（检测技术与自动化装置专业论文）变电站自动化系统中通信管理机的设计.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 电力系统网络化和智能化的发展对变电站综合自动化系统提出了更高的要求。由于 变电站系统内各种智能装置具有不同的网络通信结构，其多样性带来了如何实现互操作 和设备兼容等问题。本课题就在要求实现可靠通信和通信兼容的背景之下，对应用于变 电站自动化系统中的通信管理机进行了深入研究，设计并研发了基于a r m 7 和uc o s i i 嵌入式操作系统的通信管理机。本通信管理机是整个变电站系统的核心，它作为通信网 络与监测设备之间的接口设备，起到了枢纽作用，主要用于接收各测控单元的数据，对 其处理后转发至数据采集与监控系统( s c a d a ) 或远方调度控制中心，同时把s c a d a 或 远方调度中心的命令转发给各下位机保护装置，在通信过程中完成有关数据处理、通信 规约转换任务，从而实现变电站自动化系统的“四遥功能。 根据功能要求，本文从软硬件两个方面论述了基于a r m 7 和i jc o s i i 嵌入式操作系 统通信管理机的设计和实现。软、硬件设计分别采用模块化结构，从而提高了系统的可 靠性和可操作性。硬件设计通过a r m 7 核心板及外围设备的搭建来完成，提高了设计的 性价比，同时根据现场的应用要求设计了相应的应用模块，主要包括多个通信模块、人 机交互模块以及处理器的外围扩展模块等；系统软件部分分析了嵌入式uc o s 操作系统 及其内核工作原理，成功地将l ac o s 嵌入式操作系统移植到删处理器中，采用模块化 结构设计思想，用c 语言编程，条理清晰、通用性好，便于系统的改进与扩充。 课题完成了通信管理机a r m 7 硬件平台的搭建和软件系统的调试运行，通过对其功 能测试实验，结果表明该通信管理机软、硬件平台的各项功能模块运行情况良好，实现 了变电站自动化系统中的数据可靠通信和规约转换，且液晶板能正确显示实时数据，设 计达到了预期的效果。 关键词：通信管理机，a r m ，嵌入式操作系统，通信规约 山东建筑大学硕士学位论文 d e s i g no ft h ec o m m u n i c a t i o nm a n a g e ri n a u t o m a t i o no fe l e c t r i cs y s t e m s z h a oq i ( d e t e c t i o nt e c h n o l o g y a u t o m a t i o ne q u i p m e n t ) d i r e c t e db yy a oq i n gm e i a bs t r a c t t h en e t w o r k i n ga n di n t e l l i g e n c ed e v e l o p m e n to fp o w e rs y s t e mh a sp u tf o r w a r dh i g h e r r e q u i r e m e n t so fi n t e g r a t e ds u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m ，o w i n gt ot h ev a r i e t yo fs m a r td e v i c e s w i t hd i f f e r e n tn e t w o r kc o m m u n i c a t i o ns t r u c t u r e ，i t sd i v e r s i t yh a sb r o u g h tt h eq u e s t i o nh o wt o a c h i e v ei n t e r o p e r a b i l i t ya n de q u i p m e n tc o m p a t i b i l i t y b a s e do nt h er e a l i z a t i o no fr e l i a b l e c o m m u n i c a t i o na n dc o m m u n i c a t i o nc o m p a t i b i l i t y , t h i sp a p e rh a sm a d ed e e pr e s e a r c ho nt h e c o m m u n i c a t i o nm a n a g e r , w h i c hh a sb e e na p p l i e dt os u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m ，a n d d e s i g n e da sw e l la sr e s e a r c h e dt h ec o m m u n i c a t i o nm a n a g e rb a s e do na r m 7a n dl a c o s e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m t h ec o m m u n i c a t i o nm a n a