（交通信息工程及控制专业论文）基于嵌入式系统的铁路智能电源监测系统.pdf

中文摘要 摘要：随着计算机领域技术的飞速发展。智能监测也被引入铁路信号电源领 域，电子技术与智能监测技术结合在一起，使电源屏成为能实时监测、报警、记 录和故障定位功能的供电设备，在铁路信号领域的应用也越来越广泛。目前，铁 路电源屏大多主要采用的是本地监测c s 方式，这种方式较前有很大提高，但是 还存在着一些不足之处。随着i n t e m e t 的发展和普及，b s 方式越来越多的应用到 工业监测领域，它使得远程监测的成本大大降低，用户可以通过网络，在任何时 间和地点监测到远程设备的状态。 针对铁路电源屏的远程监测，本论文主要研究了基于嵌入式w e b 服务器的软 硬件设计。硬件部分的核心是三星的$ 3 c 2 4 1 0 处理器，是采用a r m 9 2 0 t 内核的 r i s c 型c p u ，软件部分采用了源代码开放的l i n u x 操作系统。在将b o a 嵌入式 服务器成功移植到$ 3 c 2 4 1 0 芯片的基础上，结合c g i 动态网页技术，实现了以网 络监测为目的的嵌入式系统w e b 服务器，并应用于铁路信号智能电源输出量的监 测。 为了实现机房的无人看守，本文也设计了基于i n t e lp x a 2 7 0 平台的视频监测 系统，对电源屏的机房环境进行综合的视频监测，并给出了网络监测方案。 关键词：嵌入式系统；l i n u x ：铁路电源；w e b 服务器；视频监测 分类号：u 2 8 3 1 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd 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 y , i n t e l l i g e n t m o n i t o r i n gt e c h n o l o g y i sa l s o a p p l i e d i nt h ef i e l do fr a i l w a y s i g n a lp o w e r s u p p l y c o m b i n a t i o no fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n di n t e l l i g e n tm o n i t o r i n gt e c h n o l o g y m a k e sp o w e rs u p p l yp a n e lh a v et h ef u n c t i o no fr e a l - t i m em o n i t o r i n g , a l a r mr e c o r da n d l o c a t i n gt h em a l f u n c t i o n a tp r e s e n t ，t h em a j 蹦t yo fm o n i t o r i n gs y s t e mu s et h ew a y o f c s ，w h i c hh a v ep r o m o t e dal o t b u te x i s ts o m ed i s a d v a n t a g e s w i t ht h ed e v e l o p m e n to f i n t e r n c t t h ew a yo fb si sm o l ea n dm o 佗a p p l i e di nt h ef f i e l do fi n d u s t r i a lm o n i t o r i n g w h i c hs a v e sal o to f c o s ti nr e m o t em o n i t o r i n g u s e rc a nm o n i t o rr e m o t ed e v i c e sa ta n y t i m ea n da n yp l a c eb yi eb r o w s e r a i ma tr e m o t em o n i t o r i n go fr a i l w a yp o w e rs u p p l y , t h i sp a p e rr e s e a r c h e s0 1 1 s o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g no fe m b e d d e dw e bs e f v 盯b a s e do nt h ea r m 9 t h ec o l eo f h a r d w a r ep a r ti s $ 3 c 2 4 1 0p r o c e s s o rp r o d u c e db ys a m s u n g , w h i c hi st h er i s cs t y l e b a s e do na r m 9 2 卯k e r n e l t h es o f t w a r ep a r th a sa d o p t e dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e m , w h i c hs o u r c ec o d ei so p e n 1 1 ”b o ae m b e d d e dw e bs e l v e f , w h i c hi sr e p l a n t e d0 i ! $ 3 c 2 4 1 0p r o c 嚣s o rs u c c e s s f u l l y , c o m b i n e s 、聃mc g id y n a m i cw e b s i t et e c h n o l o g yt o r e a l i z en e t w o r kr e m o t em o n i t o r i n gf u n c t i o n 1 1 l i sf u n c t i o ni sa p p l i e di nt h er a i l w a y s i g n a li n t e l l i g e n tp o w e rs u p p l ym o n i t o r i n g i no r d e rt or e a l i z en o b o d yg u a r d ，t h i sp a p e ra l s od e s i g n st h ev i d e om o n i t o r i n g s y s t e mb a s e do nt h ep l a t f o r mo f i n t e lp 凇7 0 f o rm a c h i n eh o u s ee n v i r o n m e n to f p o w e r s u p p l y ，a n dd e s i g n ss c h e m eo f n e t w o r km o n i t o r i n g k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；l i n u x r a i l w a yp o w e rs u p p l y ：w 曲s e r v e r ； v i d e om o n i t o r ； c l a s s n o ：u 2 8 3 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 叩硪 导师签名： 签字r 期：沙1 年j z ，月2 酮 签字日期：工7 年，硐圹日 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果。也不包含为获得北京交通大学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e 骈表示了谢意。 学位论文作者签名：听也，f 荦签字日期：圳1 年，2 月功日 l 致谢 本论文的工作是在我的导师杨世武教授的悉心指导下完成的，杨世武教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 杨世武老师对我的关心和指导。 感谢北京鼎汉科技有限公司的领导及同事对我工作的支持和帮助。 在实验室工作及撰写论文期间，马沧海、范伟、刘金修、李幼媛、梁皖贵等 同学对我论文研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 最后，感谢在百忙之中为本文审稿的各位老师，谢谢! 北京交通人学硕十学位论文 1 1铁路信号智能电源概述 1 引言 铁路信号智能电源屏是采用模块化电力电子技术，具有实时监测、报警、记 录和故障定位功能的供电设备，为铁路、城市轨道交通系统的信号设备提供稳定 可靠的交、直流电源。随着我国铁路运输向高速、信息化方向发展，铁路信号先 进技术的应用，铁路信号对电源屏的供电质量和安全可靠性提出了更高的要求。 智能型铁路信号电源系统逐步取代传统的电源设备是信号供电发展的趋势； 信号电源屏最早在我国铁路上出现是在上世纪6 0 年代传统电源屏一般都采 用工频变压器加相控整流器来完成电气隔离和电压变换任务，系统庞大而笨重， 效率和功率因数也很低。上世纪8 0 年代，一批先进的铁路信号设备开始投入使用， 传统电源屏已不能满足新设备的需要，智能电源屏应运而生了。 以开关方式工作的电源最早出现在6 0 年代，1 9 7 4 年研制成了工作频率达到 2 0k h z 的开关电源，开创了电源历史上一个崭新的里程碑。1 9 7 6 年，美国硅谷通 用公司首次生产出世界上第一片集成脉宽调制器，使开关电源的控制器得到简化， 系统的可靠性也大为增强。 现在，由于器件水平、新型材料以及先进电路结构的不断出现，开关电源的 工作频率已经达到了m h z 以上，功率密度已超过了1 0 0 w 立方英寸，满负荷效率 大于9 0 。开关电源逐渐被广泛应用于生产生活的各个领域，包括铁路信号电源 领域。 随着计算机领域技术的飞速发展，智能监测也被引入铁路信号电源领域，这 也是智能电源屏优于普通电源屏的一个很重要的特征，电子技术与智能监测技术 结合在一起，使电源屏成为能实时监测、报警、记录和故障定位功能的供电设备， 在铁路信号领域的应用也越来越广泛。