（电力电子与电力传动专业论文）基于嵌入式arm7和以太网监测电压参数的研究.pdf

西华大学学位论文独创性声明 珊ilpl irj j l j ijiijr l l l l l i j r l ltf l t l i h y 18 8 4 6 9 7 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：豆宪役 日期：, wa ，占乡 西华大学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，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，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，西 华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。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 学位论文作者签名：豆宪致 指导教师签名： 日期：加1 多日期b i ，6 尹 师 声 撕抄 西华大学硕士学位论文 摘要 在国家提出全面建设小康社会、构建资源节约型、环境友好型社会主义和谐社会的 方针时，电力电子与电力传动面临着很大的机遇。电力电子技术及电力电子装置已日益 广泛地应用和渗透到能源、环境、制造业、国防等等行业中。其中电力电子应用技术研 究内容毛要有电力牵引、电机驱动等，在发达国家，约4 0 能源是通过电能形式消耗的， 而总电能的5 0 n6 0 又用于电机驱动场合。 伴随着微电子技术、测量控制技术、计算机技术和通信技术等技术不断进步和彼此 渗透，更加有效地促进了智能化仪器仪表、网络化仪器等电子产品的迅速发展，并趋向 于体积小、功耗低、精度高、精确控制、多功能以及网络化等方向发展。这些与嵌入式 系统的发展和特点相符合，使得智能化电子产品向着更高速、更灵敏、更便捷、更可靠 地检测对象的全方位信息。 本文研究了a r m 7 - t d m i 处理器核和i - t c l i n u x 操作系统，结合以太网技术，实现了两 个通道的电压参数的监测系统。本系统集成了电压模拟量输入模块，a d 转换模块，以太 网模块，处理器核和存储器等组成，减少了外围电路，降低了整个系统的成本。为系统 建立交叉编译环境，在w i n d o w s 操作系统下建立虚拟的r e dh a t9 0 操作系统，并在r e d h a t9 0 操作系统下建立与监测设备一样的t t c l i n u x 运行环境，从而在此环境中开发监测 系统所需的驱动程序和应用程序。系统实现了同时监测两路电压参数，并通过以太网传 输至监测端。从而实现电压参数的实时监测。 关键词：嵌入式操作系统；l i n u x ( pc l i n u x ) ；以太网；a d ；a r m 7 基于嵌入式a r m 7 和以太网监测电压参数的研究 a b s t r a c t w h e nc o u n t r ym a d et h ep o l i c yf o rb u i l d i n gam o d e r a t e l yp r o s p e r o u ss o c i e t y , b u i l d i n ga r e s o u r c e - s a v i n ga n de n v i r o n m e n t f r i e n d l yo fah a r m o n i o u ss o c i a l i s ts o c i e 罐, t h ep o w e r e l e c t r o n i c sa n dp o w e rt r a n s m i s s i o nf a c e dag r e a to p p o r t u n i t y p o w e re l e c t r o n i c sa n dp o w e r e l e c t r o n i cd e v i c e sh a di n c r e a s i n g l yw i d e l yu s e da n dp e n e t r a t e di n t ot h ee n e r g y , e n v i r o n m e n t ， m a n u f a c t u r i n g ，d e f e n s e ，a n do t h e ri n d u s t r i e s r e s e a r c h i n gp o w e re l e c t r o n i c a p p l i c a t i o n s i n c l u d e de l e c t