g e r , w h i c hi st h ec o r eo fs u b s t a t i o n ，a s t h ei n t e r f a c ed e v i c eb e t w e e nc o m m u n i c a t i o n sn e t w o r ka n dm o n i t o r i n ge q u i p m e n t ，i su s e di n r e c e i v i n gt h ec o n t r o lu n i td a t aa n dt r a n s m i t t i n gt h ed a t at os c a d a o rr e m o t eo p e r a t i n gc o n t r o l c e n t e ra f t e rt h ed a t ah a sb e e np r o c e s s e d a tt h es a m et i m e ，t h es y s t e mc a na l s ot r a n s m i tt h e c o m m a n df r o ms c a d ao rr e m o t eo p e r a t i n gs y s t e mc o n t r o lc e n t e rt ot h el o w e rp r o t e c t o r t h e d e s i g no ft h ec o m m u n i c a t i o nm a n a g e rf u n c t i o n sm a i n l ya st h ek e yp o i n t ，a n dc a na l s of i n i s h p r o c e s s i n gd a t aa n dt r a n s m i t t i n gc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，i no r d e r t oa c h i e v et h e ”f o u r r e m o t e ”f u n c t i o no ft h es u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m a c c o r d i n gt of u n c t i o n a ld e m a n d s ，t h i sp a p e rt a l k sa b o u tt h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no f c o m m u n i c a t i o nm a n a g e rb a s e do na r m 7a n di t c o s - i ie m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mi n h a r d w a r ea n ds o f t w a r er e s p e c t s h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n sh a v ea d o p t e dm o d u l a r s t r u c t u r er e s p e c t i v e l y , w h i c hh a v ei m p r o v e dt h es y s t e mr e l i a b i l i t ya n do p e r a b i l i t yo ft h e s y s t e m t h eh a r d w a r ed e s i g nh a sb e e na c c o m p l i s h e dt h r o u g ht h ea r m 7c o r eb o a r da n d p e r i p h e r a le q u i p m e n t ，w h i c hm a d ed e s i g nw i t hh i g hq u a l i t ya n dl o wp r i c e t h em o d u l e ，w h i c h h a sb e e nd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ea p p l i c a t i o nd e m a n d s ，i n c l u d e sm a n yc o m m u n i c a t i o n m o d u l e s ，h c im o d u l ea n de x t e r n a le x p a n s i o nm o d u l ee t c t h es o f t w a r ep a r to ft h es y s t e mh a s 山东建筑大学硕士学位论文 a n a l y z e di - l c o se m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e ma n do p e r a t i n gp r i n c i p