其重要性表现为： ( 1 ) 采用高频开关电源技术，极大地提高了系统效率。与传统的电源相比，开 关电源具有体积小、重量轻、节能、功率因素高、便于集中监测、噪声小和扩容 容易、调试简单等优点。开关电源的调整管处于开关状态，输入电压或负载变化 使输出电压波动时，通过改变控制信号的脉冲宽度来改变调整管的导通时间，使 输出电压保持稳定。调整管导通时，其压降近似于零。调整管关断时，流过的电 流近似于零，功耗非常小，所以效率很高，可达9 0 以上。而同功能的线性稳压 器或相控稳压电源效率只有3 5 和7 0 ，且体积要大得多。开关电源功率因素一 引言 般大于0 9 2 。对公共电网不会造成污染，无噪声，可与计算机组合成智能化电源 系统，便于扩容和维护等。 ( 2 ) 采用智能监测技术，能进行实时监测、报警、记录和故障定位，减少事故 的发生。智能监测系统可以实时记录电源屏的运行参数，也可以通过远程操作实 现对电源的遥调、遥测和遥信。有了各个监测量，操作人员可以清楚地知道设备 的运行情况，最大限度地预防灾害的发生。一旦发生事故，由于自带c p u ，在一 定范围内智能电源屏自身能进行逻辑判断和发出控制命令：如电源屏本身处理不 了，这些记录的数据可以迅速定位事故的原因和发生地点，为人工修复带来方便。 进入2 l 世纪后，智能型铁路电源屏的研制和使用有了更长足的发展，有效地 提高了电源质量，提高了劳动生产率，实现了部分车站电源系统的无人值守管理， 初步适应了现代信号设备发展的要求。 1 2 智能电源监测的重要意义 电源作为铁路的心脏，它是否能够j 下常工作将严重影响着铁路的行车安全。 随着科学技术的迅猛发展，大大的加速了铁路信号设备的更新及信号系统向信息 化方向的发展。这便对电源提出了更高的要求。信号设备对电源的基本要求是： 可靠、稳定和安全l i 】。 同时为使电源有较高的可用度，必须规定信号电源输出电压的允许波动范围 及交流电源的频率波动范围。对于信号电源设备，因其由电网供电，电网的变化 和负载的变化都将引起输出电压、电流和频率的波动。供电电压过高会使信号灯 泡和电子设备的寿命大大缩短，电压过低会使信号显示距离不足或使电子设备动 作不可靠，电压脉动过剧会使电子元件的噪声过大甚至引起误动作，频率波动过 甚会影响信号设备的频率特性和抗干扰性能。尤其是这些指标的波动范围超出信 号设备的正常工作许可范围时，可能引起信号设备的完全瘫痪，给交通运输带来 严重的后果。因此，为了保证信号设备的正常运行，要求外界情况在很大程度范 围内变化时，电源输出稳定。电源的高稳定性是保证信号设备正常工作的最重要 条件之一，是铁路信号对电源屏的另一个基本要求。安全是对所有电器设备的基 本要求。安全性包括三个方面：人身安全、系统安全和设备安全。人身安全保障 是安全性中最基本的要求，此外还应该保证整个用电系统和单台用电设备的安全 运行 因此，为了保证铁路信号电源能够可靠、稳定和安全运行，就必须对信号电 源实时监测。一旦监测出电源出现故障。就立刻报警，并对信号电源做出相应的 控翻这就需要专门的监测设备，来监测铁路电源的工作状态，以确保电源可靠、 2 北京交通人学硕十学位论文 稳定和安全的工作。 1 3目前国内应用的智能电源的监测手段 根据不同的监测技术可以从两个方面来对智能型电源屏进行分类。按监测模 块采用的监测技术来分类可将智能电源屏分为：采用可编程控制器件的监测技术； 单片机技术：工控机技术 2 1 。 按监测系统的构成分类，可以分为一套屏设置一个监测模块和一面屏设置一 个监测模块两种。一套屏设置一个监测模块的方案是以单个电源模块和进出线配 电板为单元。设置c p u 采集板，将本单元采集到的开关量，模拟量转换为数字信 号通过通信线路将信息传递给监测这一套屏的检测模块。一面屏设置一个检测模 块的方案是将屏中采集到的各种开关量模拟量直接传递给本屏的监测模块。监测 模块将信息显示存储后，再通过有线通信系统或无线通信系统将监测信息传递给 上级管理部门。 当前在我国铁路系统应用的智能型电源屏有以下几个系列： p n x 系列智能型电源屏 p m z 系列智能型电源屏 p z 系列智能型电源屏 p d z 系列智能型电源屏 d s x d d z 系列智能型电源屏 以上各个系列的电源屏采用了不同形式的监测技术和信息传送手段，下面对 各系列的监测模块加以介绍。 p n x 系列中以p n x 2 型为例，p n x 2 信号电源系统采用三级集散式监测方式。 第一级为各电源模块内的嵌入式微控制器控制的监测单元，实时监测模块的状态， 并将监测信息通过r j4 8 5 接口上传至监测模块。第二级为监测模块，以3 2 位嵌入 式工控c p u 为主控制器，以w d i d 0 w s9 8 操作系统为平台，对从各模块检测到 的信息集中处理，并进行显示和上传。监测模块实现实时记录，历史记录，故障 报警记录的完全保存，不仅实现了实时数据的显示和刷新，而且每3 0 分钟自动保 存数据。通过r s 2 3 2 和r j 1 0 5 电话接口可以进行数据远程传送。第三级为远端或 本地计算机监测，对电源系统的数据调用，整理和打印通过本地计算机或 引言 m o d e m 或其他传输资源联结监测中心，实现信号电源系统的集中监测组网。 