（农业电气化与自动化专业论文）基于arm的嵌入式系统在电网远程监控中的应用.pdf

摘要 电网监测仪怒电网邋程监控系统的终端产品，是实现现代电网管理的一个重 要缝寂聱努。 本论文在了解电网远程监控系统的现状和发展趋势的基础上，提出了采用 a r m 徽楚理器和g c o s - i i 实时藤作系统酌电阏远程整控系统的磷蒂方案。 该方案在硬件设计上采用a r m 微处理器- - s 3 c 4 4 b o x 作为主控制器，提高 了系统的运行速度和数据处理能力，并根据电网臆测仪所要实现的功能，设计了 淑网参数测量和鼹络通谖等硬件模块进行数据采袋积远稷监控。 为了满足电网远程敛控的实时性和处理复杂多任务的需要，将g c o s i i 移植 戮毫题爨测搜懿徽处理嚣土，势在该实懿撵露系绫上嵌入l w t p 诱议找，建立了 电网远程脏控的软件平台。设计了电网监测仪的殿用软件，使得电网监测仪可以 蠹接与i n t e m e t 鞠互连接，能够接狡远程控麓主飘静命令并淘运程控隶l 圭辊发送 采集数据与当前状态信息。另外，本系统实现了本地远程升级的功能，使系统 受利于维护、更新，延妖了产品豹使用捌期。 利用v b 和s q ls e r v e r 数据摩技术，设计监按主枧救应用软传。实验中采建 i n t e m e t 作为电网j i 矗测仪和监控主机之间擞要的通讯方式，实现了电网远程监控， 晕攀裂令人漩意豹缝果。 关键谣：电网麓溺佼，a r m ，# t c o s - i i ，i n t e m e t 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t m o n i t o ri n s t r u m e n to fe l e c t r i c a ln e t w o r ki st h et e r m i n a lp r o d u c ti nt h er e m o t e m o n i t o rs y s t e mo fe l e c t r i c a ln e t w o r k ，a n di ti st h em o s ti m p o r t a n tp a r tt om a n a g e m o d e me l e c t r i c a ln e t w o r k b a s e do nt h ea c t u a l i t ya n dd e v e l o p i n gt r e n di nt h er e m o t em o n i t o rs y s t e mo f e l e c t r i c a ln e t w o r k ，t h et h e s i sp r o p o s e dan e ww a y , w h i c hc o m b i n e dt h ea r mm p u a n dr e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m - l a c o s i i ，t od e s i g ni t i nh a r d w a r ed e s i g n , u s e da r mm p u - - s 3 c 4 4 b o xa st h em a i nc o n t r o lu n i t ， w h i c hi n c r e a s e dt h eo p e r a t i n gs p e e da n dd a t ah a n c u m gc a p a c i t yo ft h es y s t e m a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o no fm o n i t o ri n s t r u m e n to fe l e c t r i c a ln e t w o r k ，d e s i g n e d m o d u l e so fp a r a m e t e rm e a s u r ea n dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nt oc o l l e c td a t aa n d m o n i t o rr e m o t e l y i no r d e rt os a t i s f yt h ed e m a n do f r e a l - t i m ea b i l i t ya n dm u l t i t a s km a n a g e m e n t ，t h e t h e s i st r a n s p l a n t e d t c o s - i it om p uo f m o n i t o ri n s t r u m e n to fe l e c t r i c a ln e t w o r k ，a n d e m b e d d e dl w l pi nt h er e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ：t h e ns e tu pt h es o f t w a r ep l