（电力电子与电力传动专业论文）基于嵌入式组合式电站监控系统的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a bs t r a c t t r a n s f o r m e rs u b s t a t i o na san o d ei na ne n t i r ee l e c t r i c a l 鲥d ，i ss h o u l d e r i n g t h ee l e c t r i c a le n e r g yt r a n s m i s s i o na n da l l o c a t i o n t r a n s f o t i l e rs u b s t a t i o nr e l a y p r o t e c t i o n ，t h em o n i t o r i n ga u t o m a t e ds y s t e mi sg u a r a n t e e sa b o v eo fm i s s i o nt h e f o u n d a t i o n i ne l e c t r i c a ln e t w o r ku n i f i e dc o m m a n da n dc o o r d i n a t e d e l e c t r i c a l n e t w o r kv a r i o u sn o d e s ( f o re x a m p l et r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n ，p o w e rp l a n t ) t h e c o n c r e t ei m p l e m e n t a t i o nc a ns a f e g u a r de l e c t r i c a ln e t w o r k ss e c u r i t y , s t a b l y , t h e r e l i a b i l i t yo p e r a t i o n t h e r e f o r e ，t r a n s f o r m e rs u b s t a t i o ns u p e r v i s o r ys y s t e mi sa n i m p o r t a n tc o m p o n e n to fe l e c t r i c a ln e t w o r ka u t o m a t e ds y s t e m ，i t sp r o so ft h e p e r f o r m a n c eo fd i r e c ti m p a c to nt h ei 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 ma sa w h o l ee f f i c i e n t ，a n ds a f eo p e r a t i o n t h eb o x t y p ef f a n s f o r m e rs u b s t a t i o na sa r e s u l to fi t so w nd e s i g ns t r u c t u r ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i c ，p u tf o r w a r dah i g h e r r e q u e s tf o rt h et r a n s f o r m e rs u b s t a t i o ns u p e r v i s o r ys y s t e m a l o n gw i t ht h ev o l t a g ec l a s sa n dt h ee l e c t r i c a ln e t w o r kc o m p l e xd e g r e e s e n h a n c e m e n t ，t h ep o w e rs u p p l yr a d i u sa n dd i s t r i b u t i o nc a p a c i t y se n l a r g e m e n t ， u s e st r a d i t i o n a lt h et r a n s f o r m e rs u b s t a t i o na n ds e c o n d a r ye q u i p m e n th a sm o r e a n dm o r ew i t hd i f f i c u l t ya tt h es a m et i m es a t i s f i e d ：r e d u c e st h et r a n s f o r m e r s u b s t a t i o nc o n s t r u c t i o nc o s t ，i m p r o v et h ep o w e rs u p p l yq u a l i t y , r a i s et h ev o l t a g e q u a l i f i e dr a t e ，e n h a l i c et h et r a n s f o r m e rs u b s t a t i o ns e c u r i t yr e l