（信号与信息处理专业论文）基于arm的电力负荷管理终端设计与实现.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 基于a r m 的电力负荷管理终端设计与实现 信号与信息处理 冯保才 刘健 摘要 ( 签名) ( 签名) 电力负荷管理终端是电力负荷管理系统的智能采集执行终端设备，对实现需求侧管 理、缓解电力供需矛盾具有重要的意义。 本文在电力负荷管理的需求分析基础之上，提出并论证了基于a r m 处理器和嵌入 式实时操作系统相结合的电力负荷管理终端设计方案，并进行了硬件和软件总体设计。 对电力负荷管理终端硬件电路进行了设计与实现，主要包括：a r m 核心模块、电 量采集模块、状态量采集模块、控制输出模块、通讯接口模块、电源模块、复位与系统 时钟、j t a g 接口、外部存储器扩展和l c d 显示以及键盘模块等，并研制成功原理样机。 研制开发了电力负荷管理终端软件，主要包括：嵌入式实时操作系统( , c o s i i ) 、 文件系统和图形用户界面g u i 移植，系统监视任务、文件服务任务、负荷管理任务、定 时采集任务、数据处理任务、抄电表任务、基于g p r s c d m a 的通讯任务、键盘扫描和 液晶显示任务等软件模块开发，并设计了实时多任务的软件看门狗技术，提高了系统的 可靠性。 为了确保通讯安全性，通过对比各种加密算法，并考虑处理器的性能，采用了高安 全性、高速度性和便于a r m 实现的加密算法b t e a ，使得在电力负荷管理终端上能可 靠、实时的运行，并且保证了电力负荷管理系统的数据传输的可靠性、实时性。 对系统终端进行了测试，结果表明其功能和性能指标都达到电力负荷管理系统通用 技术条件的要求。 关键词：电力负荷管理系统；电力负荷管理终端：a r m ；嵌入式系统；加密技术 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：d e s i g n r e a l i z a t i o no fa r m b a s e dp o w e rl o a dm a n a g e m e n t r e r m i n a l s p e c i a l t y ：s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g n a m e ：f e n gb a o e a i i n s t r u c t o r ：l i uj i a n a b s t r a c t (ssiiggnnaattuurree)一 全兰蚴么趔 p o w e rl o a dm a n a g e m e n tt e r m i n a l ( p l m t ) ，w h i c hp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nr e a l i z i n g t h ed e m a n ds i d em a n a g e m e n t ( d s m ) a n dr e l i e v i n gt h ec o n f l i c to fs u p p l y i n ga n dd e m a n d ，i s t h ei n t e l l i g e n ta c q u i s i t i o n & e x e c u t i v et e r m i n a ld e v i c eo ft h ep o w e rl o a dm a n a g e m e n t s y s t e m b a s e do nt h ed e m a n d sa n a l y s i so fp o w e rl o a dm a n a g e m e n t ，t h ed e s i g no fp o w e rl o a d m a n a g e m e n tt e r m i n a l ，w h i c hi sb a s e do nt h ea r mp r o c e s s o ra n de m b e d d e dr e a l - t i m e o p e r a t i n gs y s t e m ( r t o s ) ，i sp r e s e n t e da n dd e m o n s t r a t e d t h eo v e r a l ld e s i g no f t h eh a r d w a r e a n ds o f t w a r ei sc a r r i e do u t t h eh a r d w a r ec i r c u i t so fp l m t , w h i c hi n c l u d ee l e c t r o n i cc o r em o d u l eo fa r m ，e l e c t r i c m e a s u r em o d u l e ，s t a t e sm e a s u r em o d u l e ，c o n t r o lo u t p u tm o d u l