l eo ft h ec o r e i th a sa l s o t r a n s p l a n t e d 肛c o se m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mi n t oa r m 7p r o c e s s o rs u c c e s s f u l l y b a s e do n t h ei d e ao fm o d u l a rs t r u c t u r e ，t h i sp a r th a sb e e np r o g r a m m e db ycl a n g u a g ew i mc l a r i t ya n d p o p u l a r i t y , a n di ti se a s yt ob ed e v e l o p e da n de x p a n d e d t h ep r o j e c tf i n i s h e db u i l d i n gt h ea r m 7h a r d w a r ep l a t f o r ma n dd e b u g g i n gt h es o f t w a r e o ft h ec o m m u n i c a t i o nm a n a g e r t h et e s to ft h ec o m m u n i c a t i o nm a n a g e rr e s u l t ss h o wt h a tt h e s y s t e ms o f t w a r ea n dt h ef u n c t i o nm o d u l e sp r o v e di ng o o dw o r k i n g c o m m u n i c a t i o nm a n a g e r r e a l i z e dt h er e l i a b l ec o m m u n i c a t i o na n dt r a n s m i tc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，t h ed e s i g nh a s a c h i e v e dd e s i r e de f f e c tf o rt h el e ds h o w e dr e a l t i m ed a t ac o r r e c t l y k e yw o r d s ：c o m m u n i c a t i o nm a n a g e r , a r m ，e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ， c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l 1 1 1 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，论文中不合其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而 使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人承担本声明的法律责任。 学位论文作者签名： 赵鸯日期趋厶笸：二j 2 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：山东建筑大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权山东建筑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，可以采用影印、缩印或其它手段保存、 汇编学位论文。 保密论文在解密后遵守此声明。 学位论文作者签名：匙一连一一日期一2 咝：正业一一 导师签名：呋觯日期_ 虹纠 山东建筑大学硕士学位论文 第1 章绪论 随着电力工业的发展，变电站自动化系统已经进入全新的发展阶段，由于新技术的 发展、新标准的制订以及新要求的提出，开展对新的系统结构模式的变电站自动化系统 的探索与研究就显得尤为重要。本章介绍了变电站自动化系统以及应用于该系统通信管 理机的研究背景及研究现状，提出了本课题的研究内容和意义。 1 1 变电站自动化系统概述 1 1 1 系统功能与结构 变电站综合自动化是提高变电站安全、可靠和稳定运行水平，降低运行维护成本， 提高经济效益，向用户提供高质量电能的一项技术措施。随着计算机技术、自动控制技 术、网络及通信技术的飞速发展，变电站自动化正从传统单项自动化向综合自动化发展。 变电站是电力系统中变换电压、接受和分配电能、控制电力的流向和调整电压的电 力设施。它通过变压器将各级电压的电网联合起来，是输配电系统中的重要环节，是电 网的主要监控点，其采用的综合自动化技术将站内继电保护、监控系统、信号采集、远 动系统等结合为一个整体，使硬件资源共享，用不同的模式软件来实现常规设备的各种 功能【1 1 。 目前变电站自动化模式主要有三种：集中式、分散与集中相结合式以及全分散式【2 】 3 1 。