（电气工程专业论文）基于嵌入式系统的新型牵引供电系统监控装置研究.pdf

权书 1 1 1 1 1 1 1 l l l l l l i i l l l l l l l l l l l l i i 17 8 0 9 0 5 留、使用学位论文的规定。特 容编入有关数据库进行检索， 保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 一签旗研聊躲讹刎 签字日期：o 。幻年6 月) 角 签字日期：为f d 年石月培日 基于嵌入式系统的新型牵引供电系统监控装置研究 m o n i t o r i n gd e v i c et y p ef o rt h et r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m w h i c h b a s e do ne m b e d d e ds y s t e m 作者姓名：宋海峰 导师姓名：刘志刚 学位类别：工学硕士 学科专业：电气工程 学号：0 6 1 2 1 9 1 3 职称：教授 学位级别：硕士 研究方向：电力电子与电力传动 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 等同学对我论文中的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的妻子及父母，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我 的学业。 故障诊断以及历史数据的查询功能。因此，在技术和应用层面上，高性能低功耗 的新型监控装置的研究和开发具有重要的实际意义。 基于以上考虑，本文设计了基于嵌入式系统的牵引供电系统监控装置。作者 在硕士论文期间，对a r m 芯片内核结构、嵌入式系统实时操作系统平台定制、嵌 入式系统驱动程序开发等方面内容进行了系统的学习与研究，并在此基础上针对 牵引供电系统监控装置的应用场合及工程现场实际需要完成了基于a r m 芯片和 w i n d o w sc e 操作系统的牵引供电系统监控装置终端软硬件平台丌发。 本文所设计的监控装置选择$ 3 c 2 4 4 0 作为监控装置的处理核心。在此基础上， 针对能馈式牵引供电系统的应用需求，在硬件方面进行了l c d 、触摸屏、以太网、 u s b 接口、网络接口等设计工作；在软件方面构建了适合牵引供电系统监控装置 功能需求的w i n d o w sc e 嵌入式操作系统，完成了包括板级支持包的修改、内核裁 剪、w i n d o w sc e 操作系统的定制与调试等平台搭建工作，并且通过e m b e d d e d v c + + 编写应用程序实现了人机交互界面、u d p 网络通信、实时数据显示与记录、 故障诊断等功能。 在各章节中和本文的最后给出了本监控装置的实际运行结果，通过实验证明 本文所提出的监控装置充分实现了设计初衷，相信有很好的应用前景。 关键词：嵌入式；$ 3 c 2 4 4 0 ；w i n d o w sc e ；e m b e d d e dv c + + ；虚拟仪器； 分类号：t m 9 3 ； i l p l i n t e r a c t i o ni nt r a c t i o np o w e rs u p p l ys u p e r v i s i o ns y s t e m f u n c t i o n ss u c ha ss t a t u s i n s p e c t i o n ，f a u l td e t e c t i o na n dc e n t r a l i z e dc o n t r o la n dr e g u l a t i o no ft h ep o w e rs u p p l y s y s t e ma r er e a l i z e dv i as u p e r v i s i o nd e v i c e i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n t o fu r b a nr a i lt r a n s i ts y s t e m ，t h ed i s p l a yt e r m i n a li sr e q u i r e dt of u l f i l lm o r ef u n c t i o n s ： a b u n d a n tg r a p h i c a lo p e r a t i o ni n t e r f a c e ，h i g hs p e e dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n ，t oo b t a i n t h er e a l t i m es t a t u so fp o w e rs