e ，c o m m u n i c a t i o n si n t e r f a c e m o d u l e ，p o w e rs u p p l ym o d u l e ，r e s e ta n ds y s t e mc l o c kc i r c u i t ，j t a gi n t e r f a c e ，e x t e m a l m e m o r ye x p a n s i o n ，l c dd i s p l a ya n dk e y b o a r dm o d u l e ，e t c a r ed e s i g n e da n dr e a l i z e d t h e p r o t o t y p ei sd e v e l o p e ds u c c e s s f u l l y t h es o f t w a r eo fp l m t , w h i c hc o n s i s t so ft h et r a n s p l a n t a t i o no fe m b e d d e dr e a l t i m e o p e r a t i n gs y s t e mg c o s i i ，f i l es y s t e ma n dg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ( g u i ) ，s y s t e mm o n i t o r i n g t a s k ，d o c u m e n t a t i o ns e r v i c e st a s k ，l o a dm a n a g e m e n tt a s k ，t i m i n gd a r aa c q u i s i t i o nt a s k ，d a t a p r o c e s s i n gt a s k ，w a t t - h o u rm e t e rr e a d i n gt a s k ，c o m m u n i c a t i o n sb a s e do ng p r s c d m at a s k k e y b o a r ds c a na n dl i q u i dc r y s t a ld i s p l a yt a s k ，e t c i sd e v e l o p e d t h es y s t e mr e l i a b i l i t yi s i m p r o v e db yt h et e c h n i q u eo fs o f t w a r ew a t c h d o go f t h er e a l t i m em u l t i t a s k t og u r a n t e et h ec o m m u n i c a t i o n ss e c u r i t y , a ne n c r y p t i o na p p r o a c hi su s e d c o n s i d e r i n g t h ef e a t u r eo fa r m ，b t e ai ss e l e c t e dt h r o u g hc o m p a r i s o no fv a r i o u se n c r y p t i o na l g o r i t h m s ， w h i c hh a st h ea d v a n t a g e ss u c ha sh i g hs e c u r i t y , h i g hs p e e da n de a s i l yi m p l e m e n t e do na r m c o n s e q u e n t l y , b o t hr e l i a b i l i t ya n de f f i c i e n c yo f d a t ac o m m u n i c a t i o nc a nb ea c h i e v e d t e s t i n gr e s u l t so f t h es y s t e mo f p l m ts h o wt h a ti t sf u n c t i o n sa n dp e r f o r m a n c e sm e e tt h e r e q u i r e m e m so f g e n e r a ls p e c i f i c a t i o no f p o w e rl o a dm a n a g e m e n ts y s t e m k e yw o r d s ：p o w e rl o a dm a n a g e m e n ts y s t e m l o a dm a n a g e m e n tt e r m i n a l a r m e m b e d d e ds y s t e m e n c r y p t i o nt e c h n i q u e t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 妻料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体己经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名。