n t r s t 。当复位开关 r s t 按下时，芯片s p 7 0 8 s 输出复位信号，引脚7 端口输出低电平，导致两路 7 4 h c l 2 5 导通，信号i l r s t 和n t r s t 输出低电平使系统复位。系统正常运行情况 下，s p 7 0 8 s 的引脚r s t 输出高电平，两路7 4 h c l 2 5 截止，上拉电阻r 3 、r 4 将 信号n r s t 和n t r s t 上拉为高电平。在实际使用s p 7 0 8 s 芯片设计复位电路中尤 其要注意：其引脚7 上的1 0 k 下拉电阻和7 4 h c l 2 5 上的两个1 0 k 上拉电阻是绝对 不能省略的；否则，设计出来的电路将不能起到正常的复位作用。 4 本单元电路调试 ( 1 ) 由于本单元的电源电路、晶振电路和复位电路相对比较简单，只要按上 图中的连线正确连接后应该就可以正常工作。此时，用万用表测试给l p c 2 2 9 0 芯 片i o 口供电的电源电路输出电压值应为d c3 3 v ，给l p c 2 2 9 0 芯片核心供电的 电压值应是d c1 8 v 。特别要注意的是，若电源电路输出的电压值不正确，将极有 可能造成芯片的彻底烧毁。( 2 ) 用示波器观测，有源晶振的输出应为1 1 0 5 9 2 m h z ； 若频率差别太大，或者是有源晶振的输出幅度太小，都会造成系统的不正常工作。 ( 3 ) 复位电路的r e s e t 端在未按按钮时输出应为高电平( 3 3 ，按下按钮后变为 低电平，按钮松开后应该恢复到高电平。若不是这样，应仔细检查相关电路。 电源电路、晶振电路和复位电路是整个系统正常工作的基础，应首先保证它 们的正常工作。 2 4 上位机调试与测试接口设计 虽然在系统正式工作时，调试与测试接口不是系统运行所必需的；但在系统 设计阶段，由于需要不断的改进和调试，所以调试和测试接口的设计是必不可少 的。 1 j t a g 调试接口电路设计 第二章监测系统上位机硬件平台的实现 j t a g ( j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p ，联合测试行动小组) 是一种国际标准测试协议。 主要用于芯片内部测试及对系统进行仿真、调试【2 引。j t a g 技术是一种嵌入式调试 技术，它在芯片内部封装了专门的测试电路t a p ( t e s t a c c e s sp o r t ，测试访问口) ， 通过专用的j t a g 测试工具对内部节点进行测试。目前大多数比较复杂的器件如 a r m 、d s p 、f p g a 器件等都支持j t a g 协议。标准的j t a g 接口是4 线：t m s 、 t c k 、t d i 、t d o ，分别为测试模式选择、测试时钟、测试数据输入和测试数据输 出等信号。 通过将多个j t a g 器件接口串联成一个j t a g 链，能实现对各个器件的分别测 试。j t a g 接口还常用于实现i s p ( h a s y s t e mp r o g r a m m a b l e 在系统编程) 功能，如 对f l a s h 器件进行编程等。通过j t a g 接口，可对芯片内部的所有部件进行访问， 因而是开发调试嵌入式系统的一种简洁、高效的手段。目前j t a g 接口的连接有 1 4 针和2 0 针两种接口标准，其中2 0 针接口的定义如下所示： 24681 01 21 41 61 82 0 图2 1 02 0 针j t a g 接口结构 表2 12 0 针j t a g 接口定义 引脚 名称 描述 1r e f 目标板参考电压，接电源 2 、，c c 接电源 3 n t i 峪t 测试系统复位信号 4 、6 、8 、l o 、1 2 、 g n d 1 4 、1 6 、l & 2 0 接地 5 t d i 测试数据串行输入 7t m s 测试模式选择 9 t c k 测试时钟 1 1r t c k 测试时钟返凹信号 1 3t d o测试数据串行输出 1 5“r e s t 目标系统复位信号 1 7 、1 9 n c 未连接 在l p c 2 2 9 0 芯片中含有一个内置的j t a g 调试接口，通过这个接口可以控制 芯片的运行并获取内部信息。本设计采用a r m 公司提出的标准2 0 脚j t a g 仿真 调试接口，j t a g 信号的定义与l p c 2 2 9 0 芯片的连接如图2 1 1 所示。j t a g 接口上 1 4 基于a r m 的电力电缆沟道监测系统的研究与实现 的信号n t r s t 连接到l p c 2 2 9 0 芯片的t r s t 引脚，从而达到控制l p c 2 2 9 0 内部 j t a g 接口电路复位的目的。当上位机模块在