i a b i l i t ya n ds y s t e m t s o p e r a t i o n a lg u i d a n c el e v e l ，r e d u c et h et o t a li n v e s t m e n t ，r e d u c et h em a i n t e n a n c e w o r kl o a d ，r e d u c et h ea t t e n d a n tl a b o ri n t e n s i t ya n ds oo nm a n yr e q u e s t - t ot h i s e n d ，i ti sn e c e s s a r yt or e s e a r c ha n 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 ya st h e f o u n d a t i o no fv 撕o u sl e v e l so fv o l t a g es u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m st or e p l a c e o ru p g r a d et r a d i t i o n a ls u b s t a t i o ns e c o n d a r ye q u i p m e n t t h ep r e s e n t p a p e rt a k et h et r a n s f o r m e rs u b s t a t i o ns u p e r v i s o r ys y s t e m p r e s e n ts t a g e st e c h n o l o g ya st h er e f e r e n c e ，p r o p o s e da n dh a ss t u d i e do n ek i n d b a s e do na r mc o r eh i g hp e r f o r m a n c ee m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r st r a n s f o r m e r s u b s t a t i o ns y n t h e s i sa u t o m a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m e m b a r kf r o mt h ec u r r e n te a c h 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 k i n do fp a t t e r n st r a n s f o i l n e rs u b s t a t i o ns y n t h e s i sa u t o m a t e ds y s t e ms t r u c t u r ei n t h i sp a p e r , c o m b i n e dc o m p u t e rt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t st e n d e n c y i n t r o d u c e d t h i sm o n i t o r i n gs y s t e m sp r i n c i p l ea n dt h ec o n s t i t u t i o na n dt h ec h a r a c t e r i s t i ci n d e t a i l i no r d e rt os a t i s f yt h es u b s t a t i o ns u p e r v i s o r ys y s t e m st i m e l i n e s sa n dt h e p r o c e s s i n gc o m p l e xm u l t i d u t yn e e d ，t r a n s p l a n t sr e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m l a c o s i it ot h es u b s t a t i o ns u p e r v i s o r ys y s t e m sm i c r o p r o c e s s o r a n di nt h e i _ t c o s _ i io p e r a t i n gs y s t e mp l a t f o r m ，t r a n s p l a n t st h ej - t c g u ig r a p h i c ss y s t e m ， i m p r o v e dt h em a n 。