a t f o r m a tt h es a m et i m e ，d e s i g n e da p p l i c a t i o no fm o n i t o ri n s t r u m e n to fe l e c t r i c a ln e t w o r k ， w h i c hm a d ei tp o s s i b l et oc o n n e c tw i t l li n t e m e td i r e c t l y , r e c e i v ec o m m a n df r o m r e m o t ec o n t r o lc o m p u t e ra n dt r a n s m i td a t aa n dc u r r e n ts t a t u si n f o r m a t i o nt oi t m o r e o v e r , t h et h e s i su p d a t e dt h ef u n c t i o no fs y s t e mi nl o c a la n dl o n gd i s t a n c e ，w h i c h m a d ei te a s i e rt om a i n t a i na n du p d a t et h es y s t e m ，e x t e n d e dt h ep r o d u c t ss e r v i c et i m e v ba n ds q ls e r v e rw e r ea p p l i e dt od e s i g na p p l i c a t i o no fm o n i t o rc o m p u t e r i n e x p e r i m e n t ，a d o p t e di n t e r a c ta st h ec o m m u n i c a t i o nw a y b e t w e e nm o n i t o ri n s t r u m e n t o fe l e c t r i c a ln e t w o r ka n dc o n t r o lc o m p u t e r , w h i c hr e a l i z e dt h er e m o t cm o n i t o ro f e l e c t r i c a ln e t w o r k ，a n da c h i e v e ds a t i s f i e dr e s u l t k e yw o r d s ：m o n i t o ri n s t r u m e n to fe l e c t r i c a ln e t w o r k ，a r m ，p c o s i i ，i n t e r a c t i i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或 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 手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 、 ， 不保密i 爿。 学位论文作者签名享、恪d 岛 签字日期：孵6 月 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名苍口眨 签字日期：箨占月7 日 电话： 邮编： 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已l 经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何萁魏个入或集体已经发表或摸写过的佟品成聚。对本文的 研究皴出重要贡献的个人和集体，均已在文孛以嗳确方式标昵。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：喜气庭事茂 e t g q ：孵年6 胃1 7 妥 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题研究的目的和意义 随着国民经济的发展，目前电力系统的规模越来越大，朝着大电网的方向发 展。9 0 年代以来，欧洲和北美等各国都纷纷进行电网大互联。就西欧来说，其 电网己经跨国界，在整个西欧互连互通；美国的西部电网、中部电网、东部电网 等，并且加拿大和美国已经联网。就我国而言，近年来已经形成了七大互联互通 的电网如华东、华中、华北、东北、西北、西南、广东，目前华北电网和东北电 网已经实现互联互通，随着西电东送工程、三峡工程的陆续开工建设，广东电网 与西南、华中电网，华东电网与华中电网，华北电网与西北电网都将互联互通， 这样相信再过若干年覆盖全国的统一的大电网最终将形成。并且随着国际合作的 开展，国家有关部门在研究与相关邻国开展合作，比如俄罗斯远东地区电网与中 国东北电网互联，中国向东南亚有关国家输送电力等。 但是，电网越大，技术就越复杂，要求的自动化水平就越高，对生产过程的 管理也就越严格。现代电网一旦发生事故，其传播之迅速，影响之大，后果之严 重，都是其它行业的事故所不能比拟的。