p m z 系列中以p m z 3 型为例。p m z 3 型采用高性能，高可靠的工业控制机， 具有智能功能，能够进行完善的监测和故障分析，能实时监测电源屏输入输出电 压和电流，了解和记录各个用电单元的工作状态和故障信息，并且能够进行故障 自诊断，所有信息可存入历史数据库，并生成报表输出，具有远程组网功能，可 对电源系统进行当地后台及运程的全方位监测。 p z 系列的监测模块具有显示电源状态，数据的功能，还具有故障告警和记录 功能，遥测遥信功能，与后台主机和下级设备通信的功能监测模块的液晶显示 屏用于显示电源状态，数据。操作键盘可以进行各项设置。监测模块具有与后台 主机和下级设备通信的功能，与后台主机通信支持m o d e m ，r s2 3 2 ，r s4 8 5 三种方 式，与下级设备的通信支持r s4 8 5 方式。与后台主机r s2 3 2 , r s4 8 5 通信的波特 率为1 2 0 0 - 1 9 2 0 0b p s 。 p d z 系列智能电源屏的监测模块采用单片机，a d 转换器等多项技术，输入 输出具有良好的电气隔离措施，保证监测系统本身稳定可靠的工作。监测单元预 留r s2 3 2 或r s4 8 5 通信接口，可实现上位机的通信，传送监测参数和信息。 d s x d d z 系列的监测模块采用分散采集，集中监测，集中显示的方式。各电 源模块设有c p u 监测软件，采集本模块的开关量，数字量，通过通信总线传送到 监测单元。 1 4 基于嵌入式w e b 服务器实现远程监测的优势 由以上智能电源的监测系统的介绍中，不难发现智能电源系统在远程监测中， 存在一些不足之处【2 】： 大多数监测系统采用了多级方案，一般把设备上的数据采集测量模块作为一 级，负责数据记录和信息传送的监测模块作为一级。负责数据监测，打印的 后台主机构成第三级。由于各级之阃都要解决信息传递的问题，系统内部分 级过多就会有过多的系统资源被通信功能占用，并且各级之间的通信信道使 故障几率增加，也对监测系统的稳定运行提出了更高的要求 从监测的手段上来讲，目前主要是基于两种硬件平台。一种是基于单片杌的 控制平台，另一种是基于工控机的控制平台。尽管用单片机的成本比较低， 但是它性能简单只适合于完成数据采集和较为简单的通信功能，很难直接接 北京交通人学硕十学位论文 入i n t e m e t 中，实现远程监测。虽然工控机可以很好的解决数据采集和接入 i n t e m e t 实现远程监测，但是由于电源屏分散在铁路沿线的很多区域，如果每个 电源屏都配置一台工控机，则成本太高。 目前，远程监测的组网，一般采用r s 2 3 2 和r s 4 8 5 总线形式，它们的不足之 处在于。传输距离短，组网复杂，通信网络中的节点不容易改变。r s 2 3 2 通 信方式的可靠传输距离只有4 5 米，只能满足相距很近的设备问通信。r s4 8 5 通信方式的传输距离较远，可以达到1 5 0 0 米，但是对于远程监测来言，距离 还是远远不够。 后台需要安装固定的程序，才能接受到总线发送来的监测信息，很不方便， 而且增加软件的开发时问。 针对以上的不足之处，本文提出一种基于嵌入式w e b 服务器实现远程监测 的方法。以嵌入式微处理器芯片s 3 c 2 4 l o 为硬件平台基础，l i n u x 作为实时操作系 统，最终实现在嵌入式系统上通过移植b o a 嵌入式服务器，应用c g i 动态网页技 术，来实现通过以网络监测为目的的嵌入式系统w e b 服务器，将它应用于铁路信 号智能电源的监测，将会把智能电源系统监测提高到一个薪的层次。 它的优点在于： 在监测板上直接移植嵌入式w e b 服务器，不需要多级处理，直接可以 从远程访问，监测智能电源系统。大大降低了由于多级通信所造成的故障概 率，提高了监测系统的稳定运行。 基于处理速度、性能和成本考虑，本文选择a r m9 ，s 3 c 2 4 1 0 做为嵌入的微 处理器，它的处理速度远远高于普通的单片机。可以通过直接移植操作系统， 接入i n t e r n e t 网络。在性能差别不多的基础上，价格又远远低于工控机的成本， 同时体积也较工控机小很多。 可以真正实现无人监测，只需要在m 浏览器输入电源监测板的i p 地址，就 可以访问，监测界面，并实现远程的监测。 组网方便、简单，只要有能连接局域网的网络接口。就可以实现远程监测，并 且每个监测模块相互独立，通过网线可以传输很长距离，几乎没有限制。 客户端不需要安装任何软件，通过浏览器就可以监测，一般安装机器都会 自动安装i e 浏览器，这样就使得用户可以在不同的机器上即便是在家里也能 实现监测工作。 1 5 铁路信号电源屏监测系统的设计目标 本文所讨论的铁路信号电源屏监测系统的设计目标是：以铁路电源屏为监测 5 引言 对象，实现铁路信号电源屏的工作状态数据采集和信息传送。由两路市电a c l a c 2 输入，接入交流自动切换配电柜，经过不同的智能信号电源屏，输出所需要的电 源。电源屏的调测内容由于电源系统的不同而有所区别。 根据铁标分类，目前主要铁路信号智能电源屏主要产品类型有继电器联锁电 源屏( 又称电气集中电源屏) 、计算机联锁电源屏、提速电源屏、区间电源屏、 驼峰电源屏等。 