m a c h i n ec o n t a c ts u r f a c e ；t r a n s p l a n t st h ef a tf i l i n gs y s t e m ， c a u s e st h es y s t e ma n do t h e rs y s t e mc o n v e n i e n c ee x c h a n g ed a t a ；t r a n s p l a n t st h e l w l pa g r e e m e n ts t a c k ，c a u s e sl x c o s i it o s u p p o r tt h ee t h e r n e tc o m m u n i c a t i o n m o r e o v e r , t h i ss y s t e mh a sr e a l i z e dt h el o c a l l o n g d i s t a n c eu p g r a d ef u n c t i o n ， c a u s e st h es y s t e mt oc o n v e n i e n tf o rt h em a i n t e n a n c e ，t h er e n e w a l ，l e n g t h e n e dt h e p r o d u c tu s ec y c l e k e yw o r d s ：b o xs u b s t a t i o n ，m o n i t o r i n g ，e m b e d d e d ，a r m 9 ，r e a l t i m eo p e r a t i n g s y s t e m ，e t h e m e t 西南交通大学曲南父遗大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 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，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密目，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：王泳捶 日期：7 呲参6 指导老师签名：上逸7 皮 日期：z 0 1 ) 6 5 ( 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文j 是在导师指导下独立迸 行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本 文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： ( 1 ) 电站监控系统的核心，摒弃了以前采用低档5 1 单片机的 设计方案，采用高性能的3 2 位a r m 微处理器一$ 3 c 2 4 1 0 。 ( 2 ) 采用了大容量低成本的s d r a m ，使软件系统运行更为流畅 和稳定；采用了容量远远大于e e p r o m 的f l a s h 存储设备，提高了 系统的掉电存储能力。 ( 3 ) 将嵌入式操作系统屺0 s i i 引入到电站监控系统的软件 系统中，为实现系统的多任务和模块化软件设计提供条件，消除 了单任务程序的局限性。 ( 4 ) 在屺o s i i 操作系统平台上，移植此g u i 图形系统，改 善了人机界面：移植f a t 文件系统，使系统与其他系统方便交换 数据；移植l w i p 协议栈，使虻0 s 1 1 支持网络通讯。 ( 5 ) 实现系统本地远程在线升级功能，提高系统的可维护性， 可定制性，延长产品使用周期。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 近年来，随着电网运行水平的提高，各级调度中心要求更多的信息，以 便及时掌握电网及变电站的运行情况，提高变电站的可控性，进而要求更多 地采用远方集中控制、操作、反事故措施等，即采用无人值班的管理模式， 以提高劳动生产率，减少人为误操作的可能，提高运行的可靠性。另一方面， 当代计算机技术，通讯技术等先进技术手段的应用，已改变了传统二次设备 的模式，为简化系统、信息共享、减少电缆、减少占地面积、降低造价等方 面已改变了变电站运行的面貌。基于上述原因，变电站自动化由“热门话题” 已转向了实用化阶段，电力行业各有关部门把变电站自动化做为一项新技术 革新手段应用于电力系统运行中来，各大专业厂家亦把变电站自动化系统的 开发做为重点开发项目，不断地完善和改进相应地推出各具特色的变电站综 合自动化系统，以满足日益发展的电力系统的要求。 众所周知，变电站是区域电网中的重要节点。随着微电子技术、计算机 技术、通信以及网络技术的发展，微机综合自动化在变电站电力系统中得到 了越来越广泛的应用，传统保护正逐步从变电站电力系统中退出原来占据的 舞台。由于传统变电站存在安全性和可靠性不高、电能质量可控性不高、占 地面积大、实时计算和控制性不高、维护工作量大等缺点。随着科技进步和 人民生活水平的日益提高，人们对电力供应安全与可靠性要求愈来愈高。在 这种需求的推动下，变电站综合自动化技术得到了很大发展，一些新兴技术 开始应用于变电站综合自动化系统的研制当中，如嵌入式系统，越来越多的 被引入到变电站综合自动化的研究中。 嵌入式系统一般指非p c 系统，主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件和嵌 入式软件系统组成，它是集软硬件于一体的可独立工作的“器件。嵌入式系 统具有实时性强、体积小、功耗低、便利灵活等特点，它把一般的系统中许 多由板卡完成的任务集成在芯片内部，有利于系统的设计趋于小型化，从而 使系统移动能力大大增强，跟网络的藕合也越来越紧密。