（通信与信息系统专业论文）电力设备点检机的设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 燹 摘要 设备点检是一个覆蘸西广、综合性强的领域。它是建立在生产效能、费用 及设备可靠性维修工程基础之上的综合应用。通过点检的方法，找出设备缺陷 和异常状态，发现隐患，及时采取对策，把故障消灭在萌芽状态。电力设备点 检对于电力设备正常运行、降低设备维修费用，提高设备利用率有重大意义。 髫前，国内大多数企业所使用的点捡机均从国外进口，存在价格离、购买 和维修不方便等诸多缺点，丽国内少数公司生产的点检机则技术较落后、稳定 性不高。本文研究的点检机采用了高性能a r m 7 处理器和嵌入式实时操作系统 u c o s i i 进行开发设计，在成本、性能上有很强的优势，并且具有运行稳定、 实时性好、抗干扰能力强镣优点，可成为电力设备点检中的重要工具。 本文首先在分析点检梳的嚣内外研究现状的基础上，对点检和嵌入式系统 进行了说明，并较详细地介绍了系统硬件设计方法。在设计中，选取能满足点 捡功能且应用广泛的高性能处理器l p c 2 2 1 4 作为电力设备点检机的核心，并给 如了点检枫硬件设计方案和原理图： 随后给出了系统的软件设计方案，选用应用广泛、开源的嵌入式操作系统 h c o s i 作为点检枫的操作系统。在此基础上编写相应的应用程序，并附有部 分模块程序清单； 其次对点梭枫需采用的测温模块进行选型，并且对葵软硬件设计进行了较 为详细的探讨，使其满足点检机测澄功能； 墩后通过对所设计的点检枕进行测试，证明本文设计实现的点捡机能较好 地满足电力设备点捡的信息识剐、非接触测瀑、离清晰图形界面等功能需求， 有较好的应用前景。 关键字：a 粼处理器，点擒，嵌入式系统，l p c 2 2 1 4 ，热电堆 嚣紊交遴大学硕士磷究生掌位论文第| l 页 a b s t r a c t e q u i p m e n tc h e c kp o i n ti saf i e l d 像a ti si nb o a r dk n o w l e d g ea n du s e d 姒d e l y 。i t i sb a s e do np r o d u c t i o ne 蠢毫c ta n dr e i i a b l em a i n t e n a n c eo fe q u i p f n e n t b yt h ec h e c k p o i n t ，i ti s 8 _ b et of i n dd e f e c t so fe 唾u i p m e n ta n da b n o f m 奎s t a 协s ，t ot a k e c o u 嫩e r m e a s u r et i m e l y ，t oe l 证l 瓤a 土eb r e 8 姜d o w n e l e c t r i cp ( w 雌e q u 谗m e n tc h e c k p o i n t h a s i m p o r t a n fs i g n 谶c a n c e f o r e q u i p m e n t n o r m 趣 i n g ， r e d u c i n g m a i n t e n a n c ec o s ta n di m p r o v i n gu t i l i z a t i o no f e q u i p m e n t ， a t p r e s e n t ， c 圭l e c k p o i n t m a c h i n ee x i s t ss e v o r a ld e f e c t si n h i g hp r i c e ， i n c o n v e n i e n c ep u f c h a s ea n dm a i n t e n a n c ei nh o m ee n t e r p r i s e f u n h e r m o r ec h e c k p o i n tm a c h i n ed r o pb e h i n d 抽t e c h n i q u e h i 馥p e 尚h n a n c ea r m 7p f o c e s s o ra f l d r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m 扯c o s - 1 1w e r ea d o p t e di nt h ed e s i g no fc h e c kp o h m a c h i n e i ns o m e a s p e c t ss u c h a s c o s t ， p e r f b r n l a n c c ，r u n n i n gs t a b i l i t y a n d a n t 巧a m m i n ge t c ，i ti ss u p e 矗o rt ot r a d i t i o n a lc h e c kp o i n tm a c h i n e ，a n db e c o m i n ga 1 1 i m p o r t a n ti m p i e m e n t i ne q 哦p m e n 圭c h e c kp o i n t f i r