马谭才日期：五，。7 、? 、j r 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权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。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 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 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：玛豫寸指导教师签名：纠j 矽一 叫，7 年f7 月 t e l i 1 绪论 1 1 研究的意义 1 绪论 近年来，随着国民经济和人民生活水平的不断提高，工业用电和居民用电的增长， 给供用电管理提出了新的要求，为了及时掌握供电情况和客户的用电信息，更好地为用 电客户服务，从而全面提高用电管理的现代化水平，需要在负荷控制的基础上，建立和 完善电力负荷管理系统，以适应当前社会对电力的需求。也就是研制出更加完善和高性 价比的负荷控制和管理系统中的智能采集执行终端一电力负荷管理终端具有十分重要 的意义，电力负荷管理终端是实现电力负荷管理系统现代化的重要保证。 电力负荷管理系统【1 】是实现计划用电、节约用电和安全用电的技术手段，该技术具 体是指供电部门根据电网的运行情况、用户的特点及重要程度。在供电正常情况下，对 用户的电力负荷进行监测和控制、削峰、填谷、错峰、改变电网负荷曲线的形状，提高 配电网运行的可靠性和效率，提高电能的供应质量，降低劳动强度和充分利用现有设备 的能力，降低供电成本，节省能源的目的，从而使用户和电力公司均能受益；而在事故 或紧急情况下，自动切除非重要负荷，保证重要负荷不问断供电以及整个电网的安全运 行【2 卅。 早期的负荷管理系统主要侧重于负荷控制，而为了充分发挥用户在负荷管理中的作 用，提出了电力需求侧管理( d e m a n ds i d em a n a g e m e n t ) 的概念。即电力公司采取有效的 激励和诱导措施以及适宜的运作方式，与用户共同协力提高终端用电效率和改变用电方 式，为减少电量消耗和电力需求，实现最低成本电力服务所进行的运营管理活动。其主 要是鼓励用户采取各种有效措施和节能技术，改变需求方式，在保持对用户优质服务水 平的情况下，降低能源消费，以获得经济及环境效益。从而保证电力工业的可持续发展 和不断增长的社会需求。 电力负荷管理系统是实现电力需求侧管理的技术手段【3 ，6 j ，是配电自动化系统的延 伸。而电力负荷管理终端的发展为电力系统的现代化提供了保证，通过负荷管理技术可 以提高负荷率、充分利用现有发供电设备和延缓新增设备的投运时间，达到提高投资的 经济效益的目的。 电力负荷管理终端是集计算机技术、通信技术、信息技术、管理、系统控制技术等 于一体的智能采集终端，广泛用于对电力用户的用电信息采集和执行负荷控制。 电力负荷管理系统依靠负荷管理终端对用电用户实施2 4 小时监控，在供电紧张时， 通过对管理的负荷拉闸限电，能够有序错峰，合理控制用电最大需求，实现“限电不拉 路”i s 。提供用户的用电和负荷信息，通过对用户进行合理的管理，从而提高供电和用 西安科技大学硕士学位论文 电质量目的。 随着用户的需求量和数量的增大，对电的需量也逐渐增大，这使对用户的管理更加 复杂、困难，对此为了更好的管理用户，国家电网公司推出了电力负荷管理系统数据传 输规约来规范用电管理，保证了系统建设具有良好的规范性、兼容性、开放性和扩展性。 该规约规定了数据的传输格式、终端与主站的通讯方式。其中，通讯方式包括无线或光 缆的专用信道、g p r s 或载波的公用信道等。又由于电力负荷管理系统中数据传输量越 来越大，这样专用信道逐渐不能满足要求，而新型的g p r s 技术的应用可以满足电力负 荷管理终端与主站之间的大量的数据传输。由于通过公网来实现，这使的数掘的安全性 等不到保证，对数据进行加密是相当必要的。 1 2 国内外研究现状 电力负荷管理系统是由电力负荷控制发展而来的，电力负荷控制起源于1 9 世纪末 和2 0 世纪初，于1 8 9 7 年，约瑟夫若丁曾用不同的电价鼓励用户均衡用电 4 1 。1 9 1 3 年， 都德尔等通过把2 0 0 h z 1 0 v 的信号电压叠加在供电线路上来控制路灯和热水器，提出了 最早的音频控制方案。到5 0 年代，英国最早提出了用音频技术对负荷进行集中控制， 其又采用分散定时控制，而后音频电力控制技术又很快在法国、原西德、瑞士等国家得 到大量的使用。日本从6 0 年代开始研究电力负荷控制技术，到7 0 年代已广泛安装使用 了音频脉冲控制装置1 7 1 ，而此时美国也开始重视研究负荷控制技术，并引进了瑞士的音 频控制装置，以后又开发了无线电负荷控制、配电线载波控制和工频电压波形畸变控制 等多种方式一j 。 