u p p l ys y s t e m ，f a u l td e t e c t i o na n dh i s t o r i c a ld a t ai n q u i r y t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fn e ws u p e r v i s i o nd e v i c e o fh i g h p e r f o r m a n c ea n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o ni sam a t t e ro fs i g n i f i c a n c ei nb o t ht e c h n i c a l a n da p p l i c a t i o nd o m a i n t h ea u t h o rh a sc o n d u c t e das y s t e m a t i cs t u d ya n dr e s e a r c ho fa r mk e r n e ls t r u c t u r e ， t h ec u s t o m i z a t i o no fr e a l t i m eo p e r a t i o ns y s t e mp l a t f o r ma n dt h ed r i v e rd e v e l o p m e n to f e m b e d d e ds y s t e mb e f o r ef i n i s h i n gt h i st h e s i sa n df i n i s h e dt h ed e v e l o p m e n to fd i f f e r e n t t e r m i n a ls o f t w a r ea n dh a r d w a r ep l a t f o r m so ft r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e ms u p e r v i s i o n d e v i c eb a s e do na r ma n dw i n d o w sc et h a tc o u l db eu s e di nd i f - f c r e n ts i t u a t i o n s $ 3 c 2 4 4 0i ss e l e c t e dt ob eu s e da sp r o c e s s i n gc o r eo ft h es u p e r v i s i o nd e v i c ei nt h i s s y s t e m o nt h i sb a s i s ，i nt h el i g h to ft h ea p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n tt h ee n e r g y f e e d b a c k t r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e ms h o u l dm e e t ，l c d ，t o u c hp a n e l ，u s bi n t e r f a c ea n d n e t w o r ki n t e r f a c e a r ed e s i g n e di nt h ed o m a i no fh a r d w a r e ，w h i l ew i n d o w sc e e m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e mi se s t a b l i s h e d ；p l a t f o r mb u i l d i n gs u c ha st h em o d i f i c a t i o n a n dk e r n e lc u t t i n go fb o a r ds u p p o r tp a c k a g ea n dd e b u g g i n go fw i n d o w sc e o p e r a t i o n s y s t e ma r ef i n i s h e d ；f u c t i o n ss u c ha sm a n m a c h i n ei n t e r a c t i o ni n t e r f a c e ，u d pn e t w o r k c o m m u n i c a t i o n ，t h ed i s p l a ya n dr e c o r d i n go fr e a l t i m ed a t aa r er e a l i z e dv i aa p p l i c a t i o n i nt h ed o m a i no fs o f l w a r e k e y w o r d s ：e m b e d d e d ；$ 3 c 2 4 4 0 ；w i n d o w sc e ；e m b e d d e dv c + + ；v i r t u a li n s t r u m e n t c l a s s n o ：t m 9 7 ； ，l l l 1 引言1 1 1课题背景1 1 2国内外发展现状2 1 3选题意义。