s t 重y ，t 量l el a t e s td e v e l o p m e n to f c h e c kp o i n tm a c h i n ei s m a l y s e d ，a n dh a r d w a r e d e s i 弘o fm es y s t e mi s i n t r o d l l c e dd e t a i l e d l yi nt h i sp a p e r l i 7 c 2 2 1 4p r o c e s s o ri s c h o o s e na sc o r eo fe l e c t f i cp o w e re q u i p m e n tc h e c kp o i n tm a c 场n e ，a n d 也es c h e m a t i e o f l l a r d w a r ed e s i g ni sa l s od e s c r i b e d t h e | l 饿es o 叠w a r ed e s i g ns c h e m eo ft h es y s t e mi sg i v e ni nt h i sp a p e 肛c o s i i i sc h o o s e na so p e r a t es y s 据mo fe h e c kp o i n tm a c h i n e ，a n ds o m em o d u l ep r o g r a m sa r e l i s t e d n e x t 像ep a 挝e mo f 把m p e f a t u f em e a s u r e m e n tm o d u l ei ss e l e c t e d ，锄dm ed e s i g n o fs o 腑a r ea n dh a r d w a r ei sd i s c u s s e dd e t a i l e d l 弘 f i n d l y c h e c 薹( p o i n tm a c h i n ei st e s t e d t h e 雠t i c i p a l e dr c q u i r c m e n ts u c ha s i n f o n i l a t i o ni d e n t 维c a t i o n ，n o n ，c o n t a c tt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ta i l dh i 曲r e s o l u t i o n g r a p 撼c su s 钟i n t c r f a c ei sa c h i e v e di nc h e c kp o i n tm a c h i n e k e y w o r d s ： a r m p r o c e s s o r c h e c kp o i n | ，e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ， t h e r m o p i l e 嚣南交通大学硕士研究生学位论文第 页 第1 章概论 。1 课题背景及意义 近年来，各大型连续作业的企业，如：梳械行业、化工行业、钢铁行业、 有色冶炼行业等，由于点检、巡检不到位，导致了很多设备受损及巡检数攥失真， 给单位及溺家逸成了难以估量的经济损失。另外，由于工业现场环境恶劣，如 灰尘多、经常鸯腐蚀憔气体镣，容易造成元器件的老化、损坏等情况，从而导 致设备通讯不畅、易腐蚀、部分卡件频繁维修等故障，不仅需要花费很多维修 费用，而且会给生产和安全带来许多隐患。2 0 0 1 年1 2 月国家电力公司关于火 力发电厂实施状态检修指导意见的文件，规划出了火电厂实施设备状态检修 的基本策略和路线，同时指出掌握设备的状态楚实现设备状态检修的綦戳，并 将设备点检作为实施状态稔修的主要数据来源之一。说明设备点检制是即时掌 握设备的状态的有效方法之一，为了配合状态检修工作，点检管理应作为一葶申 新的模式在电力行业中赏彻和实施。 如何使设备能够安余、有效、长期地运行，已成为每个生产管理者和维护 入受急切想了解关心的问题。为满足现代工渡生产和用户的需求，按计划进行 生产装置检修期间，专业维护工程师进行现场维护工作，对设备提供全冠的检 溪8 和维护，清除系统中已经存在的问题和隐患，保诞设备能够长期安全稳定运 行”3 。在先进的点检系统被采用之前，很多企业鬻常采用突击查岗，翻牌、查记 录等老办法，但收效甚微。本课题所设计的点检系统将极大地提嵩备类点检工 作的规范化及科学化管理水平，为点捡人员能够按时到位、及时点查、准确收 集信息等要求提供了强有力的保证。该系统终端采用掌上终端漾入点捡数据，克 服了传统点检方式中纸笔抄写录入的繁琐、低效、费时、费力的缺点，有效壤 保障了被点检设施经常处于良好状态。 1 。2 国内外现状 上擞纪，我国的企业一嶷采用的是计划检修模式，即设备的检修王耍目、周 期和工期安排都是由管理部门在总结了大量的实际经验的基础上制定的。通过 鼹南交遴大掌硕士研究生学位论文第2 页 有计划的定期检修，设备的健康水平和运行稳定性都褥到了基本保诞。计划检 修模式是一种鞠对糨放的管理摸式，不可避免地存在着部分检修计划和项目安 擗比较盲瞬的现象，从丽造成设冬捡修过度或检修不足、检修费用较高、设备 豹等效可羯系数偏低等弊瘸。