集中式结构扩展外围接口电路，集中采集变电站的“四遥( 遥信、遥测、遥控、遥 脉) 信息，并进行计算与处理；在分散与集中结合模式中，配电线路保护应用分散结构， 各种保护装置通过现场总线与通信管理机交换信息，并集中组屏，安装于控制室内；全 分散式模式以一次主设备如母线、开关等为安装单位，将闭锁、保护、控制等单元分散， 并就地安装于一次主设备中。分散与集中相结合的模式方便系统维护和扩展，可靠性高， 局部故障不影响其他模块使用，因此该模式目前应用最为广泛。变电站自动化系统的数 据通信包括两方面的内容：一是自动化系统内部各子系统或各功能模块的信息交换；二 是变电站和调度中心问的通信【4 培】。 变电站综合自动化系统是由多台微机组成的分层分布式控制系统，在各子控制系统 中包含多个智能模块，其系统结构图如图1 1 所示。变电站自动化系统的内部数据通信实 现了各子系统内部和子系统之间的信息交换和信息共享，提高了系统的可靠性和安全性。 同时由于变电站集中了变i l i 器、断路器、无功补偿等贵重设备，因此，对变电站自动化 系统的抗干扰能力、高可靠性及可扩展性要求较高，不仅要求自动化系统所采集的测量 山东建筑大学硕士学位论文 信息和各断路器、隔离丌关的状态信息和继电保护动作信息能及时地传送到调度中心 同时也耍能够接受和执行调度中心下达的操作和调控命令”。 | 毹。审圈 冒 葺； 置 id i g 话。 叫竺拳 图】i 变电站综合自动化系统结构图 通信管理机集中管理变电站自动化系统中的多个数据采集点，实现不同l e d 设备的 互联，既将分散的各种设备或其他配电设备与变电站自动化系统主站实现数据通信，又与 其他自动化系统进行数据交换，起到上下通信的作用并在联络过程中完成有关的数据 处理、通信规约州的转换等，从而实现变电站设训中远动系统的“四遥”功能。当变 电站自动化系统正常运行时，站内的保护及测量等装置只是定时地上发遥信、遥脉等数据 信息，通信管理机模块也只需要定时召唤并处理这些信息。但是当变电站系统发生故障 时，会引起多个装置一起l 发报文处理过程比较复杂，保护动作报文的优先级 b 遥信、 遥脉的优先级要高，需及时处理i 。 l 12 变电站自动化的发展状况 变电站自动化系统是在计算机技术和网络通信技术的基础卜发展起来的。国外存8 0 年代已有分散式变电站自动化系统问世，西门子公司的第1 套全分散式变电站自动化系统 l s a 6 7 8 早在1 9 8 5 年就在德幽汉喏城投入运行，至1 9 9 3 年初已有3 0 0 多套系统存德国及欧 洲的各种电压等级的变电站运行。屏芨达国家率先研制 = j 成熟系统，并推广应用。人 大提高了变电站管理的自动化水、f ，实现电力系统的安全、可靠、经济运行。 我国的变电站自动化工作一窿善较晚，大约从9 0 年代开始。初始阶段1 - 篮为牛产集中 式的变r b 站自动化系统，9 0 ：代一| ，蚓丌始研制分散式变电站自动化系统。随精高新技术 的引进和应用，我国的变电站m 力化技术己逐步走向成熟和理性。 冉【f | 爿、 i 动化系 统取代或更新传统的变电站玖系统，微机保护不只是单纯考虑继电器旧jj j 能，i m 是应 山东建筑大学硕士学位论文 在保证安全可靠的前提下增加了远动功能，以综合装置的形式融合到综合自动化体系结 构；另一方面保护本身应需自检测、事件记录、故障录波、控制管理和运行监视等更强 大的功能1 2 】。当前变电站自动化的发展趋势正在不断朝着高集成化、数字化、标准化方 向发展，同时产品基本功能的设计、要求的标准化、产品的对外接口以及通信协议的标 准化，使变电站不同厂家的设备可以做到互换互连，“即插即用 使变电站自动化逐步走 向标准化【13 1 。 1 2 通信管理机的研究背景及研究现状 1 2 1 通信管理机研究背景 分散分层分布式是变电站综合自动化系统的发展方向，这就对通信的可靠性提出了 更高的要求，关键是选择一个可靠、高效的网络结构。 在现场通信中，由于主观或客观各种原因，变电站自动化系统各智能装置常采用不 同的通信结构，包括不同的通信协议和通信介质等。但是由于各个厂家的局限性和优势 性，会出现在一个变电站现场同时采用几家产品的现象，这些产品支持较少规约或仅支 持特定规约，通用性比较差；另外变电站现场采用不同协议，互不兼容，而监控或调度 中心常常只支持几种通用的通信协议，不可能对于现场智能装置的所有协议甚至企业的 内部协议都支持。因此现场装置与调度或监控的通信过程中存在通信协议兼容的问题。 该问题使变电站自动化系统在选用产品上具有很大的局限性，甚至出现无法正常工作的 现象，远远达不到其规定的安全性的要求。 因此，本课题的开展就是基于以上原因；在要求可靠通信和通信兼容的背景之下， 对应用于变电站自动化系统中的通信管理机进行深入地研究，并设计出样机。 1 2 2 通信管理机的研究现状 随着通信技术、计算机技术的发展以及系统性能对通信要求的提高，通信管理机已 成为各智能设备及系统之间进行数据交换的通信枢纽，是变电站综合自动化系统不可缺 少的重要设备之一。以通信管理机为核心搭建的变电站自动化系统，是国内外自动化厂 家一个重大流派，并占据了变电站自动化系统的主要地位。目前通信管理机正朝着实现 多串口、多规约、多网络等方向发展，而且在未来的发展中将会扩展热备冗余的供电系 统、灵活方便的组态工具、g p s 卫星对时功能、远程调试维护和五防闭锁等功能。 