目前囡际上已有几十个国家采用了电力负荷控制技术，安装使用的终端己有几千万 台，控制的总负荷约占世界发电总装机容量的1 0 以上。电力负荷控制技术在国际上己 成为一项具有大量使用经验的成熟的实用技术。发达国家使用这项技术主要目的是改善 电网负荷曲线，削峰填谷，提高电网运行的经济性、安全性和发电设备投资的效益，推 迟电力设施的建设投资。国外正把注意力从一般的负荷控制转向配电自动化、需求侧管 理和对电力市场的技术支科”j 。 我国开展电力负荷监控技术的研究和应用比较晚，从1 9 7 7 年底开始了电力负荷控 制技术的研究和应用，过程大致可分为几个阶段【7 】： 1 9 7 7 1 9 8 6 年为探索阶段。研究了国外电力负荷控制技术所采用的各种方法，并自 行研制了音频、电力线载波和无线电控制等多种装置，同时由国外引进一批音频控制设 各安装在北京、上海、沈阳等地。 1 9 8 7 1 9 8 9 年为有组织的试点阶段。主要试点开发国产的音频和无线电负荷控制系 统，分别在济南、石家庄、南通和郑州安装使用，都获得了成功。在试点成功的基础上， 1 9 8 9 年底在郑州召开了全国计划用电会议，要求首先在全国直辖市、省会城市和主要开 2 1 绪论 放城市重点推广应用，然后在所有地( 市) 级城市中全面推广。 1 9 9 0 1 9 9 7 年是全面推广应用的阶段。经过7 年多的努力，全国已有近2 0 0 个地( 市) 级城市供电系统规模不等地建立了负荷控制系统。1 9 9 6 年7 月，重庆市首先通过了电力 部组织的负荷控制实用化达标验收，同年1 2 月，烟台和郑州也通过了电力部组织的正 式验收；1 9 9 7 年，又有绍兴、合肥、武汉、福州、张家口等五城市也相继通过了电力部 实用化达标验收。这标志着我国负荷控制的推广应用工作进入了一个新的阶段。电力负 荷控制设备的投入运行，使各地区的负荷曲线有了很好的改善。 1 9 9 7 年以后的电力负荷控制系统从单一控制转向管理应用的发展阶段。随着电力供 需矛盾的缓解，电力负荷控制系统的作用逐步转向了建立正常的供用电秩序，保障电网 安全，营配管理等方面。系统增加了用电管理功能，包括用电信息管理功能、远方抄表 功能、防窃电功能、购电控功能、用电信息服务、电压合格率监测等功能。这些功能的 扩展，将为电力企业带来巨大的经济效益，也提高了电力负荷控制系统的经济价值和生 命力。在系统的数据处理方面也打破了以前数据的局限性，拓展了网络功能。这些信息 对于电力系统负荷预测、用电分析、发电计划的制定和电力系统的发展规划，都是非常 有用的，从而将电力负荷控制系统更名为电力负荷管理系统。 近些年来，随着科学技术的不断发展和现代管理技术的不断深入，电力负荷管理系 统装置技术水平的高低，系统规模的大小及应用程度已经成为供电管理现代化的一个重 要标志【9 】。 随着电力部门的分割与改革，原先的许多操作模式与职能分配将发生较大的变化， 电力负荷管理系统在全国已处在实用化和较完善阶段，下一步将大力发展配网自动化、 远方抄表、用电负荷综合管理等，很多工作直接深入千家万户。随着用户数量和需要传 输的用电参数的增加，要不断地提高整个系统的可靠性和抗干扰能力，开发新的功能， 以适应若干年后新形势的挑战【4 ，1 1 】。 ( 1 ) 通信组网技术的多样化 分组数据通信业务( g p r s ) 技术以及g s m 短信息功能的出现和应用，使系统的每 台电力负荷管理终端都有热备份的两套信道，一套是无线或光缆的专用信道，另一套是 g p r s 或载波的公用信道。 ( 2 ) 故障诊断与维护自动化 电力负荷管理终端通过远程网络技术的连接，终端可擦除内存的应用以及软件自诊 断技术的开发，实现故障自诊断并通过远方下载实现维护自动化。 ( 3 ) 服务性系统 。 通过电力负荷管理终端对用户进行多方位服务，不但可实现对用户的各项人性化服 务，还能针对每天分时电价的不同与用户具体用电特性制定最佳用电曲线并监视执行， 为用户节约成本、创造效益。 3 西安科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 用电企业的最佳助手 随着用电公司的独立运作，系统将作为用电公司的主要技术支持，利用软硬件技术 的快速发展，将负荷预测、线损分析、谐波检测、营业运作、多媒体信息查询等功能不 断完善，使系统成为每个用电公司、每个用电用户必备。 ( 5 ) 终端多样化 开发多种终端，也许将来每个家庭用户的家里都有一台人性化的微型服务终端。 电力负荷管理终端是以多种先进技术为基础的信息采集、处理和管理的控制系统。 是供电企业管理用户用电情况，提高需求侧管理水平的新一代远程智能执行终端。在电 力负荷管理系统中起着重要的作用。在保证实时性的条件下，使其功能更加完善和具有 高性价比，从而提高有序用电水平，实现限电到客户、到设备，做到限电不拉路的重要 技术手段，也是实现电力营销现代化的主要技术手段之一。 