（电力系统及其自动化专业论文）新型便携式数据采集分析装置的研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文新型便携式数据采集分析装置的 研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教 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做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：期：区塑娃玖，衫 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不 同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：壹l 垒亟 日 期：迎! 膣：夕 导师签名：琴衣冬卿龟 华北电力大学硕士学位论文 第一章引言 随着社会现代化程度的提高，人们对电力供应的依赖性越来越高，优质、可靠、 稳定的电能是必需的。但是由于自然条件( 如雷击等1 、制造质量、运行维护等诸方 面因素的影响，电力系统中各组成部分( 发电机、变压器、母线、输电线、电抗器、 电容器、电动机等) 发生故障或异常运行工况是不可能完全避免的【1 】。 与此同时，随着电力系统的不断发展以及电网复杂程度的不断加大，系统故障 造成的损失也越来越大，对电力系统的影响也日益复杂。因此，丰富详尽的现场实 测数据，尤其是在电力系统发生故障或处于非正常运行状态情况下，电力系统的现 场数据将具有非常重要的价值【2 】。这就要求有自动装置在系统发生故障时能准确记 录系统在故障前和故障后的电流、电压的变化波形，以及有关开关量的变位顺序和 波形，用来分析故障原因、确定故障性质、寻找故障点并为分析继电保护装置动作 的正确性提供确切的定量数据。数据采集分析装置成为电力系统安全稳定运行的有 力保障。 1 1 我国电力系统数据采集分析装置的发展与现状 在我国不同的电压等级下数据记录装置的情况是不一样的。2 2 0 k v 5 0 0 k v 电 压等级的系统中，由于运行涉及系统稳定及系统电压频率崩溃等系统级的异常情 况，当发生故障的时候会给系统造成重大的影响，造成不可挽回的损失，所以必须 安装专门的故障录波装置【3 】【4 1 。故障录波器是电力系统发生故障及振荡时能自动记 录的一种装置，它可以记录因短路故障、系统振荡、频率崩溃、电压崩溃等大扰动 引起的系统电流电压及其导出量，如有功、无功及系统频率的全过程变化现象。主 要用于检测继电保护与安全自动装置的动作行为，了解系统暂态过程中系统各电参 量的变化规律，校核电力系统计算程序及模型参数的正确性f 5 】。故障录波器在电力 系统中有如下作用： 正确分析事故的原因并研究对策； 正确评价继电保护和自动装置的工作； 进行故障定位； 发现继电保护和自动装置缺陷，以便于改进和完善； 发现一次设备缺陷，及时消除隐患； 记录电力系统的振荡过程； 提供转换性故障和非全相运行再故障资料。 华北电力大学硕士学位论文 但是对于3 5 k v 及以下的系统由于电压等级较低，系统结构复杂，单独装设数 据记录装置并使其常年运行成本很高，同时大量的数据对系统安全分析实际作用也 不大，这就造成了资源和信息的浪费，所以一般没有专门的故障记录装置。但是， 低压系统发生故障也是很经常的，尤其在特定的线路特定的时段故障发生会很频 繁。但由于没有专门的数据记录装置，当系统发生故障或不正常运行状况的时候， 运行人员无法得到现场故障数据，没有对系统进行了解和分析的依据，也就不能对 故障以及运行中各种异常做出正确合理的判断，只能根据经验对一些常见的情况作 一些常规的推断，所以对现场实际情况的了解不会很具体。 数据采集分析装置到目前已有三代产品f 6 】【7 】【8 】。第一代是机械一油墨式故障录波 器，现已被淘汰；第二代是机械一光学式故障录波器，目前运行使用的也已很少； 第三代是微机一数字式故障记录设备，由于硬件设计灵活经济，性能优越，广泛被 国内各电厂、变电站采用，是数据记录设备当今发展的主流。微机一数字式数据采 集分析装置由于其功能强、可靠性高等优点，一出现便备受青睐。它的出现大大提 高了电力网络的监测运行水平，采用单片机和微机技术极大地提高了故障录波器的 准确性和可靠性，丰富了其功能，方便了运行人员，对电厂、变电站的微机监测， 提高安全运行水平，有广阔的应用前景。 