r i ct r a c t i o n ，m o t o r d r i v e ，e t c ，i nd e v e l o p e dc o u n t r i e s ，a b o u t4 0 o fe n e r g y c o n s u m p t i o nb ye l e c t r i cf o r m ，w h i l e5 0 t o6 0 o ft h et o t a le l e c t r i cp o w e rf o rm o t o rd r i v e w i t hc o n t i n u o u s i m p r o v e m e n t a n dm u t u a l p e n e t r a t i o n o fm i c r o e l e c t r o n i c s t e c h n o l o g y , m e a s u r e m n ta n dc o n t r o lt e c h n o l o g y ，c o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t s ，n e t w o r ke q u i p m e n ta n do t h e re l e c t r o n i cp r o d u c t sw e r e p r o m o t e dm o r ee f f e c t i v e l ya n dq u i c k l yi nd i r e c t i o no fs m a l ls i z e ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，h i g h a c c u r a c y , p r e c i s ec o n t r o l ，m u l t i f u n c t i o na n dn e r w o r k i n g t h e s ec o m p l i e dw i t ht h ed e v e l o p m e n t a n dc h a r a c t e r i s t i c so fe m b e d d e ds y s t e m s ，m a k i n gt h ei n t e l l i g e n te l e c t r o n i cp r o d u c t st o w a r d h i g h e rs p e e d ，m o r es e n s i t i v e ，m o r ec o n v e n i e n t ，m o r er e l i a b l e t od e t e c t c o m p r h e n s i v e i n f o r m a t i o no f o b j e c t s i nt h i s p a p e rw e s t u d i e da r m 7 一t d m ip r o c e s s o rc o r ea n dp c l i n u x o p e r a t i n g s y s t e m ，a n da c h i e v e dp o w e rp a r a m e t e r sr e m o t ed e t e c t i o ns y s t e mc o m b i n i n gw i t he t h e r n e t t e c h n o l o g y t h es y s t e mi n t e g r a t e s t h e a n a l o gv o l t a g ei n p u tm o d u l e ，a d c o n v e r s i o n m o d u l e ，e t h e m e tm o d u l e ，t h ep r o c e s s o rc o r e ，m e m o r ya n do t h e r c o m p o n e n t s ，r e d u c i n gt h e e x t e r n a lc i r c u i ta n do v e r a l l s y s t e mc o s t t oc r e a t ec r o s s c o m p i l e re n v i r o n m e n tf o rt h e s y s t e m ，u n d e rt h ew i n d o w so p e r a t i n gs y s t e mt oc r e a t eav i r t u a lo p e r a t i n gs y s t e m ，a n di nr e d h a t9 