因此，保证现代电网安全、可靠、优质、 经济运行，这是现代电网必须实行统一调度管理的根本原因【l 】。 电网远程监控是电网调度自动化的一个重要组成，是计算机技术、网络技术 和监控技术的结合，实现对电网的主动监视、测量、自动控制和保护，以及与调 度通信等综合性的自动化功能【2 】。对电网进行实时监控，监控者能及时得到现场 的基本参数，根据设备当时的实际情况，使用第一手数据进行分析控制，具有强 大的生命力和广阔的应用前景。 电网远程监控的通信方式，目前应用的主要有：电力线载波通信、微波中断 通信、光纤通信、无线电通信和i n t e m e t 通信。 电力线载波方式的不足之处是很容易受到干扰，误码率较高，传输速率较低： 光纤通信具有频带宽、传输速率高、传输距离远以及抗干扰性强等特点，适合上 层通信网的要求，但是其安装结构受限制且成本高；无线通信适用于用户分散且 江苏大学硕士学位论文 范围广的场合，在某个频点上以散射通信方式进行无线通信，但是需申请频点使 用权，且如果频点选择不合理，相邻信道会相互干扰。 i n t e m e t 是由许许多多属于不同国家、部门和机构的网络互连起来的网络， 任何运行i n t e m e t 协议，且愿意接入i n t e m e t 的网络都可以成为i n t e m e t 的一部分， 不需要建立专用通信网络。i n t e r n e t 具有开放性、共享性、平等性、低廉性和交 互性。监测仪与主站之间可以通过网络进行成本低廉的交互通信，有效的确保了 数据采集的实时性。同时，通过网络方式可以实现对于数据采集方便、高效的管 理，一台主机可管理的电网监测仪几乎不受数量的限制，对于大规模电网监控来 说，这是一个不能忽视的优点，应用i n t e m e t 作为电网远程监控的通信方式成为 发展趋势。 本系统采用嵌入式电网监测仪对电网参数进行监测，并把监测数据通过 i n t e m e t 传送到远程监控主机中，专业人员就可以远程对设备的运行进行及时、 准确监控，对其故障先兆做出判断和预测，采取有效措施解决问题，就可以保证 大型机组安全运行，防止恶性事故的发生，避免了定期检修引起的生产停顿，预 防和消除故障，对设备的运行进行必要的指导，提高设备运行的可靠性、安全性 和有效性，以期把故障损失降低到最低水平。因此，开发这样一套具有特色并且 实用的电网远程监控系统，无论是在经济上还是技术上，都有积极的现实意义。 1 2 国内外研究现状和趋势 嵌入式是以应用为中心，以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，适应应用 系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统，嵌入性 的本质是将一个微处理器嵌入到一个对象体系中去。嵌入式系统一般由嵌入式微 处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成， 用于实现对其他设备的控制、始视或管理等功能【3 h 5 1 。 目前在世界范围内嵌入式系统带来的工业年产值己超过了1 万亿美元。据赛 迪呼叫中心合作开展的调查显示，目前从事嵌入式开发的软件企业占到了3 0 左右，计划从事开发的企业占到了1 4 。尽管还没有从事该领域开发的公司占到 大多数，但我国国内的嵌入式软件市场已处于整体启动阶段。国内嵌入式软件市 场未来的发展重点在于对应用范围的拓展，而手持设备、信息家电和工业控n m , 0 第一章绪论 是近期市场的三大热点。 但是大部分嵌入式还处于独立应用的阶段，如以m c u 为核心的系统与一些 监测、伺服、指示设备配合实现各自的功能。在一些工业应用和各种消费类电子 产品中，为了实现m c u 之间的信息交流，常用c a n 、r s 一2 3 2 、r s 4 8 5 等组成 “轻”网络。这种网络的有效半径比较有限，通讯协议简单，并且是孤立于i n t e r n e t 的。这难以满足复杂、远程( 异地) 、和较大范围的测控任务的需求。 近十多年以来，以i n t e m e t 为代表的网络技术的出现以及它与其它相关技术 的相互结合，“不仅己开始将智能互联网产品带入现代生活，而且也为远程监控 技术带来了前所未有的发展空间和机遇，网络化监控技术以及具备网络功能的各 种新型仪器便应运而生”。当前，i n t e r n e t 己成为社会重要的基础信息设施之， 是信息流通的重要渠道，如果能够将嵌入式系统连接到i n t e m e t 上面，则可以方 便低廉地将信息传送到世界的任何一个角落。因此，顺应“网络服务”与“网络 应用”的大潮已成为嵌入式系统发展的必然【棚。 嵌入式系统的i n t e r n e t 接入技术是嵌入式领域研究的热点之一。嵌入式系统 的i n t e m e t 接入有如下两种技术模型： 1 对于8 1 6 位的嵌入式系统来讲，速度慢和内存小等系统性能缺陷是其实 现i n t e m e t 接入需要着重考虑的问题。在8 1 6 位的嵌入式系统硬件设备中添加网 络接口硬件，并在相应操作系统中实现t c p i p 协议栈，其系统性能还达不到应 用需要，因此，只能采用间接的按入方式。 ( 1 ) p c 网关+ 专用网：由8 位机组成的嵌入式仪器，采用专用网络( c a n b u s 等、r s 2 3 2 、r s 4 8 5 ) 把若干嵌入式仪器连接在一起，该网络再与p c 相连， 由此建成p cg a t e w a y 专用网，发送到i n t e r n e t 上实现信息共享，这样可以使测 控仪器连到i n t e r n e t 网。但是必须要一台p c 机或类似p c 机功能的设备作为网关， 来进行协议转换，即把其它协议的信息转换成适合在i n t e m e t 传输的i p 包；这样 也能实现信息的网络传输，并且在实际的场合当中也得到了应用，但由于这样的 测控终端必须要专门配一台p c 来进行协议转换，这样应用场合就受到了限制， 并且成本也会很高。 ( 2 ) 嵌入式微控制器+ 虚拟软件包：由m c u 及固化了t c p i p 协议的芯片 组成应用系统的核心。应用系统可以直接拨号上网，硬件电路相对简单。但需要 一3 一 江苏大学硕士学位论文 大容量的存储器，如果所用的t c p i p 协议芯片是软件固化的，还要求m c u 有 较高的运行速度。采用这种方案的芯片有s c e n i xs e m i c o n d u c t o r 公司的s x - s t a c k ， s e i k oi n s m m a e n t 公司的5 7 6 0 0 a ，i r e a d y 公司的i n t e m e tr u n n e r ，c o n n e c to n e 公 司的i c h i p 等，其中s c e n i x 公司的单片机为软件固化协议，其它芯片为硬件固化。 采用s c e n i x 公司提供的8 位单片机s x 5 2 b d 可实现i n t e r n e t 接入功能。由于 该单片机是迄今运行最快的单片机( 每秒1 亿条指令) ，可以实现实时多任务操 作。在m c u 执行数据采集和控制功能的同时把数据打包，并发送到i n t e r n e t 上【7 1 。 但开发人员必须熟悉t c p i p 协议和相关接口，软件设计量大。 2 实现嵌入式系统直接与i n t e r n e t 相互连接主要是通过在嵌入式系统本身添 加网络接口硬件，增加相应的软件支持，并采用相应的接入方案而实现的。直接 接入技术主要是针对采用3 2 6 4 位微处理器的嵌入式系统。 把网络用在嵌入式的测控仪器当中，使之成为一个价格低廉、性能稳定、传 输可靠的数据接口还有很多困难，现在很多公司在这方面投入了大量的研究，有 的公司也致力于具有网络功能的s o c 设计，发达国家也在这方面制定了详细的 研究计划，例如美国和欧洲已计划于2 0 0 3 - - 2 0 0 4 年左右全面推广普及家庭网络。 我们国家也开展了大量的实验研究。 1 3 电网远程监控系统的总体结构 图1 - 1 为电网远程监控系统的总体结构图。 图1 - 1电网远程监测系统的总体结构 电网远程监控系统【8 1 由电网监测仪和远程控制主机组成，构成客户，服务器分 一d 一 第一章绪论 布式网络结构嘲，通过i n t e m e t 进行网络通信。 1 4 本课题的研究工作 本课题是基于a r m 的嵌入式系统在电网远程监控中的应用。本课题的主要 工作如下： 1 对电网进行远程监控，嵌入式处理器需要完成网络通讯和定时器中断程 序，以及系统监控、消息处理、数据运算统计处理、键盘扫描液晶显示等功能。 本系统采用高性能3 2 位a r m 1 0 l - 1 5 1 微处理器s 3 c 4 4 b o x ，并设计了电网参数测 量和网络通讯等硬件模块进行电网参数的采集和远程监控。 2 为了满足电网远程监控的实时性和处理复杂多任务的需要，将实时操作系 统i t c o s i i 1 6 1 【2 0 1 移植到电网监测仪的微处理器，针对电网监测仪的功能，在此 开发软件平台上扩展设计了t c p i p 协议栈和文件系统等。 3 电网监测仪的应用软件：着重设计数据采集和网络通讯部分，完成电网参 数的采集处理，实现电网监测仪和远程控制主机的信息交换。并且为了提高系统 的可维护性，可定制性，延长产品使用周期，可实现系统本地远程在线升级设 计。 4 在实验室通过i n t e m e t 连接电网监测仪和监控主机，对电网进行实时监控 实验研究。 1 5 电网监测仪的功能 电网监测仪实现对电网主要参数的监测，如：电压、电流、功率因数和频率， 并可以整点保存数据，具体功能如下： 1 实时监测三相电压u a 、u b 、u e 和四相电流i a 、i b 、i c 、和i o ： 2 监测a 、b 、c 三相功率因数和频率： 3 保存整点时刻的电压、电流数据、功率因数保存月统计数据； 4 实现人机交互功能：l c d 现场显示，使用户可以在现场查看；键盘输入， 设置仪表的运行参数和历史记录； 5 通过以太网接口接入i n t e m e t 进行通信，接收远程控制主机的命令并向控 制主机发送采集数据与当前状态信息。 第一章绪论 布式网络结构鸭通过i n t e m e t 进行网络通信。 1 4 本课题的研究工作 本课题是基于a r m 的嵌入式系统在电网远程监控中的应用。本课题的主要 工作如下： 1 对电网进行远程监控，嵌入式处理器需要完成网络通讯和定时器中断程 序，以及系统监控、消息处理、数据运算统计处理、键盘扫描液晶显示等功能。 