3 1 4主要研究工作4 2嵌入式监控装置概述5 2 1新型牵引供电系统概述5 2 2 基于嵌入式系统的监控装置总体设计一6 2 2 1 监控装置的主要设计要求6 2 2 2 监控装置总体设计方案7 2 3 小结9 3嵌入式系统平台1 1 3 1 嵌入式系统简介1 1 3 2几种典型的嵌入式操作系统简介1 1 3 2 1l i n u x 系统1 1 3 2 2w i n d o w sc e 系统1 2 3 2 3n u e l e u s 系统1 3 3 2 4v x w o r k s 系统1 3 3 3嵌入式系统微处理器1 4 ， 3 4 $ 3 c 2 4 4 0 控制主板的硬件实现1 5 i 3 5小结1 5 l 4嵌入式系统硬件结构1 7 4 1以太网口的实现1 7 4 2电源模块1 9 4 3s d 卡2 0 4 4触摸屏模块2 0 4 5显示模块2 2 4 6j t a g 模块2 4 4 7其他接口电路的设计2 5 、 i l 5 3 1p l a t f o r mb u i l d e r 简介及主要开发特性3 2 5 3 2w i n c e 系统定制编译3 4 5 4w i n c e 系统的下载与运行3 6 5 5建立与安装s d k 3 9 5 6，j 、结z 1 0 6应用程序的开发4 1 6 1系统的构成4 1 6 2监控装置软件的构架4 2 6 2 1 数据处理的流程一4 2 6 2 2 监控软件的页面结构4 3 6 3监控装置软件详解4 3 6 3 1 父类c c r y s t a l d l g 4 3 6 3 1 1c u d pc e 类4 3 6 3 1 2 c c r y s t a l d l g 对u d p 的处理4 4 6 3 1 3 c c r y s t a l d l g 对t a b 页的操作。4 6 6 3 2 子类c t a b p a g e l 4 6 6 3 2 1 加载图像的操作4 6 6 3 2 2 参数的文本框显示4 7 6 3 3 子类c t a b p a g e 2 4 7 6 3 3 1 波形的绘制4 7 6 3 3 2 通道的选择4 9 6 3 3 3 文件的操作4 9 6 3 4 子类c t a b p a g e 3 。5 0 6 3 4 1 参数的传递5 0 6 3 4 2u d p 数据报的发送5 0 6 3 5 子类c t a b p a g e 4 和c t a b p a g e 5 。5 1 6 3 5 1 远程控制的实现。5 2 6 3 5 2 故障信息的显示5 2 6 4j 、结5 2 -_l_j_ll 城市轨道交通具有快速、运量大、低噪音、舒适安全、节能环保等诸多优点， 自问世后便显现出其特有的优势，成为世界各国解决同益严重的城市交通问题的 首选。我国城市轨道交通的发展已经经历了4 0 年的历史，越来越多的城市建立了 城市轨道交通线路。未来，城市轨道交通系统将能承担5 0 8 0 的城市交通客流 量。可以预计，我国的城市轨道交通和高速铁路一样，拥有庞大的市场潜力，这 在一定程度上可带动相关机电、材料产业的发展，经济效益是非常明显的。 目前，城市轨道交通主要采用7 5 0 v 和1 5 0 0 v 直流供电制式。一般采用1 2 脉 波或2 4 脉波二极管整流，这种二极管整流器沿用至今已经有几十年历史，它的最 大优点是由于二极管不需要控制，因而装置的结构简单、性能很可靠，而且经过 长时间的应用，技术也比较成熟。但是它也存在着一些问题：直流电压不可控、 电压波动大、对交流电网的谐波污染大。此外，由于城轨车辆需要频繁的起动和 制动，而在车辆快速启动时，需要的牵引功率大，由二极管整流输出的直流电压 会迅速跌落；在车辆制动时，为了防止直流电压升高超过限制值，只能用电阻将制 动能量消耗掉，造成能量的极大浪判。 以冲量等效原理为基础，1 9 6 4 年，德国的a s c h o n u n g 等人率先提出了脉宽调 制变频的思想，即p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) ，他们把通信系统中的调制技术推 广应用于交流变频器。p w m 整流器的研究始于2 0 世纪8 0 年代，这一时期由于自 关断器件的r 趋成熟及应用，推动了p w m 技术的应用与研究。