早期的负荷管理终端【1 2 3 i 在通信上使用专用2 3 0 m 频段，集中式点对点传输，半双 工不支持主动上传，f s k 调制速率仅1 2 0 0 b i t s 或2 4 0 0 b i t s ，开放式链路没有任何安全措 施；而使用g p r s c d m a 和以太网，数据传输到公共通讯网上，数据的安全性缺乏保护； 在功能上以开关控制为主，抄表、监测为辅，很难向以抄表、监测、用电服务为主，控 制为辅的思想转变；软硬件平台大部分采用8 位或1 6 位单片机，系统资源非常有限； 其技术壁垒严重，不同类型终端很难互联、互通、互换，不符合开放式发展潮流。 随着需求的增加及对性能和安全性的更高要求，早期终端己不能适应新形势下的需 要，因此，基于a r m 的电力负荷管理终端应运而生。a r m 技术的出现使电力负荷管 理终端不但在成本上有了很大的优势，而且在性能和功能上有了很大提高，从而推动了 电力负荷管理系统的现代化的进程。 1 3 本论文所做的工作 电力负荷管理终端是电力负荷管理系统的智能采集执行单元，是实现电力负荷管理 系统现代化的重要保证，经济的发展使社会对电的需求越来越大，使的原有的负荷管理 终端已不能满足要求，又由于各种技术的高速发展和新技术的出现，促使着电力负荷管 理终端也有新的发展，本文在研究分析了电力负荷管理系统的发展的基础上，在参考了 前人研究方案的基础上，并结合计算机技术、通信技术、信息技术、管理、系统控制技 术等，围绕着新的电力负荷管理系统数据传输规约对电力负荷管理终端进行了研究设 计。 ( 1 )研究基于a r m + i a c o s i i 的电力负荷管理系统的智能采集执行终端设计方 案，力求既满足电力负荷管理系统通用技术条件的要求，又具有较低的成本。 ( 2 )采用g p r s c d m a 通信手段，基于先进的3 2 位a r m 处理器芯片l p c 2 2 9 2 作为c p u ，对电力负荷管理终端硬件电路进行设计与实现，并研制原理样机。 4 1 绪论 ( 3 )嵌入式实时操作系统( i _ t c o s i i ) 、文件系统和图形用户界面g u i 移植，研 制开发电力负荷管理终端应用软件，并设计实时多任务的软件看门狗提高系统可靠性。 ( 4 )研究加密算法确保基于g p r s c d m a 的电力负荷管理终端与主站数据传输 的安全性。 ( 5 )对研制的原理样机进行功能和性能测试，验证其可行性。 5 西安科技大学硕士学位论文 2 电力负荷管理终端的总体设计 2 1 负荷管理终端需求分析 电力负荷管理终端是以计算机技术、通信技术、信息技术、管理、系统控制技术为 基础的信息采集、处理和管理控制终端。是供电企业管理用户用电情况，提高需求侧管 理水平的新一代远程智能执行终端。 根据标准 1 4 】规定了电力负荷管理系统( 主站和终端设备) 的技术要求、试验方法 和检验规则，列出了对于电力负荷管理终端的的要求。 2 1 1 数据传输要求 ( 1 ) 通信规约：终端与主站的通信规约采用电力负荷管理系统数据传输规约一 2 0 0 4 ) ) 。终端与电能表的数据通信规约应支持d l t 6 4 5 1 9 9 7 。 ( 2 ) 外部接口：1 路r s 2 3 2 作为远程通信接口；1 路r s - 4 8 5 作为电能表通信接口。 传输速率可选用6 0 0 、1 2 0 0 、2 4 0 0 b i t s 或以上。 2 1 2 输入输出回路要求 ( 1 ) 脉冲输入：终端应至少配置2 路脉冲输入回路，并能与脉冲电度表相关标准 规定的脉冲参数配合。 ( 2 ) 状态量输入：终端应至少配置2 路开合双位置状态信息输入回路。 ( 3 ) 控制输出回路：至少2 路开j 台双位置控制。 2 1 3 终端功能和性能要求 对电力负荷管理终端的功能和性能要求： ( 1 ) 远方自动抄表。要求终端能支持多种电能表通讯规约如：国标6 4 5 规约和主 流电能表厂商规约。并根据用户要求还可以升级电表规约。 ( 2 ) 负荷管理。主要包括功率定值闭环控制、电能量定值闭环控制、遥控和保电 剔除功能，从而达到错峰和有序用电的管理。 ( 3 ) 数据采集和处理。终端应能采集脉冲量、状态量、实时数据存储等功能，其 中脉冲量的采集主要是脉冲间隔 l o o m s ，脉冲宽度 8 0 m s ；还要能存储7 天的日历史数 据包括：电能示值、日有无功电能量、总加组有功功率及发生时间、电能表断相数据等； 最近1 个月的月历史数据包括：有无功电能示值、月有无功电能量、月最大和最小有无 无功功率及发生时间等，并在主站召测时发送给主站。 6 2 电力负荷管理终端的总体设计 ( 4 ) 异常监测和重要事件上报。主要报警内容有：重要参数修改：用电设备和用 电状态异常；电表和终端自身运行状态异常。 ( 5 ) 多种通信方式的兼容。由于用户众多，条件不一，采用单一的通信方式是不 可能满足要求的，所以在设计时要在内部采用模块化结构，通过更换通信模块，可以实 现以下通信方式的互换：g p r s c d m a 、以太网，以方便维护。 另外，由于终端具备了电量抄表和负荷控制的功能，终端数据应该具备有较高的安 全等级，对此在系统终端中还需要数据加密技术来保证数据传输的安全性。 为了满足以上的功能和性能的需求，提出了嵌入式处理器与实时操作系统相结合开 发电力负荷管理终端的方案。从而达到错峰用电，实时监测，满足现代电力需求侧管理 和电力营销的需求。 