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基于嵌入式以太网的变电站保护测控系统研究 摘要 变电站自动化技术是综合了计算机、微电子、现代通信和自动控制技术， 是对传统变电站继电保护、通信方式的全面技术改造随着变电站自动化技术 的发展，传统的变电站继电保护装置由于保护功能单一而不能满足要求。同时， 其传统的通信方式已难以达到变电站综合自动化系统对通信的实时性的要求。 因此本文提出基于嵌入式以太网通信技术，保护功能和测控功能共享同一硬件 平台的保护测控装置。 本文设计的保护测控装置在硬件设计方面，采用飞利浦公司生产的3 2 位 a r m 和高精度a d 芯片为核心的硬件平台，以r t l 8 0 i g a s 为以太网控铡器。完成 与远程计算机的通信方案，增强了通信功能在软件设计方面，以嵌入式操作 系统l ic o s i i 为软件平台，采用全波傅氏算法来实现交流电量的计算，使装 置具有较高的精度；采用精简的t c p i p 协议栈程序设计实现以太网通信。 关键字：变电站自动化，继电保护，以太网，t c p i p 协议 t h er e s e a r c ho fp r o t e c t i n ga n dm o n i t o r i n g d e v i c eb a s e do ne m b e d e de t h e r n e tf o ras u b s t a t i o n a b s t r a e t t h ea u t o m a t i o no fas u b s t a t i o ni sa ni n t e g r a t e dt e c h n o l o g yo fm i c r o c o m p u t e r , m i c r o - e l e c t r o n i c ，m o d e r nc o m m u n i c a t i o na n da u t o - c o m r o l t e c h n i q u e 。w h i c h r e a l i z e sn o to n l yt h ef u l l y - s c a l er e b u i l d i n go fr e l a y i n gb u ta l s ot h em o d eo f c o m m u n i c a t i o nf o rt h et r a d i t i o n a ls u b s t a t i o n w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y f o rs u b s t a t i o na u t o m a t i o n ，t h et r a d i t i o n a lr e l a y i n gc a n ts a r i s f yt h er e q u e s tb e c a u s e o ft h es i m p l ep r o t e c t i n gf u n c t i o n a tt h es a m et i m e ，t h et r a d i t i o n a lc o r r e s p o n d i n g m e t h o di su n a b l et om e c tt h er e q u e s tf o rr e a l - t i m eo ft h es u b s t a t i o n t h e r e f o r e t h i s p a p e rp r e s e n t se t h e r n e tt e c h n o l o g ya n dd e s i g n sac o m m o nh a r d w a r ep l a t f o r mt o i m p l e m e mp r o t e c t i n ga n dm o n i t o r i n gf u n c t i o n s o nt h ew a y so fh a r d w a r ed e s i g n ，t h i sd e s i g np l a t f o r mo fp r o t e c t i n ga n d m o n i t o r i n gd e v i c ei sa d v a n c e d w h i c hi sb e d0 na r ma n dh i g ha c c u r a t ea d s a m p l i n gc h i p r t l 8 0 1 9 a si s u s e da st h ee t h e r n e tc o n t r o l l e rt oa c h i e v e c o m m u n i c a t i o nw i t hl o n g - d i s t a n c ec o m p u t e r s ，w h i c hb u i l d u pt h ef u n c t i o no f c o m m u n i c a t i o n o nt h ew a y