本系统采用高性能3 2 位a r m ”h “1 微处理器s 3 c 4 4 b o x ，并设计了电刚参数测 量和网络通讯等硬件模块进行电网参数的采集和远程监控。 2 为了满足电网远程监控的实时性和处理复杂多任务的需要，将实时操作系 蛳c o s i i 【1 q 。啪移植到电网监测仪的微处理器，针对电网 g i n 仪的功能，在此 开发软件平台上扩展设计了t c p i p 协议栈和文件系统等。 3 电网监测仪的应用软件：着重设计数据采集和网络通讯部分，完成电网参 数的采集处理，实现电网监测仪和远程控制主机的信息交换。并且为了提高系统 的可维护性，可定制性，延长产品使用周期，可实现系统本地，远程在线升级设 计。 4 在实验室通过i n t e m e t 连接电网监测仪和监控主机，对电网进行实时监控 实验研究。 1 5 电网监测仪的功能 电网监测仪实现对电网主要参数的监测，如：电压、电流、功率因数和频率， 并可以整点保存数据，具体功能如下： 1 实时监测三相电压u a 、u b 、u c 和四相电流l a 、i b 、i c 、和i o ； 2 监测a 、b 、c 三相功率因数和频率； 3 保存整点时刻的电压、电流数据、功率因数保存月统计数据； 4 实现人机交互功能：l c d 现场显示，使用户可以在现场查看；键盘输入， 设置仪表的运行参数和历史记录； 5 通过以太网接口接入i n t e r n e t 进行通信，接收远程控制主机的命令并向控 制主机发送采集数据与当前状态信息。 制主机发送采集数据与当前状态信息。 一5 一 江苏大学硕士学位论文 1 6 小结 本章首先介绍了电网远程监控的目的和意义，针对国内外研究的现状和趋 势，提出了本课题的研究工作：嵌入式电网监测仪以3 2 位高档a r m 微处理器 为核心，在此基础上设计电网参数溯量和网络通讯等硬件模块：在微处理器上面 移植g c o s i i 实时操作系统，在该操作系统里嵌入t c p i p 协议栈；设计客户一 服务器应用程序，实现电网参数的采集和远程监控。 第二章电网监测仪的硬件设计 第二章电网监测仪的硬件设计 电网监测仪的硬件平台由基于a r m 的最小系统、测量模块、键盘输入和 l c d 显示人机交互模块和网络通讯模块构成。电网监测仪的a r m 微处理器实现 电网参数采集、数据处理等控制功能，通过以太网控制器芯片接入i n t e m e t 。 2 1 电网监测仪的结构 在基于a r m 的最小系统的基础上，增加实现电网远程监控功能的各种模块， 构成电网监测仪，如图2 一l 所示。 图2 - 1电网监测仪结构图 电压电流互感、多路转换模块、电压电流监测模块、功率因数监测模块和 s 3 c 4 4 b o x 的a d c 转换电路构成测量模块，可以把监测的电压、电流、功率因数 模拟量转换为微处理器所能识别的数字量 2 3 1 。 键盘输入模块，用来设置所监测电网的参数和l c d 显示的画面。l c d 显示 模块现场显示监测的电网参数值，如电压、电流、功率因数、有功功率和无功功 率。利用网络通讯模块使得测控设备能以低廉的费用，以简单的方式接入 i n t e r n e t 。 江苏大学硕士学位论文 2 2 基于a r m 的最小系统 基于a r m 的最小系统1 2 4 】主要包括微处理器( s 3 c 4 4 b o x ) 、u a r t 接口电路、 只读存储器( f l a s h ) 、可读写存储器( s d r a m ) 、j t a g 调试接口和外围控制 电路这几部分。如图2 2 所示，这是系统能够正常启动的最小硬件构成。 图2 - 2 基于a r m 的最小系统构成 2 2 1 具有a r m 内核的微处理器- - s 3 c 4 4 b o x 本开发系统采用的是s a m s u n g 公司的s 3 c 4 4 b o x 微处理器，0 2 5 u r nc m o s 工艺制造，所有的s 3 c 4 4 b o x 都采用新的总线结构s a m b a i i ( s a m s u n ga r m c p u 嵌入式控制器总线结构) 。 s 3 c 4 4 b o x 最突出的特点是它的c p u 核采用a r m 公司的1 6 3 2 位 a r m 7 t d m ir i s c 结构( 主频6 6 m h z ) 。a r m 7 t d m i 是一种通用微处理器核， 被公认为业界的低成本、高性能的最佳之一，特别适合对成本和功耗敏感的应用 场合。a r m 处理器支持7 种处理器模式，操作系统运行在管理模式下，可以控 制系统资源的使用，普通程序运行在用户模式下，对系统资源的访问是受限制的， 无法改变处理器模式。s 3 c 4 4 b o x 的结构如图2 3 所示，除了微处理器核外，在 芯片中还集成了许多外围模块，这样可以使设计者加快产品的开发，不用考虑复 杂的外围时序电路。 其中比较重要的片内外围模块包括：8 k b y t e c a c h e 、外部存储器控制器、l c d 控制器、4 个d m a 通道、2 通道u a r t 、1 个多主i 2 c 总线控制器、1 个i i s 总 线控制器，以及5 通道p w m 定时器和一个内部定时器、7 1 个通用i o 口、8 个 第二章电网监测仪的硬件设计 外部中断源、实时时钟、8 通道1 2 位a d c 等。