翔傣推行企业设备管理翻凝，提高设器运行豹可 靠性，降低生产成本，已经成为各企业蘧l 瞄的不容忽视的阀题。因此，戮内的 不少企业都积极探索新的检修管理体制和模式，取得了不少成功的经验【2 j 。 点检定修制发源于隔本的钢铁企业。由于国情不月、企业管理枫构不同， 企韭的生产过程和设备状态与钢铁企业又有很大的差别，掰以企业在推行点检 定修制过程中，许多企渡根据自身的特点设薰了不同的点检机构p j 。近年来， 国内许多企业在设备管理中大力推行点捡定修制，经过几年来的实践，点检定 修的管理思想已得到确立，点检定修的缀织、制度、方法和镑璎模式罔时结合 备企业的实际情况不断完善，并取得了明显的效粜。 目前国内大多数企业所使用的点检机均从国外进豳，存在价格极商、购买 和维修不方便等缺点，丽国内少数公司生产的点检枫刹技术较落后、稳定性不 好。本课题点检祝采滕高性筢a r m 7 处理器和嵌入式实时操作系统弘c 0 s h 开 发设计，在成本、性能上有很强豹优势，并且具有运幸亍稳定、实时性好、摭干 扰能力强等优点，以提高黼产的电力设备点检辊市场竞争力。 1 。3 论文主要内容翻主要工作 本论文主要研究基于a r m 嵌入式微处理器亵电力设备点检机中的设计与 实现，磺究内容围绕以a r m 微处理器为核心钓点检枫软、硬 牛设计丽展开。 本文主要工作如下： 1 ) 分绍了嵌入式系统和艇t m 微处理器的慕本概念，选用p h i l i p s l p c 2 2 1 4 律为本系统豹核心控制芯片，设计嵌入式系统及其姊豳辅助奄路，为电力设备 点检机提供快速、稳定、高效的硬件环境。 2 ) 嵌入式操作系统u c o s i i 来管理任务和系统的硬件资源。 3 ) 软件模块的完成，包括热电堆模块、实时时钟模块、i b u 牡o n ( i n f o n n a t i o n b u 壮o n ) 模块、键盘模块等。 西南交通太学硕士研究生学位论文第3 页 第2 章电力设备点检和嵌入式系统概述 电力设备点检管理是利用检测设各和仪器，按照预先制订的技术标准，定 人、定点、定路线、定周期、定方法、定检查记录，对运行设备进行全过程动 态检查。点检人员按要求将手持个人点检机与安置在设备现场的i d 钮扣相接触 后，该位置相应的若干作业指令应逐条显示在个人点检服务器上，指导各相关 岗位人员完成点检工作；同日_ j ，将采集的设备现场信息以数字形式记录在点捡 机的存储器中，并能方便地上传给计算机管理系统进行统计分析。 设备状态检修是一个覆盖面广、综合性强的领域。它是建立在生产效能、 费用圾设备可靠性维修工程基础之上的综合应用，同时已成为提高设备运行可 靠性及效能、减少维修费用的有效途径。 2 1 设备点检 2 1 1 点检的构思 对于。个不会说话的婴儿，怎样才能保证他的健康呢? 根据“预防医学”的 观点，只要密切注视婴儿的6 点检查护理： 头是否发热? 口喂奶，喂水j l 原利? 脉搏跳动是否正常? 喉声音、哭、哭声是否正常? 腹部大、小便是否正常? 卫生洗脸，勤换尿布。 这就是定点管理。怎样才能做好这些工作呢? 检查需要规定： 点确定哪些有代表性的“点”? 点检标准正常不正常? 点检方法温度计? 手模? 点检周期多长时间? 点检周期多长时间? 蘸瘵交通大学硕士研究生学慷论文第4 樊 点检员人婴儿母亲医生? 这就是5 定，采用这种5 “定”方法_ 束护理婴儿，就能保证婴儿的健康。把 这种婴儿护理的方法，应弼爨设备管醺中去，就蹙针对设备进行点检的构思。 比妇定点检查： 锅炉是否过热? 给油、给水是否及对? 振动是否异常? 嗓音是否超过标准? 是否漏油、漏水、漏气? 环境是否熬涪? 以诧来确定设备是否运行正常? 如设备处于暴常状态，找融原嚣，采取对 策，以防止设备故障的发生。 下蕊楚形象类比： 设备婴儿； 设备使用者婴儿的母亲； 点检员( 专职维护人员) 医生； 检修部门医院。 为了保证设备的性能稳定，防止设备劣化，设备使用者爱护色己使用的设 备，充分了解设备的构造、功能和戆能，常捡蠢，常清扫，勤加油，及对紧圃， 律好日常维护。一旦瘩现昴常现象，应立鼹采取措施进行处理。 2 1 。2 点检的定义 设备点捡是一种科学豹设备管壤方法，它怒利用人的五富或简单的仪器工 具，对设备进行定点、定期的检查，对照标猴发现设备的异常境象和隐患，掌 握设备故障的初期信患，以便及辩采取对策，将故障消灭在萌芽阶段的一种管 理方法。 点捡制是在设备运行狳段开展的一种叛点捡为核心的现代维修管理体系， 称作设备全员维修，它强调的是设备豹动念管理。 2 。1 。3 点梭与设备传统检查的区荆 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 2 。1 3 。1 传统设备检查的几种形式 1 ) 螽检查：事故之后的捻奁。 2 ) 回检套：按设备的部位、内容进行的糨略巡视，这种方法实际上是一种 不定量的运行管理，对分散布鬟的设备比较合适。 3 ) 计划检查：采用检查修理法时必须作的一种设备检查。 4 ) 特殊性检套：这是对特殊性要求的设备进行检查，如继电僚护整定和绝 缘测定。 2 1 3 2 点检与传统设备检查的区别 点检是一种管理方法，耨传统的设备检查仅是一种检查方法，鹾者在如下 几个方面有明摄豹区别“3 ： 1 ) 定入 点检作渡的核心是专职点稔员的点检，它不是巡回梭查，蕊是圈定点检区 域的人员，傲到定区、定人、定设备，不轻易变动，入员一般是2 4 入，不超 过5 人，受责几十台到上西台设备，实行常自班工作制。