到2 0 世纪8 0 年代 末，随着a w g r e e n 等人提出了基于坐标变换的p w m 整流器连续、离散动态数学 模型及控制策略，p w m 整流器的研究发展到了一个新的高度。 总体来讲，p w m 整流器可以具有如下优良性能( 2 j = ( 1 ) 网侧电流为正弦波，可以减少甚至避免谐波污染； ( 2 ) 网侧功率因数控制，如单位功率因数控制； ( 3 ) 电能的双向传输。p w m 整流器既可以将电网输入的交流电压整流为输 出的直流电压。方便地将直流逆变为交流，回馈到电网中去，实现牵引与再生工 况间快速平滑的转换。由于这种p w m 整流器能很方便的在整流或逆变的四象限内 运行，最初也称它为四象限变流器； ( 4 ) 较快的动态控制响应，可以使整流得到的直流电压更加趋于稳定。 城市轨道交通供电系统是整个城市轨道交通系统能量的来源，必须保证供电 系统在具有较高的可靠性的条件下，提供良好的电能质量。在设计供电系统时， 要求供电质量良好，以避免供电系统的波动损坏电力机车等用电设备。同时，还 要求供电系统具有解决网侧谐波干扰的功能。城市轨道交通新型供电装置就是在 p w m 整流器技术背景下，将p w m 整流技术应用到牵引供电领域，实现对传统牵 引供电系统的改进，以达到减少网侧谐波、稳定直流侧电压以及在列车制动时回 馈再利用制动能量的目的。 作者所在的课题组承担了国家科技支撑计划所支持的城市轨道供电能馈式牵 引供电装置的研制工作，采用p w m 整流器的新型拓扑，有效地解决了传统二极管 整流器所存在的问题。新型牵引供电装置有效地减少了交流电网侧的谐波，并且 交流侧功率因数完全可控，动态相应快。最为重要的是，采用p w m 整流器后，交 直流两侧的能量可以实现双向流动，这对于处于制动工况的车辆来说，其再生制 动产生的能量可以通过供电装置回馈交流电网，大大减少了能量的浪费，对于节 能减排具有十分积极的意义【3 l 。 为了保障城市轨道交通新型供电系统调试及运行的正常，本文设计基于嵌入 式系统的新型供电系统监控装置。 1 2 国内外发展现状 新型能馈式牵引供电系统研究具有很强的创新意义，它比传统的供电系统在 多个方面有明显的优势，主要体现在：通过完成牵引供电与制动能量回馈两种模 式的自动转换，实现动车制动能量的再生利用，具有显著的节能效益：除此之外， 系统的谐波含量和功率因数均有所改善。鉴于此，国外同类产品也正在积极地研 制之中。在世界范围内，城市轨道交通新型供电系统的研究刚刚起步，我国与世 界水平的差距还很小。 此外，在工业控制领域，随着技术水平的不断提高，各种现场总线技术被开 发出来，如c a n ，p r o f i b u s 等。以太网技术原来只是一种局域网技术，而近几 年其发展速度惊人，并开始突破局域网的限制，走向了城域网，呈现出向广域网 络扩张的态势。目前，以太网已成为世界上应用最为广泛的计算机网络，它遵循 国际标准规范，传输速度快，可以满足实时性要求。 与此同时，随着以计算机技术、通信技术和软件技术为核心的信息技术的迅 速发展，嵌入式系统在各行业都得到了广泛的应用，极大地推动了行业的渗透性 应用。嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机，在制造工业、过 程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品 2 等均是嵌入式计算机的应用领域。 嵌入式系统通常有以下特剧4 l ： ( 1 ) 系统内核小。由于嵌入式操作系统需要固化在存储器芯片内，系统资源 相对有限，所以内核远小于传统的操作系统。 ( 2 ) 专用性强嵌入式系统是面对应用的，其软件系统和硬件的结合紧密，一 般要针对硬件进行系统软件的移植，需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修 改。 ( 3 ) 系统精简。嵌入式系统一般具有成本敏感性，其硬件和软件都必须高效 率地设计，量体裁衣去除冗余，实现具备目标功能的最小系统。 通过查阅相关文献资料得知，目前，将嵌入式技术应用到牵引供电系统应用 实例较少，而使用传统仪器仪表测量有诸多劣势，其具体情况在1 3 中阐述。 本文的重点是完成基于嵌入式系统的新型能馈式牵引供电系统监控装置的设 计，监控装置相关参数的传输是通过以太网实现的，上层晃面是通过虚拟仪器实 现的。 因此，本文研究的监测控制平台在数据传输方面具有了以太网传输的优势， 在监测界面方面具有嵌入式系统的优势。 1 3 选题意义 城市轨道交通新型供电系统，要求供电质量良好，且具有解决网侧谐波干扰 的功能。为了保障供电系统调试及运行的正常，要求对供电系统动态过程中的各 电气参量、温度值及开关量等进行测量、传输、显示、存储及故障诊断，方便用 户观察数据、分析数据。而目前测量电参数主要依靠示波器、电压表、电流表以 及万用表等仪表装置，这些仪表的大量使用会影响p w m 整流器的j 下常运行、威胁 技术人员人身安全、使调试过程复杂化等，急需开发一种新的技术来代替传统的 测量仪器。 