0o p e r a t i n gs y s t e mt oi s t a b l i s ht h es a m ei _ t c l i n u xo p e r a t i n ge n v i r o n m e n ta sm o n i t o r i n g e q u i p m e n ti nw h i c ht od e v e l o pr e q u i r e dd r i v e r sa n da p p l i c a t i o n s s y s t e ma c h i e v e dt h e s i m u l t a n e o u sm o n i t o r i n gt w o w a yv o l t a g ep a r a m e t e r s ，a n dt r a n s m i t t e dt o t h e m o n i t o r i n g t e r m i n a lv i ae t h e r n e t k e yw o r d ：e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ；l i n u x ( 1 x c l i n u x ) ；e t h e r n e t ；a d ；a r m 7 l 西华人学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 1 绪论1 1 1 课题背景l 1 1 1嵌入式系统1 1 1 2 嵌入式处理器2 1 1 3 嵌入式操作系统4 1 2 电压参数监测的研究现状6 1 3论文的研究内容和结构7 2a r m 7 嵌入式监测系统平台的构建8 2 1a r m 7 体系结构9 2 1 1a r m 体系结构。l o 2 1 2a r m 7 t d m i 1 0 2 1 3 处理器1 1 2 1 4 寄存器1 l 2 1 5 异常一1 4 2 1 6 复位1 5 2 1 7 寻址模式1 5 2 2l p c 2 0 0 0 系列a r m 硬件结构16 2 2 1 存储器寻址1 7 2 2 2系统控制模块2 l 2 2 3 - 3i 脚连接模块2 9 2 2 4 外部存储器3 2 2 2 5向量中断控制器3 4 2 2 6u a r t 0 ，3 8 2 2 7a ，d 转换器3 8 2 3a r m 7 的开发平台构建4 1 2 3 1开发平台的软件环境4 1 2 3 2 建立交叉开发环境4 2 2 4 本荤小结4 5 3电压参数采集端的建立4 6 3 1 采集电压参数电路及a d 采集方法4 6 3 2a d 采集驱动模块的建立4 7 i l l l 基于嵌入式a r m 7 和以太网监测电压参数的研究 3 2 1a d 驱动模块的运行环境4 7 3 2 2a d 设备驱动程序的建立与源码分析4 8 3 3a d 驱动模块采集数据的过程5 4 3 4 本章小结5 5 4 以太网数据传输端的建立5 6 4 1以太网接口的硬件电路5 6 4 2以太网驱动程序的设计5 8 4 2 1网络驱动程序的结构和工作原理5 8 4 2 2 数据包的传输过程5 8 4 2 3网络驱动程序以及源码分析6 0 4 3网络应用程序的设计6 4 4 3 。lt c p i p 协议简介6 4 4 3 2 基于t c p i p 应用程序的建立6 5 4 4 本章小结6 9 5 监测应用程序与监测结果7 0 5 1 监测应用程序及源代码7 0 5 2 监测结果7 2 5 3 本章，j 、结7 4 6 总结和展望7 5 参考文献：7 6 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果7 8 致 射7 9 两华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题背景 随着社会信息化、网络化的日益发展，计算机和网络已经全面渗透到工业、日常生 活等的每一个角落。经过几十年的发展，嵌入式系统已经在很大程度上改变了人们的牛 活、工作和娱乐方式，而且这些改变还在加速。嵌入式系统具有无数的种类，每类都具 有自己独特的个性。例如，l c k p 3 、数码相机与打印机就有很大的不同；汽车中更是具有 多个嵌入式系统，使汽车更轻快、更干净和更容易驾驶。总之在每个人的乍活中所使用 的电子产品，如m p 3 、p d a 、电视以及汽车等基本都使用了嵌入式系统技术l i 】。 1 1 1 嵌入式系统 - 尽管嵌入式系统极大地改变了人们的牛活、工作和娱乐，但要定义嵌入式系统的概 念却不容易。下面介绍嵌入式系统的几种概念。 ( 1 ) 嵌入式系统概述 按照美国电气和电子工程师协会( i e e e ) 定义，嵌入式系统是一种装置，此装置是一 种控制、监视或者辅助机器、设备或工厂操作【l j 。 