点检员不阉予维护工 人、检修工人，也不同于维护技术人员，露是经过特殊训练豹专门人员。 2 ) 定点 设定设备敢障点，明确设备的点检部位、项目和内容，使点捡员做到有目 的、肖方向豹进行点检。 3 ) 定基 在点检的闲拜寸，把技术诊断和颓囱镑理结合起来，进行设备劣化的定量化 管理，测定裂化速度，达到预知维修豹露的，实现了现代设备技术和科学管理 方法的统一。 4 ) 定周期 对故障点的部位、项瞄和内容均有预先没定的周期，弗翌根据点检员素质 豹提赢和经验积累，遴行修改和完善。 5 ) 定标准 定标准是德螫或判别点检部位是甭正常的依据，也是判别该部位是否劣亿 的尺度。凡是点检的对象设备都有规定豹判定标准。 6 ) 定“点检计划表” 点检计划表又明作业卡，是点检受开展工 乍的指南。点检员根据预先编定 西南交遴大学硕士磷究生学位论文第6 页 作业卡，沿着规定的路线去实施作业。 7 ) 定记录 点裣信息霄固定的记录格式，包雍作业记录，异常记录，故障记泶稠倾向 记录。 8 ) 定“检修业务流程” 点检渡务流程援定了对点检作池和点枪结栗的处理对策，它明确规定处理 的程序，急霈处理的隐患和不良，由点检员豢接通知维修人员立即处理。不需 紧急处理豹问题则做好记泶，纳入计划检修中勰决。它简化了设备维修管理豹 程序，作弱应急反映抉，计划项圈落实。并鼠对这些实绩进行研究，反馈检查， 修正标准，以提离工作效率。 2 4 设备点梭管理 设备点检管理怒翻用人的感官和简单的仪表王其，或精密检测设备秘仪器， 按照颈先制订的技零标准，定人、定点、定量、定标、定路线、定周期、定方 法、定检查记录，施行全过程对运彳亍设备进行动态检查，其流程如图2 一l 所示。 它是一穗及对掌握设备运行状态，指导设备检修的一耪严肃的科学管理方法8 3 。 梭修结莱评价 评价检修效暴，审视检修 方式决定是否震新分类 检修管理 作出榆修决策，进行所需榆修 设备分类 根据设备特点确定稔修方式 状态检测 点 巡l 数 篓| 篓l 柔 错 搬| 统 运i 靛i 历 行l 督l 史 分l 试l 数 析 验j 据 状态分析 综合分析卒 种状态倍患， 提出状态搬告和检修建议 圈2 1 设备点检管理流程图 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 要实现状态检修，箕根本在于即时、准确、全面地了解掌握设备的各秘状 态。点检制最初是由预防维修制发展丽成的，现已l 成为实现状态检修的耪基 础性工作。应用这种管理模式，将存效地掌握设备的器种状态，防止“过维修” 和“欠维修”，减少设器的故障发生率，大大降低设备维护费用。因此，这种管 瑗模式在世界上被广泛应用在设备管理上。 点检管理通常可分为曝常点检和精密点检两类。日常点检是指在霞常工作 中持续对设备进行常规检查，宪成状态数据的采集和分析，是精密点捡工作开 展的基础。日常点检工作的开展，构成了点检工作的基本框架。精密点检是对 己出现问题的设备作出耩细的调查、测定、分析。它是 i i i l 常点检工作的延伸， 用于专业解决设备故障产生的原因。日常点检和精密点检二者不可偏废，它们 之间的关系如图2 2 所示。要实现设备点检制，各企业需要根据各自豹特点， 策划相廒的缀织管理，技术管理和应用方案”1 。 图2 2 圜鬻点检和精密点捡的关系 2 。5 设备点榱的特点 设备点检不同于传统的设备巡霞检查。如果说，设备的巡回检查是为了“观 察”系统的正常运行状态的话，设备点检管理则是为了把握设备的各种状况， 揭示其状态变化的一般规律和特殊规律，及时发现设备隐患，实现预知性检修。 设备点检工作的基本特点是： 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 l 、点检组织专业化； 2 、点捡工作制度化； 3 、点检方法与内容标准化； 4 、点检过程规范化； 5 、点捡结果信患化： 6 、分析成果效盏化。 2 1 。6 设备点检的意义 1 ) 保证设备系统安全稳定运行 通过科学的方法，找出设备缺陷和异常状态，发现隐患，及时采取对策， 把故障消灭在萌芽状态。 2 ) 延长设备使用寿命 通过资料积累，提出合理的零部俘维修、更换计划，不断总结经验，完善 技术标准，保持设备性能的离度稳定，延长设备使用寿命。 2 ) 设备“零故障” 大幅度降低设备的故障和事故停机察。 4 ) 低维修费用。 嚣本在弓| 进美国的预防维修制( 即点检制的初期) 后，维修费雳下降了 2 0 3 0 。 2 i2 嵌入式系统 随着社会的日益信息亿，计算橇和网络已经全蘧渗透到日常生活的每一个 焦落。对于我 f j 每个人来说，需要的已经不仅仅是郡种放在桌上处理文档、进 行工作管理和生产控制的计算机“机器”。任何一个普通人都可自拥有从小到 大的、器秭傻用嵌入式技术的电子产品，小到m p 3 、p d a 等微型数字化产品， 大到网络家电、智能家电、车载电子设备簿。 目前，备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。在工业和服务领域中，使用嵌入式技术的数字机床、智熊工具、工业 机器人、服务机器人正在逐渐改变着传统的工业生产和服务方式。 