目前国内外学者及产品开发人员对通信管理机的研制，其代表产品主要有以i - ) l 种： 南京南瑞公司生产的r c s 9 7 9 4 系列舰约转换装置，采用多c p u 并行结构，具有强 山东建筑大学硕士学位论文 大的处理能力和丰富的资源；配置大容量的f l a s h 可靠存储必要的信息；采用嵌入式操作 系统，稳定可靠，实时性高，能有效阻止所有w i n d o w s 和u n i x 病毒的攻击。装置的通 信配置灵活多样，支持网络、串口等通信方式，每个通信接口均可选择各种通信协议。 国内深圳市思利敏电力自动化有限公司生产的s p c 3 0 0 0 系列通信管理机是高度集 成的新一代3 2 位嵌入式智能通信装置，用于实现对整个变配电自动化系统现场的信息收 集，并集中送往当地后台或远方调度主站，同时将后台或主站命令传递给各测控装置， 实现当地或远程控制。s p c 在小型自动化系统中直接采集现场所有的装置数据，并通过 用户指定的通信协议( 1 0 1 、1 0 4 、c d t 等) 和通信介质( 以太网、r s 2 3 2 4 2 2 4 8 5 等) 送 到监控后台，完成后台对整个现场的监控。在大中型系统，则可以作为功能子站、间隔 层，通过层层级连实现数据的分类别、分方向传送。 南京力导有限公司生产的d m p 6 8 0 0 系列的通信管理机主要用作现场总线网络的 网关节点，是变电站综合自动系统中间隔单元和通信节点，负责搜集保护测控装置的实 时数据，实现“四遥”功能和管理这些保护测控节点，并向上提供多协议的应用接口， 同时负责第三方装置的通信接入。 1 3 课题研究内容及意义 1 3 1 课题研究内容 本课题研究设计的通信管理机具有多种通信接口，能实现不同网络互联，它的应用 使变电站自动化系统通信网络从低速、集中、专用的传统通信网络发展成真正高速、可 靠、全开放、全分散的数据通信网络。根据变电站自动化系统的要求，本通信管理机的 设计应实现以下功能： 满足不同厂商i e d 装置的互联； 具有以太网、串行口、c a n n 、r s 2 3 2 等多种高速可靠的通信接口用于系统扩展； 通信端口参数现场设置功能，可调节每个通信端口的通信方式、波特率、校验方 式等； 采用至少两种通信规约实现上位机系统与下位机保护装置的可靠通信。 本课题根据通信管理机的功能要求，确定设计的总体方案及软、硬件设计方案；同 时，搭建系统a r m 7 硬件平台，设计丰富的通信接口电路，满足不同厂商l e d 装置的互 联，便于系统的日后扩展；在硬件平台搭建的罐础上，完成l ac o s 嵌入式系统的移植， 同时在嵌入式操作系统环境下，完成设计驱动程序及应用程序的编写。 4 山东建筑大学硕士学位论文 1 3 2 研究意义 本课题设计立足于解决国内变电站自动化系统的通信网络瓶颈，为变电站自动化系 统提供一个可靠、高效的网络通信结构，设计的通信管理机采用a r m 7 体系结构，提高了 设计的性价比，同时，l jc o s 嵌入式操作系统的移植增加了系统的实时、可靠性：设计提 供丰富的通信接口电路，支持网络、串口等通信方式，能解决现场通信协议复杂、人为 误操作等问题，实现变电站自动化系统现场不同i e d 设备的数据可靠通信和通信协议的 兼容，满足变电站自动化系统运行安全、可靠等要求。 基于a r m 7 及l ac o s 嵌入式操作系统的通信管理机工作稳定可靠，实时性高，它的 推广应用可减少变电站系统设备的投入，提高变电站运行的可靠性，对传统变电站自动 化系统改造产生巨大的推动作用，预计会产生可观的经济效益和社会效益。因此，本课 题的研究具有很好的推广应用价值。 山东建筑大学硕士学位论文 第2 章通信管理机方案设计 根据变电站自动化系统的现场要求，通信管理机用于收集整个变电站自动化系统现 场装置的信息，并通过用户指定的通信规约( 1 0 1 、c a n 、c d t 等) 和通信介质( 以太 网、c a n 总线、r s 2 3 2 4 8 5 等) 传送到监控后台或上位机系统；同时将后台或主站的命 令下发给各测控、保护装置，实现当地或远程控制。具体来说，对设计有以下要求： 装置具有l 路与上位机系统通信的r s 2 3 2 总线； 具有1 路与下位机保护装置通信的c a n 网接口，扩展8 路与下位机通信的r s 2 3 2 总线，l 路r s 4 8 5 总线； 扩展配置具有网络功能，提供1 0 m 1 0 0 m 以太网接口和光纤接口与上位机调度中 心通信； 提供本地及远动通信口； 可靠性高，平均无故障工作时间长。 2 1 系统总体方案设计 根据课题的设计要求，选择最佳的开发方式和技术路线来实现既定设计目标，按照 课题开发计划，建立装置的核心开发平台，包括开发装置，软件仿真程序，必要的计算 机绘图和电路模拟软件，参数测试需要的仪器仪表以及必要的实验室环境等。 对于嵌入式系统，其基本的处理器和核心电路是固定的，操作系统是移植好的，所 需做的工作就是看能否添加外设，然后编写添加外设的驱动程序，最后是应用程序。也 就是说，选择了一个成熟的嵌入式系统就会避免重复劳动，缩短开发周期。这就是嵌入 式系统的设计价值所在【1 4 1 。 硬件方案首先确定处理器和相应的硬件，其原则是用简单的外设和较低的成本实现 课题要求的功能，设计电路原理图，并画出p c b 板。然后根据p c b 图制板，烧焊器件。 