1 2 数据采集分析装置存在的问题 进入9 0 年代以来，随着个人计算机技术的飞速发展，其在工业控制领域的应 用也日益广泛，工业p c 正以其可靠的性能、开放的结构、品种繁多的软件平台、 优良的性能价格比受到工业界的重视。由于众多新技术的采用，当前微机型数据记 录装置在性能上有了很大提高，以往故障录波器所存在的问题如：数据传输速率低， 缺少在线数据分析功能，没有在线定值修改功能等已基本得到解决。目前故障录波 器普遍采用下位机、中层机和上位机三部分构成，这种设计结构复杂，硬件冗余度 高。另外，在分析软件的设计上，目前普遍的是基于w i n d o w s 操作系统或d o s 操 作系统作为开发平台，其中w i n d o w s 操作系统，系统容量过于庞大，对硬件要求过 高，不适合应用于嵌入式工控机中，它的稳定性比较差经常会出现死机的情况，而 且正版软件价格昂贵，使的开发成本过高。d o s 操作系统虽然价格低廉系统容量小， 但其功能相对较弱，特别是网络功能很差，因而无法满足现代电力系统对故障录波 器的要求。根据国家标准，故障录波器的性能指标有严格的要求，所以其发展是比 较成熟的，而低压系统数据记录装置没有统一的要求，一般都是根据故障录波器的 结构简化设计而来，在功能和性能上比专门的故障录波器要简单。所以录波器存在 的问题在目前的数据记录装置上也被遗留下来。 2 华北电力大学硕士学位论文 除了上述缺点之外，目前的数据记录装置最大的缺点就是功能过于简单，尤其 缺乏信息的管理功能和信息的综合分析功能，无法使所采集的信息得到充分的发挥 【9 l o 只是对信息的简单收集和信息的单一分析，从严格意义来说也只能称作数据记 录装置。 1 3 课题的意义 由第二节的分析可知，目前数据采集分析装置存在的问题有两个：一方面是装 置硬件结构不合理，结构复杂，无法根据需求快速的安装到现场；另一方面就是装 置数据分析功能过于简单，只能完成一些简单的显示和计算操作，不能为电力系统 提供全面的分析功能，也无法满足系统稳态数据和故障数据分析的需求。 本课题将针对这两方面做深入的研究。首先硬件结构方面，装置将改变传统的 硬件结构，以d s p 和嵌入式计算机为核心，集数据采集和数据分析功能与一体，无 需后台分析装置；在分析功能方面，本文在对数字信号处理算法研究和仿真实验的 基础上，得到电力系统适用的信号分析方法，并在装置上实现和验证，对电力系统 信号处理方法的实用性有了更深入的分析。 1 3 1 装置便携式的必要性 根据规定，2 2 0 k v 5 0 0 k v 的系统必须装设专门的录波设备，录波器是常年安装 在现场常年运行的固定设备，可以保证系统的安全稳定运行和故障信息的实时采 集。但低压系统由于结构复杂，常年装设数据记录装置成本太高，实际意义也不大。 而便携式的数据采集分析装置可以根据需求方便的安装到现场。当有采集某条 线路信号的需求时，可以把装置安装到现场，按启动条件采集稳态数据或故障数据 并进行分析，做到了信号的按需采集和分析。 1 3 2 数据采集分析装置的要求 按照课题的要求，便携式的数据采集分析装置应该同时具有数据自动采集功能 和数据分析功能。数据采集部分负责按照给定的要求对现场数据进行自动采集并且 按照一定的格式保存在装置之中，数据分析功能要求对所采集的数据进行全面详细 的分析，得到有用的结果。便携式的装置不是常年装设在现场的固定的装置，而是 应该根据具体需要能方便的安装到现场，这就要求装置在保证必需的功能的前提下 应该体积小，重量轻，并且方便现场进行操作。 本文设计的便携式的数据采集分析装置改变了传统的复杂的硬件结构，以d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 和嵌入式计算机为核心，d s p 专门负责数据分析，嵌入式 3 华北电力大学硕士学位论文 计算机专门负责采集的数据分析。硬件分工明确，结构简捷，各部分功能充分利用。 装置体积小，功能强大，能在电力系统灵活的使用。d s p 和嵌入式计算机的应用使 装置在保证结构简捷的基础上更完善了它的数据管理和数据分析功能，是真正的集 数据自动采集功能和数据分析功能与一体的装置。当进行系统调试或要对低压系统 有较高故障的局部进行测量和分析时，它可以很方便的安装到现场，对系统的电气 参量数据进行测量与分析。 