目前关于嵌入式系统的定义种类繁多，至今还没有没有一种是可接收的、全面的。 下面列出的是较为合理的两种定义： 嵌入式系统是专用的计算机系统。以计算机技术为基础，以应用为中心，可裁剪 软硬件，从而达到了应用系统对功能可靠性、体积、功耗及成本的高要求。 嵌入式系统是硬件和软件紧密耦合在一起的计算机系统，其用于设计完成所需的 复杂功能。“嵌入式”意思就是本身系统一般是比自身大的系统中的一个部分，且这个 部分是完整的，就称其为嵌入的系统。多个嵌入式系统可以共存。 以上两种定义的出发点不同，第一种从技术的角度，第二种从系统的角度。实际 ：， 在大部分情况下，大的系统嵌入了嵌入式系统，亦它们是“系统中的系统”，自身不能 或者没有功能【z j 。 ( 2 ) 嵌入式技术的发喂及现状 世界上第一个商业嵌入式实时内核( v r t x 3 2 ) 是r e a d ys y s t e m 在1 9 8 1 年发展的， 到现在已将近有3 0 年的历史。随着嵌入式系统的快速发展，i n t e m e t 的成熟，嵌入式将 向特定行业应用、安全、智能型发展。嵌入式技术可概括为经历了四个发展阶段。分别 是以单片机为核心的可编程控制器形式的系统，以及具备与监测、伺服、指示设备相配 合的功能：以嵌入式c p u 为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统：以嵌入式操作 系统为标志的嵌入式系统；以i n t e r n e t 为标志的嵌入式系统。 综述3 2 位微处理器在嵌入式系统中占丰导，其与网络结合日益紧密，嵌入式系统 基丁二嵌入式a r m 7 和以太网监测电压参数的研究 的应用将会越来越广泛。 目前嵌入式系统在自动化和工业控制中得到广泛的应用。如智能仪器仪表、控制设 备等。有的甚至需要多个处理器通过网络互联，配合完成工作。 ( 3 ) 未来嵌入式系统的发展趋势 由于信息和数字时代的来临，使得嵌入式的应用有着巨大的发展机会和美好的市场 前景，同时也面临着巨大的挑战，因此嵌入式的应用具有很大的发展趋势。 “无所不在的智能” 高技术的“智能 是高级的嵌入式系统应用，在智能化仪器仪表，家庭，公司里都 广泛应用了智能。它是指一种嵌入了多种感知和计算设备，并以人的各种特征，如身体、 姿态、手势、语言或是手指的指纹等作为信息，进而判断出人的意图，并做出相应反映， 它通过智能的、用户定制的内部互联系统和服务制造理想的氛围，完成理想的功能，从 而达到人们预想的结果。 操作系统越来越便于移植 新的微处理器品种繁多，嵌入式操作系统本身的结构就是针对不同的处理器而设计 的，能够支持更多的微处理器。 瓦联网络是必然的趋势 随着网络的快速发展和全球的广泛使用，嵌入式设备要连上网络，本身须具备多样 的网络通信接口，不仅仅支持t c p i p ，甚至需支持其他的通信接口，比如u s b 、 i e e e l 3 9 4 、蓝牙等等，而且还需配用相应的协议软件和底层( 物理层) 的驱动软件。 向e s o c 发展 s o c 即在片系统( s y s t e mo nc h i p ) 。它的意义是仅仅在一个硅片上实现一个复杂的系 统，即各种功能模块集成在一块芯片上。此种所谓的“多功能单芯片”模式的丰要特 点是功耗低，体积小，精简对外管脚数，而且利于提高系统稳定和抗干扰性能【l 】。 1 1 2 嵌入式处理器 ( 1 ) 始于微型机的嵌入式应用 从1 9 4 6 年电子数字计算机诞生开始，在其后漫长的历史进程中，计算机始终部是 非常庞大而功耗很大的设备。直到2 0 世纪7 0 年代，计算机的历史才出现转折，其标志 是微处理器的应用。特别是以微处理器为核心的微型计算机快速发展，具有高町靠性、 体积小、价格低特点；具有高速数值解算能力的微型机的智能化水平被控制专业人士应 用到智能化控制中，具体的足把微型机嵌入到一个实际的对象体系中。例如，将微型计 算机经电气、机械加固，并且配用相应的外围接口电路，形成轮机状态监测系统或者自 动驾驶仪，被应用与大型舰船中。因此这种计算机就已经失去了其本身的形态以及普遍 使用的计算机功能。为了更好的区别此种计算机，我们把嵌入到具体对象体系中，实现 2 两华大学硕七学位论文 其智能控制功能的计算机，称为嵌入式计算机系统。因此，嵌入式系统起始于微型机时 代，嵌入式系统的本质以及理解其的基本出发点是把一个计算机嵌入到一个具体对象体 系中。 ( 2 ) 现代计算机技术的两大分支 嵌入式系统是嵌入到具体对象中的，而且要实现具体对象的只能控制，与通用计算 机系统的技术发展路径和要求大不相同。 通用计算机系统和嵌入式计算机系统在技术上的要求很不相同。前者表现为高速 度，大容量的数值计算；它的技术发展方向是总线运行速度的不断升高，存储数据的容 量不断扩大。