（电力电子与电力传动专业论文）基于arm的嵌入式网络电能计量系统的研究.pdf

西华大学硕士学位论文 r e s e a r c ho fe m b e d d e dn e t w o r ke l e c t r i ce n e r g y m e a s u r es y s t e mb a s e do na r m m a j o ro fe l e c t r i cp o w e re l e c t r o na n dt r a n s m i s s i o n p o s t g r a d u a t e ：g u o h u it u t o r ：y a n g y a n x i a n g t h ea m o u n to fu s i n ge l e c t r i ce n e r g yi sc o n t i n u o u s l yr i s i n gw i t hc o n t i n u a l d e v e l o p m e n to fm a r k e te c o n o m ya n di m p r o v e m e n to fp e o p l e ss t a n d a r do fl i v i n g d a yb yd a y w h e t h e re l e c t r i ce n e r g ym e a s u r e i se q u i t a b l e n e s s ，f a i ra n ds q u a r e ，i th a s b e c o m ep e o p l e sv e r yc o n c e r n e dp r o b l e m e l e c t r i cp o w e rm e t e ra st h em e a s u r et o o l o fe l e c t r i ce n e r g yh a sb e c o m en e c e s s a r ya n dv e r yi m p o r t a n tm e t e ri ne v e r yw a l ko f l i f eu s i n ge l e c t r i c i t y r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n th i g hp r e c i s i o n ，l o wp o w e rw a s t e ， n e t w o r ka n di n t e l l e c t u a l i z e de l e c t r i cp o w e rm e t e ri s o b v i o u st r e n db e c a u s e t r a d i t i o n a le l e c t r i cp o w e rm e t e rh a sm a n ys h o r t c o m i n g s ，f o re x a m p l e ，m e a s u r e i m p r e c i s i o n ，w a s t et i m ea n dp o w e rf o rt r a n s c r i b i n gb yh a n d ，s t a t i s t i cl o a d e dd o w n w i t ht r i v i a ld e t a i l sa n ds oo n e m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g yi so n eo ft h em o s tp o pt e c h n o l o g i e si nt h ef i e l do f e l e c t r i cp r o d u c t sd e s i g nr e c e n ty e a r s ，a tp r e s e n t ，i th a sb e e na p p l i e dw i d e l yt o i n d u s t r yc o n t r o l ，i n t e l l i g e n tt r a f f i c ，i n f o r m a t i o n h o m ee l e c t r i c a p p l i a n c e s a n d c o m m o n a l i t ys e r v i c ee t c e m b e d d e ds y s t e mi sb r i n g i n gf a r _ r e a c h i n g a f f e c t i o nt o h u m a n sb a c kp ct i m e s t h i sa r t i c l ea i m i n ga tt r a d i t i o n a le l e c t r i cp o w e rm e t e r ss h o r t c o m i n g sa n d s c a r c i t i e sa n d c o m b i n i n g c u r r e n te m b e d d e ds y s t e m t e c h n o l o g y a n dn e t w