此外，之前设计的牵引供电系统监控平台又存在结构较为庞大，造价较高等 多种劣势。 为了解决以上问题，本文设计了基于嵌入式系统的监控装置。本监测控制装 置具有以下的优势： ( 1 ) 监控数据量大：可完成大量数据的实时高效的测量、传输、显示及存储。 ( 2 ) 较高的安全性：数据检测方便，不必频繁地使用示波器及其他测量仪器， 减少了人与强电接触的机会，提高了安全性。 ( 3 )降低成本：采用嵌入式系统设计及虚拟仪器技术，减少了测试系统的 3 硬件环节，降低了系统的开发和后期维护的成本。 ( 4 ) 设备精简：采用嵌入式系统主机设计方案减少了设备体积与设备数量。 ( 5 ) 良好的人机界面：采用e v c 程序编写的程序具有良好的人机界面。波 形显示通过基于e v c 的虚拟示波器显示，实现与传统仪器面板相似的图形界面显 示，用户可根据个人爱好定义自己所喜爱的面板形式，人机界面良好。 ( 6 ) 主控参数可更改：使用设计的控制器，设计者可以在工作条件恶劣的调试 及维修现场随时修改供电系统主控板的控制参数。 1 4 主要研究工作 本文设计的监控装置的研究对象是城市轨道交通新型能馈式牵引供电系统。 为了实现对牵引供电系统的监控任务，采用传感器、信号调理电路、d s p 及外围 电路、以太网通信传输单元等构建了基于嵌入式系统的监控平台，并通过e v c 编 写程序实现了监测子系统上位机平台设计。 根据科研及工程项目的实际需要，本文的研究内容主要分为以下几个方面： 第一章：引言。介绍了课题的背景及国内外发展现状，提出了本文的主要研 究工作及选题意义。 第二章：嵌入式监控装置概述。介绍了新型能馈式牵引供电系统的结构以及 供电系统监测控制装置的设计要求，提出了监控装置的总体设计方案。 第三章：嵌入式系统平台丌发。介绍了嵌入式系统的基本特点，针对目前几 种嵌入式操作系统的优缺点进行比较以及监控装置所选择的三星公司s 3 c 2 4 4 0 芯 片的优缺点，并提出了硬件实现的基本方案。 第四章：嵌入式系统硬件结构。从c p u 、存储模块、触摸屏模块、显示模块 以及j t a g 模块等方面介绍了嵌入式系统硬件结构。 第五章：w i n d o w sc e 系统软件平台的定制。主要介绍了w i n d o w sc e 系统的 定制丌发流程及创建基本操作系统的各项工作情况。 第六章：应用程序开发。介绍了基于e v c 的嵌入式系统程序开发的步骤，以 及根据监控装置的实际需要编写应用程序的情况。 第七章：总结。对已完成工作进行总结，并提出不足。 4 城市轨道交通牵引供电系统中，为了降低制动能量在列车制动电阻上的耗散， 抑制直流电压过高主要采用电阻耗能型、电容储能型、飞轮储能型和逆变回馈型 四种方式。设置再生制动能量吸收装置的供电系统区别于传统的二极管不控整流 供电系统，又被称为城市轨道交通新型供电系纠3 1 。 电阻耗能型再生制动能量吸收装置控制简单，其主要缺点是再生制动能量消 耗在吸收电阻上，不能加以利用；并且电阻散热也导致环境温度上升，因此当该 装置设置在地下变电所内时，电阻柜需单独放置，而且该房间需采取措施保证有 足够的通风量，需要相应的通风动力装置，这也就增加了相应的电能消耗【2 1 。 电容储能型或飞轮储能型再生制动能量吸收装置需要设置体积较为庞大的电 容器组和转动机械飞轮装置作为储能部件，因此应用实例较少。 目前，城市轨道交通牵引供电系统对于实现交流侧单位功率因数运行，输出 直流特性可控、尤其是在车辆处于制动工况是，直流侧的多余能量可以向交流侧 回馈等方面的要求是十分迫切的。为了达到上述目标，本文所监控的新型能馈式 牵引供电系统逆变回馈型，该系统不同于传统的二极管不控式牵引供电系统，采 用p w m 整流器作为系统中基本的整流单元，直流侧输出特性完全可控，通过闭环 反馈控制保证牵引接触网的直流牵引电压水平；交流侧可以实现单位功率因数云 新，同时谐波含量大大降低；在车辆的制动过程中，装置可以自动将电流侧积累 的过剩能量逆变为交流能量回馈到交流电网。此举提高了再生能量的利用率，节 能效果好，并可减少列车制动电阻。其能量直接回馈到电网，既不要配黄储能原 件，又不要配置吸收电阻，因此对环境温度影n l j j d , 。 在新型牵引供电系统中，交流侧电压等级为l o k v , 直流侧电压7 5 0 v ，采用双 边供电方式。为了扩大容量，同时提供一定的冗余以保证系统运行的可靠性，系 统在结构上采用多个p w m 整流器单元并联的方式。每个牵引变电所内采用两个整 流器模块并联工作。其具体结构如图2 1 所示。 5 图2 1 新型城市轨道交通牵引供电系统主电路结构 f i g u r e2 1s t r u c t u r eo ft r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m 这种双整流器模块、四p w m 整流器单元的系统构成方式，为系统提供了充足 的容量和很高的可靠性；当变电所内的某个p w m 整流器单元发生故障时，可以在 线地断丌取下进行检修调试，其他p w m 整流器单元的输出自动增加，弥补功率缺 口，从而不影响整个牵引变电所的正常输出。