另外，嵌入式系统和 具体应用有机结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行，因此嵌 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。 基于嵌入式系统的上述优点，本论文以变电站综合自动化监控系统现阶 段的技术为参考，提出并研究了一种基于a r m 内核的高性能的嵌入式微处理 器和嵌入式实时操作系统的变电站综合自动化监控单元平台。对提高变电站 综合自动化水平，促进国家电力工业的发展具有重大意义。 1 2 箱式变电站 1 2 1 箱式变电站简介 箱式变电站简称箱式站。亦称为组合式变电站。i e c ( 国际电工委员 会) 1 9 9 2 年1 1 月的会议中将其正式名称定为预装式变电站，1 9 9 5 年1 1 月 i e c - 1 3 3 0 “高低压预装式变电站”标准正式颁布。我国相应的国标为高压 低压预装式变电站，等同于i e c - 1 3 3 0 - 1 9 9 5 。标准号为g b t 1 7 4 6 7 1 9 9 8 。该 标准于1 9 9 9 年9 月1 日实施。 1 2 2 箱式变电站概况 早在6 0 年代，箱式变电站在国外已崛起，现国外已大量采用箱式变电站。 在德国，箱式变电站起步早，制造厂家多，使用广泛；在美国，箱式变电站 已占9 0 以上。相比国外已进入成熟期，我国目前还处于大发展时期。 由于高压直接进入市区，深入负荷中心，故大用户的供电方式变成如下 方式，即中高压受电一变压器降压一低压配电的供电格局。这种供电的 格局就是工厂预装的变电站。 箱式变电站是一种中高压开关设备、配电变压器和低压配电装置，按一 定接线方案排成一体的工厂预制户内、户外紧凑式配电设备，即将中高压受 电、变压器降压、低压配电等功能有机地组合在一起。特别适用于城网建设 与改造，具有成套性强、体积小、占地少、能伸入负荷中心、提高供电质量、 减少损耗、送电周期短、选址灵活、对环境适应性强、安装方便、运行安全 可靠及投资少、见效快等一系列优点。 总之，箱式变电站有着广泛的使用范围，适用于城市公共配电、高层建 筑、住宅小区、公园，还适用于油田、工矿企业及施工场所等，是继土建变 电站之后崛起的一种崭新的变电站。 1 2 3 。箱式变电站的结构 箱式变电站的总体结构包括三个主要部分：中压开关设备、变压器及低 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 压配电设备。箱式变电站的总体布置主要有两种形式：一种为组合式；另一 种为一体式。组合式是指这三部分各为一室而组成“目”字型或“品字型 布置。而一体式是指这三部分以变压器为主体，熔断器及负荷开关等装在变 压器箱体内，构成一体式布置。组合式布置在采用i e c 标准的国家被广泛采 用。“目 字型与“品”字型相比，“目字型接线较为方便，故大多数采用 “目 字型布置，但“品 字型结构较为紧凑，特别是当变压器室排布多台 变压器时，“品”字型布置较为有利。 1 3 变电站综合自动化监控单元概述 1 3 1 变电站综合自动化的基本概念 变电站综合自动化是将变电站的二次设备( 包括测量仪表、信号系统、继 电保护、自动装置和远动装置等) 经过功能的组合和优化设计，利用先进的计 算机技术、现代电子技术、通信技术和信号处理技术，实现对全变电站的主 要设备和输配电线路的自动监视、测量、自动控制和微机保护以及调度通信 等综合性的自动化功能。 变电站综合自动化具有功能综合化：设备、操作、监视微机化( 包括信息 数字化内容) ；结构分布分层化；通信网络光缆化及运行管理智能化的特征。 它的出现为变电站的小型化、智能化、扩大监控范围及变电站安全可靠、优 质、经济运行提供了数据采集及监控支持，而且在其基础上可以实现高水平 的无人值班变电站的管理。 1 3 2 变电站综合自动化的现状和发展趋势 变电站综合自动化是在计算机技术和网络通信技术的基础上发展起来 的。国外在八十年代已有分散式变电站自动化系统问世，以西门子( s i e m e n s ) 公司为例，该公司第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 在德国汉诺威投入运行，至1 9 9 3 年初已有3 0 0 多套系统在德国及欧洲的各种 电压等级的变电站运行。我国的变电站自动化工作起步较晚，大约从九十年 代开始，初始阶段主要研制和生产集中式的变电站自动化系统，例d i s a 二1 型、b j 一1 型、i e s - 6 0 型、x w f f k - i o o o a 型、f d 一9 7 等。九十年代中期开始研制 分散式变电站自动化系统，如d i s a - 2 型、d i s a 一3 型、b j f 3 、c s c 一2 0 0 0 型、 d c a p 3 2 0 0 型、f d k 型等，与国外先进水平相比，大约有十年的差距。许多高 校、科研单位、制造厂家以及规划设计、基建和运行部门在学习和借鉴国外 先进技术的同时，正结合我国的实际情况共同努力继续开发更加符合我国国 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 情的变电站自动化系统。可以预计，今后其发展和推广的速度会越来越快， 与国外的差距会逐步缩小。 近年来，大规模集成电路技术和通信技术的迅猛发展，给变电站综合自 动化技术水平的提高，注入了新的活力。