so fs o f t w a r ed e s i g n ，e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m p c o s - i su s e da st h es o f t w a r ep l a t f o r m t h ea p p l i c a t i o no ft h ef o u r i e ra l g o r i t h m a d v a n c e st h ec o m p u t i n ga c c u r a c ya n dt h ea p p l i c a t i o no ft h ee m b e d d e dt i d yt c p i p p r o t o c o ls t a c kr e a l i z e st h ec o m m u n i c a t i o no ne t h e r n e t k e y w o r d ：s u b s t a t i o ni n t e g r a t e da u t o m a t i o n ，r e l a y i n g ，e t h e r n e t ，t c p i p 插图清单 图2 1l p c 2 2 9 2 系统框图 圈2 - 2 任务堆栈结构 图3 - 1装置硬件结构框图 图3 - 2 最小系统原理框图 国3 - 3 图3 - 4 图3 - 5 圈3 - 6 系统电源电路。 系统时钟电路 系统复位电路。 j t a g 调试电路。 图3 7 存储器接口电路。 图3 - 8 模拟信号调理电路。 图3 - 9a d 转换接口电路 图3 1 0 开关量输入电路 图3 1 l 开关量输出电路 图3 1 2a d e 7 7 5 8 外围接口电路 图3 1 3 键盘接口电路 图3 1 4l c d 接口电路 1 6 1 7 1 8 2 l 2 2 。2 4 图4 1变电站系统框图 图4 - 2r t l s 0 1 9 内部结构圈 图4 3 以太网接口图。 图4 4t c p , q l ： 分层结构图 2 5 2 6 2 9 图4 - 5z l g i p 系统框图3 9 图4 - 6 各层协议数据单元4 0 图4 7z l g i p 实现软件流程图 图5 - 1 应用程序整体架构图4 4 图5 2 保护逻辑判断任务程序流程图 图5 - 3 定时采样中断流程图，4 7 表格清单 表4 hi e e e 9 0 2 3 以太网标准物理传输帧3 2 表4 2 ：以太网接收包帧结构3 3 表4 - 3 以太网发送包帧结构3 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我 所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，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 金目王些去堂 或其他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已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 、茜整签字日期：多卯7 年碉 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目b 王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金匿王些 烂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 学垄 签字日期：扣p 7 年f 月 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名筇童錾 签字日期：d 7 年s 月 日 电话： 邮编： 致谢 在硕士生活即将结束、硕士毕业论文即将完成之际，我将我的感激和谢意 诉诸笔端，希望籍此表达我对于那些曾经给予过我无私帮助和关怀的人们的最 诚挚的感谢和祝福。 在此，我首先衷心感谢我的导师一鲍远慧副教授及温阳东教授对我的指导 与帮助。在课题的进行期间，他们从选题、论文的撰写、审稿以及生活等各方 面都给予了极大的关心和支持。两位老师严谨的治学态度、务实的工作作风、 渊博的知识、高深的学术造诣和锐意进取的科学探索精神令人敬仰。从他们那 里所学的知识和所受的熏陶将使我终身受益，将是我未来学习的榜样值此论 文完成之际，谨向两位老师致以衷心的感谢和崇高的敬意。 感谢所有给予我理解、关心、支持和帮助的老师、朋友! 最后，特别感谢 我的父母与家人。谢谢他们多年来为我的无私付出，自始至终绘藐的信任和鼓 励，正是来自这些亲人中的爱与关怀，才让我克服一切困难，达到自己的目标， 并将不辜负大家的期望而继续努力。 作者：曹燕 2 0 0 7 年4 月 1 1 变电站综合自动化 第一章绪论 变电站是电力系统中的重要环节。担负着电压转换和电量重新分配的任务， 对电网的安全和经济运行起着非常重要的作用。传统的变电站大多数采用电磁 式或晶体管式的二次设备，其结构复杂，可靠性不高，本身又无故障自诊断能 力，只能靠一年一度的整定值的校验发现问题。