另外，当变压器处于检修阶段时， 可以对两个整流器模块内的变压器分别进行操作，其他的整流器模块不停机，并 且可以正常运行。 2 2 基于嵌入式系统的监控装置总体设计 2 2 1 监控装置的主要设计要求 由上文的分析，本文所要设计的基于嵌入式系统的监控装置必须满足以下几 个方面的功能要求： ( 1 ) 通过完整的嵌入式系统结构，监控装置可以实现对整个供电系统的监 测控制功能。 ( 2 ) 监控装置显示实时性好，反馈命令及时、准确。 ( 3 ) 能够准确对于接触器状态、交流侧三相线电压和线电流、直流电压和 电流、相关的温度信号以及故障保护信号等合集1 3 路模拟信号和1 8 路数字信号 进行实时监控。 6 ( 7 ) 嵌入式系统具有二次应用软件开发的功能。 2 2 2 监控装置总体设计方案 对于新型牵引供电系统，整个系统可以分为主电路部分、主控部分、监测控 制部分。主电路部分主要由变压器及p w m 整流器单元构成。主控部分只要由主控 制板、c p l d 单元以及功率驱动模块构成。本文主要研究监测控制部分，即设计和 实现基于嵌入式系统新型供电系统的监控装置。主电路部分和主控部分不在本文 的研究范围之内。 监控部分的监控对象是p w m 整流器单元。根据上文所提到的设计要求，本文 设计的新型牵引供电系统的监控装置结构如图2 2 所示。 ： ；主电路0 一 d：+ i o 哑 6 a c ： 呻 7 5 0 v d c 图2 2 新型牵引供电系统监控结构图 f i g u r e2 2s t r u c t u r eo fc o n t r o la n dd i a g n o s es y s t e mf o rn o v e lt r a c t i o ns u p p l ys y s t e m 基于嵌入式系统的监控装置的设计主要分为硬件部分设计和软件部分设计两 个方面。硬件设计部分主要包括嵌入式系统的硬件结构的设计；软件部分主要由 7 除了配合处理器工作的s d r a m 与f l a s h 电路以外还需要扩展一系列外围接口。这 其中主要包括用于系统调试接口的一个串口，用于外接鼠标和键盘以及a c t i v e s y n c 同步的u s b 接口，用于实现u d p 协议的有线网络通信接口和j t a g 调试接口等。 由于监控装置是通过触摸屏完成各类操作指令，因此需要开发触摸屏接口。同时， 显示系统是监控装置的重要模块，通过合适的显示屏完成人机交互界面的实现。 u s u l 一一 i 网l i 口 一j 串 口。 b 接口 l 坚垒鱼堡旦 _一 。-。 总线接口 接口板 s d m m c ；读卡器； 【，一 厂慈摸屏接口_ _ 图2 3 嵌入式主机结构图 f i g u r e2 2c h a r to fe m b e d d e dh o s t 监控子系统的下位机系统主要由多路传感器、信号调理板、监测板以及网络 通信传输单元构成。其中，多路传感器实时采集p w m 整流器单元电压、电流、温 度等参数。多路传感器的采集信号以及p w m 整流器单元的状态信号等模拟量、数 字量分别通过模拟量调理电路、数字量调理电路转换成底层监测板d s p 可以识别 的电信号，然后送给通电系统主控制板和监测系统的底层监测板中。监测板d s p 对接收到的模拟量进行a d 转换，同时监测数字量的状态信息。主控板d s p 将 p w m 整流器发生故障时的故障信息以及系统运行的状态信息等通过串口传递给 监测板d s p 。监测板d s p 还负责对采集到的模拟量、数字量和信息量进行处理， 按照既定的通讯协议将这些数据组织成以太网数据帧所要求的形势，通过以太网 上传到嵌入式系统中。 嵌入式系统的软件部分主要负责计算处理p w m 整流器单元的各种运行数据、 状态信息等，并进行监测显示、存储、p w m 整流器单元模拟量的实时波形的显示、 实时查看主控系统的工况等。 8 9 3 嵌入式系统平台 3 1 嵌入式系统简介 嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪，适用于系 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。 嵌入式系统主要由硬件和软件两部分组成。嵌入式系统硬件由处理器或微处理 器、存储器及外设器件和i o 端口、图形控制器等组成。嵌入式系统不具有一般通 用计算机硬盘等大容量的存储介质，而使用e p r o m 、e e p r o m 或f l a s h 作为存储 介质。嵌入式处理器在功耗、体积、成本、可靠性、速度、电磁兼容性等方面均受 到应用要求的制约。嵌入式系统软件由嵌入式操作系统和应用软件组成。