硬件电路板设计完毕即可进行电路调试，在各个模块都调通之后就可以进行软件设计。 在硬件平台上移植嵌入式操作系统，以c 语言编程，采用模块化结构设计思想，条理清 晰、通用性好，便于系统的改进与扩充，软件调试，最后软硬件整合测试，使设计实现 预期功能。 目前通信管理机的设计主要有两种方案。方案一：采用工业通用控制计算机，采用 特定软件实现；方案二：采用微处理器，开发相应软件嵌入式实现。 方案一具有二次开发容易，日后维护方便的优点。但是，该种方案却存在价格高昂， 6 山东建筑大学硕士学位论文 可靠性不高、功耗较高等缺点。因为通信管理机需要管理的现场智能装置很多，而通用 工业控制计算机的通信接口比较少，所以若采用该方案就须购买额外的通信扩展卡。因 此，通信扩展卡和工控机软件的总费用比较大。此外，该方案的软件虽然较易维护，但 硬件接口却需额外投入，几乎每添一种接口都要重新购买接口卡【坫】。总之，一方案的费 用是相当昂贵的。 方案二采用嵌入式系统实现，它具备这样一些优点：可靠性高、成本较低、功耗低， 由于采用专用方案实现，因此在接口上实现了多样化；若采用合适的开发工具，该种方 案软件的可维护性也是比较好的。总之，通信管理机虽然可以采用工业控制计算机来实 现，但是效果并不理想，最好的方式还是采用嵌入式系统实现。因此，本课题采用方案 二来实现。 2 2 硬件方案选择及设计内容 2 2 1 硬件方案选择 从硬件角度来看，在目前通信管理机的研制中，主要采用c 5 1 、d s p 、a r m 几种处 理器：c 5 1 价格低，但运算能力、内部资源在做稍大控制时就会表现不足；d s p 运算能力 很强，但是价格很高，且偏重数据处理，最重要的是d s p 抗干扰能力弱，在变电站电磁 干扰的复杂环境下，不能稳定可靠地工作；目前使用较多的嵌入式系统硬件有高级精简 指令微处理器a r m 芯片，其突出特点是： a r m 处理器的简单结构使a r m 的内核非常小，从而功耗极低且发热量小，因此 主板温度一般是常温，可以常年累月开机在线工作，不会出现任何问题； a r m 主板的开机速度非常快，一般只需数秒即可； 不受时间限制，可以长期开机工作，无须人员维护； 掉电恢复自启动，无须人员操作； a r m 主板一般都是工业级，抗干扰能力、稳定性都十分优秀； 目前a r m 主板的系统都是w i n c e 系统或者l i n u x 系统，不易受病毒感染，用户无 须担心病毒感染而导致数据泄漏，尤其是一些对于数据安全性要求很高的场所，这是 a r m 的最大优点。基f 以上优点，课题选择使用a r m 7 硬件平台。 在通信管理机的工作过程中，数据的发送和接收都与处理器有关，处理器速度越高， 通信底层的延迟就越小，中断响应越快，利于系统通信速度的提高。同时，处理器的速 度高，其指令周期就会缩短，执行同样功能的程序代码所需的h e f 较短，因此在有限通 7 山东建筑大学硕士学位论文 信底层处理间隔内，可做更多系统的处理，从而提高整个系统的通信速率。 系统控制器采用a r m 7 系列的l p c 2 2 9 2 芯片，它是一个基于支持实时仿真和跟踪的 1 6 3 2 位a r m 7t d m i sc p u 的微控制器，并带有1 2 8 2 5 6 k 字节( k b ) 嵌入的高速f l a s h 举- f 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 【1 6 1 【17 1 ，该芯片的高性价比，在保证低成本的前提下，几乎可以完成工业控制所需要的 所有功能，完全满足通信管理机规约转换与数据通信的功能需要。 2 2 2 硬件结构及设计内容 通信管理机硬件设计采用a r m 7 平台，硬件结构采用三块电路板耳o c p u 核心板、人 机交互板和母板组连的方式，人机交互板和c p u 核心板通过母板的数据、地址总线实现 可靠连接。系统硬件平台连接示意图如图2 1 所示。 外设 装置 与下位机连接的 8 路r s 2 3 2 接口 信号量输入输出接口 母 板 、地址总坌 数据、地址总线 人机交互板 c p u 核心板 图2 1 系统硬件平台连接示意图 c p u 核心板主要完成三个方面的设计： 基于a r m 7 核心控制器的设计开发女h c p u 的选择使用、电源、时钟系统、存储器 系统、调试测试接口及复位配置系统等。 a r m 7 控制器外围设备的通信接口的设计如r s 2 3 2 接口、以太网接口、c a n 接口、 光纤接口等。 c p u 通过地址、数据总线控制外围设备。用户可以根据实际情况选择所需要的外 围设备，如扩展内存，通用i o 接口等。 人机交互板主要完成键盘接口电路的设计和液晶显示板的设计，母板上设有连接 c p u 核心板和人机交互板的欧式插座和对下位机系统通信的8 路r s 2 3 2 接口插座。在以往 通信管理机的设计中，c p u 核心板和人机交互板一般采用c a n 或r s 2 3 2 总线通信，而在 本设计中，通过母板上的欧式插座连接数据、地址总线，虽然成本有所提高，但使系统 可靠性及稳定性大大提高。硬件设计将实现各个模块的协调工作，其硬件结构框图如图 2 2 所示。 山东建筑大学硕士学位论文 图2 2系统硬件结构框图 2 3 软件方案选择及设计内容 从软件方面来看，在传统的嵌入式系统应用中，往往采用前后台系统设计的方法， 即后台系统是一个无限循环，循环中通过调用相应函数完成相应功能；前台系统即中断 服务程序，用于处理异步事件。