本开发系统s 3 c 4 4 b o x 模块图见 附录i 。 2 2 2 通用串口 图2 - 3s 3 c 4 4 b o x 结构图 s 3 c 4 4 b o x 通用异步收发单元( ir a r t ) 提供两个独立的异步串行i o 口。 每个串口都有一个波特率发生器、数据发送器、数据接收器和控制单元。波特率 发生器可以利用内部时钟，也可以利用外部时钟。发送器和接收器有相互独立的 缓冲区寄存器和移位寄存器，因此可以支持全双工操作。 u a r t 模块的功能图2 - 4 所示，发送数据首先送入发送缓冲寄存器，然后复 制到发送移相器，从移位寄存器输出到串口输出。接收数据时从接收管脚输入到 接收移相器，然后再复制到接收缓冲寄存器。 在本系统中，串行接口主要向p c 机提供系统调试信息，以及通过p c 机的 超级终端对系统进行在线调试。p c 机串口通常采用r s 一2 3 2 电平，而本开发系统 串口是t t l 电平，二者不兼容。所以，接口必须做电平转换处理。在此，采用 一口一 江苏大学硕士学位论文 的是m a x i m 公司的m a x 3 2 3 2 芯片进行转换。图2 5 为本系统串口通信模块的 原理图。要完成最基本的串行通讯功能，实际上只需要r x d 、t x d 和g n d 即 可，再经过m a x 3 2 3 2 1 2 6 1 的电平转换。 期r h e ib u 8 图2 4 串口的功能框图 图2 - 5r s 2 3 2 接口电路图 2 2 3f l a s h 存储器及其接口电路 f l a s h 存储器是一种可在系统( i n - s y s t e m ) 进行电擦写，掉电后信息不丢 失的存储器。它具有低功耗、大容量、擦写速度快、可整片或分扇区在系统编程 ( 烧写) 、擦除等特点，并且可由内部嵌入的算法完成对芯片的操作，因而在各 第二章电网监测仪的硬件设计 种嵌入式系统中得到了广泛的应用，通常用来保存程序代码、常量表以及一些在 系统掉电后需要保护的用户数据等。 本系统采用的f l a s h 存储器为s s t 3 9 v f l 6 0 i 2 7 1 ，单片存储容量为 1 6 m b i t ( 2 m b y t e ) ，它的主要作用就是存放程序代码( 主要是b o o t l o a d e r 和u c o s i i 的可执行文件) ，系统上电或复位后从此获得指令并开始执行。从关于s 3 c 4 4 b o x 的存储器映射可以知道，f l a s h 应该配置到r o m s r o m b a n k 0 ，即将s 3 c 4 4 b o x 的n c s r o m ( 1 7 ，n g c s 0 ) 按至s s t 3 9 v f l 6 0 的c e # 端。1 6 位f l a s h 存储器 的接口电路如图2 6 所示。 i 图2 - 61 6 位f l a s h 存储系统电路图 虽然s 3 c 4 4 b o x 提供了3 2 位的数据总线宽度，但是基于f l a s h 价格的考 虑，本系统采用数据总线宽度为1 6 位的f l a s h 存储器，而且，由于基于a r m 的系统上电后，最终的程序运行空间在s d r a m ，所以1 6 位的f l a s h 存储器已 经可以满足要求。 2 2 4s d r a m 存储器及其接口电路 与f l a s h 存储器相比，s d r a m 不具有掉电保护数据的特性，但其存储速 度大大高于f l a s h 存储器，且具有读写的属性。因此，s d r a m 在系统中主要 用作程序的运行空间、数据及堆栈区。当系统启动时，c p u 首先从复位地址0 x 0 江苏大学硕士学位论文 处读取启动代码，在完成系统初始化后，程序代码一般应调入s d r a m 中运行， 以提高系统的运行速度。同时，系统及用户堆栈、运行数据也都放在s d r a m 中。 本系统采用l 块s d r a m h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 【2 8 1 ，存储容量是4 组1 6 m b i t ，也就 是说，本系统的s d r h m 存储器的总容量为8 m b y t e ，其中s d r a m 的数据宽度 是1 6 位。图2 7 就是1 6 位s d r a m 存储器系统的电路连接图，将s d r a m 配置 到r o m s r o mb a n k 6 ，即将s 3 c 4 4 b o x 的n s c s 0 ( 2 5 ，n g c s 6 ) 接至h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 的c e # 端。 q m * 舢dq h 越 砰 j ” 呻 村d 斜 d 肇 uh 、 # 树斗争 i d 华 ，n m ” ”d 田 ” 球 瓣 邛 l l d 4 l * “o m a 口m 曲 l ：q t 2 n t j t 3 m l x t t d 口口 l n d d 掣 岬 碍 掣1 * 口d 掣啦i 舞溉 g t r e a t 幸臻薄 m4 i m - i - x 7 骊 捕 、i 1 q - l n m l j 2 7j 叼时 ，j 。 