o r k t e c h n o l o g ys t u d i e sa n dd e s i g n sa ne m b e d d e dn e t w o r k e l e c t r i cp o w e rm e t e rs y s t e m ，i t b a s e do na r mp r o c e s s o lc a nb u sa n de t h e r n e tt r a n s m i s s i o n t h i ss y s t e mi s c o m p o s e dm a i n l yo fn e t w o r kr e l a ym o d u l ea n de l e c t r i ce n e r g ys a m p l i n gt e r m i n a l n e t w o r kr e l a ym o d u l eh a r d w a r e sc e n t e rp r o c e s su n i t i sp h i l i p sl p c 2 2 9 0 西华大学硕士学位论文 l p c 2 2 9 0i sd e v e l o p e du s i n ga na r m 7 t d m i - sc o r e ，1 6 3 2 _ b i tr i s cp r o c e s s o r d e s i g n e db ya d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ，l t d i ts u p p l i e st w oc a n b u s e sa n ds o m e e l s eu n i v e r s a lp e r i p h e r yi n t e r f a c e s u s i n gl p c 2 2 9 0p r o c e s s o rn o to n l yr e d u c e s d e s i g nc o s to fe n t i r es y s t e mb u ta l s og r e a t l yl e s s e n sa d d i t i o n a li n t e r f a c ec i r c u i t n e t w o r kr e l a ym o d u l es o f t w a r ec o n s t i t u t e se m b e d d e dw e bs e r v e r t h r o u g h e m b e d d i n gb o ai n 比c l i n u xo p e r a t i n gs y s t e ma n dc o m p l e t e sd y n a m i c n e t w o r kp a g e p r o g r a mt h r o u g hu s i n gc g ii n t e r f a c ep r o g r a m e l e c t r i ce n e r g ys a m p l i n gt e r m i n a l m a k e su po fs p e c i a le n e r g yi c ，s i n g l ec h i pa n do 埘c o n t r o l l e r b e t w e e nn e t w o r k r e l a ym o d u l ea n de l e c t r i ce n e r g ys a m p l i n gt e r m i n a lc o m m u n i c a t e sb yc a nb u s ，a n d i ti n s u r e sr e l i a b i l i t yo fi n f o r m a t i o n w h e nu s e rv i s i tt h ew e bs e r v e rb yn e t w o r k b m w s e r , c g ip r o g r a mt r a n s m i t st h ee l e c t r i ce n e r g yd a t ac o l l e c t e db ye l e c t r i c e n e r g ys a m p l i n g t e r m i n a lt ou s e r t e r m i n a l ，r e a l i z i n g n e t w o r k a u t o m a t i c a l l y t r a n s c r i b i n gm e t e r k e y w o r d s ：e l e c t r i cp o w e rm e t e r ，e m b e d d e ds y s t e m ，p c l i n u x ，w e bs e r v e r ， c a n b u s 西华大学硕士学位论文 申明 本人申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及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其它人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师的指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此申明。 