同时，由于c p u 资源占用较少，任务比较简单，通常采 用汇编语言编写程序，但该应用程序的开发效率和可移植性都比较差，编程方法也基本 是面向过程的。课题设计基于嵌入式实时操作系统、采用面向对象的编程技术已成主流 开发方法，嵌入式操作系统为嵌入式系统的软件开发提供了高效的平台【1 8 】。 2 3 1 软件方案选择 目前，已有的操作系统已超过1 0 0 种，课题考虑到开发成本，系统选择使用pc o s i i 作为软件平台。嵌入式操作系统1 tc o s i i 是一个公开源代码的占先式多任务微内核，而 且该软件已经得到美国航空管理局的安全和稳定性认证，因此用于变电站自动化系统可 以保证它的安全稳定运行，从而满足了变电站自动化系统的稳定性要求。选用uc o s 操 作系统，将此平台的软件丌发转换为编写实时系统软件下的任务模块，以及实现这些任 务的通信。整个软件架构提供如下资源【1 9 】： 公开源代码，结构清晰，注释详尽，可移植性好； 占先式的实时内核，为嵌入式应用设计，可裁剪，可固化； 9 山东建筑大学硕士学位论文 基于优先级对任务进行管理，可管理6 4 个任务，每一个任务必须具有不同的优先 级，充分满足系统功能需求； 三种不同的通信方式：信号量、邮箱和消息队列，可适应各种实际系统的具体需 要； 可进行多任务调度，任务之间切换速度快，实时性是可知的，有保证的； 无论是编译器还是r t o s ( 实时操作系统) 都支持c 语言，可极大地提高开发效率。 l ac o s i i 的以上特点可以极大地满足系统实时性要求。同时实时内核的使用，将应 用程序分解成若干独立的任务，简化了应用程序的设计过程，提高了系统的扩展性，可 以更方便地增加新功能。经实践证明1 1c o s 是一个性能优良且稳定可靠的内核，完全可 以满足系统的要求。 2 3 2 软件设计内容 软件设计采用面向对象的模块化多任务处理机制，主要利用嵌入式操作系统完成通 信控制，主机端和用户端控制软件的编写，通过程序的运行来实现通信管理机的功能。 软件部分拟解决的关键是实现设备与其上下级的正确通信，数据传送等问题。 针对通信管理机的需求分析，系统采用r t o s 软件，软件设计采用模块化思想，包 括两个方面的内容：一方面是嵌入式实时操作系统的实时性研究和内核移植，使之适合 管理机的控制需要；另一方面是用户使用模块的开发和应用程序驱动模块的开发。用户 使用模块主要包括人机交互模块的程序设计以及通信规约的编写。本课题重点编写应用 程序的设计包括液晶、按键的设计以及c d t - 9 1 规约的编写；驱动模块的设计包括液晶 驱动、串口驱动以及存储器的编程等。 1 0 山东建筑大学硕士学位论文 第3 章系统处理器及周边电路硬件设计 通信管理机的硬件设计具有多网络、多串口、多规约以及可扩展性好等优点，大大 提高了通信速度、系统可靠性和维护的灵活性【2 0 1 。c p u 核心板和人机交互板通过母板连 接，增强了系统的可靠性和稳定性，实现设计的预期功能。课题的硬件开发在a r m 7 开 发板的基础上设计的。本课题设计的存储扩展模块及电源模块参考了a r m 7 开发板设计 而成，其它模块电路根据系统的功能要求说明了设计依据，并给出了各模块的电路图。 3 1 处理器选择 在硬件方案选择中，已确定采用a r m 7 硬件平台，接下来的工作是选择处理器。c p u 模件是整个装置的核心部分，通常根据设计需求选择处理器的原则赳1 4 】：可靠性高，集 成度高，芯片内集成尽量多的、满足用户需求的控制器或接口，扩展尽量少的片外资源； 产品的总体成本低，选用使用量大、更便宜、生命周期更长的处理器和外设；开发周期 短、成本低，选用操作系统和驱动程序等软件支持完善的处理器，可有效地减少开发中 存在的风险和不确定因素。 根据以上原则，考虑到通信管理机的的低功耗、高性能以及外围接口等要求，课题 采用l p c 2 2 9 2 处理器，其1 2 8 位宽度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，处理频率最高可达到6 0 m h z ，其特性简单介绍如下【1 6 2 1 2 2 】： 片内b o o t 装载程序实现在系统编程( i s p ) 和在应用编程( i a p ) ，f l a s h 编程时 间l 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 ； 多个串行接口，包括2 个工业标准u a r t 、高速1 2 c 接口和2 个s p i 接口； 1 4 4 脚封装，内有两个3 2 位定时器、八路1 0 位a d c 、两路c a n 通道、p w m 通道以 及多达九个的外部中断； 内置2 个c a n 控制器，在设计电路时将方便很多： 多达11 2 个通用i o e i ，1 2 个独立外部中断引脚； 晶振频率范围：1 - 3 0 m h z ，若使用内部p l l 为：1 0 2 5 m h z ； 采用双电源供电： 一c p u 工作电压范围：1 6 5v 1 9 5v i o1 ：作电压范围：3 0v 3 6v 3 1 1c p u 芯片结构概述 l p c 2 2 9 2 芯片有p o p 3 口，每个口都具有3 2 位双向i o f ，每位的方向都可单独控制， 山东建筑大学硕士学位论文 每个i o h 功能取决于与引脚连接模块的引脚功能选择，其中管脚配置为l 时表示输出， 配置为0 时表示输入。