其技术要求是控制能力的高可靠性、实时性；技术发展方向是系统嵌入性 能的优劣程度、控制能力的好坏以及控制的可靠性、实时性。 早期，人们已经有改装通用计算机系统的试验，并嵌入到大型设备中。但是对于很 多的具体对象，如仪器仪表、工程控制单元，没有办法把通用计算机系统嵌入到这些对 象中，而且两者是完全不同的技术发展方向，因此两者必须是独立发展的，这就形成了 现代计算机技术发展的两大分支。 若计算机处于现代计算机发展阶段是因为微型机的出现，那么可以说通用计算机和 嵌入式计算机系统两大分支并行发展时代的到来是因为嵌入式计算机系统的出现，从而 在2 0 世纪末出现了计算机的高速发展时蒯引。霉- 。 ( 3 ) 嵌入式微处理器的发展历程 尽管国内已经有多家公司或科研单位研制了一些具有自主版权的嵌入式微处理器， 佃足存在着一些问题，比如软件兼容性、功耗、价格和性能等，相比于国际水平存在较 大的差距。根本原因是我们没有创新的设计和体系结构，采用的还是旧时的、传统的嵌 入式微处理器的设计和体系结构。所以采用全新的嵌入式微处珲器的设计和体系结构是 阈产嵌入式微处理器芯片的研发和产业化工作的迫切需要。 下面简要介绍下嵌入式微处理器的发展过程，以便于更好的理解其发展趋势。嵌入 式微处理器始于2 0 世纪7 0 年代末，到目前为止，其期间经历了s c m 、m c u 、网络化、软 件硬化四大发展阶段。 s c m 阶段：即单片微型计算机( s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ) 阶段，此阶段丰要还是 在探索其体系结构的应用。期间s c m 终于走出了与通用计算机完全不同的发展技术路线。 比如已经获得成功的“单片机模式”有z i l o g 公司开发的z 8 0 等系列单片机。 m c u 阶段：此阶段嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ) 得到了强大的发展，不 断的在芯片上扩展集成了多种类的接口电路和外围电路，突出显示其智能化、微型化的 实时控制功能，以满足嵌入式系统的应用。这类微控制器产品的典型代表型号是8 0 c 5 1 。 网络化阶段：各种系统的嵌入式产品，手持型还是固定型电子产品的芯片都集成 了网络模块，使网络模块成为芯片的一个非常最要的模块。使得这些电子产品町以连接 3 基于嵌入式a r m 7 和以太网监测电压参数的研究 到互联网，以迎合瓦联网的快速发展。 、 软件硬化阶段：随着市场的发展，如多媒体m p 3 、m p 4 播放器，导航仪、智能仪 器仪表等，以及手持型电子产品的飞速发展的需要。这就要求软件的功能越来越丰富和 系统越来越复杂，需要实时处理的多媒体大型文件越来越多。随着c p u 芯片产品的使用 面越来越广泛，要求越来越高的芯片的性能和速度等，同时对产品开发的时间要求越来 越短。有时甚至还要实时快速的在线设置以及修改逻辑功能、尤其越来越迫切的需求芯 片的低功耗性能，随着市场发展需求远远不止是采用软件的方式可以满足的。同时，快 速发展的半导体设计、加工技术和自动化设计水平的快速提高，使得嵌入式微处理器芯 片的设计难度大大降低。极大促进了软件硬化的普及与发展【4 】。 1 1 3 嵌入式操作系统 ( 1 ) 嵌入式操作系统简介 计算机技术发展初期，计算机系统中并没有“操作系统”这个概念的。为了能给用 户提供一个与计算机交互的接口，同时为了提高计算机资源的利用率，便出现了计算机 监控程序( m o n i t o r ) ，使得用户能通过监控程序来使用计算机。随着计算机技术的快速发 展，计算机系统的硬件、软件资源也越来越丰富，监控程序已经不能适应计算机应用的 要求。于是在2 0 世纪6 0 年代中期，监控程序又进一步发展从而形成了操作系统 o s ( o p e r a t i n gs y s t e m ) 。发展到现在，广泛使用三种操作系统分别是多道处理操作系统、 分时操作系统以及实时操作系统。 本文主要着重实时操作系统作介绍。i e e e 的实时u n i x 分委会认为实时操作系统应 具备以下几点： 异步事件的响应。实时系统为了能够在系统规定的时间内响应异步的外部事件， 要求系统具有异步i o 和中断处理能力。i 0 响应时间常常受处理机总线速度、盘访问 和内存访问所限制。 切换时间和中断延迟时间的确定。 优先级中断和调度。必须允许用户能够定义中断优先级和被调度的仟务优先级， 并指定如何服务中断。，、 抢占式调度。为了保证响应时间，实时操作系统必须允许高优先级任务一旦就绪 准备好运行，马上可以抢占低优先级任务的执行。 内存锁定。必须具有将程序或部分程序锁定在内存的能力，锁定在内存的程序减 少了为获取该程序而访问盘的时间，从而保证了快速响应时间。 连续文件。