作者签名： 导师签名： 疹碜 i i i 加弋 j 善 o o 年 年 7 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 电能计量系统概述 1 1 1 电能表定义 “电能表”，早期也叫“电度表”。早期国家标准中多用“电度表”这一名 词，而其它标准和规程中则多用“电能表”。国家标准0 5 、1 和2 级交流有功 电度表( g b 厂r 1 5 2 8 3 1 9 9 4 ) 第3 章定义第3 1 条对“电度表”这一名词 的定义为：“在一定时间内累积有功功率的方式来测得有功电能的仪表”，现统 称“电能表”。 电能表是测量电能的专用仪表，是电能计量系统中最基本的组件，是所有 电i n 量仪表中数量最多的表计，它广泛用于发电、供电和用电的各个环节。 本文设计实现的电能表是用于用电环节【。 1 1 2 传统机械式电能表简介 传统机械式电能表工作原理：当把电能表接入被测电路时，电流线圈和电 压线圈中就有交变电流流过，这两个交变电流分别在它们的铁芯中产生交变的 磁通；交变磁通穿过铝盘，在铝盘中感应出涡流；涡流又在磁场中受到力的作 用，从而使铝盘得到转矩( 主动力矩) 而转动。负载消耗的功率越大，通过电 流线圈的电流越大，铝盘中感应出的涡流也越大，使铝盘转动的力矩也就越大。 即转矩的大小跟负载消耗的功率成正比。功率越大，转矩也越大，铝盘转动也 就越快。铝盘转动时，又受到永久磁铁产生的制动力矩的作用，制动力矩与主 动力矩方向相反；制动力矩的大小与铝盘的转速成正比，铝盘转动得越快，制 动力矩也越大。当主动力矩与制动力矩达到暂时平衡时，铝盘将匀速转动。负 载所消耗的电能与铝盘的转数成正比。铝盘转动时，带动计数器，把所消耗的 电能指示出来。 传统机械式电能表由于其机构特点，因此具有损耗大、寿命短、计量精度 低、人工抄表费时费力、统计繁琐等缺点。 西华大学硕士学位论文 1 1 3 电子式电能表介绍 随着电子技术和制造技术工艺的迅速发展，电子式电能表应运而生。目前 电子式电能表已能制成高精度的标准电能表、计量分时电量的复费率电能表、 计量多种电量的多功能电能表等。 全电子式电能表的特点是不需要转动的圆盘、轴承等机械零件，因此损耗 小、寿命长。全电子式电能表的另一个特点是可以将测量精度做得很高，可以 达到误差不超过0 0 1 。这是机械式电能表无法达到的。第三个特点是可以很 方便地实现多功能。不仅如上面提到的实现分时复费率计量和兼具有功无功等 多功能计量，而且可以扩展到制成智能化电能表，将它接入计算机网络，更可 以实施集中抄表，使抄表、计算电费和开列单据实现自动化，大大节约劳动力， 提高工作效率，更可以减少差错，提高现代化管理水平。 全电子式电能表的测量原理是将被测电路中的交流电压和电流经取样送入 电子器件，产生与被计量的电能成正比的脉冲，再输送给数据处理单元进行数 据处理，最后输出测量结果1 2 】i 。 1 2 嵌入式网络电能计量系统研究的目的和意义 电能表是我国电工仪表中产量最大的仪表。据调查，“十五”期问，我国民 用电能表年需求量增长率为3 3 ，单相电子式电能表平均年增长率为6 5 左右， 而每年民用电能表的需求量为5 0 0 0 万只左右，据有关部门预计，在“十一五” 期间，民用电能表的需求量还会有所增长，由此可见，民用电能表是有很大发 展空间的。由于过去主要使用传统的机械式电能表，机械式电能表主要在我国 农村还占有很大的市场比重。但据有关的电能表市场调查数据分析，机械式和 电子式电能表市场也在发生变化：2 0 0 3 年上半年，国内电能表企业机械式单相 电能表的产量是2 0 0 0 余万台，同比下降1 5 1 8 ，而单相电子式电能表上半年 生产了1 1 8 3 万台，同比增长2 8 1 5 ，由此反映出电能表的发展趋势：国内民 用电能表的市场需求，正在逐渐地从以机械式为主体向以电子式为主导转变。 随着电子式电能表市场的不断扩大和能源计量管理水平的不断提高，2 0 0 3 年1 1 月，国家质量技术监督局起草了网络电能表国家标准的征求意见稿( i c s 2 西华大学硕士学位论文 1 7 2 2 0 3 0n 2 2 ) 。网络电能表标准的即将出台，为研究开发网络电能表提供了 一致性依据。然两，传统的以8 1 6 位处理器为核心的电能表控制系统，由于其 自身的软硬件资源的不足，难以胜任复杂的高速控制系统，所以研究基于高性 能的a r m 处理器的嵌入式网络电能表，不仅适合国家供用电政策的要求，而 且具有很好的技术研究及应用价值。 1 3 电能计量系统研究现状和发展趋势 我国从上个世纪8 0 年代开始研制电子式电能表，由于技术不成熟，市场比 较小。9 0 年代初我国进入研制全电子式电能表阶段，引进了法国斯伦贝谢、德 国e m h 等先进的电子式电能表技术，经过吸收、创新，我国的电子式电能表技 术发展迅速。随着网络、计算机、集成电路及现代通信等技术的发展，电子式 电能表己由单一的感应式电能表发展到机电脉冲式电能表、全电子式电能表、 电子式预付费电能表、电子式付费电能表，但是，上述电能表产品大多只是为 适应某项具体供电政策雨设计，其技术功能相对单一。