1 6 位、3 2 位单片机及p e n t i u m 微处 理器的问世，活跃了计算机市场；网络技术、现场总线等的出现，给广大科 技工作者创造了大显才能的条件。 1 3 3 发展变电站综合自动化的必要性 变电站作为整个电网中的一个节点，担负着电能传输、分配、监测、控 制和管理的任务。变电站继电保护、监控自动化系统是保证上述任务完成的 基础。在电网统一指挥和协调下，电网各节点( 如变电站、发电厂) 具体实施 能保障电网的安全、稳定、可靠运行。因此，变电站自动化是电网自动系统 的一个重要组成部分。作为变电站自动化系统，它应确保实现以下要求： 1 检测电网故障，尽快隔离故障部分。 2 采集变电站运行实时信息，对变电站运行进行监视、计量和控制。 3 采集一次设备状态数据，供维护一次设备参考。 4 实现当地后备控制和紧急控制。 5 确保通信要求。 因此，要求变电站综合自动化系统运行高效、实时、可靠，对变电站内 设备进行统一监测、管理、协调和控制。同时，又必须与电网系统进行实时、 有效的信息交换、共享，优化电网操作，提高电网安全稳定运行水平，提高 经济效益，并为电网自动化的进一步发展留下空间。 1 3 4 监控系统在变电站综合自动化系统中的意义和功能 在变电站综合自动化系统中，监控单元承担着数据采集、处理，对断路 器、隔离开关进行控制及防误闭锁等重要任务，变电站层监控装置或调度端 通过监控单元获取现场数据信息，进行各种分析。同时，变电站层或调度端 可通过监控单元对断路器、隔离开关等设备进行开关操作，利用监控单元还 可对有载调压变压器调压、同期合闸数据运算及判别并实现其控制，当开关 量变位时能够按照设定值发告警信号向后台传送电笛标志或电铃标志。监控 单元是面向间隔设计的，当通过监控单元对断路器、隔离刀闸等进行操作时， 可实现面向间隔的防误闭锁操作判断。 当监控单元用于高压或超高压变电站时，由于高压网重要的枢纽地位和 电网结构、操作对象数量等的不同，变电站综合自动化对监控单元的各方面 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 要求比中、低压的要求更高。 1 4 嵌入式系统简介 1 4 1 嵌入式系统的定义和特点 一、嵌入式系统的定义 根据i e e e ( 国际电气和电子工程师协会) 的定义瞳1 ，嵌入式系统是“控制、 监视或者辅助装置、机器和车间运行的装置 ( 原文为d e v i c eu s e dt o c o n t r o l ，m o n i t o r ，o ra s s i s tt h eo p e r a t i o no fe q u i p m e n t ，m a c h i n e r yo r p l a n t s ) 。这主要是从应用上加以定义。 然而上述定义并不能充分体现出嵌入式系统的精髓，目前国内行业界普 遍认同的一个观点是：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。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操 作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、 监视或管理等功能。应该说，后者从功能、特征、应用上比较好的给出了嵌 入式系统的定义。 二、嵌入式系统的特点 从某种意义上来说，通用计算机行业的技术是垄断的。嵌入式系统则不 同，它是一个分散的工业，充满了竞争、机遇与创新，没有哪一个系列的处 理器和操作系统能够垄断全部市场。即便在体系结构上存在着主流，但各不 相同的应用领域决定了不可能有少数公司、少数产品垄断全部市场。因此嵌 入式系统领域的产品和技术，必然是高度分散的，留给各个行业的中小规模 高技术公司的创新余地很大。另外，社会上的各个应用领域是在不断向前发 展的，要求其中的嵌入式处理器核心也同步发展，这也构成推动嵌入式工业 发展的强大动力。 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业 的具体应用相结合后的产物，这一点就决定了它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。 。，1 4 2 嵌入式系统的构成 一、嵌入式系统的硬件 ， 嵌入式硬件包括处理器、存储器、外设和i o 端口等。其中嵌入式处理 器是核心。目前使用较多的有嵌入式微控制器( e m c u ) 、嵌入式微处理器 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 ( e m p u ) 、嵌入式数字信号处理器( e d s p ) 、片上系统( s o c ) 等。其中嵌入式微处 理器由于性价比较高，在嵌入式系统中越来越受到青睐。 嵌入式微处理器在目前的嵌入式系统硬件设计上处于核心地位。从嵌入 式微处理器的市场占有率来看，8 位产品占了一半左右的市场，其次是1 6 位 及3 2 位的产品，4 位和6 4 位的产品市场占有率最低。随着电子技术的迅速 发展，3 2 位处理器的性价比越来越高，很多场合使用3 2 位处理器的系统成 本比采用8 1 6 位的系统成本更低。而a r m 框架是目前嵌入式应用中占主导地 位的3 2 位微控制器微处理器框架阻】。 