2 2a r m 处理器选型 a r m ”】是a d v a n c e dr i s cm a c h i n e 的缩写，是一家微处理器行业的知名企业，其 设计了大量的高性能、廉价、低功耗的r i s c 处理器。a r m 公司成立至今已有1 6 年， 但该公司设计芯片，而从不生产销售。它将技术授权给世界上许多著名的半导体、软件 和o e m 厂商，并提供服务。目前，全世界有几十家大的半导体公司都使用a r m 公司 的授权，因此既使得a r m 技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持，又使整个 系统成本降低，使产品更容易进入市场被消费者所接受，更具有竞争力。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 1 6 1 8 ：工业控制领域；无线通讯领域；网络应 用；消费类电子产品；影像和安全产品。 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。 a r m 公司开发了很多系列的a r m 处理器核，目前最新的系列已经是a r m l l 了， 而a r m 6 核及更早的系列已经很少见了，到现在为止，应用比较广泛的系列有：a r m 7 、 a r m 9 、a r m 9 e 、a r m l o 、s e e u r c o r e 和x s c a l e 。 由此可知，a r m 微处理器包含一系列的内核结构，以适应不同的应用领域，用户 如果希望使用w i n c e 或标准l i n u x 等操作系统以减少软件开发时间，就需要选择 a r m 7 2 0 t 以上带有m m u ( m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t ) 能的a r m 芯片，a r m 7 2 0 t ， a r m 9 2 0 t ，a r m 9 2 2 t ，a r m 9 4 6 t ，s t r o n g a r m 都带有m m u 功能。而a r m 7 t d m i 则没有m m u ，不支持w i n d o w sc e 和标准l i n u x ，但目前有i j t c l i n u x 等不需要m m u 支 持的操作统可运行于a r m 7 t d m i 硬件平台之上。事实上，u c l i n u x 已经成功移植到多 种不带m m u 的微处理器平台上，并在稳定性和其他方面都有上佳表现。而在一些相对 较低端的产品又要跑不带m m u 的嵌入式操作系统，a r m 7 t d m i 是一个不错的选择。 在电力负荷管理系统终端中采用了a r m 7 t d m i ，既可满足实时性和精度的要求，又可 7 西安科技大学硕士学位论文 降低生产成本。 由于电力负荷管理终端是安装于用户端的监控设备，其工作环境比较苛刻，所以选 用的元器件时应具有较高的可靠性、集成度，较低的功耗等要求，即应为工业级系列产 品。并且元器件的选用应在满足性能目标的前提下，还要结合技术的先进性和工程实现 的低成本要求。 根据上述要求，电力负荷管理终端中的嵌入式c p u 采用基于3 2 位的a r m 7 t d m i s c p u 的嵌入式微控制器l p c 2 2 9 2 。l p c 2 2 9 2 包含了多种通讯接口：2 个u a r t 口、1 个 s p i1 2 1 、1 个1 2 c 口和2 个c a n1 ：3 等，突出了作为智能化设备以及网络通讯的特点，所 以非常适合于进行网络传输、协议转换和控制的电力负荷管理终端。l p c 2 2 9 2 的强大的 处理功能满足了嵌入式系统的网络速度和数据存储速度要求较高的需求，并且还可提供 大数据容量存储。 2 3 嵌入式操作系统选型 嵌入式操作系统是随着嵌入式系统的发展而出现的，嵌入式操作系统的出现，大 大提高了嵌入式系统开发的效率，改变以往嵌入式软件设计只能针对具体的应用从头 做起的历史。在嵌入式操作系统之上开发嵌入式系统将减少系统开发的工作量，增强 嵌入式应用软件的可移植性，使嵌入式系统的开发方法更具科学性。可以说，嵌入式 操作系统的出现为嵌入式系统的发展铺平了道路。 嵌入式操作系统f 1 7 - 2 0 具有以下特点： ( 1 ) 编码体积小：适合在嵌入式系统的有限存储空间中运行。 ( 2 ) 面向应用，可裁减和移植：可进一步缩小编码体积，提高运行效率。 ( 3 ) 实时性强：这是嵌入式系统的特征之一，因此，嵌入式操作系统有时也称 为实时多任务操作系统r t o s ( r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) 。 ( 4 ) 可靠性高：嵌入式系统可无需人工干预独立运行，并处理各类事件和故障。 2 0 世纪七八十年代，各种嵌入式操作系统得到了蓬勃发展，目前市场上的商用嵌 入式操作系统产品很多，如v x w o r k s 、p s o s 、n u c l e u s 和w i n c e 等，它们已经十分成 熟，为研究和开发提供了有力的开发和调试工具，但开发成本昂贵。