嚣南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 。2 嵌入式系统的定义 嵌入式系统是指用于执行独立功能的专用计算机系统。它由包括微处理 器、定时器、微控制器、存储嚣、传感器等一系列微电子芯片与器件，和嵌入 在存储器中的微型操作系统、控制应用软件组成，共同实现诸如实时控制、簸 视、管理、移动计算、数据处理等各种自动化处理任务。嵌入式系统以应用为 中心，以微电子技术、控制技术、计算机技术和通讯技术为基础，强调硬伟软 件的协同性与整合穗，软件与硬件可剪裁，以满足系统对功能、成本、体积和 功耗等要求”，。 嵌入式系统主要由嵌入式处理器、外酮硬传设备、嵌入式操作系统以及特 定的应用程序等四部分组成，是集软硬件予一体的可独立工作的“器件”；用 于实现对其它设备的控制、监视或管理等功能。 2 2 2 嵌入式系统的特征 嵌入式系统的硬件必须根据其体的应用任务，以功耗，成本，体积，霹靠性， 处理能力等为指标来选择。嵌入式系统的核心是系统软件和应用软件，由于存 储空间有限，因而要求软件代码紧凑，可靠，大多对实时性有严格要求。3 。早 期的嵌入式系统设计方法，通常是采用“硬 牛优先”原则。即在只褪略估计软 件任务需求的情况下，首先进行硬件设计与实瑰。然稻，在此硬俘平台之上， 再遴行软件设计。因而很难达到充分利用硬件软伴资源，取得最佳性能的效 果。 近来随着电子系统功能的e l 益强大和微型化，系统设计所涉及的闯题越来 越多，难度也越来越大。同时硬件和软件也不再是截然分开的两个概念，两是 紧密结合、相互影响的。因而出现了软硬件狲网( c o d e s i g n ) 设计方法，即使 用统一的方法和工具时软件和硬l 牛进行描述、综合和验证。在系统霞标要求的 指导下，通过综合分孝厅系统软硬俘功能及现有资源，协同设计软硬件体系结 构，以最大限度熄挖掘系统软硬件能力，避免由于独立设计软硬侔体系结构丽 带来的种种弊病，褥到高性能低代价的优化设计方案。 磷南交通大学硕士磷究生学位论文第1 0 页 2 2 3 嵌入式系统的开发过程 嵌入式系统开发分为几个不同的开发阶段如豳2 3 所示。首先遵过需求分析 确定嵌入式系统所要实现的功能，并在系统中对所实现的功能进行验迁。然后 将功能分解为软件实瑰和硬件实现两个部分。之后，系统开发进入鼹个独立的 阶段。当嵌入式软件及外部硬件设计结束之后，进入系统集成及系统测试阶 段。在此阶段嵌入式软件运行予目标硬件环境中，以此来调试嵌入式软件并同 时验证系统是露实现了预期的功能。 图2 3 嵌入式系统开发过程 西南交通大学硕士珊究生学位论文第12 页 3 2a 脯微处理器 3 2 1a r m 及相关技术简介 a r m ( a d v a n c e dr l s cm a c l l 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，还可以认为是一种投术的名字。1 9 9 1 年a r m 公司成立于英国剑轿，主要出售芯片设计技术的授权。目前，采用a r m 技术 知识产权( i p ) 核的微处理器，即我们通常所说的a r m 微处理器，已遍及工业 控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基 于a 瑚v i 技术的微处理器应鞠约占据了3 2 位r i s c ( r e d u c e dl n s t r u c t i o ns e t c o m p u t e r ，精简指令集计算机) 微处理器7 5 以上的市场份额，a r m 技术正 在逐步渗入到我们生活的各个方面。 a r m 公司是专门从事基予r j s c 技术芯片设计开发的公司，作为知识产权 供应商，本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各其特色 的芯片，世界各大半导体象产商从a r m 公司购买其设计的a r m 微处理器核， 根攥各自不问的应用领域，加入适当的外阑电路，从而形成自己的a r m 微处 理器芯片进入市场。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，因此既使褥a r m 技术获得更多的第三方工其、制造、软传的支持， 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。 3 。2 2 脉赫微处理器的应用领域 到目前为止，a r m 微处理器及技术的应朋几乎已经深入到各个领域f 9 】： l 、工业控制领域：作为3 2 的r j 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，潮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、嵩髓价比，向传统的8 位1 6 位微控制 器提班了挑战。 2 、无线逶讯领域：嚣前已鸯超过8 5 的无线邋讯设备采用了矧王m 技术， a r m 以其离性能和低成本，在该领域的地位强益巩固。 3 、网络应艄：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，著获得广泛支持， 蘸南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 也露d s p 驰应用领域提出了挑战。 