岬哪 ，j 碍d 翠 j 帽i 雌伽 2 3 测量模块 图2 - 71 6 位s d r a m 存储器系统的接口电路图 在测量模块中，采样电路需要采集三相电压信号和四相电流信号( 含零线电 流) 。本系统采用直流采样法，测量模块图见附录i i 。 2 3 1电压电流互感 电压变换电路如图2 - 8 所示： 第二章电网监测仪的硬件设计 图2 - 8a 相电压变换电路 图中p t l 是一种电流型电压互感器，a 相输入电压经限流电阻r 1 ( 1 0 0 k ) ， 使p t l 初级( 原边) 的额定电流为2 2 m a ，次级( 副边) 会产生一个相同的电 流。通过运算放大器( l f 3 5 3 ) ，用户可以通过调节反馈电阻r 3 5 ( 1 k ) 的值在输出 端得到所要求的电压输出。以标准工频电压2 2 0 v 为例，可以算出转换后a 相电 压有效值为：u u a = 焉豢1 k = 2 2 v ，所以转换后的a 相电压信号满足各元器 件的输入电压要求。 电流变换电路采用精密电流互感器c t y 2 0 5 a ，输入额定电流时，次级( 副 边) 产生的电流如表2 1 所示。 表2 - 1c t y 2 0 5 a 的主要参数 输入电流输出电流线性度输出电阻相移耐压 过载能力 c t y 2 0 5 a5 a2 5 m a优于0 1 1 2 0 q小于5 2 5 0 0 v2 i n 图2 - 9 为a 相电流交换电路 图2 - 9a 相电流变换电路 通过运算放大器( l f 3 5 3 ) 的作用，用户可以调节反馈电阻r 3 3 的值在输出 端得到所要求的电压输出。本系统在测试阶段，a 相电流( 交流值a c ) 5 a ， 丁 江苏大学硕士学位论文 电流互感器转换出来的电流信号为：u i a = 生。1 0 0 0 q ：2 5 v ，所以转换后的 2 0 0 0 a 相电流信号满足各元器件的输入电压要求。 2 , 3 2 多路转换模块 电压、电流经互感器变换，输入u 1 3 双四选一译码器，微处理器通过a 、b 控制电压、电流值进行多路转换。l f 3 5 3 为运算放大器，连接成射极跟随器，起 隔离、跟随的作用。采集的电压电流值输入电压电流监测模块和功率因数监测模 块。如图2 1 0 所示。 2 3 3 电压电流监测模块 图2 1 0多路转换模块 图2 1 1 为电压电流监测模块电路 图2 - 1 1 电压电流监测模块 第二章电网监测仪的硬件设计 有效值转换芯片a d 5 3 6 2 明计算输入的复杂的交流值a c ( 或交流值a c 和直 流值d c 的叠加) 的均方根值，输出一个等效的直流值d c 。再输入基于a r m 的最小系统中的a d c 转换电路。 2 3 4 功率因数监测模块 图2 1 2 为功率因数监测模块电路图，有两大功能： 1 判断电压是超前还是滞后电流； 2 确定功率因数的量值。 圈2 - 1 2 功率因数监测模块 电压( 电流) 的正弦波形经过零比较器u l l ( u 1 0 ) 和起箝位作用的d a 7 ( d a 3 ) 转换，将产生一个和电网频率相同的方波信号，输入u 1 5s n 7 4 h c 7 4 和u 1 6 双 四选一译码器。当电压超前于电流时，u 1 5 b 输出为高电平“1 ”；反之，输出低 电平“0 ”。只有当a 、b 输入为“0 1 ”或“1 0 ”时，x 端口才输出，对积分电路 进行充电。图2 一1 3 代表功率因数量值的波形图所示。a 、b 信号为“0 1 ”或“1 0 ” 的时间就是电压电流相位差的时间，对电容c 2 3 的充电时间。因此，电容上的 电压值就反映了相位差的大小。 江苏大学硕士学位论文 2 3 5a d c 转换电路 图2 - 1 3 功率因数量值的波形图( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 3 ) a r ms 3 c 4 4 b o x 芯片自带一个8 个1 0 位逐次逼近型a d 转换器，该转换 第二章电网监测仪的硬件设计 器可以通过软件设置为s l e e p 模式，可以节电减少功率损失。图2 1 4 为a d 转 换逻辑框图。 2 4l c i ) 显示模块 图2 1 4a d 转换逻辑框图 日本h o s i d e n 公司生产的l c d 显示模块h l m 6 3 2 3 ，类型为m o n o ，尺 寸为5 7 ”，分辨率为3 2 0 * 2 4 0 ，带e l 背光。 2 4 1 内置l c d 控制器介绍 s 3 c 4 4 b o x 内置的l c d 控制器自动产生l c d 驱动控制所需要的控制信号， 因此s 3 c 4 4 b o x 可以与诸如黑白灰度、s t n 型彩色等l c d 屏直接接口，而不需 要另外加l c d 控制器。在这种接口方式下，l c d 显示缓冲区映射在系统的存储 器空间上，程序只需将象素点内容写入存储器对应地址就可以实现对应l c d 上 象素点颜色的显示，十分方便。 在灰度l c d 上，使用基于时间抖动算法( t i m e b a s e d d i t h e r i n ga l g o r i t h m ) 和f r c ( f r a m er a t ec o n t r 0 1 ) 方法，可以支持单色、4 级灰度和1 6 级灰度模式 的灰度l c d 。