另外，传统的变电站不能满足 向调度中心及时提供运行参数的要求，一些遥测、遥信无法实时送到调度中心。 由于参数采集不齐全，不准确，变电站本身又缺乏自动控制和调控手段，因此 没法进行实时控制，不利于电力系统的安全、稳定运行。近年来，随着我国经 济快速发展，引发了电网建设的热潮，新建交电站不断投入系统运行，系统容 量增大，电网复杂程度增加，对变电站的安全可靠运行提出了更高的要求。同 时由于微电子技术、计算机技术和通信技术的发展，为变电站综合自动化技术 由传统向综合发展提供了可能和基础 1 1 1 变电站综合自动化的一般概念 变电站自动化是应用控制技术、信息处理和通信技术，通过计算机软、硬 件系统或自动装置代替人工进行各种运行作业，提高变电站运行、管理水平的 一种自动化系统。变电站自动化的范畴包括综合自动化技术、远动技术、继电 保护技术及变电站其他智能技术等。 变电站综合自动化是将变电站的二次设备( 包括测量仪表、信号系统、继 电保护、自动装置和远动装置等) 经过功能的组合和优化设计，利用先进的计 算机技术、现代电子技术、通信技术和信号处理技术，实现对全变电站的主要 设备和输、配电线路的自动监视、测量、自动控制和微机保护，以及与调度通 信等综合性的自动化功能。变电站综合自动化系统，即利用多台微型计算机和 大规模集成电路组成的自动化系统，代替常规的测量和监视仪表，代替常规控 制屏、中央信号系统和远动屏，用微机保护代替常规的继电保护屏，改变常规 的继电保护装置不能与外界通信的缺陷因此，变电站综合自动是自动化技术、 计算机技术和通信技术等高科技在变电站领域的综合应用。交电站综合自动化 系统可以采集到比较齐全的数据和信息，利用计算机的高速计算能力和逻辑判 断能力，可方便地监视和控制变电站内各种设备地运行和操作。变电站综合自 动化系统具有功能综合化、结构微机化、操作监视屏幕化、运行管理智能化等 特征。 1 1 2 变电站综合自动化系统的分层分布式结构 变电站综合自动化系统的分层分布式系统其实质属于分层分布式的多c p u 的体系结构。每一层完成不同的功能，每一层由不同的设备或不同的子系统组 成。一般来说，整个变电站的一、二次设备可分为3 层，即设备层、单元层( 或 称间隔层) 和变电站层。设备层主要指变电站内的变压器和断路器、隔离开关及 辅助触点，电流、电压互感器等一次设备。单元层一般按断路器划分，具有测 量、控制部件或继电保护部件。单元层本身由各种不同的单元装置组成，这些 独立的单元装置直接通过局域网络或串行总线与变电站层联系；也可能设有数 据管理机或保护管理机，分别管理各测量、监视单元和各保护单元，然后集中 由数采管理机和保护管理机与变电站层通信。单元层本身实际上是两级系统的 结构。变电站层包括全站性的监控主机、远动通信机等。变电站层设现场总线 或局域网，供各主机之间和监控主机与单元层之间交换信息。 分层分散式结构的变电站自动化系统突出的优点如下： ( 1 ) 简化了变电站二次部分的配置，大大缩小了控制室的面积。 ( 2 ) 减少了施工和设备安装工程量 ( 3 ) 简化了变电站二次设备之间的连线，节省了大量连接电缆 ( 4 ) 分层分散式结构可靠性高，组态灵活，检修方便。 分层分散式的结构可以降低总投资，是今后变电站综合自动化系统的发展方向。 1 2 变电站间隔层通信系统 1 2 1 通信网络现状及发展方向 变电站自动化技术在我国的发展速度很快，现在新建的变电站绝大多数都 采用了变电站自动化技术，很多老站也在改造。与传统的变电站相比，新的变 电站的功能变得越来越强大，所有功能的实现都需要依靠通信网络，都需要快 速通信和数据共享，这就对站内通信提出了新的要求。 传统的变电站自动化系统一般都采用r s - - 2 3 2 或r s - - 4 8 5 通信接口，r s - 2 3 2 采用一对一的形式，实现方便，但通信距离短，并要扩展很多的通信接口 r s - - 4 8 5 将保护设备连在一起，主从方式通信，通信距离长，波特率低，适合在 分散性系统中使用。但其通信速度慢，影响实时性后来引入现场总线技术， 由于其组网方便且抗干扰能力强，很快被运用于变电站自动化系统的站内通信。 现场总线控制系统( f c s ) 由于其彻底的开放性、分散性和完全互可操作性等特 点，正成为未来新型工业控制系统的发展方向之一然而就目前情况来看，现 场总线技术的发展存在的最主要问题是没有一个统一的国际标准。由于支持总 2 线的集团阃利益冲突等原因，不同现场总线产品问的互联非常困难。这不但使 f c s 的开放性、分散性和可互操作性等特点难以体现，给用户的使用带来了很 大不便，也给现场总线技术的推广及现场总线控制系统的应用带来不利影响。 随着以太网的迅速发展，以太网以其通信速率高、设备标准化程度高、功 能强大等特点在变电站自动化功能系统中得到越来越多的应用。并且随着计算 机软、硬件的发展，工业控制领域出现了嵌入式技术。利用嵌入式软、硬件。 设计者可以在单片机系统上实现以太网技术即嵌入式以太网。嵌人式以太网的 出现为变电站自动化系统的设计者提供了实现站内通信网络的新途径。目前国 外一些著名大公司已经利用嵌入式技术，将以太网用于它们最新推出的变电站 自动化系统。