操作系统 控制应用程序与硬件的交- 瓦作用，应用程序控制系统的运作和行为。嵌入式系统通 常有以下特点1 4 5j ： 1 系统内核小。由于嵌入式操作系统需要固化在存储器芯片内，系统资源相对 有限，所以内核远小于传统的操作系统。 2 专用性强。嵌入式系统是面对应用的，其软件系统和硬件的结合紧密，一般 要针对硬件进行系统软件的移植，需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。 3 系统精简。嵌入式系统一般具有成本敏感性，其硬件和软件都必须高效率地 设计，量体裁衣去除兀余，实现具备目标功能的最小系统。 3 2 几种典型的嵌入式操作系统简介 3 2 1l i n u x 系统 l i n u x 是一套免费使用和自由传播的类u n i x 操作系统，它丰要用于基于x 8 6 系 列c p u 的计算机上。这个系统是由世界各地的成千上万的程序员设计和实现的。其 目的是建立不受任何商品化软件的版权制约的、全世界都能自由使用的u n i x 兼容产 品【6 ，7 1 。 l i n u x 的基本思想有两点：第一，一切都是文件；第二，每个软件都有确定的 用途。其中第一条详细来讲就是系统中的所有都归结为一个文件，包括命令、硬件 ( 2 ) l i n u x 的核心代码是开放的，所有人都可以根据自己的意图修改和定制开发 适合自己的产品。 ( 3 ) l i n u x 内核代码易于裁减，可以根据应用具体需要增加或者裁减某些功能， 以适应产品的需要。 ( 4 ) l i n u x 操作系统的界面不是很友好，很多用户不适应其操作习惯。 ( 5 ) l i n u x 操作系统上的开发软件较少。 3 2 2w i n d o w sc e 系统 w i n d o w sc e 是微软公司出品的一款多平台、可裁剪的3 2 位嵌入式操作系统， 其具有多线程、多任务、软实时和完全抢先式优先级的操作系统环境，其模块化结 构设计为快速建立下一代智能移动和小内存占用的设备提供了有力的支持。它具备 完整的操作系统特性集包和端对端开发环境，包括了创建一个基于w i n d o w sc e 的 定制设备所需的一切，例如：强大的联网功能、强劲的实时性和小内存体积占用以 及丰富的多媒体和w e b 浏览功能，模块化设计允许它对从掌上电脑到专用的工业控 制器的用户电了设备进行定制【6 ，刀。 w i n d o w sc e 支持多种处理器产品，包括x 8 6 、a r m 、x s c a l e 、m i p s 等系列， 同时允许开发人员根据所选的硬件开发相应的板级支持包b s p ( b o a r ds u p p o r t p a c k a g e ) ，从而支持更为广泛的硬件平台。w i n d o w sc e 系统具有以下优缺点： ( 1 ) w i n d o w sc e 具有模块化、结构化和基于w i n 3 2 应用程序接口以及与处理器 无关等特点。 ( 2 ) w i n d o w sc e 操作界面虽来源于w i n d o w s 9 5 9 8 ，但w i n d o w sc e 是基于 w i n 3 2 a p l 重新开放的，新型的信息设备平台。 ( 3 ) w i n d o w sc e 被设计成能够在多种硬件平台( 如a r m ，m i p s ，p o w e r p c ) 上运 行。 ( 4 ) 支持w i n 3 2 a p i 的一个了集。同时，为开发人员提供熟悉开发平台( 包括可 以在p c 机上运行的模拟平台，以及e m b e d d e dv i s u a lc + + 和e m b e d d e dv i s u a l b a s i c ) ，使得有经验的w i n d o w s 开发人员可以很快地掌握w i n d o w sc e 的开发。 1 n u c l e u s 是美国著名厂商a t i 公司开发的产品，该系统的模块化性设计使它具 有比较好的定制能力。它具有以下特剧6 ，。7 j ( 1 ) 该系统购买时，可获得全部的源代码。并且一次性付费不用再为应用系统得 发售提供每套应用系统的版税。这使它比较受到科研单位和某些公司的欢迎。 ( 2 ) 它提供一个较好的实时性内核。 ( 3 ) 网络模块功能比较完善，同时还提供了w e b 产品。 ( 4 ) 开发工具比较友好，提供了在w i n d o w s 上的模拟平台及相应得开发调试工 具，易学易用，较好的支持了产品开发。 3 2 4v x w o r k s 系统 v x w o r k s 系统是美国w i n dr i v e rs y s t e m 公司开发的种实时操作系统，该公司 在实时操作系统领域被世界公认为是最具有领导力的公司。该系统是一个运行在目 标机上的高性能、可裁减的嵌入式实时操作系统。它以其良好的可靠性和卓越的实 时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领 域中，如卫星通讯、军事演习、导弹制导、飞机导航等。