在彩色l c d 上，可以支持2 5 6 种色彩。不同尺寸的l c d 具有不 同数量的垂直和水平象素、数据接口、数据宽度、接1 5 1 时间和刷新率。l c d 控 制器可以进行编程控制相应的寄存器值，以适应不同的l c d 显示板3 0 1 。 图2 1 5 为l c d 控制器的逻辑框图。包括r e g b a n k 、l c d d m a 、v i d p r c s 和t i m e g e n 的l c d 控制器，是用来实现传输显示数据及产生必要的控制信号， 如v f r a m e 、v l i n e 、v c l k 和v m 。除了控制信号，还有显示数据的数据端 口v d 7 ：0 1 。 江苏大学硕士学位论文 图2 1 5l c d 控制器逻辑框图 由于显示器模块中已经有显示存储器，显存中的每一个单元对应l c d 上的 一个点，只要显存中的内容改变，显示结果便进行刷新。 本系统采用前后台双重显示缓存的显示模块结构，如图2 1 6 所示。专门开 辟显示内存，在需要刷新的时候由程序进行显示更新。这样，不但可以减轻总线 负荷，而且也比较合理，在有需要的时候进行统一的显示更新，界面也可以比较 美观，不至于因为无法预料的刷新工作导致显示界面闪烁。 主 程 序 运 行 过 程 | ；| 蚕垂型蒌芰l 竺! 罗享竺竺 示时将缓存中l 1 口。” 的内容复制到7 一 显示存储器中h 产 系统显示缓存 ( 在内存) 图2 1 6 前后台双重显示缓存的显示模块结构 2 4 2l c d 接口电路 h l m 6 3 2 3 不带l c d 控制器，很容易与s 3 c 4 4 b o x 内置的l c d 控制器接口。 图2 1 7 为l c d 的接口电路图。在h o s i d e n 和l c d 控制器之间接线时h o s i d e n 的l c d f l m 、l c d l p 、l c d c p 、d 3 ：0 1 分别和l c d 的v f r a m e 、v l i n e 、 v c l k 、v d 3 ：0 1 相连。l c d d i s p o f f 和s 3 c 4 4 b o x 的g p i o 的g p c 8 相连， 通过g p c 8 来控制l c d 显示模块的打开和关闭。m a x 7 4 9 3 1 1 产生和输入电压相 反的负的l c d 偏置电压。 第二章电网监测仪的硬件设计 2 5 网络通讯模块 图2 1 7l c d 的接口电路图 本系统采用微处理器s 3 c 4 4 8 0 x + 以太网控制器芯片r t l 8 0 1 9 a s 3 2 1 ，实现 i n t e m e t 接入功能。 2 5 1 以太网控制器芯片简介 r e a l t e k 公司生产r t l 8 0 1 9 a s 集成了介质访问控制子层( m a c ) 和物理层 的性能，可以方便地设计基于i s a 总线的系统，简单的与通用单片机进行接口。 另外，它还具有与n e 2 0 0 0 兼容、软件移植性好，以及低廉的价格等优点，在市 场上的1 0 m b p s 网卡中占有相当的比例。 r t l 8 0 19 a s 内部有两块r a m 区。一块16 k 字节，地址为0 x 4 0 0 0 - - - 0 x 7 f f f ； 一块3 2 字节，地址为o x o o o o - o x o o l f 。r a m 按页存储，每2 5 6 字节为一页。一 般将r a m 的前1 2 页( 即0 x 4 0 0 0 0 x 4 b f f ) 存储区作为发送缓冲区；后5 2 页( 即 0 x 4 c 0 0 o x 7 i f ) 存储区作为接收缓冲区。第0 页叫p r o m 页，只有3 2 字节，地址 为o x 0 0 0 0 0 x 0 0 1 l 用于存储以太网物理地址。 r t l 8 0 1 9 a s 具有3 2 位输入输出地址，地址偏移量为o o h m f h 。其中 0 0 h - 0 f h 共1 6 个地址，为寄存器地址。寄存器分为4 页：p a g e 0 、p a g e l 、p a g e 2 、 江苏大学硕士学住论文 p a g e 3 ，由r t l 8 0 1 9 a s 的c r ( c o m m a n dr e g i s t e r 命令寄存器) 中的p s l 、p s 0 位 来决定要访问的页。远程d m a 地址包括1 0 h 1 7 h ，都可以用来做远程d m a 端 口，只要用其中的一个就可以了，一般使用1 0 h 。复位端口包括1 8 h - 1 f h 共8 个地址，功能一样，用于r t l 8 0 1 9 a s 复位。 要接收和发送数据包就必须通过d m a 读写r t l 8 0 1 9 a s 内部的1 6 k br a m 。 它实际上是双端口的r a m ，是指有两套总线连接到该r a m ，一套总线 r t l 8 0 1 9 a s 读或写该r a m ，即本地d m a i 另一套总线是c p u ( a r m ) 读或写 该r a m ，即远程d m a 。 远程d m a 接口是指c p u (