如表1 1 所示，是鼎汉公司生产的计算机联锁电源屏要监测的量，可以看出需 要监测的共有2 0 多路模拟信号量。设计目标是要求通过嵌入式系统实现远程监测， 使得用户可以在能够上网的任一台主机上，通过网页监测到表中的模拟量图1 1 是典型的计算机联锁电源屏的照片。 表卜1 计算机联锁电源屏 t a b l el 一1c o m p u t e ri n t e r l o c kp o w e rs u p p l yp a n e l 额定电压额定电流备注 信号机点灯电源 2 2 0 v j c2 ，5 a2 路 道岔表示电源 2 2 0 v a ci a 稳压备川电源 2 2 0 v a c4 a 动态电源2 2 0 v a c2 5 a配选 轨道电源 2 2 0 v a c1 4 a 4 路，总功率1 2 0 0 v a 局部电源 i i o v c3 6 a 2 路总功率8 0 0 v a 计算机联锁电源 2 2 0 v a cl o a 直流转辙机电源2 2 0 v d c1 2 5 a 继电器电源2 4 v d c1 6 a 半自动闭塞电源 4 8 v d c2 a 2 4 6 0 v 三路可调 表示灯电源 2 4 、，a c 1 6 a 冈光灯电源2 4 、7 a c2 a 不稳压备用电源 2 2 0 、，a c3 a 北京交通人学硕十学位论文 o o o f l 2 棚洲口 t 确 i i im i 量i 臻i i 明哪“啊咖哪_ 皿咖- 硼哪哪唧m m m | m m m g l l l | i 一 i h e i l m n m m e m l 叫皿哪阻衄田田咖一叮田田咀瞳舶i 田咖l _ n - 旷0 一0 。 嵋删n 哪哪- 啊 衄哪l 喝口l l i -| ；暑鼢l 哪a l 删l o a _ $ ；：啊叫咖皿哪粗叫删i 啊 一 _ _0 自幢- 舡曩- 凸 它托- “唧 口 哪哪i 咖咖咖帅哪咖咖皿i i | l n l l哪咖哪咖岫咖哪咖i 咖咖哪0 咖删咖咖i 删咖i 哪唧咖咖哪1 1 0 0 1 孤 0 l 哪l 衄哪咖咖咖佃i 咖锄岫1 0 图1 - 1 典型的计算机联锁电源屏 f i g1 1t y p i c a lc o m p u t e ri n t e r l o c kp o w e rs u p p l yp a n e l 最后，考虑到由于电源屏产生的噪声比较大，温度比较高，所以，工作人员 不适合长期待在放有电源屏的机房中，为了实现机房的无人看守，这就需要对电 源屏的机房环境进行综合的视频监测，本文设计了基于i n t c lp x a 2 7 0 平台的，视 频监测系统，给出了网络监测的方案 7 嵌入式系统概述 2 嵌入式系统概述 随着电子技术的快速发展，特别是大规模集成电路的产生而出现的微型机， 使现代科学研究得到了质的飞跃，而嵌入式微控制器技术的出现则是给现代工业 控镧领域带来了一次新的技术革命。由嵌入式微控制器组成的系统，最明显的优 势就是可以嵌入到任何微型或小型仪器、设备中。 2 1 嵌入式系统的定义和特点 嵌入式系统被定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁 剪、适应应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机 系统。嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各个行业的 具体应用相结合后的产物，这一点就决定了他必然是一个技术密集、资金密集、 高度分散、不断创新的知识集成系统。嵌入式计算机的外部设备中就包含了多个 嵌入式微处理器，如键盘、硬盘、显示器、两卡、声卡等均是由嵌入式处理器控 制的。现在，嵌入式系统带来的工业年产值已超过了】力亿美元，嵌入式计算机 不仅在民品上而且在军事装备上也得到了广泛地应用p j 。 嵌入式系统在结构上，如图2 1 所示，自下向上由三个部分组成：硬件平台、 嵌入式操作系统、嵌入式应用。 嵌入式应用 i 嵌入式孥作系统 乏； l硬件系统 图2 - i 嵌入式系统结构 ( 1 ) 硬件环境是整个嵌入式操作系统和应用程序运行的硬件平台，不同的应用 通常有不同的硬件环境，硬件平台的多样性是嵌入式系统的一个主要特点 ( 2 ) 嵌入式操作系统完成嵌入式应用的任务调度和控制等核心功能。具有内核 较精简、可配置、与高层应用紧密关联等特点，嵌入式操作系统具有相对不变性。 ( 3 ) 嵌入式应用程序运行于操作系统之上，利用操作系统提供的机制完成特定 功能的嵌入式应用，不同的系统需要设计不同的嵌入式应用程序 1 北京交通人学硕士学位论文 目前广泛应用的嵌入式硬件系统可以分为4 类【2 】： 嵌入式微控制器 嵌入式微控制器最主要的特点是高度的集成化、单片化，嵌入式微控制器内 部集成了r o m e p r o m 、r a m 、总线、定时器、看门狗、i o 、串行口、脉宽调制 输出、模数转换a d 、等各种功能和外设，嵌入式微控制器是目前嵌入式系统工 业的主流，以其丰富的片上外设资源在工业，民用控制领域赢得得天独厚的地位。 在当今微控制器的领域中，a r m 系列的微控制器芯片占到市场份额的9 0 以上。 