目前，a r m 处理器主要分以下几个大系列：a r m 7 系列、a r m 9 系列、a r m 9 e 系列、s e c u r c o r e 系列及最新的a r m l l 系列，它们都是为特定目的的应用而 设计，实际应用可根据具体性能要求选择相应的系列h l 啼1 。 二、嵌入式系统的软件 嵌入式软件部分主要包括嵌入式操作系统和应用软件，是整个嵌入式系 统的应用核心。 嵌入式操作系统是嵌入式应用的基础平台。早期的嵌入式实时应用软件 直接在处理器上运行，没有嵌入式操作系统支持，现在的大多嵌入式应用开 发都需要嵌入式操作系统的支持。实际上，此时的嵌入式操作系统相当于一 个通用而复杂的主控程序，为嵌入式应用软件提供更强大的开发平台和运行 环境。因为嵌入式系统已经将处理器、中断、定时器、i o 等资源包装起来， 用一系列的a p i 提供给用户，应用程序可以不关注底层硬件，直接借用操作 系统提供的功能进行开发，此时的嵌入式操作系统可以视为一个虚拟机哺1 。 嵌入式操作系统的种类繁多，大体上可分为两种：商用型和免费型。商 用的操作系统功能稳定、可靠，有完善的技术支持和售后服务，但往往价格 昂贵。免费的操作系统在价格方面具有优势，但也存在着开发困难，技术支 持少的不足。目前市场上流行的，使用最多的e o s 产品包括有h 1 ：w i n d o w sc e 、 l y n x 、v x w o r k 、n u c l e u s 、p a l mo s 、p s o s 、q n x ，各种嵌入式的l i n u x 、肛c o s i i 等。 嵌入式操作系统的选择主要考虑以下几个方面：操作系统的硬件支持程 度、是否支持目标硬件平台；源码是否开放、可移植性如何；开发工具的支 持程度、是否有利于项目的加快开发；能否满足应用需求，如对操作系统实 时性能的要求，网络性能，对中文的支持等；是否收取费用，是否对产品的 成本产生严重影响。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 1 4 3 嵌入式系统的应用领域 嵌入式系统技术具有非常广阔的应用前景，其应用领域可以包括： ( 1 ) 工业控制：( 2 ) 交通管理；( 3 ) 信息家电；( 4 ) 家庭智能管理系统；( 5 ) p o s 网络及电子商务：( 6 ) 环境监测；( 7 ) 机器人。 除了以上这些应用领域，嵌入式系统还有其他方面的应用。可以毫不夸 张地说，嵌入式系统已经进入到现代社会中人们生活的方方面面，可以说是 “无处不在 哺1 。 1 5 论文的主要研究内容 本文以变电站综合自动化系统监控单元现阶段的技术为参考，根据科技 发展的趋势和要求，提出并研制了一种基于a r m 内核的高性能的嵌入式微处 理器和嵌入式实时操作系统的变电站综合自动化监控单元。 全文共分为六章。各章节内容安排如下： 第一章介绍变电站综合自动化监控单元、嵌入式系统以及于其相关的内 容的定义、现状和发展方向，以及本文的结构安排和主要内容。 第二章介绍当前变电站综合自动化系统的结构，a r m 微处理器及微处理 器s 3 c 2 4 1 0 的一些基本概念，介绍硬件平台的搭建，对几个重要的单元模块， 如电源模块、复位模块、串行通信模块、存储器模块、j t a g 模块电路进行了 说明。 第三章介绍嵌入式实时操作系统g c o s - i i 的相关概念，完成实时操作 系统i l c o s - i i 在微处理器$ 3 c 2 4 1 0 上的移植，以及在操作系统平台上移植 相关的软件包，来提高系统性能。包括启动加载程序b o o tl o a d e r 。 第四章介绍系统的软件设计，串口通讯、以太网控制器驱动程序。 第五章介绍系统的数据算法。 第六章总结全文，说明本课题中所作的内容，并讨论基于嵌入式的变电 站综合自动化系统的开发及发展趋势和今后要做的工作。 1 6 本章小结 本章主要阐述了变电站综合自动化监控单元、嵌入式系统的概念、特点、 现状、发展趋势等一些基本知识点。最后给出了本论文的研究内容。 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章变电站监控系统硬件设计 2 1 变电站监控单元结构框图 在变电站监控单元中，大量的现场实时数据需要及时、迅速地采集和上 传。数据采集模块主要完成实时数据采集，被采集的数据由嵌入式c p u 进行 处理后随时向用户提供各种统计报表和整个控制过程的具体数据，同时嵌入 式c p u 根据接收的过程参数进行判断处理并通过输出模块发送各种控制命 令。因而根据本论文的研究目的得出基于a r m 的变电站综合自动化监控单元 主结构图如图2 - i 所示。 图2 - 1 变电站综合自动化监控单元主结构图 从上图可以看出变电站监控单元主要实现的功能是：以太网接口用于远 程监控计算机与当地处理器的数据连接：l c d 用于现场显示：键盘用于现场 操作；f l a s h 用于数据的储存；a r m 处理器用于数据的处理、接收、发送、储 存；串口总线控制密用于与上位机的数据通信。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 2a r m 概述 - 2 2 1a r m 及a r m 产品 一、a r m 简介 a r m 是a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s 的缩写，它是一个公司的名称，是一类 微处理器的通称，还是一种技术的名称。