引脚连接模块可以使同一管脚具有多种功能，即管脚复用，通过配 置相关寄存器控制多路开关来连接引脚与片内外设，c p u 电路如图3 1 所示。 蜘黼爆热融 鬻舅熏睡雾5 鹱 2 r c a z 葶2 2 2 窑窆譬芷 t _ | ：| 勰曜鲤l 旷 图3 1c p u 电路图 # 匡 c p u 需要一个时钟信号才能工作，设计中采用微控制器内部的晶体振荡器设计时钟 电路，属于振荡模式。由于c p u 片内集成了反馈电阻，只需在其外部连接一个晶体和电 容c 1 、c 2 就可形成基本模式的振荡。c p u 定时器0 为3 2 位定时器，定时频率可达 1 1 0 5 9 2 m h z ，选用该频率可以得到精确的通信波特率，串口通信的可靠性高( 此时使用 1 1 0 5 9 2 m h z ，程序运行频率为4 倍频率，即4 4 m h z ) 。 l p c 2 2 9 2 包含一个支持仿真的a r m 7 t d m i sc p u ，与片内存储器控制器接口的 a r m 7 局部总线、与中断控制器接口的a m b a 高性能总线( a h b ) 和连接片内外设功能的 v l s i 外设总线( v p b ，a r m ，a m b a 总线的兼容超集) ，a h b ) b 设分配了2 m 字节的 地址范围，它位于a r m 存储器空间4 g 字节的最顶端。每个a h b 夕p 设都分配了1 6 k 字节的 1 2 山东建筑大学硕士学位论文 地址空剐16 1 。l p c 2 2 9 2 的外设连接至i j v p b 总线。a h b 至i j v p b 的桥相连v p b 总线与a h b 总 线。v p b 夕b 设从3 5 g b 地址点开始，分配了2 m 字节的地址范围。每个v p b ) i 设在v p b 地 址空间内都分配了1 6 k 字节的地址空间。该c p u 分为片内存储器和片外存储器。 l p c 2 2 9 2 含有不同的存储器组，系统存储器映射如图3 2 所示。 a h b 外设 v p b 外设 保留给外部存储器 b o o tb l o c k ( 从片内f l a s h 存储器重新映射) 保留给片内存储器 1 6 k b 片内静态r a m 2 5 6 k b 片内非易失性存储器 0 x f f f ff f f f 0 x f 0 0 00 0 0 0 0 x e 0 0 00 0 0 0 0 x 8 0 0 0 0 0 0 0 0 x 4 0 0 0 0 0 0 0 0 x 0 0 0 3f f f f 0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 图3 2 系统存储器映射 3 1 2c p u 的片内存储器结构 芯片内部集成了2 5 6 k b 的片内f l a s h 存储器和1 6 k b 的静态s r a m 。2 5 6 k b 的片内 f l a s h 存储器可用作代码和数据的存储，对f l a s h 存储器的编程可通过几种方法来实现： 通过内置的串行j t a g 接口，通过在系统中编程( 即i s p ，使用u a r t 0 通信) ，或通过 在应用中编程( i a p ) 。使用l a p 的应用程序，可以在程序运行时对f l a s h 进行擦除或编 程，这样就为数据存储和现场固件的升级带来了很大的灵活性。 静态s a r m 可用作数据或代码的存储。s r a m 控制器包含一回写缓冲区，用于防止 c p u 在连续的写操作时停止运行，回写缓冲区总是保存着软件发送到s r a m 的最后一个 字数据。 l p c 2 2 9 2 存储器映射模式有四种：b o o t 装载程序模式；用户f l a s h 模式；用户r a m 模式：用户外部模式。其中用户外部模式是其特有的存储器模式。 对于b o o t 装载程序模式可以由任何硬件复位激活，一般可以选择连接下拉电阻或晶 体管到b o o t 1 ：o 】脚来选择引导方式。在设计中，通过j p l 跳线来选择引导方式，j p l 跳线连接如图3 3 所示。当c p u 管脚p 2 2 7 ( b o o t i ) 、p 2 2 6 ( b o o t 0 ) 为o o 时，其引 导方式是c s 0 控制的8 位存储器：当b o o t l ：0 = 0 1 时，引导方式是c s 0 控制的16 位 山东建筑大学硕士学位论文 存储器；当b o o t l ：0 = 1 0 时，其引导方式是c s 0 控制的3 2 位存储器；当b o o t l ：0 = 1 l 时，其引导方式是内部f l a s h 存储器。 设计采用内部f l a s h 存储器引导方式，即将图3 3j p l 跳线的2 和3 管脚连接。 j p 2 d 2 6 p 2 i q 7 三a 图3 - 3j p l 跳线连接图 3 2 存储模块 不管是p c 机还是嵌入式操作系统，内存都是必不可少的重要组件。应用程序和系统 的运行都离不开内存，程序代码和系统映像一般