虽然“c l i n u x 与 i t c o s i i 都是免费的、源码公开的操作系统，但p c l i n u x 占用空间相对较大，实时性 能一般，对处理器的移植相对复杂，而 t c o s i i 是一个基于优先级的、占先式的、可 裁剪的多任务实时内核，其绝大部分源码是用a n s ic 编写的，占用空间少、执行效 率高、可移植性好，实时性能优良、可扩展性强、对处理器及资源要求不高。目前， 它支持x 8 6 、a r v l 、p o w e r p c 、m i p s 等众多体系结构，并有很多商业应用实例。又 由于只需支付少量的费用就可以，从而减少了购买操作系统的成本，使产品的价格下 降，并且“c 0 s i i 实时操作系统运行在a r m 7 平台上对资源的占用小，可满足电力负 8 2 电力负荷管理终端的总体设计 荷管理终端对实时性、可靠性的等的要求，所以非常适合作为电力负荷管理终端的嵌 入式操作系统来开发应用程序。 2 4 实时操作系统肛c o s i i 内核 p c o s i i 是由j e a nj l a b r o s s e 编写的源代码公开的嵌入式实时操作系统内核，它提 供了实时系统所需的基本功能。其最小内核可编译至2 k ，短小精悍。 r t c o s i i 的特点主要有 2 n l ：代码开源、可裁减和扩展、可占先、可确定性、多任务。 g c o s i i 提供了嵌入式操作系统的基本功能：任务调度与管理、时间管理、任务间同步 与通信、内存管理和中断服务等，其内核简单高效，实时性好，适合小型控制系统。 由于采用的是可剥夺型实时多任务内核。所以在任何时候都是运行就绪任务中的优 先级最高的任务。一次完整的任务调度主要包括： ( 1 ) 查找就绪了的最高优先级的任务 其主要通过搜索就绪任务表来实现的。p c o s i i 中的每一个任务都有自己独立的堆 栈空间，并有一个任务控制块的数据结构体，其中第一个成员保存的是任务的堆栈指针。 ( 2 ) 任务调度 调度函数模块首先用变量o s t c b h i g h r d y 记录当前最高级就绪任务的任务控制块 o st c b 的地址，然后调用任务切换函数o st a s k 任务及状态 在g c o s i i 中，每个任务都是一个无限的循环，其在任何一个给定的时刻，任务的 状态一定是以下5 种状态之一：休眠态、就绪态、运行态、挂起态( 等待某一事件的发 生) 、被中断态。如图2 1 所示。 其中：系统通过调用函数o s s t a r t 0 n 动多任务环境，然后，该函数运行进入就绪态 的优先级最高的任务。运行任务通过调用函数：o s f l a g p e n d 0 、o s m b o x p e n d 0 、 o s m u t e x p e n d 0 、o s q p e n d 0 、o s s e m p e n d 0 、o s t i m e d l y 0 或o s t i m e d i y h m s m ( ) q b 的一 个来使自己转入等待任务状态；接着调用o s s t a r t 0 、o s i n t e x i t 0 或o s _ t a s ks w 0 进行 任务切换，使就绪表中优先级最高的任务进入运行态；处于等待状态中的任务通过接收 o s f l a g p o s t 0 ，o s m b o x p o s t 0 ，o s q p o s t o ，o s q p o s t o p y 0 ，o s s e m p o s t 0 ，o s t a s k r e s u m e o 或o s t i m e t i c k 0 发过来的信息来使自己进入就绪表；只要任务调用o s t a s k d e l o i 泵i 数就 会使自己进入睡眠状态；而处于睡眠状态的任务通过调用o s t a s k c r e a t e 0 或 o s t a s k c r e a t e e x t ( ) i 函数从睡眠中唤醒任务进入就绪状态。当中断发生时，中断服务函数 中断正在运行的任务，然后，通过调用o s i n t e x i t 0 数运行就绪表中最高优先级的任务。 9 西安科技大学硕士学位论文 0 s t a s k d e l0 o s t a s k c r e a t e ( ) o s t 出e a t e e x t 睡眠态 任务 一雾熊卜 嘶l a g p o s t0 o s m b o x p o s t0 o s m b o x p o s t o p t0 o s o p o s t0 o s o p o s t o p y 0 o s s e m p o s t0 0 s t a s k r e s u m e 0 0 s t i m e t i c k ( ) 厂1 厩五而 ，、0 s i n t e x i t ( ) 广 就绪态、0 s j a s k _ s w ( ) 运行态 任务任务 堕堡! ! 堕! q 弋堡箜型壑堡垫 0 s t a s k d e l0 1 a g p e n d 0 b o x p e n d 0 p e n d ( ) e m p e n d 0 a s k s u s p e n d 0 m e d l y ( ) i m e d l y m h s m 0 中断服 务状态 任务 图2 i 任务的状态 任务控制块 当任务建立后，任务控制块o st c b 被赋初值。