如g e 公司将以太网接口做在保护装置中，g e - h a 刊r i s 公司推出 了带双以太网接口的d 2 5 测控单元装置，a b b 也推出了带以太网接1 2 的间隔控 制器r 5 8 0 。这些都表明嵌入式以太网用于变电站自动化系统是技术发展的趋 势。 1 2 2 以太网变电站自动化系统的优点 以太网变电站自动化系统相对于传统的变电站系统有很多优点，概述如下： ( 1 ) 通信速率快 以太网的传输速度很快，有的甚至达到1 0 0 m 的网速。而r s 4 8 5 r s 2 3 2 的 通信速率一般只有几千，即便在现场网络系统中，最高速率也只有几兆。 ( 2 ) 全双工通信 管理主机可同时接收和发送数据，所有信息的采集和装置的控制都可在极 短的时间内完成。采用合适的通信规约，如采用主动上送和查询相结合的方式， 就可以减小网络的数据流量，减轻网络负担。 ( 3 ) 网络结构简单 所有的设备都连接在同一条网线上，拓朴结构简单。 ( 4 ) 网络设备标准统一，价格便宜，维护工作量小 ( 5 ) 基于以太网的交电站自动化技术，使得基于w e b 技术的远程维护成为可能 这包括两种情况：可通过网络远程访问w e b 服务器，了解各站的实时运行 情况通过网络访问每台间隔层设备，利用浏览器进行实时数据的监视、 定值的显示及修改和观察保护动作纪录。 2 1 嵌入式系统 2 1 i 嵌入式系统简介 第二章嵌入式开发平台基础 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可剪裁，适应 应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用性系统。 它一般由微处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及上层应用软件系统等组 成，用以实现对其它设备的控制、监视和管理功能 以应用为中心对计算机进行分类，可将其分为嵌入式计算机和通用计算机 通用计算机具有计算机的标准形态，通过装配不同的应用软件，以类同面 目出现并应用在社会的不同方面，其典型产品为个人计算机( p c 机) 而嵌入式 计算机嵌入于该设备，智能地完成宿主设备功能的计算机，它是以嵌入式系统 的形式隐藏各种装置、产品和系统中。嵌入式计算机在应用数量上远远超过各 种通用计算机制造工业、过程控制、通信、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、 航天、军事装备、消费类产品均是嵌入式计算机的应用领域。 2 1 2 嵌入式系统组成 嵌入式系统面向于特定应用环境，和应用紧密相关，由硬件和软件两部分 组成 2 i 2 i 嵌入式系统硬件 从硬件方面来讲，嵌入式系统的核心部件是嵌入式处理器。据不完全统计。 全世界嵌入式处理器的品种数量已经超过1 0 0 0 多种，流行体系结构有3 0 多个， 寻址空间可以从6 4 k b 到2 5 6 m b ，处理速度从0 i m i p s 到2 0 0 0 m i p s 。嵌入式处理 器可分为以下四种类型。 ( 1 ) 嵌入式微控制器( m c u ) 嵌入式微控制器又称单片机，顾名思义，就是将整个计算机系统集成到一 块芯片中。嵌入式微控制器一般以某种微处理器内核为核心，芯片内部集成存 储器( r o m e p r o m 、f l a s h r a m 、r a m ) 、定时计数器、看门狗( w a t c h d o g ) 、串 行接口( u a r t u s a r t ) 、脉宽调制输出( p w m ) 、模数转换控制器( a d c ) 、数 模转换控制器( d a c ) 等各种常用的功能外设特点是体积小、单片化、功耗和 成本低、可靠性强，是目前嵌入式系统工业的主流。 4 ( 2 ) 嵌入式d s p 处理器( d s p ) d s p 处理器是专门用于信号处理方面的处理器。其编译效率高、指令执行 速度快，特别适用于数字滤波、谱线分析等嵌入式领域。 ( 3 ) 嵌入式片上系统( s o c ) s o c 是在一片硅片上实现一个复杂的系统，整个嵌入式系统可以集成到一 块或几块芯片中去。用标准的v h d l 语言进行描述，可大幅度提高系统的可靠性， 减小系统面积，降低系统成本和功耗，极大地提高了系统的性价比。 ( 4 ) 嵌入式微处理器( m p u ) 嵌入式微处理器的典型代表是a r m 处理器，a r m 处理器是基于精简指令集 ( r i s c ) 体系结构的计算机系统，简单的结构使a r m 的内核特别小、功耗低， a r m 核技术广泛地应用于便携式通信、嵌入式系统等领域，已经成为r i s c 的标 准目前，基于a r m 技术的3 2 位处理器的市场占有率达8 0 。在所有a r m 处理 器系列中，a r m 7 系列应用最广，本设计中就采用a r m 7 处理器。当今，高性能、 可靠性强的a r m 处理器已经嵌入复杂的s o c 中 嵌入式处理器一般应具有以下4 个特点： i 、对实时多任务操作系统具有很强的支持能力。能够实现多任务并且有较 短的中断响应时闻，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度。 