它的特点有1 6 ，7 j ： ( 1 ) 该系统具备一套实时操作系统开发环境- t o m a d o ，该环境与操作系统紧密结 合。 ( 2 ) 该系统的开放式结构和对工业标准的支持使开发者只需做很少的工作即可 设计有效的适合于不同用户要求的实时操作系统。 ( 3 ) 支持p o s i x l 0 0 3 1 b 用户接口实时扩展标准。 ( 4 ) 微内核结构( 最小结构 8 k b ) ，使得整个系统易于定制。 ( 5 ) 网络支持上满足t c p i p 标准，可以和i n t e r a c t 连接，符合发展潮流。 ( 6 ) 费用昂贵，需要为每份应用拷贝付费。 综合考虑牵引供电系统监控装置的实际需要以及现场工作人员的实际需要，本 文设计的监控装置采用w i n d o w sc e 为操作系统。 1 3 就是其推出针对开发高性能手持式以及便携式智能设备或终端的一款基于 a r m 9 t d m i 内核的1 6 3 2 位r i s c 处理器，拥有高性价比、低功耗等特点，支持 w i n c e 、l i n u x 、s y m b i a no s 多种操作系统。本系统采用$ 3 c 2 4 4 0 作为系统主 控芯片。 $ 3 c 2 4 4 0 是三星推出的一款基于a r m 9 2 0 t 内核的3 2 位r i s c 嵌入式微处理器， 它专为手持设备和一般应用而设计，能满足嵌入式系统中的低成本、低功耗、高性 能、小体积的要求。主频4 0 0 m ，最高可以达到5 3 3 m h z 。采用0 1 3 微米标准c m o s 技术制造，其小巧低功耗全静态的特点特别适合于价格和功耗敏感的系统设计。它 采用了一种全新的总线设计，即a m b a ( a d v a n c e dm 1 c r o c o n t r o u 正rb u s a r c h i t e c t u r e ) 。$ 3 c 2 4 4 0 集成了丰富的片上资源，使得开发者可以尽可能的减 少外围的设备部件，以降低系统成本【8 1 。 $ 2 c 2 4 4 0 片上资源主要包括： ( 1 ) 1 6 k b 指令和1 6 k b 数据高速缓存 ( 2 ) 一个l c d 控制器( 支持4 k 色s t n 和2 5 6 k 色1 r i 可液晶屏) ( 3 ) 外部存储控制器( s d r a m 控制和片选逻辑) ( 4 ) 三个通道的u a r t ( 5 ) 四个通道的d m a ( 6 ) 四个具有p w m 功能的计时器和一个内部时钟 ( 7 ) 8 通道1 0 位a d c ( 8 ) 触摸屏接口 ( 9 ) i i c 总线接口( 支持多丰机) ( 1 0 ) i i s 音频c o d e c 接口 ( 1 1 ) a c 9 7c o d e c 接口 ( 1 2 ) 2 通道u s b 主机接口，1 通道u s b 从机接口 ( 1 3 ) 2 个s p i 接口 ( 1 4 ) s d 卡接口和m m c 接口 ( 1 5 ) 看门狗计数器 ( 1 7 ) 1 3 0 个通用! o 口和2 4 通道外部中断源 1 4 3 4 $ 3 c 2 4 4 0 控制主板的硬件实现 主机的控制主板实现分为核心模块和外围电路模块。核心电路模块的实现主要 围绕r a m 、n a n df l a s h 、实时时钟等实现展开。外围电路模块主要围绕串口、j t a g 接口、以太网、u s b 接口等实现展开。 为了加快研发进度，采用核心板、接口板分离的形式，即：将$ 3 c 3 4 4 0 的最小 系统高度集成到核心板结构。而系统的外围设备，如以太网接口、u s b 接口、串口 等安排放置在接口板上。同时，这种方案为其他嵌入式产品提供了良好的移植性。 由于不同的应用需要不同的接口形式，但是所需要的最小系统大致相同。核心板的 设计和生产要求高，而且比较复杂，通常为6 层电路板；而接口板的设计和生产相 对简单，通常情况下采用2 层板即可满足设计需要。因此可以直接使用核心板开发 产品，以便节省开发时间。 3 5 小结 本章着重介绍了嵌入式系统及其操作系统的基本特点，监控装置所选择的三星 公司$ 3 c 2 4 4 0 芯片的特点和优点，以及嵌入式系统硬件结构。 层) + 外围设备( 2 层p c b 板) 的方案。核心板上配备6 4 m b 的n a n dh a s h 存储器和 6 4 m b 的s d r a m ，构成了核心处理模块。笔者按照牵引供电系统监控装置的软硬 件设计需求，以模块化方式添加外围电路： ( 1 ) 1 2 v 、5 v 、3 3 v 电源模块； ( 2 ) 1 0 4 英寸1 6 位色t i 叮彩色l c d ( 夏普l q l 0 4 v l d g 5 9 ) ： ( 3 ) c s 8 9 0 0 以太网控制器； ( 4 ) u s b