而当任务的c p u 使用权被剥夺时， p c o s i i 用它来保存该任务的状态。任务重新得到c p u 使用权后，任务控制块能确保 任务从当时被中断的那一点继续执行，即记录被剥夺时的任务的运行环境。 任务就绪表 每个任务被赋予了不同的优先级，其就绪态标志都放入就绪表中的，就绪表中有 两个变量o s r d y g r p 和o s r d y t b l 。在o s r d y g r p 中，任务按优先级分组，8 个任务为 一组。o s r d y g r p 中的每一位表示8 组任务中每一组中是否有进入就绪态的任务。任务 进入就绪态时，就绪表o s r d y t b l q b 的相应元素的相应位也置位。就绪表o s r d y t b l 】 数组的大小取决于o s _ l o w e s t - - p r i o 。当应用程序中任务数目比较少时，减少 o sl o w e s tp r i o 的值可以降低p c o s i i 对r a m ( 数据空间) 的需求量。 使任务进入就绪态程序： o s r d y g r pfo s m a p t b l 【p r i o 3 】； o s r d y t b l p r i o 3 】i _ o s m a p t b ll o r i o & 0 x 0 7 ； 使任务脱离就绪态程序： i f ( ( o s r d y t b l p r i o 3 】& = , - - o s m a p t b l 【p r i o & 0 x 0 7 ) = 0 ) o s r d y g r p & = , - - o s m a p t b l 【p r i o 3 ； 任务调度 p c o s i i 总是运行进入就绪态任务中优先级最高的那一个。而通过 y= o s u n m a p t b l 【o s r d y g r p ； x = o s u n m a p t b l 【o s r d y t b l 【y 】； 1 0 2 电力负荷管理终端的总体设计 p r i o = ( y o s t c b s t k p t r ； 将i h ，r 3 ，r 2 及r 1 从堆栈中弹出； 执行中断返回指令； 2 5 终端的总体结构 电力负荷管理系统主要由三部分组成：主控站计算机系统、通信传输网络和负荷管 理终端设备”，如图2 2 所示。 图2 2 负荷管理系统的组成 由以上可知： ( 1 ) 主控站计算机系统主要是负责系统数据的存储、分析、管理，通过数据网络 和终端通讯，读取终端的数据和向终端发出控制命令等。并且可通过丰富的展现界面把 所需要的数据高效清晰地表示出来。 ( 2 ) 通讯传输网络在配电自动化系统中占据着重要的地位，它主要承担着主控站 西安科技大学硕士学位论文 与负荷管理终端之间数据传输、命令发布等任务。目前，主要采用的是g s m g p r s 、 c m d a 技术和以太网。 ( 3 ) 电力负荷管理终端负责执行主站下达的命令和闭环控制功能，并且采集相关 的数据存储、上报等，是电力负荷管理系统进行管理的主要数据来源和现场执行单元。 电力负荷管理终端为电力负荷管理系统的现代化提供了保证。其主要安装于需要采集和 返回用电数据，对用户的开关实施控制的用户配、变电站或箱式变压器。 通过对微处理器和嵌入式操作系统的的选型，确定了a r m + g c o s i i 的电力负荷管 理系统的智能采集执行终端设计方案，通过3 2 位a r m 处理器来提高运行速度，丰富了 终端的通讯功能和提高了数据处理能力和精度；嵌入式实时操作系统i t c o s i i 的应用提 高了终端软件的移植性、可靠性、维护性和易于升级等，并在软件中通过采用多任务下 的软件看门狗技术提高系统运行的可靠性；通过采用了g p r s c d m a 无线公网传输方 式，降低了终端的投资成本和通信网络的维护成本，在数据传输时，数据加密技术的应 用保证了数据在公网中的传输的安全性。 所以，此设计方案既可满足电力负荷管理终端对实时性、可靠性的等的要求，又保 证了系统软件的可移植性、可维护性和易于升级等，又可降低电力负荷管理终端的成本， 并且通过采用数据加密技术来保证数据传输的安全性。 2 5 1 硬件总体架构 终端采用了基于a r m 核的处理器l p c 2 2 9 2 作为系统的处理器，实时运算处理能力 强。其硬件部分是实现整个系统功能实现的基础，是整个设计实现的一个关键部分，其 整体设计框图如图2 3 所示( 实物照片见附图1 ) 。 其主要组成部分有：删核心模块、电源模块、j t a g 调试接口、g p r s c d m a 通 讯接口、以太网接口、电能表数据采集、程序数据存储器、电能量采集模块、1 2 c 接口、 通用i o 口应用、l c d 模块。各部分的主要功能为： ( 1 ) a r m 核心模块 处理器模块是整个系统的核心部分，主要完成以下功能：完成状态量、脉冲量数据 采集和交流量采集，并对采集的数掘进行处理和存储：通过g p r s c d m a 网络来实现对