2 、具有功能很强的存储区保护功能。由于嵌入式系统的软件结构一般为模 块化，为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区 保护功能，同时有利于软件故障诊断 3 、处理器结构可扩展。能够快速开发出满足各种应用和高性能的嵌入式微 处理器。 4 、低功耗。尤其是用于便携式的无线及移动计算和通信设备的嵌入式系统。 功耗可以达到m w 级甚至u w 级。 近年来嵌入式处理器的主要发展方向是小体积、高性能、低功耗。本系统 中选用的是p h i l i p s 公司出品的以a r m 7 t d m i s 为内核的l p c 2 2 9 2 芯片作为微处 理器。 2 i 2 2 嵌入式系统软件 为了充分利用高性能微处理器的特性，嵌入式系统的软件设计也在做相应 的改变，嵌入式系统的软件设计的发展趋势有以下两点； 1 、由和硬件紧密相关的汇编语言发展到移植性能优良的嵌入式c 语言设计 2 、由单一任务的过程设计发展到基于嵌入式操作系统的多任务软件平台的 设计。 嵌入式系统的软件一般由嵌入式操作系统和应用软件组成。操作系统是连 接计算机硬件与应用程序的系统程序嵌入式操作系统是嵌入式应用软件的基 础和开发平台，它是一段嵌入在目标代码中的软件，用户的其他应用程序都是 建立在操作系统之上，操作系统将c p u 时间、中断、定时器等包装起来，留给 用户一个标准的a p i ，并根据任务的优先级，合理地调度任务分配c p u 时间 操作系统有两个功能：使计算机硬件便于使用；高效组织和正确地使用计 算机的资源操作系统有4 个任务：进程管理、进程间通信与同步、内存管理 和i 0 资源管理。 嵌入式系统一般要求响应速度快，并有处理异步并发事件的能力，相当一 部分系统还要求具有实时处理的能力因此嵌入式系统中使用的操作系统大多 是实时操作系统( r t o s ) 。嵌入式实时操作系统必需是多任务系统、任务地切 换时间与系统的任务数无关并且要求中断延时的时间可预知并尽可能短当系 统有多个任务在运行时，实时操作系统对每个任务赋予不同的优先级别，只有 当前最高级别的任务才能获得c p u 的使用权目前，在嵌入式系统内使用的实 时操作系统主要有：嵌入式l i n u x 、v x w o r k s 、pc 0 s - i i 等，其中uc 0 s i i 实 时操作系统是一个源码公开、可移植、可固化、可剪裁的占先式内核，绝大数 代码可用c 语言编写，使其可以方便的移植并支持大多数类型的处理器 本系统采用的是以uc o s - i i 为软件开发平台，i lc 0 s - l i 代码除了与处理 器相关的函数采用忙编语言编写，其他部分都采用c 语言编写。这样提高了整 个系统的执行效率、可移植性以及可维护性能 2 1 3 嵌入式a r m 处理器 a p d v l ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) ，既可以认为是一个公司的名字，也可 以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 公司是一家提供r i s c 架构嵌入式系统微 处理器的公司，位于英国，由a c o r n 、苹果公司、v l s i 公司联合出资，成立于 1 9 9 0 年1 1 月，主要是开发及设计1 6 位和3 2 位的嵌入式系统微处理器，并且 将它所开发的技术授权给其他的半导体公司进行a p d v 微处理器的制造。从 1 9 9 1 年推出第一种嵌入式r i s c 内核a r m 6 至今经过十多年坚持不懈的打造， a r m 已成为世界领先的嵌入式r i s c 处理器知识产权提供商。 嵌入式a r m 处理器是嵌入式微处理器的主流产品，它目前已经占有7 5 以上的 3 2 位r i s c 嵌入式产品市场。a r m 公司通过转让高性能、低成本、低功耗的r i s c 微 处理器、外围和芯片设计技术给合作伙伴，使他们能用这些技术来生产各具特色的芯 片。l p c 2 2 9 2 是飞利浦公司的一款a r m 处理器，它的c p u 核采用a r m 公司的1 6 3 2 位a d r m 7 t d m ir i s c 结构。o t i v l 7 t d m i 是目前应用最广的3 2 位高性能嵌入式r i s c 处理器。 6 2 1 3 1 嵌入式a r m 处理器特点 a r m 微处理器具有如下主要特点： l 、处理速度快 a r m 是r i s c 结构的处理器，而且a r m 内部集成了多级指令流水线，如 a r m 7 中使用了3 级指令流水线；a r m 9 中使用了5 级指令流水线，大大增加 了处理速度。 2 、超低功耗 各种档次的a r m 的功耗都是同档次其他嵌入式处理器中较低的。处理器 的散热问题不用考虑；低电压，微电流供电，这些都是便携式设备最理想的选 择 3 、应用前景广泛 因为a r m 公司不是生产处理器的，专门为集成芯片( i c ) 制造商提供各种 处理器的设计方案。所以，在各种处理器中，a r m 的使用最广，同时应用前景 广阔，开发资源丰富，有利于缩短产品的研发周期 4 、价格低廉 在各种嵌入式处理器中，a r m 的价格适中，而且使用量大，比较容易购买。 