应能够提供存取盘上数据的优化方法，使得存取数据时所用的查找时 间最少。经常要求把数据存储在连续文件上。 同步。能够提供同步和协调共享数据使用和时间执行的手段。 4 两华大学硕七学位论文 综上所述，实时操作系统是事件驱动( e v e n t的系统，它能够对来自外界的_driven) 作用或信号在限定的时间范围内作出准确响应。它强调的是可靠性、实时性和灵活性， 同时与实时应用软件相结合构成有机的整体起着核心作用，由它来管理和协调各项工 作，为应用软件提供良好的开发环境和运行软件环境。 对于实时系统的应用特点，实时操作系统分为一般实时和嵌入式实时两种。这两种 的区别在于开发过程和应用场合。嵌入式实时操作系统一般应用于实时性要求较高的实 时控制系统，而且应用程序的开发过程是通过交叉开发平台来完成的，亦开发环境与运 行环境不一致。嵌入式实时操作系统具有规模小( 一般在几k 到几十k 内) 、可固化使用 实时性强( 在m s 或u s 数量级上) 的特点【2 1 。 ( 2 ) 采用实时操作系统的必要性 在目前的嵌入式应用中使用嵌入式实时操作系统越来越广泛，嵌入式操作系统依然 呈现百花齐放的态势，以l i n u x 为代表的开源操作系统的应用逐渐成熟和稳定，在消费 电子产品上优势很大；各种私有的嵌入式操作系统在针对汽车军事、无线传感网、智能 卡等行业依然占据重要地位；面向移动互联网装置、面向安全的嵌入式操作系统将大有 前途t 5 1 。 嚣 酋先，嵌入式实时操作系统增强了系统的可靠性。通过运行系统监控进程对有严重 问题的进程进行修复。一般情况下此系统监视多个进程运行情况，如果遇到进程适行的 异常情况，系统采取一些措施，目的是为了让系统稳定。 麓 ， 其次，提高系统开发效率，减少开发的时间周期。嵌入式实时操作系统环境中开发 一个非常复杂的程序，一般情况可以根据软件工程的解祸原则程序分成各个功能任务模 块，而且各模块之间的开发与调试互不影响。 最后，3 2 位c p l 的多任务潜能在嵌入式实时操作系统得到了充分的应用。由于芯 片采用了提高系统稳定性和可靠性的设计，使得系统更稳定。如用户可以从硬件和软件 两个方面保护实时内核【2 】。 ( 3 ) 常见的嵌入式操作系统 目前使用广泛的嵌入式操作系统有l i n u x 、v x w o r k s 、w i n d o w sc e 、u c o s i i 、e c o s 、 q n x 等，下文将列举这几种相对常见的嵌入式操作系统特性，作为设计选择参考。 嵌入式l i n u x l i n u x 操作系统是完全开免费使用、放源代码以及非商业用途的自由传播的操作系 统，拥有丰富的第二方应用软件，多数自由软件都能够在l i n u x 系统上运行。经过不断 完善升级，l i n u x 已经发展成一个遵循p o s i x 标准的纯3 2 位多用户多进程操作系统。 嵌入式l i n u x 具有嵌入式操作系统的特性，许多公开的代码可以参考和移植，而且 完全免费使其在价格上极具竞争力。l i n u x 内核的特点是内核小、效率高，更新速度很 快；l i n u x 内核可定制，其系统内核最小只有约1 3 4 k b 。l i n u x 适用于多种c p l s 和硬件平 基丁嵌入式a t l m 7 和以太网监测电压参数的研究 台，是一个跨平台的嵌入式系统。l i n t m 可以支持a r m 、a l p h a 、m 6 8 k 、m i p s 、p o w e r p c 、 i n t e lx 8 6 、s p a r c 、m i c r o b l a z e 等二三十种c p u 。l i n u x 具有丰富的可配置组件，比如 文件系统、设备驱动程序、内存管理、网络、多媒体等等【6 】o l a c l i n u x 是从l i n u x 2 0 2 4 内核派牛出来的，继承了主流l i n u x 的绝大部分特性。 它是专门针对没有m m e 的c p u 以及小型化工作的。如本文用到的a p x m t t d m i ，它通常用于 具有很少内存或f l a s h 的嵌入式系统。i _ t c l i n u x 仍然保留了l i n u x 的很多优点：稳定可 靠、良好的移植性和网络功能，对各种文件系统完备的支持，以及标准丰富的a p i 等【2 1 。 v x w o r k s v x w o r k s 操作系统是美国w i n d r i v e r 公司于1 9 8 3 年设计开发的一种嵌入式实时操作 系统( r t o s ) ，是嵌入式开发环境的关键组成部分，具有高可靠性、高实时性、高性能、 组件丰富可裁剪的微内核结构，以及友好的用户开发环境。 v x w o r k s 性能优越，开发调试便利，而且有强大的技术支持，但是昂贵的价格让开 发者望而却步【6 】。 