嵌入式微处理器 嵌入式微处理器是由通用计算机中c p u 演变而来的，主要特征是具有3 2 位 以上的处理器，有较高的性能，在实际嵌入式应用中，它只保留与应用相关的功 能硬件，去除冗余部分以最低的功耗和资源实现特定应用的特定要求。主要的嵌 入式处理器类型有3 8 6e x , s c - 4 0 0 ，p o w e rp c ，6 8 0 0 0 ，m i p s 嵌入式d s p 处理器 d s p 处理器专门应用于数字信号处理，在系统结构和指令算法方面进行了特 殊设计，这种处理器在数字滤波，f f t 变换等应用方面具有其他处理器不可比拟 的性能优势。目前最为广泛的d s p 处理器是t i 公司的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 5 0 0 0 系列。 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ) ， 片上系统可以直接在处理器芯片内部嵌入操作系统的代码模块，根据用户的 设计，运用v h d l 语言描述出系统功能，即可将整个系统的功能实现在一块芯片 中，减小了系统的体积和功耗，提高了可靠性和生产效率。 嵌入式系统同通用计算机相比具有以下的特点： 1 、嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各个行业的 具体应用相结合后的产物，这一点就决定了他必然是一个技术密集、资金 密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 2 、嵌入式系统主要应用于某一特定功能的实现。由于它的功耗小，体积小， 集成度高等特点，从而使嵌入式系统的设计趋于小型化、专业化，也能使 移动能力大大增强，与网络的结合也越来越紧密。 3 、由于嵌入式系统的硬件资源有限，所以要在在保证稳定、安全、可靠的基 础上量体裁衣，去除冗余，这样，也提高了嵌入式系统应用的灵活性并节 约成本。 4 、嵌入式系统中的软件一般都固化到存储器芯片中，提高了执行的效率和可 靠性。嵌入式产品一旦进入了市场，就很有一个很长的周期。 5 、嵌入式系统本身不具备自举开发能力。即使设计完成以后，用户通常也不 能对其中的程序功能进行修改，必须有一套交叉开发工具和环境才能进行 嵌入式系统概述 开发。 2 2a r m 嵌入式微处理器介绍 目前，a r m 微处理器及技术的逐步发展，使得其应用几乎己经深入到了各 个领域，主要包括工业控制领域、无线通讯领域、网络应用、消费类电子产品、 成像和安全产品、无线产品、汽车产品、消费娱乐产品、数字影像产品、工业产 品、网络产品、安全产品、存储产品等，并会在将来取得更加广泛的应用。采用 r i s c 架构的a r m 微处理器体积小、低功耗、低成本、高性能，同时支持t h m n b ( 1 6 位) 和a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 t 立1 6 位器件，在全球有着众多的合 作伙伴，这是a r m 微处理器的三大特点。此外由于使用寄存器，指令执行速度更 快、寻址方式灵活简单、执行效率高、指令长度固定这些都使a r m 得到了更广 泛的应用 4 1 。 a j t m 公司开发了很多系列的a l t m 处理器核，目前最新的系列是a r m1 1 ， 其中应用比较多的是a r m7 系列、a r m9 系列、a i l m9 e 系列，以下对各个系列 加以简单的介绍。 a r m7 系列包括a r m 7 1 d m i 、带有高速缓存处理器宏单元的a r m 7 2 0 t 。 a r m7 系列处理器提供t h u m b1 6 位压缩指令集和e m b e d d e di c ej t a g 软件调试 方式。 a r m9 系列有a r m 9 t d m i 、a r m 9 2 0 t 和a r m 9 4 0 t 。所有a r m9 系列处理 器都支持t h u m b1 6 位压缩指令集和e m b e d d e di c ej t a g 软件调试方式产品如 三星公司的$ 3 c 2 4 1 0 。 a r m1 0 系列包括a r m1 0 2 9 e 和a r m1 0 2 0 微处理器。其核心在于使用向量 浮点单元提供高性能的浮点解决方案，极大的提高了处理器的运算性能，为用户 界面的2 d 和3 d 图形引擎提供了坚强的硬件基础。代表的产品如i n t e lp x a 2 7 0 2 3 微处理器$ 3 c 2 4 1 0 $ 3 c 2 4 1 0 微处理器是由三星公司生产的，具有低功耗、高度集成特点的a r m 处 理器，a r m 即a d v a n c e d r i s c m a r h i n e s 的缩写使用0 1 8 ( u m ) 高性能工艺生产， 核心频率最高可以达到2 0 3 z 。它的低功耗、精简和出色的全静态设计特别适用 于对成本和功耗敏感的应用同时，它还采用了一种i l q 镯 a m b a ( a d v a n c e d m i c r o c o n t z o l l 盯b u sa r c h i t e d x , x e ) 的新型总线结构。