2 1 3 2 嵌入式a r m 处理器应用领域 到目前为止，a r m 微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域： 1 、工业控制领域：作为3 2 位的r i s c 架构，基于a r m 核的微控制器芯片 不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器 应用领域扩展，a r m 微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8 位1 6 位微控制 器提出了挑战。 2 、无线通讯领域：目前已有超过8 5 的无线通讯设备采用了a r m 技术， a r m 以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。 3 、网络应用：随着宽带技术的推广，采用a r m 技术的a d s l 芯片正逐步 获得竞争优势此外，a r m 在语音及视频处理上行了优化，并获得广泛支持， 也对d s p 的应用领域提出了挑战。 4 、消费类电子产品：a r m 技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶 盒和游戏机中得到广泛采用。 5 、成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用a r m 技术。手机中的3 2 位s i m 智能卡也采用了a r m 技术。 除此以外，a r m 微处理器及技术还应用到许多不同的领域，并会在将来取 得更加广泛的应用。 2 i 3 3l p c 2 2 9 2 简介 l p c 2 2 9 2 是基于一个支持实时仿真和跟踪的1 6 3 2 位a r m 7 t d m i s 核的 微控制器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由于l p c 2 2 9 2 采用1 4 4 脚封装，功耗极 低，2 个3 2 位定时器，8 路1 0 位a d c 、6 路p w m 输出以及多达9 个外部中断 使得它们特别适合于工业控制、医疗系统。同时l p c 2 2 0 0 是世界首款可加密的 具有外部存储接口的a r m 芯片 通过配置总线，l p c 2 2 9 2 最多可提供7 6 个g p i o ( 普通i o 口) 由于内 置了串行通信接口，它们非常适合于通信网关、协议转换器、嵌入式软m o d e m 以及其它各种类型的应用 l p c 2 2 9 2 的系统框图如图2 - 1 所示 图2 - 1l p c 2 2 9 2 系统框图 s l p c 2 2 9 2 具有如下一些特性： 1 6 3 2 位a r m 7 t d m i s 微控制器，共有1 4 4 引脚。 1 6 k b 静态r a m 。 2 5 6 k b 片内f l a s h 存储器。加速器实现高达6 0 m h z 的操作频率 外部8 位、1 6 位、3 2 位总线。 通过外部存储器接口可扩展4 个存储器组，每组的容量高达1 6 m b 。 片内b o o t 装载程序实现在系统编程( i s p ) 和在应用中编程( i a p ) f l a s h 编程时间为i m s ，可编程5 1 2 字节，扇区擦除或整片擦除只需4 0 0 m s 。 嵌入式跟踪宏单元( e t m ) 支持对执行代码进行无下载的高速实时跟踪。 8 路1 0 位a d 转换器，转换时间需要2 4 4 u s 。 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。 多个串行接口、包括2 个1 6 c 5 5 0 工业标准u a r t 、高速1 2 c 接口 ( 4 0 0 k b p s ) 和2 个s p i 接口。 通过片内锁相环( p l l ) 可实现最大为6 0 m h z 的c p u 操作频率。 向量中断控制器。可配置优先级和向量地址。 多达1 1 2 个通用i o 口( 可承受5 v 电压) ，1 2 个独立外部中断引脚。 晶振频率范围为i 3 0 m h z ，若使用p l l 或i s p 功能，则为1 0 2 5 m h z 2 个低功耗模式：空闲和掉电 通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒。 可通过个别使能禁止外部功能来优化功耗。 双电源： - c p u 操作电压范围：1 6 5 1 9 5 v ； 一i o 操作电压范围：3 o 3 6 v 。 2 2 基于l p c 2 2 9 2 上的# i c o s 实时操作系统 2 2 1i l c o s - i i 概述 p c o s i i 意为“微控制器操作系统版本2 ”。p c o s i i 在性能上不亚于商 业软件的实时操作系统( r t o s ) ，区别在于p c o s 1 1 只是一个实时o s 内核， 而商业软件一般是一个包括调试手段在内的完整的软件包。