随着现代电能计量管理 水平的不断提高，供用电政策不断科学化、市场化，网络电能表便应运而生。 从电能计量系统的发展和研究来看，主要有三个方面的内容，一是电能量 的采集与计算技术，即如何对电流、电压进行采样及计算有关的电参量：二是 采用何种方式实现电能量的数据传输，实现可靠的智能化自动抄表；三是如何 对电能表进行集中管理和控制。总之，电能表系统正朝着高精度、低功耗、智 能化、信息化和网络化的方向发展。 1 4 嵌入式系统简介 1 4 1 嵌入式系统的历史 从2 0 世纪7 0 年代单片机的出现到今天各式各样的嵌入式微处理器、微控 制器的大规模应用，嵌入式系统已经有了近3 0 年的发展历史。作为一个系统， 往往是在硬件和软件双螺旋式交替发展的支撑下逐渐趋于稳定和成熟，嵌入式 系统也不例外。 嵌入式系统最初的应用是基于单片机的。2 0 世纪7 0 年代单片机的出现，使 西华大学硕士学位论文 得汽车、家电、工业机器人、通信装置以及成千上万种产品可以通过内嵌电子 装置来获得更佳的使用性能，更易使用，速度更快，价格更低。这些装置已经 初步具备了嵌入式的应用特点，但是这时的应用只是使用8 位的芯片执行些 单线程的程序，还谈不上“系统”的概念。 从2 0 世纪8 0 年代早期开始，嵌入式系统的程序员开始用商业级的“操作 系统”编写嵌入式应用软件。这使得开发人员可以进一步缩短开发周期。降低 开发成本并提高开发效率。1 9 8 1 年，r e a d ys y s t e m 开发出世界上第一个商业嵌 入式实时内核( v r r x 3 2 ) 。这个实时内核包含了许多传统操作系统的特征，包 括任务管理、任务间通信、同步与相互排斥、中断支持、内存管理等功能。此 后一些公司也纷纷推出了自己的嵌入式操作系统，如i n t e g r a t e ds y s t e m i n c o r p o r a t i o n ( i s i ) 的p s o s 和w i n d r i v e r 的v x w o r k s 、q n x 公司的q n x 等。 这些嵌入式操作系统都具有嵌入式的典型特征：它们均采用占先式的调度，响 应时间很短，任务执行的时间可以确定；系统内核很小，具有可裁减性、可扩 充性和可移植性，可以移植到各种处理器上；较强的实时性和可靠性，适合嵌 入式应用。这些嵌入式实时多任务操作系统的出现，使得应用开发人员从小范 围的开发中解放出来，同时也促使嵌入式有了更为广阔的应用空间。 2 0 世纪9 0 年代以后，随着对实时性要求的提高，软件规模不断上升，实时 内核逐渐发展为实时多任务操作系统( r t o s ) ，并作为一种软件平台逐步成为 目前国际嵌入式系统的主流。此时，更多的公司看到了嵌入式系统的广阔发展 前景，开始大力发展自己的嵌入式操作系统。除了上面的几家老牌公司以外， 还出现了p a l mo s 、w i n d o w sc e 、嵌入式l i n n x 、l y n x 、n u c l e u s 以及国内的 h o p e n 、d e l t ao s 等嵌入式操作系统 4 1 。 1 4 2 嵌入式系统的概念 目前，嵌入式系统的定义多种多样，下面是两种比较合理的定义： 1 1 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁减， 适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积及功耗严格要求的专用计算机系统。 嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧密耦合在起 的计算机系统。术语“嵌入式”反映了这些系统通常是更大系统中的一个完整 4 西华大学硕士学位论文 的部分，称为嵌入的系统。嵌入的系统中可以共存多个嵌入式系统【5 】。 两种定义的出发角度不同，前者是从技术的角度来定义的，后者是从系统 的角度来定义的。事实上，在大多数情况下，嵌入式系统被真正地嵌入，即它 们是“系统中的系统”，不能够或没有自身的功能。例如，数字机顶盒d s t ( d i g i t a l s e t - - t o pb o x ) 可以在许多家庭娱乐场所中找到。数字音频视频解码系统称为 a n 解码器，是d s t 的一个完整部分，是一个嵌入式系统，它接收单个的多媒 体流，并且产生声音和视频帧作为输出。d s t 从卫星接收的信号中包含多个流 或频道，因此，a n 解码器与传输流解码器连接工作。传输流解码器也是一个 嵌入式系统。传输流解码器解调收到的多媒体流到分离的频道上，并且只将所 选的频道送给a n 解码器。 某些情况下，嵌入式系统在功能上是独立的系统。例如，网络路由器是独 立的嵌入式系统，它由特殊的通信处理器、内存、许多网络访问接口( 称为网 络端口) 以及实现包的路由算法的特殊软件组成。换句话说，网络路由器是一 个独立的嵌入式系统，路由包从一个端口到另一个端口实现程序化的路由算法。 1 4 3 嵌入式系统的特点 嵌入式系统具有以下几个特点【5 】： n 系统内核小。由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置，系统资源相 对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。 专用性强。嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件系统的结 合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植，即使在同一品牌、同一系列的 产品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。同时，针对不同的任 务，往往需要对系统进行较大更改；程序的编译下载要和系统相结合，这种修 改和通用软件“升级”是完全不同的概念。 3 1 系统精简。嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要 求其功能的设计及实现过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于 实现系统安全。 4 1 高实时性的操作系统软件是嵌入式软件的基本要求。而且软件要求固化 存储，以提高速度。软件代码要求高质量和高可靠性。 5 西华大学硕士学位论文 5 1 嵌入式软件开发要想走向标准化，就必须使用多任务的操作系统。嵌入 式系统的应用程序可以没有操作系统雨直接在芯片上运行；但是为了合理地调 度多任务，利用系统资源、系统函数以及专家库函数接口，用户必须自行选配 r t o s 开发平台，这样才能保证程序执行地实时性、可靠性，并减少开发时间， 保障软件质量。 们嵌入式系统开发需要专门的开发工具和环境。由于嵌入式系统本身不具 备自主开发能力，即使设计完成后，用户通常也不能对其中的程序功能进行修 改，因此必须有一套开发工具和环境才能进行开发，这些工具和环境一般是基 于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。开发 时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行 机，开发时需要交替结合进行。 1 4 4 嵌入式系统的应用领域【6 】 嵌入式系统技术具有非常广阔的应用前景，其应用领域主要有： 1 1 工业控制。基于嵌入式芯片的工业自动化设备具有很大的发展空间， 目前已经有大量的8 、1 6 、3 2 位嵌入式微处理器应用在工业过程控制、数控机 床、电力系统、石油化工等领域。 智能交通。在车辆导航、流量控制、监测与汽车服务，嵌入式系统技术 已经获得了广泛的应用，内嵌g p s 模块、g s m 模块的移动定位终端在各种运输 业也得到了成功使用。 3 1 信息家电。这将成为嵌入式系统最大的应用领域，冰箱、空调等的网络 化、智能化将引领人们的生活步入一个崭新的空间。即使不在家里，也可以通 过网络进行远程控制。 4 1 家庭智能管理系统。在水、电、煤气表的远程自动抄表、安全防火、防 盗报警系统，其中嵌入的专用控制芯片将代替传统的人工检查，并实现更高、 更准确和更安全的性能。 5 1p o s 网络及电子商务。公共交通无接触智能卡发行系统、公共电话卡 发行系统、自动售货机、各种智能a t m 终端将全面走入人们的生活。 嵌入式系统不仅仅是在以上领域得到了广泛的应用，而且已渗透到了现代 6 西华大学硕士学位论文 社会生活中的方方面面，正在对人类信息社会的后p c 时代产生着深远的影响。 1 4 5 嵌入式系统的未来r 玎 1 9 9 0 年之前，嵌入式系统通常是很简单且具有很长产品生命周期的自主设 备。近些年来，嵌入式工业经历了巨大的变革： 1 1 产品市场窗口现在预计翻番的周期狂热到6 - 9 个月。 2 1 全球重新定义市场的机会和膨胀的应用空间。 3 1 互联现在是一个需求而不是辅助性的，包括用有线和剐刚显露头角的无 线技术。 钔基于电子的产品更复杂化。 5 1 互联嵌入式系统产生新的依赖网络基础设施的应用。 国微处理器的处理能力按摩尔定律预计的速度在增长。 如果说过去的趋势能指明未来，那么随着技术的革新，嵌入式软件将继续 增加新的应用，并产生更加灵巧的产品种类。根据人们对于自身虚拟运行设备 的消费要求增加而不断壮大的市场，以及由i n t e r a c t 创造的无限的机会，嵌入式 系统将不断塑造未来的世界。 1 5 本论文研究工作及实现e l 标 本文是在对电能计量行业进行了广泛调研，参阅了大量的国内外相关文献 资料基础上，设计并实现了嵌入式网络龟能计量系统，其主要内容如下： 1 构建嵌入式网络中继模块。首先对a r m 硬件平台进行介绍，然后详细 分析嵌入式操作系统# c l i n u x 的结构特点，最后实现移植嵌入式操作系统 # c l i a u x 到a r m 硬件平台上。 2 电能量采集终端设计。选用变压器、电流互感器、电阻网络和专用电 能计量芯片实现采样电路，采用8 位单片机进行数据处理，完成原理图设计。 3 c a n 总线设计。先简要介绍c a n 总线通信原理，然后在电能量采集终 端电路基础上设计c a n 总线，并绘制p c b 图，最后实现硬件焊接和调试。 4 系统集成。将网络中继模块、电能量采集终端和c a n 总线连接到一起 进行综合调试，实现数据传输。 7 西华大学硕士学位论文 5 w e b 动态网页设计。采用h t m l 语言编辑电能量查询网页，并通过 c g i 接口程序将电能量采集终端所采集的电能数据传给网络中继模块，实现通 过w e b 浏览器对电能计量系统的访问。 