s 3 c 2 4 l o 共有七种工作模 式：u a 冒、f z q 、m q 、s u p e r v i s o z 、a b o r t 、s y 吼e m 和iy 曲面n e d ，大部分应用程序工 i 0 北京交通人学硕十学位论文 作在用户模式当出现服务中断或异常等情况时就会进入非用户模式。a r m9 2 0 核系列是高性能和低功耗特性方面最佳的硬宏单元。它具有： ( 1 ) 5 级流水线； ( 2 ) 提供1 1m i p s 从h z 的哈佛结构； ( 3 ) 全性能m m u ； ( 4 ) 指令c a c h e 和数据c a c h e ： ( 5 ) 高速a m b a 基于总线的接口 同时，s 3 c 2 4 1 0 芯片内部集成了大量的功能单元，包括： 内部1 8 v 。存储器3 3 v ，外部i o3 3 v ，1 6k b 数据c a c 眦，1 6k b 指令 c a c h e ，m m u ； 内置外部存储器控制器( s d r a m 控制和芯片选择逻辑) ； l c d 控制器( 最高4 k 色s t n 和2 5 6 k 彩色丌) ，一个l c d 专用d m a ： 4 路带外部请求线的d m a ； 三个通用异步串行端1 ：3 ( i r d a1 0 ，1 6 一b y t e t x f i f o ，a n d l 6 - b y t e r x f i f o 犯通 道s p i ： 一个多主l l c 总线，一个i i s 总线控制器； s d 主接口版本1 0 和多媒体卡协议版本2 1 l 兼容： 一个u s bh o s t ，一个u s bd e v i c e ( v e i 峪i o n1 1 ) ： 4 个p w m 定时器和一个内部定时器； 看门狗定时器； 1 1 7 个通用i o ： 2 4 个外部中断； 电源控制模式：标准、慢速、休眠、掉电； 8 通道1 0 位a d c 和触摸屏接口； 日历功能的实时时钟； 芯片内置p l l i 设计用于手持设备和通用嵌入式系统； 1 6 3 2 位r i s c 体系结构，使用a r m 9 2 0 tc p u 核的强大指令集； a r m 带m m u 的先进的体系结构支持l i n u x 、w i n c e 、e p o c3 2 ； 指令缓存( c a c h e ) 、数据缓存、写缓冲和物理地址t a gr a m ，减小了对主存 储器带宽和性能的影响； a r m 9 2 0 tc p h 核支持a r m 调试的体系结构； 内部先进的位控制器总线( a m b a2 0 a h b a p b ) 其内部结构刚5 1 ，如图2 - 2 所示： 嵌入式系统概述 u a r t o ，l 车哥i u s e o i i 鼬 p s 翻，嘲。l b i 口m 常i 牟专 er t 。船暑潞i 牟专 ， s 蜊o 。一k o t h 制泸w o 一3 4 【- m m 0 图2 - 2a i 珊9 2 0 t 内部结构图 f i g2 - 2a 1 雕9 2 0 ti n n e rs t r u c t u r e 1 2 北京交通人学硕十学位论文 3l i n u x 操作系统 3 1 嵌入式l i n u x 概述 l i n u x 操作系统诞生于1 9 9 1 年，现在己经成为当今世界上使用最多的一种 u n i x 类操作系统，且使用人数还在迅猛增长。其主要发展历程和起支柱作用的分 别是以下几个【6 】： l 、u n x i 操作系统：u n 于1 9 6 9 年诞生在b e l l 实验室，l i n u x 就是u n x 的一种克隆系统。 2 ，m 矾操作系统：m i n i x 操作系统也是u n i x 的一种克隆系统，它于1 9 8 7 年由著名计算机教授a n d r e wt a n e n b a u m 开发完成。由于m i n 系统的出现并且 提供源代码( 只能免费用于大学内) ，在全世界的大学中刮起u n i x 的系统旋风。 l i n u x 刚开始就是参照m 矾系统于1 9 9 1 年开始开发的。 3 、g n u 计划：开发l i n u x 操作系统，以及l i n u x 上所用的大多数软件基本上 都自g n u 计划。l i n u x 只是操作系统的一个内核，没有g n u 软件环境，则l i n u x 将寸步难行。 4 、p o s x i 标准：该标准在推动l i n u x 系统以后朝着正规路上发展起着重要作 用，是l i n u x 前进的灯塔。 5 、i n t e m e t ：如果没有i n t e r n e t 网，没有遍布全世界的无数计算机黑客的无私 奉献，那么l i n u x 最多只能发展到o 1 3 版的水平。 。 l i n u x 的主要特点有【卜7 l ： 开放性 系统开发遵循世界标准规范，可以和遵循同样标准的硬件兼容，方便互 联。同时，l i n u x 采用g p l 授权，除了源码公开之外，其内核采用模块化设 计，容易裁减。 多用户和多任务 多用户是指该系统可以同时被不同用户使用，互不影响。