4 、消费类电子产晶：a r m 技术在鼹前流季亍豹数字齑频播放器、数字橇顶 盒和游戏祝中德到广泛采用。 5 、成像和安全产鼎：现农流行豹数码捅执和打印枧中大部分采用a r m 技 术。手机中的3 2 位s l m 镑能卡也采嗣了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嗣的领域，并会在将来取 得更加广泛的应用。 3 。2 。3a 潮微处理器的特点 采用r j s c 架构的a r m 微处理器般具有如下特点： 1 ) 积小、低功耗、低成本、高性能： 2 ) 持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 救指令集，熊很好的兼容8 位，1 6 位 器件； 3 ) 大嫩使用寄存器，指令执行速度燹快； 4 ) 大多数数据操作都在寄存器中完成： 5 ) 寻址方式灵活简单，执行效率离； 6 ) 指令长度圈定； 3 2 4 脓醮微处理器系歹i l a r m 微处理器目前包括下殛几个系列，以及其它厂商基于a r m 体系结构 的处理器，除了具蠢a r m 体系结构的共同特点以外，每一个系列的a r m 微处 理器都有各自的特点和艨用领域。 一a l t m 7 系列 一a r m 9 系列 一a r m 9 e 系列 一a r m l o e 系列 一s e c u r c o r e 系列 一i n t e r 的x s e a l e i n t e r 的s t n g a r m 西南交通大学硕士 i 究生学位论文繁14 贾 其中，a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 和a r m l o 为4 个遴蹦处理嚣系捌，每 个系列提供一套裙对独糁的性能寒满足不同应用领域的需求。s c c u 芘o r c 系列专 门为安全要求较高的应胡雨设计。以下我销来详细了解一下各种处理器的特点 及应用领域。 a r m 7 系列微处理器为低功耗的3 2 位r i s c 处理器，最适合用于对价位和 功耗要求较高的消费类应嗣。a r m 7 微处理器系列其有如下特点： 一具有嵌入式i c e r t 逻辑，调试开发方便。 一极低豹功耗，适合对功耗要求较高斡斑用，如便携式产品。 一能够提供o 9 m i p s m h z 的三级流水线结构。 一代码密度离并兼容1 6 像的t h u m b 指令集。 一对操作系统的支持广泛，包括w i n d o w sc e 、l i m l 】( 、p a l mo s 等。 一指令系统与a r m 9 系列、a 删9 e 系列和a r m l o e 系列兼容，便于用 户的产晶舞级换代。 一主频最高西达1 3 0 m l p s ，离速的运算处理髓力能耱任绝大多数的复杂应 用。 a r m 7 系列微处理嚣的主要应用领域为：工波控制、i n t e m e t 设备、瓣终和 调翩解调器设备、移动毫话等多种多媒体和嵌入式应羽。 删7 系列微处理器包括如下几种类型的核：a 制订7 t d m i 、a r m 7 t d m i s 、 a r m 7 2 0 t 、a r m 7 e j 。其中，a r m 7 t m d i 是目前使用最广泛静3 2 位嵌入式r i s c 处理器，属低端a r m 处理器核。t d m i 的基本含义为： t ：支持1 6 为瘫缩指令集弧u m b ： d ： 支持片上d e b u g ； m ：内嵌硬件乘法器( m u 撕p l i e r ) i ：嵌入式i c e ，支持片上断点和调试点； 本设计所使用的p h i l i p s 公司的l p e 2 2 1 4 朝属于该系列的处理嚣。 3 。2 。5 艨糕微处理器结构 传统的c i s c ( c o m p l e xi n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ，复杂指令集计算机) 结构 有其固有的缺点，即醚着计算极技术的发展蕊不断引入新豹复杂的指令集，为 馘南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 支持这些耨增的指令，计算梳的体系结构会越来越复杂，然而，在c i s c 指令集 的各种指令中，其使用频率却相差懋殊，大约夜2 0 的指令会被反复馊用，占 檠个程序代码的8 0 。丽余下的8 0 的指令却不经常使用，在程序设计中只 占2 0 ，显然，这种结构是不太合理的。 基于以上的不合理瞧，1 9 7 9 年美豳施州大学伯克利分校提出了r j s c 的概 念，r j s c 并 只楚简单地去减少指令，谣跫把羲鼹点教在了如何傻计算机豹结 构雯加锿单合理她提高运算速度上。黻s c 结构优先选取使用频最高的简单揆 令，避免复杂指令；将指令长度固定，指令格式和寻址方式耱类减少；以控制 逻辑为主，不用或少翔微妈控制等播施来达到上述嚣豹l 珀】。 到露翦为止，r j s c 体系结构也还没有严格的意义，一般认为，s c 体系 结构疲具套如下特点： 一采用固定长度的指令格式，摺令翔整、篙单、基本寻址方式有2 3 秭。 使用擎周期指令，便予流水线操作执行。 