8 西华大学硕士学位论文 2 嵌入式网络中继模块的构建 2 1 嵌入式a r m 硬件平台 嵌入式a r m 硬件平台功能框图如图2 1 所示，其中主要包括了外部存储器 电路、以太网接口电路、c a n 接口电路、j t a g 接口等【8 1 9 1 。 f i g2 1f u n c t i o nf r a m e w o r k o fh a r d w a r ef l a t 图2 1 硬件平台功能框图 2 1 1 嵌入式微处理器l p c 2 2 9 0 介绍 l p c 2 2 9 0 是基于一个支持实时仿真和跟踪的1 6 3 2 位a r m 7 t d m i - s “ c p u 。对代码规模有严格控制的应用可使用1 6 位t h u m b 模式将代码规模降低 超过3 0 ，而性能的损失却很小。 由于l p c 2 2 9 0 的1 4 4 脚封装、极低的功耗、2 个3 2 位定时器，8 路1 0 位 a d c 、2 路c a n 、p w m 通道以及多达9 个外部中断使它们特别适用于汽车、 工业控制应用以及医疗系统和容错维护总线。通过配置总线，l p c 2 2 9 0 最多可 提供7 6 个g p i o 。由于内置了宽范围的串行通信接口，l p c 2 2 9 0 也非常适合于 通信网关、协议转换器以及其它各种类型的应用。 1 l p c 2 2 9 0 具有以下主要特性： 1 6 ，3 2 位a r m t t d m l ，s 核，l q f p l 4 4 封装。 9 西华大学硕士学位论文 1 6k b 片内静态r a m 。 串行b o o t 装载程序通过u a r l n 来实现在系统下载和编程。 e m b e d d e d i c e r t 和嵌入式跟踪接口使用片r e a l m o n i t o r t m 软件对任务进 行实时调试并支持对执行代码进行无干扰的高速实时跟踪。 2 个互连的c a n 接口，带有先进的验收滤波器。多个串行接口，包括2 个 1 6 c 5 5 0 t 业标准u a r t 、高速1 2 c 接口( 4 0 0l 出i t s ) 和2 个s p i 接口。 8 路1 0 位a d 转换器，转换时间低至2 4 4 p s 。 2 个3 2 位定时器( 带4 路捕获和4 路比较通道) 、p w m 单元( 6 路输出) 、实 时时钟和看门狗。 向量中断控制器，可配置优先级和向量地址。 通过外部存储器接口可将存储器配置成4 组，每组的容量高达1 6 m b ，数据宽 度为8 1 6 3 2 位。 多达7 6 个通用i o e i ( 可承受5 v 电压) ，9 个边沿或电平触发的外部中断引 脚。 通过片内锁相环( p l l ) 可实现最大为6 0 m h z 的c p u 操作频率，设置时间为 1 0 0 ”s a 片内晶振频率范围：i 3 0 m h z 。 2 个低功耗模式：空闲和掉电。 通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒。 可通过个别使能禁止外部功能来优化功耗。 双电源 一c p u 操作电压范围：1 6 5 1 9 5v 0 8v 0 1 5 一狄) 操作电压范围：3 0 3 6v ( 3 3v 1 0 ) ，可承受5 v 电压。 2 l p c 2 2 9 0 主要功能描述： ( 1 ) 片内静态r a m 片内静态r a m 可用作代码和或数据的存储。s r a m 支持8 位、1 6 位和3 2 位 访问。l p c 2 2 9 0 具有1 6 k b 静态r a m 。 ( 2 ) 存储器映射 l p c 2 2 9 0 的存储器映射包含几个不同的区域，如图2 2 所示。 西华大学硕士学位论文 此外，c p u 的中断向量可以被重新映射到位于片内引导装载程序、外部存 储器b a n k o e 荧者片内静态r a m 当中。 4 0 3 7 3 5 a h b 步 设 v p b 外设 保留地址空间 外部存储器b a n k 3 外鄱存储器b a n k 2 黼b a n k l 外部存储器b a n k 0 b o o t 块 ( 从片内r o m 存储器重新映射) 保留地址空间 16 k 字节片内静态r a m 保留地址空间 0 x f f f f f f f f 8 莲g 跺刑0 0 0 _ f 0 8 黜器懈 躐；卵跺踏 8 臻i 跺f f 0 0 f f 0 o x x 8 8 2 1f o f oi 晕0 f o 8 ；l a 箨0 阡0 0 f o f 0 8 x x 7 8 f o f o f 0 器卵 0 x 7 f f fi 0 0 0 x 7 f f fd f f f o x x 4 4 0 0 0 0 0 1 辨跺 8 嚣g 蹭跺跺 0 x 0 0 0 0o o o o f i g2 2l p c 2 2 9 0m c m o r ym a p 图2 2l p c 2 2 9 0 存储器映射 ( 3 ) 外部存储器控制器 外部静态存储器控制器是一个为系统总线和外部存储器器件提供接口功能 的模块。它可同时支持4 个可单独配置的存储器组工作( 每个存储器组的容量为 1 6 m 字节，带有字节定位使能控制) 。同时，每个存储器组都支持s r a m 、r o m 、 西华大学硕士学位论文 f l a s he p r o m 、b u m tr o m 存储器或一些外部i o 器件。