p c o s i i 可以在p c 的d o s 环境下运行，其源代码开放，其中9 5 $ 左右用c 语言写成，而与c p u 硬件相关的代码用汇编语言编写，仅有2 0 0 行，存放在两个单独的文件中。 p c o s i i 是基于优先级的可剥夺型实时内核，可裁剪、可固化。用户可以只选 用对其应用程序有用的那一部分，故内核目标代码可剪裁到小到i 5 k b ，大则 可以大到1 0 k b 以上。p c o s i i 最多可以管理和调度6 4 个任务。由于p c o s - 是可剥夺型的，在任务调度过程中要处理可能发生的竞争，每个任务都要有 自己的栈空间，故任务越多，r a m 的需求量就越大。 p c o s - i i 的内核和应用程序放在一起编译成一个文件，写在r o m 中，上 电后，就可以象普通的单片机程序一样运行。 9 2 2 2p c o s - 内核的特点： 肛c o s 主要有如下特点： 1 、可靠性 操作系统的用户希望在一个工作稳定、可以信赖的环境中工作，所以操作 的可靠性是用户首先要考虑的闷题。而稳定可靠是p c o s i i 的一个突出优点。 它在航空领域中的成功应用证明了这一点。 2 、实时性 实时性是指能够在限定的时间内执行完规定的功能并对外部的异步事件作 出响应的能力p c o s 提供的多任务机制中对任务的控制采用了优先级抢占 ( p r e e m p t i v ep r i o r i t ys c h e d u l i n g ) 机制，充分保证了可靠的实时性，使同 样的硬件配置能满足更强的实时性要求，为应用的开发留下更大的余地 3 、可裁剪性 用户在使用操作系统时，并不是操作系统中的每一个部分都要用到。可裁 剪是通过条件编译实现的，只要在用户的应用程序中定义哪些功能是应用程序 需要的就可以了，十分方便。这样可以减少编译后肛c i o s u 所需的存储器空同 4 、可固化 9 c 0 s 是为嵌入式应用而设计的，只要具备合适的系列软件工具( c 编 译、汇编、链接及下载固化) ，就可以将p c o s 嵌入到产品中作为产品的 一部分。 5 、可剥夺性 p c o s 是完全可剥夺型的实时内核，即p c o s - 总是运行就绪条件下优 先级最高的任务。 6 、可确定性 绝大多数p c o s 函数调用和服务的执行时间具有可确定性。用户能知道 l c o s 的函数调用与服务实际上执行了多长时间，除了函数o s t i m e t i c k ( ) 和某些事件标志服务，p c o s 1 i 系统服务的执行时间与用户的应用程序数目的 多少并没有直接关系。 2 2 3p c o s - i i 在l p c 2 2 9 2 上的移植 2 2 3 1 移植的条件 所谓移植，指的是一个操作可以在某个微处理器或微控制器上运行。虽然 p c o s l i 大部分源代码是用c 语言写成的，但仍然需要用汇编语言完成与处理 器相关代码的编写。如果要通过操作系统读写处理器的寄存器就只能通过汇编 语言来实现。要在处理器上移植p c o s i i ，处理器必须满足一定的条件： ( 1 ) 处理器的c 编译器能产生可重入代码 可重入代码指的是一段代码可以被多个任务同时调用，而不必担心会破坏 数据代码的可重入性是保证完成多任务的基础 ( 2 ) 在程序中可以代开和关闭中断 在i - l c o s 中，可以通过o $ _ e n t e r _ c r i t i c a l ( ) 或者o se x i t _ c r i t i c a l ( ) 两个宏来控制系统关闭或者打开中断。具体的处理器在关于这两 个宏的定义是有所不同的。在a r m 7 t d m i 处理器上，可以设置相应的寄存器 来关闭或者打开系统所有的中断。 ( 3 ) 处理器支持中断，并且能够产生定时中断 这是由于i i c o s ，操作系统是通过处理器内部的定时器中断来实现多任 务之间的调度。 ( 4 ) 处理器能够容纳一定数量的硬件堆栈。 ( 5 ) 处理器有将堆栈指针和其他c p u 寄存器存储和读出到堆栈( 或者内 存) 的指令。i - l c o s 在进行任务调度的时候，会把当前任务的c p u 寄存器存 放到任务堆栈中，从另一个任务的堆栈中回复原来的工作寄存器，继续运行另 一个任务所以，寄存器入栈和出栈是i i c o s 多任务调度的基础。 a r m t t d m i 核的处理器完全满足上述条件，所以是能够将8 c o s - i i 移植 在上面的。 2 2 3 2i i c o s - i i 在l p c 2 2 9 2 上的移植所涉及的文件 在变电站继电保护系统设计中，选用的是p h i l i p s 公司出品的l p c 2 2 9 2 芯 片作为微控制器，它是一个支持实时仿真和跟踪的1 6 3 2 位a r m 7 t d m i - sc p u 的微控制器。该芯片拥有足够的存储空间和支持中断并且能够产生定时中断， 所以完全满足l a c o s 1 i 操作系统移植的条件。要在这个芯片上设计本系统，首 先要保证i - c o s i i 操作系统的移植成功，使g c o s i i 实时操作系统能够在 l p c 2 2 9 2 平台上运行，设计并不需要关心所有操作系统的代码，只要关注与处 理器相关的代码。 