一大薰使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操作，只有加载存储 指令可以访闯存储器，以提高指令的执行效率。 除此以外，a r m 体系结构还采用了一些特别的技术，在保证高性能豹前提 下尽量缩，l 、芯片的蕊积，弗降低功耗： 一所有的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行，从箍提高指令的 执行效率。 一可用加载存储指令批量传输数据，以提离数据的传输效率。 一可在一条数据处理指令中阉时完成逻辑处理和移位处理。 一在循环处理中往用缝垃的自动增减来提高运行效率。 当然，和c l s c 架构相比较，尽管融s c 架构肖上述的优点，毽决不能认为 磁s c 架构就可以取代c i s c 架构，事实上，戳s c 和c l s c 鑫有优势，丽且界限 并不那么明显。现代的c p u 往往采用c l s c 的外围，内部加入了r j s c 的特燃， 如超长指令集c p u 虢是融合了r l s c 和c i s c 的优势，成为未来的c p u 发震方 向之一。 西南交通大学硕士磷究生学位论文第16 页 3 。2 。6a r m 微处理器的寄存器结构 a r m 处理器共有3 7 个寄存器，被分为若干组，这些寄存器包括： 一3 1 个通用寄存器，包括程序计数器( p c 指针) ，均为3 2 位的寄存器。 一6 个状态寄存器，用以标识c p u 的工作状态及程序的运彳亍状态，均为3 2 位，謦前只使用了其中的一部分。 同时，a r m 处理器又有7 种不同的处理器模式，在每一种处理器模式下均 有一缀相应的寄存器与之对应。即在任意一种处理器模式下，可访问的寄存器 包括1 5 个通用寄存器( r 0 r 1 4 ) 、一至二个状态寄存器和程序计数器。在所 有的寄存器中，有热是在7 荦中处理器模式下共用酌同一个物理寄存器，而存些 寄存器则是在不同的处理器模式下有不同豹物理寄存器。 3 。2 。7 脯微处理器的指令结构 a r m 微处理器的在较新的体系结构中支持两种指令集：a r m 指令集和 弧u m b 指令集。其中，a r m 指令为3 2 位的长度，弧u m b 指令为1 6 饿长度。 拍u 柏胁指令集为a j t m 指令集的功能子集，但与等价豹a r m 代硝相比较，可节 省3 0 4 0 以上的存储空闷，同时具备3 2 位代码的所有优点。 除a r m 微处理器核以外，几乎所有的a r m 芯片均根据各囊不同的应用领 域，扩展了相关功能模块，并集成在芯片之中，我们称之为片内外围电路，如 u s b 接口、i i c 接口、l c d 控青4 器、键盘接口、r i 、a d c 和d a c 、d s p 协处 理器等，设计者应分卡厅系统的需求，尽可能采用片内外围电路完成所需的功能， 这样既可简化系统的设计，嗣时提商系统的可靠憔。 3 3l p e 2 2 1 4 微处理器结构和功能 3 3 。 l p c 2 2 1 4 功能溉述 l p c 2 2 1 4 是基于一个支持实耐仿真和跟踪的1 6 3 2 位a r m 7 t d m 一s 硼嚣雾攀委李； 器照“列赣繇真 和跟踪的1632位a r m 7 t d m 一s 硼c p u 的微控制器，并带有2 5 6 k 字节( k b ) 嵌入的高速f l a s h存储器。1 2 8 位宽度的存储 器接口和独特的加速结构使3 2 位代码能够在最大时钟速率下运行。辩代码规模 西南交通犬鲎硕研究堡掌像谁嚣慕h g 叁 诤哼i r s 。；i 蓁霸誊一羹蕊麓裁氡嗡i ；月童- 一i i i 冀；廷；譬莲臻。臻孽囊鋈錾+ 舔理嚣羞嗡薹诺瘸塌獬：鞴是燮型醪鼹霹蓑妻矧猎蕊鬃鬟军藉勰鬟；蓖 雾；萋萋娄l 耍i 薹p 妻馨蓉i 蚕；楚磊交誊鋈季：望鬯，剖要鬟 眵誊g 蓬i 飘。瑶哩疆啜嚷 籀嚼囊灞絮鬻l 胡强淄博曜囊： 妻霎薹i 霎貅誓熏。摹? 娶穗；。磊盆溺落姜蠢| l j g 瓣释醑黟翻藕婚誊董；薹手。；i i 馥 鞠芝镑列媳s 墨熙灌受哥萋至誊；蠢港哔蕊湖涵髫避暑骤熏謦鬣戮翁委强犁；浯s 型驻； 辫鼓麓j 鹄曰强嚣鼻话弹警笼i 是诺雕裂訾争爱f 誊砻毋! 鬻激叛邕烈旁誉 萋i 帚蠼孺淄穗慕穗 西南交通大学硕士研究生学位论文第玛页 a r m 7 l d m i s 处理器使用了一个被称为t h u 鼢的独特结构他策路，它非常通 用予那些对存储嚣有限制或者霈要较高代码密度的大批量产最的应用。 3 3 4l p e 2 2 1 4 存储系统 l p c 2 2 1 4 集成了2 5 6 k 的f l a s 存储器系统。该存储器可雳律代码和数据的 存熊。对f l a s l 存德器的编程可通过几种方法来实现：遴过内薰豹串彳亍j t a g 接 口，通过程系统编程( i s p ) 和u a r t o ，或通过夜应用编程。使用森应羽编程豹 应用程序也可以在应用程序运行时对f l a s l 进行擦除或编程，这样就为数据存 罐和现场潮传的丹级都带来了极大的灵活性。 l p c 2 2 1 4 含有1 6 k b 的静态r a m ，可用作代码和或数据的存储。s r 删支持8 位、1 6 位和3 2 位访闯。 s r a m 擦制器包含一个虱霹缓冲区，它用于防止c p u 在连续豹写操作时停止 运行。圄写缓冲区总是保存若软件发送到s r 翎的最后一个字数据。