u c o s i i u c o s i i 是一个源码公开、可移植、可固化、可裁剪及占先式的实时多任务操作系 统，其绝大部分源码是用a n s ic 写的。u c o s i i 还通过了联邦航空局( f a r ) 商用航行器 的认证，符合r t c a ( 航空无线电技术委员会) d o - 1 7 8 b 的标准，此标准是为航空电子设备 所使用软件的性能要求而定制的。自1 9 9 2 年问世以来，u c o s i i 已被应用到数以百计 的产品当中1 6 j 。 1 2 电压参数监测的研究现状 在国家提出全面建设小康社会、构建资源节约型、环境友好型社会丰义和谐社会的 方针时，电力电子与电力传动就面临着强大的机遇。电力电子技术及电力电子装置已日 益广泛地应用和渗透到能源、环境、制造业、国防等等行业中。其中电力电子应用技术 研究内容丰要有电力牵引、电机驱动等，在发达国家，约4 0 能源是通过电能形式消耗 的，而总电能的5 0 n6 0 又用于电机驱动场合【7 1 。 在工业电力传动现场的实际应用过程中，常常需要对现场的设备进行监测。通过采 集设备的运行参数，就能实时了解、跟踪设备的运行状态，进而对设备进行分析和诊断。 比如，工业中广泛接受并采用的基于测量终端电压的无传感器技术来控制无刷直流电动 机，而这种技术就是在嵌入了a d 转换器的微控制器中实现的。并呈现出向低功耗、精 控制、小存储容量的优势【8 】。 随着信息化，网络化的快速发展，智能仪器，自动测量系统，网络化仪器等的出现 标志这现代电子测量仪器系统正向着智能化、小型化、模块化、自动化以及开放式系统 方向发展。 6 两华大学硕士学位论文 综上所述，伴随着微电子技术、测量控制技术、计算机技术和通信技术等技术不断 进步和彼此渗透，更加有效地促进了智能化仪器仪表、网络化仪器等电子产品的迅速发 展，并趋向于体积小、功耗低、精度高、精确控制、多功能以及网络化等方向发展。 这些与嵌入式系统的发展和特点不谋而合，使得智能化电子产品向着更高速、更灵敏、 更便捷、更可靠地获取被检测对象的全方位信息方向迈进【9 】。 1 3论文的研究内容和结构 以下是论文的宅要内容： 。 ( 1 ) 熟悉硬件平台的各个功能模块，如本文用到的i p c 2 2 0 0a r m 核、存储器模块、 a d 模块、串口通讯模块以及以太网模块等等。 ( 2 ) 熟悉系统的软件平台，包括操作系统、应用软件和驱动程序。熟悉l _ t c l i n u x 操 作系统，a d 模块的驱动程序，t c p i p 协议以及涉及的应用程序。 x ( 3 ) 建立交叉编译环境，在w i n d o w s 操作系统下建立虚拟的r e dh a t9 0 操作系统， 并在r e dh a t9 0 操作系统下建立与监测设备一样的g c l i n u x 运行环境，从而在 此环境中开发监测系统所需的驱动程序和应用程序。 ( 4 ) 实现交替轮询地监测两路电压参数，并通过以太网传输至监测端。从而实现电。 压参数的实时监测。 谚 tb 。鬣 7 基于嵌入式a r m 7 和以太网监测电压参数的研究 2 a r m 7 嵌入式监测系统平台的构建 嵌入式系统设计已经成为现代计算机应用的一大领域，也成为现代计算机发展的方 向。嵌入式系统可以应用在非常多的领域，随着应用差异性和复杂性的不断增加，使用 嵌入式操作系统将成为嵌入式系统未来发展的方向。因为使用嵌入式实时操作系统 ( r t o s ) 可以更合理、更有效地分配c p u 资源和其他资源，简化应用软件的设计，缩短系 统开发时间，保证系统的实时性和可靠性。本文使用的是嵌入式i x c l i n u x 实时操作系统。 嵌入式操作系统和通用型操作系统( 比如桌面操作系统) 有很大的不同【l 叭。下面介绍a i l 1 7 系列的嵌入式最小系统。 一个嵌入式处理器芯片要工作必须给它供电，加上时钟信号和复位信号，若芯片没 有片内程序存储器，那么还需要加上存储器系统。然而大多数的a r m 7 处理器核的微控 制器都有调试接口，这部分虽然不是芯片工作所必需的，但是对于开发平台是很重要的， 所以把这部分也列入最小系统。 图2 1 最小系统构造图 f i g 2 1 t h es t r u c t u r eo fm i n i m u ms y s t e m 如图2 1 是嵌入式微控制器的最小系统构造图，下面对各部份进行介绍： ( 1 ) 存储器系统一般不需要自行设计，以为嵌入式微控制器内部已经设计了程序存 储器和数据存储器。 ( 2 ) 调试测试电路在开发过程中非常重要，因此也包含进最小系统构造图。 ( 3 ) 电源部分i 如图2 2 ，本文所用到的l p c 2 2 1 0 所用到的电源有四组：数字& 洲、 数字甜、模拟z 洲和模拟甜。 ( 4 ) 时钟信号：当前所有的微控制器都是时序电路，需要一个时钟信号才能正常工 作。l p c 2 0 0 0 系列的微控制器可以选择其内部自身的晶体振荡器设计时钟电路，也可以 选择外部电路产牛时钟。本文用到的l p c 2 2 1 0 是采用前者设计时钟电路。 两华人学硕士学位论文 ( 5 ) 复位及复位芯片配置：如图2 3 ，由于微控制器在上电时的状态并不确定，很有 可能造成微控制器不能正确工作。为解决这个问题，所有微控制器都有一个复位逻辑将 微控制器初始化为某个确定的状态。微控制器在复位后可能有很多中状态，具体复位到 何种状态是在复位的过程中决定的。复位逻辑可以通过三种方式来决定初始状态：只读 存储器中的数据决定；通过复位期间的引脚状态决定：通过前面两者共同决定【2 1 。 图2 2l p c 2 2 1 0 电源图 f i g 2 2 t h e p o w e ro fl p c 2 210 图2 3l p c 2 2 1 0 夏位图 f i g 2 3 t h er e s e to fl p c 2 210 2 1a r m 7 体系结构嗍 本文采用的a r m 7 系列中的l p c 2 2 1 0 ，下面简要介绍a r m 7 系列的体系结构和l p c 2 2 1 0 核，以及外围电路。 a r m 是微处理器行业的一家知名企业，该企业设计大量低功耗、高性能廉价、的r i s c 处理器、相关技术及软件。该公司的处理器能耗小、成本低、性能高。 9 基，嵌入式删7 和以太网监测电压参数的研究 2 1 1a r m 体系结构 a r m 是精简指令集计算机( r i s c ) ，设计外型小、性能高、结构简单、内核小、功耗 非常低。它的r i s c 结构特性是：一个大且统一的寄存器文件；装载保存结构，数据处 理不直接操作存储器，只通过寄存器的内容；寻址模式简单，所有装载保存的地址取 决于寄存器的内容和指令域；固定而统一的指令域，简化了指令的译码。 还有以下a r m 体系结构： ( 1 ) 每一条数据处理指令都是通过控制算术逻辑单元和移位器实现的，使得算术 逻辑单元和移位器使用率最大化。 ( 2 ) 地址的自动增加或减少实现了程序的循环。 ( 3 ) 多寄存器装载和存储指令使得数据吞吐量最大化： ( 4 ) 所有指令的条件执行使得代码执行的快速化。 另外，体系结构版本从v 1 发展到v 5 ，寻址空间从2 6 位到3 2 位发展。本文用到的 处理器属于v 4 版本，此版本的特点如下： v 4 版本不再要求与以前2 6 位体系结构版本兼容，它清楚地指明了哪个指令会引起 未定义指令异常发生。 ( 1 ) 增加半字加载存储指令。 ( 2 ) 字节和半字的加载指令以及符号扩展指令( s i g n - e x t e n d ) 。 ( 3 ) 在t 变量中转会到t h u m b 状态的指令。 ( 4 ) 使用用户模式寄存器的新的特权处理模式。 2 1 2a r m 7 一t d m i a r m 7 t d m i 是基于a r m 体系结构的v 4 版本，是目前低端的a r m 核( 不是芯片，a r m 核 与其他部件如r o m 、r a m 、片内外设组合起来才构成现实的芯片) ，具有广泛的应用。它 是从a r m 6 的基础上发展起来的。a r m 7 增加了6 4 位乘法指令( m ) 、支持片上调试( d ) 、高 密度1 6 位t h u m b 指令扩展( t ) 和e m b e d e d l c e 观察点硬件( i ) ，形成了a r m t t d m i 。 a r m 7 t d m i 是a r m 3 2 位通用微处理器家族中的一个成员，其结构也是基于精简指令集 计算机原理设计，具有以下特点： 、 ( 1 ) 指令吞吐量高。 ( 2 ) 实时中断响应性能强。 ( 3 ) 小的、高性价比的处理器宏单元。 a r m 7 t d m i 处理器采用取值、译码和执行三级流水线。其采用冯诺依曼( v o nn e u m a n n ) 结构，亦指令和数据共用一条3 2 位总线。a r m 7 t d m i 处理器具有存储器接口设计，减少 了对存储器的使用。而且对速度有严格要求的控制信号使用流水线，实现了系统控制功 能的低功耗逻辑标准。这些控制信号是许多片内和片外存储器技术充分利用了“快速突 l o 两华大学硕士学位论文 发访问模式”。 一， 2 1 3 处理器 a i l m 7 t d m i 处理器包含处理器状态和模式。其中处理器状态有以下两种： ( 1 ) a r m 状态：3 2 位，这种状态下执行字方式的a r 指令 ( 2 ) t h u m b 状态：1 6 位，这种状态下执行半字方式的t h u m b 指令 如表2 1 ，7 种处理器模式：用户、快中断、中断、管理、中止、未