a r m 公司是微处理器行业的一家知 名企业，设计了大量高性能、廉价、低功耗的r i s c ( 精简指令集计算机处理 器) 芯片，并开发了相关技术和软件。a r m 处理器具有性能高、成本低和能 耗低的特点，适用于多种领域，比如：嵌入式控制、消费教育类多媒体、d s p 和移动式应用等。 a r m 公司本身不生产芯片，靠转让技术许可，将其技术授权给世界上许 多著名的半导体、软件和o e m 厂商，每个厂商得到的都是一套独一无二的a r m 相关技术及服务。利用这种合伙关系，a r m 公司很快成为许多全球性r i s c 标 准的缔造者。目前，总共有1 0 0 多家半导体公司与a r m 签订了硬件技术使用 许可协议，其中包括i n t e l 、i b m 、l g 半导体、n e c 、s o n y 、p h i l i p s 和国家 半导体这样的大公司。至于软件系统的合伙人，则包括微软、升阳和m r i 等 一系列的知名大公司。 二、a r m 的体系结构 a r m 的设计实现了体积非常小，但是高性能的结构。a r m 处理器结构简单， a r m 的内核非常小，这样使器件的功耗也非常低。a r m 是精简指令集计算机处 理器( r i s c ) ，因为它集成了非常典型的r i s c 结构特性： 一个大的、统一的寄存器文件。 装载保存结构，数据处理的操作只针对寄存器的内容，而不直接对 存储器进行操作。 简单的寻址模式，所有装载、保存的地址都只由寄存器内容和指令域 决定。 统一和固定长度的指令域，简化了指令的译码。此外，a r m 体系结构 还提供：每一条数据处理指令都对算术逻辑单元( a l u ) 和移位器控制， 以实现对a l u 的移位的最大利用。 地址自动增加和自动减少的寻址模式实现了程序循环的优化。 多寄存装载和存储指令实现最大数据吞吐量。 所有指令的条件执行实现最快速的代码执行。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 这些在基本r i s c 结构上增强的特性使a r m 处理器在高性能、低代码规模、 低功耗和小的硅片尺寸方面取得良好的平衡。 三、a r m 产品 a r m 提供一系列内核、体系扩展、微处理器和系统芯片方案：由于所有 产品均采用一个通用的软件体系，所有相同的软件可在所有产品中运行( 理论 如此) 。典型的产品如下： 1 a r m 7 微处理器系列 a r m 7 内核采用冯诺依曼体系结构，数据和指令使用同一条总线。内核 有一条3 级流水线，执行a r m y 4 指令集。 a r m 7 系列微处理器为低功耗的3 2 位r 3 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用。主频最高可达1 3 0 m i p s ，高速的运算处理能力 能胜任绝大多数的复杂应用。a r m 7 系列微处理器包括如下几种类型的核： a r m 7 t d m i 、a r m t t d m i - s 、a r m 7 2 0 t 、a r m 7 e j - s 。其中，a r m 7 t m d i 是目前使用 最广泛的3 2 位嵌入式r i s c 处理器，属低端a r m 处理器核。 2 a r m 9 微处理器系列 a r m 9 系列于1 9 9 7 年问世。由于采用了5 级指令流水线，a r m 9 处理器能 够运行在比a r m 7 更高的时钟频率上，改善了处理器的整体性能；存储器系统 根据哈佛体系结构( 程序和数据空间独立的体系结构) 重新设计，区分了数 据总线和指令总线。 a r m 9 系列的第一个处理器是a r m 9 2 0 t ，包含独立的数据指令c a c h e 和m m u 。 此处理器能够被用在要求有虚拟存储器支持的操作系统上。 a r m 9 系列微处理器包含a r m 9 2 0 t 、a r m 9 2 2 t 和a r m 9 4 0 t 三种类型，以适用 于不同的应用场合。a r m 9 2 0 t 、a r m 9 4 0 t 都执行v 4 t 架构指令。 3 a r m 9 e 微处理器系列 a r m 9 系列的下一个处理器是基于a r m 9 e - s 内核的。这个内核是a r m 9 内核 带有e 扩展的个可综合版本。它有a r m 9 4 6 e - s 和a r m 9 6 6 e - s 两个变种。两 者都执行v 5 t e 架构指令。它们也支持可选的嵌入式跟踪宏单元，支持开发者 实时跟踪处理器上指令和数据的执行。当调试对时间敏感的程序时，这种方 法非常重要。 a r m 9 4 6 e - s 包括t c m 、c a c h e 和一个m p u 。t c m 和c a c h e 的大小可配置。该 处理器是针对要求有确定的实时响应的嵌入式控制而设计的。a r m 9 6 6 e - s 有 可配置的t c m ，但没有m p u 和c a c h e 扩展。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 a r m 9 e 系列微处理器包含a r m 9 2 6 e f f - s 、a r m 9 4 6 e - s 和a r m 9 6 6 e - s 三种类 型，以适用于不同的应用场合。 4 a r m i o 微处理器系列 a r m i o 发布于1 9 9 9 年，具有高性能、低功耗的特点。它采用的新的体系 结构使其在所有a r m 产品中具有最高的m i p s m h z 。