该数据只有 在软 牛请求下一次写操作时才写入s r 删( 数据只有在软件执行另外一次写操作 时被写入s r a m ) 。如暴发生芯片复位，实际的s r 删内容将不会反映最近一次的 写请求( 都：在一次“热”芯片复位霜，s r 删不会反映最后一次写入的内容) 。 3 。3 5l p c 2 2 1 4 控制模块 系统控制模块包括几个系统特性和控制寄存器，这些寄存器具京众多与特 定外设器俸无关的功能。系统控制模块包括：晶体振荡器、外郝中断输入、p n 、 功率擦制、复位、v p b 分频器和唤醒定薛尊器。 每秘类囊的功能都有其囊身的寄存器，不霭要的位测定义为保韶位。为了 满足将来扩展的需簧鳎祸耙5 奈徊舛逦1 匚弧a 满 足将来扩展的需簧，无关的功能不共用相同的寄存器地址。34 系统各模块硬件设计3。露。ls r 棚接嗣电路 嚣南交通大学硕士磷究生学位论文第2 0 页 性能造成的影晌，以提高系统性能。 本设计中饺阕豹高速s 弘m 器件是i s 6 1 l v 2 5 6 1 6 a l ，采用c m o s 技术，存储 容量为5 2 黯，具有1 6 位数据宽度，工作电源为3 3 v 。该器件由i s s i 的离性 能c m o s 技术制造丽成，将这种离可靠髋的处理技术与创新的电路设计技术相结 合就产生了离性能和低功耗的i s 6 l l v 2 5 6 1 6 魅器件，其弓l 脚描述如表3 一l 。 表3 一li s 6 l l v 2 5 6 1 6 a l 引脚描述 引脚名称引脚摇述引脚名称引脚描述 a o a 1 7娩址输入沾#低字节擦制( 1 o o i 0 7 ) i o o i o l5数据输入输出 u b # 离字节控制( i 0 8 i 0 1 5 ) c e # 蕊片使能输入 n c不连接 0 e #输出使能输入 v 。愈源 w e #写使能输入g n d地 为了发挥l p c 2 2 1 4 的3 2 像裔性能，本设计采用两片1 6 位数据宽度的s r 圳 芯片并联构建3 2 位s r 脒存诘系统，其中一片为离1 6 位，另片为低1 6 位， 共l m 的s 敞艟空间，可满足嵌入式操l 乍系统及各种较复杂的程序的运彳亍要求。 强3 3 为采用两片i s 6 1 l v 2 5 6 1 6 a 乙并联的方式构建的3 2 位s r a m 存储器系统， 由于需要在l p c 2 2 1 4 外郝存储器接口b a n k o 上使用 s 6 1 l v 2 5 6 1 6 a l ，所以将两片 s r a m 作为一个整体配嚣到b a n k o ，即将l p c 2 2 1 4 的n c s o 缓至两片i s 6 l l v 2 5 6 1 6 熊 的晓端；两片i s 6 l l v 2 5 6 1 6 a l 的o e 端接l p c 2 2 1 4 的n o e 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 s u p e r f l a s h 技术制造丽成。存储容量为2 m b ，1 6 位数据宽度，写编程或擦除操 作电源电器2 7 3 6 v 。s s t 3 9 v f l 6 0 尤其适用予要求程彦、配簧或数据存储器 可方便和低成本地更新熬应用，对予所有的系统，s s t 3 9 v f l 6 0 的使用可照羲增 强系统的性能和可靠惶降低功耗。s u p e r f l a s h 技术提供了固定的擦除和编程时 间与擦除编程周期数无关，因此使用时不必像其它f 1 a s h 技术露造的器侔一撵 擦除和编程对闻随着擦除编程周期的增加两延长。s s t 3 9 v f l 6 0 瓣引脚信号描述 妇表3 2 所示。 f i a s h 存储器在系统中通常用于存放程序代码，芯片s s t 3 9 v f l 6 0 与l p c 2 2 1 4 的连接妻蟊圈3 4 所示，s s t 3 9 v f l 6 0 的片选c 端连接至l p c 2 2 1 4 匏n e s l ，其 o e 、w e 端也分别连接到l p c 2 2 1 4 鲍n o e 、n e w 端，穗琏总线a 2 0 ：妇与l p c 2 2 1 4 的地址总线a 2 0 ：1 相连，1 6 位数据总线d 1 5 ：o 】与l p c 2 2 1 4 的低1 6 位数据慧 线d a t a 1 5 ：o 相连，电路连接按1 6 能访问模式连接。 表3 2s s t 3 9 v f l 6 0 的g | 脚描述 符号；l 脚名称功能 存储器地址。扇区擦除时，a 1 9 a l l 髑来选择扇 a 1 9 a o地址输入 区。块擦除时，a 1 9 a 1 5 用来选择块 读周期内输出数据，翳周期内输入数据 d 1 5 d o 数据输入，输出写周期内数据内部锁存 o e # 或c e # 为离对输出为三态 c e #芯片使能c e # 为低时趋动器件开始工作 o e #输出使能数据输出缓冲器地门控信号 w e #写使能控制写操作 v 电源供给电源奄蘧；2 7 3 6 v v s s地 n c不连接悬空引脚 嚣南交通大学硕书巍番牮臻庸蓼等壁9 4 树 薏；ii i l i j 粪蕊荔矗誊蠹弱 攀。至。羹五参羹彗嘉鍪 姜冀要羹锊塑| ；| 毫l 冀| 塑鍪雾黉j 璧矍羹嚣蘸浮 圭一誉秒一，w 掣屯1 剞 刘毯嚣囊漓前滗哺陆