其实由于i l c o s i i 在设计之初就充分考虑了本身在处理器上的移植问题， 因此在任何处理器上移植g c o s n 都只关心三个文件：头文件o sc p u h ，c 文件o sc p uc c 和汇编文件0 sc p ua a s m 。 ( 1 ) 设置i n c l u d e h 和o sc p u h 中与处理器和编译器相关的代码 与编译器相关的数据类型，直观定义一系列移植到不同处理器的数据类 型，如i n t l 6 u 为1 6 位无符号整数；并通过o s s t k 确定p c o s i i 的 任务堆栈数据类型。 o se n t e rc r i t i c a l ( ) 和o se x i tc r i t i c a l ( ) ，与所有实时内核 一样，肛c o s i i 需要先禁止中断再访问代码的临界区，并且访问完毕 后重新打开中断；这样可以保护临界区代码不受多任务和中断服务程 序( i s r ) 的破坏。在l p c 2 2 9 2 上是通过这两个函数实现中断开关的。 o s s t k，定义堆栈的增长方向。表示堆栈向高地址方向_ g r o w t h 0 生成，1 表示堆栈向低地址方向生成 ( 2 ) 与操作系统相关的需要用户编写的c 函数( o sc p uc c ) o s t a s k s t k l n i t ( ) ：被o s t a s k c r e a t e ( ) 和o s t a s k c r e a t e e x t ( ) 调用，初始 化任务堆栈结构后，返回堆栈指针地址，并保存到任务控制块( 0 s j c b ) 中。此时的堆栈看起来就像刚发生过中并将所有寄存器值保存到堆栈 中如图所示为o s t a s k s t k l n i t ( ) 放到正被建立任务堆栈中的东西。在 图中我们定义堆栈的增长方向是从高地址向低地址增长。 存储的处理器 寄存器值 中断返回地址 处理器状态字 任务起始地址 低地址 堆栈增长方向 高地址 圈2 2 任务堆栈结构 o s t a s k c r e a t e h o o k ( ) ：任务创建时调用此函数；该函数允许用户扩展 i _ t c o s i i 的功能。系统设置完自己的内部结构后，会在调度任务程序 前调用此函数，此时中断被禁止。 o s t a s k d e l h o o k ( ) ：当任务被删除时调用，该函数在把任务从p c o s 内部的链表中解开之前被调用，调用时会收到指向正被删除任务的 o st c b 指针，这样它可以访问所有的结构成员。 o s t a s k s w h o o k ( ) ：当发生任务切换时被调用，本函数可以直接访问 o s t c b c u r ( 当前任务的o s t c b ) 和o s t c b h i g h r d y ( 新任务的o s t c b ) ： 该函数被调用时中断被禁止。 o s t a s k s t a t h o o k ( ) ：每秒被o s t a s k s t a t ( ) 调用一次。用户可用它来扩展 统计功能。 o s t i m e t i c k h o o k ( ) ：函数每个时钟节拍都被o s t a s k t i c k ( ) 调用。 以上函数中后五个函数可以无代码，只有在o s c f g h 中的 o sc p uh 0 0 ke n 为1 时才会产生这些代码。 ( 3 ) 用户编写与操作系统相关的的汇编函数( o sc p ua a s m ) o s s t a r t h i g h r d y ( ) ：运行优先级最高的就绪任务。 o s e t x s w ( ) ：任务级的任务切换函数。 o s i n t c t x s w ( ) ：中断级的任务切换函数。 o s t i e k l s r ( ) ：用户给系统提供的一个周期性时钟源，以实现时钟的延 迟和超时功能。 2 2 4i i c i o s - 的启动 ( 1 ) 在程序中分配任务栈 分配任务栈的主要目的是为任务运行时变量、堆栈提供存放和访问空间， 通过定义数组u n s i g n e di n ts t a c k x s t a c k s i z e 并在任务启动时传递该数组指 针完成任务栈的初始化。 ( 2 ) 建立任务函数 函数体中包含的内容有交量定义及初始化、调用功能函数或设定任务挂起 的时间间隔。 ( 3 ) 描述启动任务 传递任务函数地址、任务堆栈地址、任务优先级。 ( 4 ) 在m a i n ( ) 函数中完成启动流程 主要完成运行任务前操作系统的初始化、启动定时中断、启动任务等。 第三章保护测控功能模块硬件电路设计 现代微机保护装置的硬件通常都按照通用的标准来设计，不同的保护类型， 主要的差异在于软件保护功能的配置。本微机保护测控装置采用模块化的设计 方式，装置从结构上主要可以分为：交流变换及信号调理模块、数据处理及保 护逻辑判断模块、开关量输入输出模块、人机接1 3 模块、电源模块。装置的硬 件结构框图如图3 - - l 所示 日曙 图3 - 1 装置硬件结构框图 该保护装置后部有一块起连接作用的印刷线路板，交流变换模块、电