它将a r m 9 的流水线扩展 到6 级，也支持可选的向量浮点单元v f p i o ，对a r m i o 的流水线加入了第7 段。v f p 明显增强了浮点运算性能并与i e e e 7 5 4 1 9 8 5 浮点标准兼容。 a r m i o e 系列微处理器采用了新的节能模式，提供了6 4 位的l o a d s t o r e 体系，支持包括向量操作的满足i e e e 7 5 4 的浮点运算协处理器，系统集成更 加方便，拥有完整的硬件和软件开发工具。a r m i o e 包括a r m l 0 2 0 e 、a r m l 0 2 2 e 和a r m l 0 2 6 e j - s 三种类型，以适用于不同的应用场合。 5 s e c u r c o r e 微处理器系列 s e c u r c o r e 系列微处理器提供了完善的3 2 位r i s c 技术的安全解决方案。 s e c u r c o r e 系列微处理器除了具有体积小、功耗低、代码密度高等特点外， 还具有其独特的优势，即提供了对安全解决方案的支持。 s e c u r c o r e 系列微处理器除了具有a r m 体系结构各种主要特点外，还在 系统安全方面具有如下的特点： 带有灵活的保护单元，以确保操作系统和应用数据的安全。 采用软内核技术，防止外部对其进行扫描探测。 可集成用户自己的安全特性和其他协处理器。 s e c u r c o r e 系列微处理器包括s e c u r c o r es c l 0 0 、s e c u r c o r es c l l 0 、 s e c u r c o r es c 2 0 0 和s e c u r c o r es c 2 1 0 四种类型，以适用于不同的应用场合。 6 s t r o n g a r m 微处理器系列 i n t e ls t r o n g a r ms a - i1 0 0 处理器是采用a r m 体系结构高度集成的3 2 位 r i s c 微处理器。它融合了i n t e l 公司的设计和处理技术以及a r m 体系结构的 电源效率，采用在软件上兼容a r m v 4 体系结构，同时采用具有i n t e l 技术优 点的体系结构。 i n t e ls t r o n g a r m 处理器是便携式通讯产品和消费类电子产品的理想选 择已成功应用于多家公司的掌上电脑系列产品。 7 x s c a l e 处理器 x s c a l e 处理器是基于a r m v 5 t e 体系结构的解决方案，是一款全性能、高 性价比、低功耗的处理器。它支持1 6 位的t h u m b 指令和d s p 指令集，已使用 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 在数字移动电话、个人数字助理和网络产品等场合。x s c a l e 处理器是i n t e l 目前主要推广的一款a r m 微处理器。 四、a r m 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用几乎已经深入到各个领域： 1 工业控制领域：作为3 2 位的r i 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，同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、高性价比，向传统的8 位1 6 位微 控制器提出了挑战。 2 无线通讯领域：目前已有超过8 5 的无线通讯设备采用了a r m 技术， a r m 以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。 3 网络应用：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进行了优化，并获得广泛支 持，也对d s p 的应用领域提出了挑战。 4 消费类电子产品：a r m 技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶 盒和游戏机中得到广泛采用。 5 成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用a r m 技术。手机中的3 2 位s i m 智能卡也采用了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同的领域，并会在将来 取得更加广泛的应用。 2 2 2 嵌入式微处理器$ 3 c 2 4 1 0 概述 $ 3 c 2 4 1 0 是韩国三星公司的一款基于a r m 9 2 0 t 内核的1 6 3 2 位r i s c 嵌入 式微处理器，主要面向手持设备以及高性价比，低功耗的应用。运行的频率 可以达到2 6 6 m h z 。 s 3 c 2 4 1 0 采用了a r m 9 2 0 t 内核，0 1 8 u m 工艺的c m o s 标准宏单元和存储器 单元。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。同样它还采用了一种叫做a d v a n c e dm i c r o c o n t r o l l e rb u s a r c h i t e c t u r e ( a m