每个存储器组的总线 宽度为8 、1 6 或3 2 位。 ( 4 ) c a n 控制器和验收滤波器 l p c 2 2 9 0 包含2 个c a n 控制器。控制嚣局域网络( c a n ) 是一个串行通信协 议，它能有效支持高安全等级的分布实时控制。c a n 的应用范围很广，从高速 的网络到低价位的多路接线都可以使用c a n 。 l p c 2 2 9 0c a n 控制器的主要特性如下： 单个总线上的数据传输速率高达i m b s 。 3 2 位寄存器和r a m 访问。 兼容c a n 2 o b 和i s o l l 8 9 8 1 规范。 全局验收滤波器可以识别所有的1 1 位或2 9 位标识符。 验收滤波器为选择的标准标识符提供了f u l l c a n s t y l e 自动接收。 2 1 2 外部存储器电路 嵌入式a r m 硬件平台外部存储器电路扩展了2 m 字节的n o rf l a s h ( 芯 片型号为s s t 3 9 v f l 6 0 ) 、8 m 字节p s r a m ( 芯片型号m t 4 5 w 4 m w l 6 ) 、1 6 m 字节的n a n df l a s h ( 芯片型号为k 9 f 2 8 0 8 u o c ) 。其中n o rf l a s h 用来存 储启动程序或者固化代码；p s r a m 用来在线调试程序：n a n df l a s h 用来存 储操作系统和应用程序。 ( 1 ) 系统存储器电路 本系统扩展了2 m 字节n o rf l a s h ( 芯片型号为s s t 3 9 v f l 6 0 ) 、8 m 字节 p s r a m ( 芯片型号为m r 4 5 w 4 m w l 6 ) ，电路如图2 3 所示。为了方便程序调试 及最终代码固化，使用了l p c 2 2 9 0 外部存储器接口b a n k 0 和b a n k l 的地址空间， s s t 3 9 v f l 6 0 的片选信号为fn c s 0 ，此信号是由l p c 2 2 9 0 的c s 0 和a 2 2 、a 2 3 译码得到，其访问地址为o x 8 0 0 0 0 0 0 0 0 】【8 0 1 阡f f f ，即l p c 2 2 9 0 的b a n k 0 存 储块空间。因为l p c 2 2 9 0 的b a n k 0 可以用来引导程序运行，所以当系统启动后 就可以运行固化到f l a s h 中的程序。m t 4 5 w 4 m w l 6 的片选信号为n c s l ，其 访问地址为0 x 8 1 0 0 0 0 0 0 0 x 8 1 7 f f f f f ，即l p c 2 2 9 0 的b a n k l 存储块空间。 由于s s t 3 9 v f l 6 0 和m t 4 5 w 4 m w l 6 都是1 6 位总线接口，所以使用l p c 2 2 9 0 西华大学硕士学位论文 的地址总线a l a 2 3 与它们相连( 使用1 6 位总线时，l p c 2 2 9 0 的a 0 引脚没有 使用) 。为了能够对m t 4 5 w 4 m w l 6 的字单元进行单独的字节操作( 如高8 位 或低8 位操作) ，要将l p c 2 2 9 0 的b l s 0 、b l s l 引脚分别连接到m t 4 5 w 4 m w l 6 的u b # 、l b # 引脚。图2 3 中的e m c _ b u s 端口表明是与l p c 2 2 9 0 的e m c 总线接口连接。 另外，s s t 3 9 v f l 6 0 的第1 2 、1 4 引脚均接有i o k o 的上拉电阻，这样做主 要是为了兼容s s t 3 9 v f l 6 0 1 ，即此芯片可以直接使用s s t 3 9 v f l 6 0 1 代替。 m t 4 5 、4 m w l 6 引脚只有4 8 个引脚，为了能够兼容使用1 6 m 字节的p s r a m ， 增加了儿一j 4 引脚。 在使用z c l i n u x 操作系统时，n o rf l a s hs s t 3 9 v f l 6 0 用来存放 b o o t l o a d e r 程序，以便于加载并引导存放在n a n df l a s hk 9 f 2 8 0 8 u o c 中的 * c l i n u x 操作系统。 器；：” f i g2 3m e m o r i z e rc i r c u i to f s y s t e m 图2 3 系统存储器电路 ( 2 ) n a n df l a s h 存储器电路 本系统还扩展了1 6 m 字节n a n df l a s h ( 芯片型号为k 9 f 2 8 0 8 u o c ) ，由 于对k 9 f 2 8 0 8 u o c 芯片操作有特定的时序要求，所以使用了一个可编辑逻辑器 西华大学硕士学位论文 件a t f l 6 l v 8 产生合适的片选信号( fn c s ) 、读使能信号( f - n o e ) 和写使能 信号( fn w e ) 。电路如图2 4 所示。 k 9 f 2 8 0 8 u o c 的f 0 0 一f 0 7 引脚直接与l p c 2 2 9 0 的d 0 d 7 相连，通过数据 总线发送地址、命令、和数据。