多任务是指该 系统可以同时运行多个相互独立的任务或者应用程序。 稳定性强 l i n u x 属于开源的，世界上自由软件者都愿意为其投入精力来进行核心的 开发、改经、调试等工作，因而出现了稳定度很高的l i n u x ，所以尽管它不是 一个商业产品，也没有专门的机构为其进行系统的开发，但其品质却不逊于 任何商业操作系统。设备独立性是指操作系统把所有的外部设备统一当作文 l i n u x 操作系统 件看待，只要安装它们的驱动程序，任何用户都可以像使用文件一样，操纵、 使用这些设备，而不必知道它们的具体存在形式。l i n u x 是具有设备独立的操 作系统，它的内核具有高度适应能力。由于其源码开放，因此用户也可以根 据自己的喜爱而添加新增设备的驱动程序 丰富的网络功能 完善的内置网络是l i n u x 的一大特点l i n u x 在通信和网络功能方面优于 其他操作系统。常见的几种操作系统都不包含如此紧密地和内核结合在一起 的连接网络的能力，也没有内置这些联网特性的灵活性。而l i n u x 为用户提供 了完善的、强大的网络功能，包括支持i n t e r n e t 、文件传输和远程访问。 可靠的系统安全 在l i n u x 系统中采取了许多安全技术措施，包括对读、写进行权限控制、 带保护的子系统、审计跟踪、核心授权等，这些措施为网络多用户环境中的 用户提供了必要的安全保障。 良好的可移植性 可移植性是指将一个操作系统从一个平台转移到另一个平台，并使它仍 然能按其自身的方式运行的能力。l i n u x 一开始是基于i n t e l3 8 6 机器设计的， 但是随着网络的散布，加上许多工程师致力于各种平台的移植，使得该操作 系统能在目前所有的处理器上使用，包括嵌入式类型的处理器。这点也为 在嵌入式方面的应用打下良好的基础。 应用软件众多 自由软件世界软件众多，而且授权均采用g p l 方式，所以大家都可以参 考和传播，这也进一步促进了自由软件的发展。尽管这些软件的开发是出于 兴趣，不能保证软件完全没有问题。但是仍有众多口碑极好的应用软件不断 的出现，例如k d e 3 2 嵌入式l i n u x 开发流程 嵌入式l i n u x 的开发的一般过程：首先建立开发环境。目前主机的操作系统一 般使用r e dh a t9 0 或f e d o r a ，选择定制安装或全部安装，通过网络下载相应的 g c c 交叉编译器进行安装( 比如m - n l - l i n u x - g c c ) ，或者安装产品厂家提供的交叉编 译器开发主机配置m i n i c o n l ，一般参数为波特率1 1 5 2 0 0 ，数据位为8 位，停止 位l ，无奇偶校验，软硬件控制流设为无在w m d o w s 下的超级终端的配置也是 这样建立引导装载程序b o o tl o a d e r ，从网络上下载一些公开源代码的b o o t h 暇蛔，如u - b o o t 、b i o b 、v i v i 、l i l o 、a r m b o o t 、r e d - b o o t 等，根据自己 北京交通人学硕十学位论文 具体芯片进行移植修改。有些芯片没有内置引导装载程序，比如三星的a r m7 、 a r m9 系列芯片，这样就需要编写烧写开发板上f l a s h 的烧写程序，网络上有免 费下载的w i n d o w s 下通过j t a g 并口简易仿真器烧写a r m 外围f l a s h 芯片的程 序。也有l i n u x 下公开源代码的j - f l a s h 程序。如果不能烧写自己的开发板，就 需要根据自己的具体电路进行源代码修改。这是让系统可以正常运行的第一步。 下载别人已经移植好的l i n u x 操作系统，如l i n u x 、a r m l i n u x 、p p c l i n u x 等， 如果有专门针对你所使用的c p u 移植好的l i n u x 操作系统那是再好不过，下载后 再添加自己的特定硬件的驱动程序，进行调试修改，对于带m m u 的c p u 可以 使用模块方式调试驱动。 建立根文件系统，从w w w b m y b o x n e t 下载使用b u s y b o x 软件进行功能裁减， 产生一个最基本的根文件系统，再根据自己的应用需要添加其他的程序。默认的 启动脚本一般都不会符合应用的需要，所以就要修改根文件系统中的启动脚本， 它的存放位置位于e t c 目录下，包括：e t c i n i t d r c s e t c p r o f i l e 等，自动挂装文 件系统的配置文件e t c f s t a b ，具体情况会随系统不同而不同。根文件系统在嵌入式 系统中一般设为只读，需要使用m k c r a m f s 、g e n r o m f s 等工具产生烧写映象文件。 3 3 开发环境的建立 交叉编译是嵌入式系统开发过程中的一项重要技术，它的主要特征是嵌入式设 备中执行的程序代码不是在本机编译生成，而是由另一台机器( 如p c 机) 编译生成， 在主机上编写的源代码程序通过g c c 交叉编译器，在主机上编译，使其生成可在 目标平台上直接运行的代码。交叉编译的过程如图3 1 所示。同时在开发和调试程