k 9 f 2 8 0 8 u o c 的c l e 、a l e 引脚分别连接到 l p c 2 2 9 0 的a 2 0 、a 1 9 ，这样就可以通过不同的地址来区别对k 9 f 2 8 0 8 u o c 的 命令、地址和数据操作。为了能够兼容使用1 6 位总线接口的n a n d f l a s h 芯 片，电路上将l p c 2 2 9 0 的d 8 d 1 5 也连接到此元件的相应管脚。 f i g2 4a r c u i to f n a n df l a s h a n ds y s t e m c o d i n g 图2 4n a n df l a s h 及系统译码电路 2 1 3 以太网接口电路 以太网接口电路如图2 5 所示。 l p c 2 2 9 0 具有外部总线接口，所以电路设计为1 6 位总线方式对硝f 啪1 9 a s 进行访问，即数据总线d o d 1 5 与芯片的s d o s d l 5 连接，由于r 8 0 1 9 a s 工作电压是5 v 而l p c 2 2 9 0 的f o 电压是3 3 v ，所以在总线上串接保护电阻。 r t l 8 0 1 9 a s 芯片工作在跳线模式，其基地址为o x 3 0 0 ，所以电路上s a 6 、 s a 7 、s a l 0 s a l 9 均接地，s a 8 、s a 9 接电源。s a 5 与片选信号i on c s l 连接， 因此，其地址为0 x 8 3 0 0 0 0 0 0 0 x 8 3 0 0 0 0 1 f 。 1 4 西华大学硕士学位论文 2 1 4c a n 总线电路 f i g2 5i n t e r f a c ec i r c u i to f e t h c m e t 图2 5 以太网接口电路 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 是一个串行通信协议，它能有效支持 高安全等级的分布实时控制。c a n 是一种应用广泛的现场总线，它是以i s 0 0 s i 模型为基础的，具有完整的软件支持系统，能够解决总线控制、冲突检测、链 路维护等问题，允许多主存在。具有高速率、检错和纠错能力强及良好的e m c 特性。本设计采用c a n 总线作为底层信息的传输媒介，通过总线接口电路实现 现场数据的传送，形成总线式的局域网拓扑结构，具有结构简单、成本低、可 靠性较高等特点。详细介绍见本文第3 部分的c a n 总线及电能量采集终端设计。 ( 1 ) l p c 2 2 9 0 的c a n 总线引脚描述 l p c 2 2 9 0 包含2 个c a n 控制器。c a n 控制器输入输出引脚定义见表2 1 。 西华大学硕士学位论文 表2 1 ：c a n 总线描述 t a b l e 2 1 ：p i nd e s c f i p t i o no fc a nb u s 管脚名称类型描述 r x 2 、r x l 输入串行输入。来自c a n 收发器。 t x 2 、t x l输出串行输出。输出到c a n 收发器。 ( 2 ) c a n 控制器的存储器映射 c a n 控制器和验收过滤器占用部分v p b s l o t 空间，其地址范围见表2 2 。 表2 2 ：c a n 模块的存储器映射 地址范围用途 e 0 0 3 8 0 0 0 8 7 f f 验收过滤器r a m ( 2 0 4 8 字节) e 0 0 3c 0 0 0 一0 0 1 7验收过滤器寄存器 e 0 0 4 0 0 0 0 0 0 0 b中央c a n 寄存器 咖4 4 0 0 0 一4 0 5 fc a n 控制器1 寄存器 e 0 0 48 0 0 0 8 0 5 fc a n 控制器2 寄存器 ( 3 ) c a n 总线接口电路 l p c 2 2 9 0 c a n 控制器以跳线接口形式引出，如图2 6 所示。 f i g2 6c a n i n t e r f a c ec i r c u i to fl p c 2 2 9 0 图2 6 l p c 2 2 9 0 c a n 接口电路 由于l p c 2 2 9 0 没有自带c a n 收发器，所以应用l p c 2 2 9 0c a n 总线时 还要外加c a n 收发器。本课题采用的是p h l i p s 公司生产的高速c a n 收 发器t j a l 0 5 0 ，其电路图如图2 7 所示| l o l l l l l 。 西华大学硕士学位论文 6 0 06 0 0 = 勺荔磊 f i g2 7i n t c f f a c cc i r c u i to f t j a l 0 5 0t r a n s c e i v e r 图2 7t j a l 0 5 0 收发器的接口电路 2 2a r mc p u 嵌入式操作系统的选择【1 2 】1 3 】【1 4 1 一般而言，嵌入式操作系统不同于一般意义的计算机操作系统，它有占用 空间小、执行效率高、方便进行个性化定制和软件要求固化存储等特点。 从八十年代起，国际上就有一些r r 组织、公司开始进行商用嵌入式系统和 专用操作系统的研发，其中涌现了一些著名的嵌入式系统，如m i c r o s o f t 公司的 w i n c e 和w i n d r i v e r s y s t