数字信号处理的方法是很丰富的，涉及的内容也很广泛【1 0 1 。本文对数字信号处 理的方法进行了研究，主要以傅氏算法和小波分析算法为主，研究总结其在电力系 统信号处理中的可用性，同时做了大量的仿真实验，总结了电力系统数字信号处理 可用方法，并将大部分算法在装置上实现，以工具箱的方式提供给用户。 便携式的数据采集分析装置能够现场采集相关数据，而且具有强大的分析功 能，能够提取出所采集的模拟量中所含有的直流分量以及各次谐波分量，对电力系 统各种信号的成份以及变化过程能够得到清楚的了解，同时提供了丰富的信号处理 工具箱和强大的计算功能。因此，便携式的数据采集分析装置的开发与研究对在电 力系统应用中有着非常重要的意义。 1 4 文章主要内容 本文第一章分析总结国内外数据采集分析装置的发展和现状，得出目前数据采 集分析装置在硬件结构和软件分析功能上存在的不足，分析了课题的意义，提出了 课题的要求和应该完成的工作； 第二章根据装置设计的要求，概括了装置的总体结构，对结构方案从硬件结构 和软件实现的可行性并进行了评价，分析了采用嵌入式系统和l i n u x 操作系统的必 要性； 第三章对数字信号处理算法进行了分析和研究，并针对相关内容做了仿真实 验，在此基础上分析各种数字信号处理算法在电力系统信号处理中的可用性，得到 电力系统适用的信号处理算法； 第四章对装置软件q t 编程环境进行了介绍，分析其优势，采用基于模块化的 程序设计思想，将电力系统数字信号处理算法在编写应该程序工具箱，在装置上实 现装置的数据分析功能； 第五章对论文和课题工作进行了总结。 4 华北电力大学硕士学位论文 第二章装置总体方案与硬件设计 2 1 装置的总体设计思路 2 1 1 装置总体结构 根据要求，装置在结构上由数据采集模块和数据分析模块组成。数据采集模块 包括模拟量采集单元和开关量采集单元，能同时采集1 6 路模拟量和8 路开关量， 其中1 6 路模拟量包括8 路电压和8 路电流。采集的数据通过双口r a m 通信电路上 传并按照一定的数据格式保存到装置硬盘上面，数据分析模块可以对硬盘上的数据 进行各种分析。装置的总体结构图如图2 1 所示。 图2 1 装置的总体结构图 装黄数据采集模块以t i 公司c 2 0 0 0 系列f 2 0 6 型数字信号处理器d s p ( d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r ) 为核心，装有嵌入式l i n u x 操作系统的嵌入式计算机作为数据分析 模块的c p u ，数据采集模块和数据分析模块以i d t 7 1 3 3 型双端口r a m 作为通信电 路，实现信号传递和数据传输。 数字信号处理器d s p 不仅能够满足高精度的相位、幅值、频率等电气量的要求， 而且可以使系统性价比达到最优，其高速的处理能力，丰富的片内外设，超凡的控 制功能，易于升级维护都是其他类型的c p u 无法比拟的【1 1 1 。 重量轻，体积小是便携式装置的必需要求，同时要求功耗低、扩展性强、计算 5 华北电力大学硕士学位论文 功能强大等，以及给用户良好的交互式图形界面，采用嵌入式系统以及嵌入式操作 系统是必然选择。嵌入式系统，以嵌入式计算机技术为核心，面向用户、面向产品、 面向应用，软硬件可裁减，随着近几年嵌入式系统的发展，它尤其适用于对功能、 可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求得专用计算机系统，所有的数据分析 功能将在嵌入式操作系统环境中完成，给用户良好交互式的图形界面。 装置在p c 1 0 4 的基础上扩充了以下几个外设，以实现相应的功能：1 2 8 m 的 c f ( c o m p a c tf l a s h ) 卡，c f 卡温度适应范围大，存取速度快，用来存放经过裁剪的基 本的l i n u x 操作系统以及数据分析软件程序，保证系统运行安全稳定，提高了程序 的执行效率；2 0 gi d e 硬盘，存放采集的数据，可以满足用户长时间数据采集的要 求，同时可以保存多批次的数据，不会由于循环覆盖存储造成数据的丢失；可触 摸显示屏，采用触摸屏可以使装置结构更加简洁，并且方便运行人员操作。 2 1 2 装置功能设计 便携式数据采集分析装置根据需要安装到现场，最多可同步采集8 路电压量、 8 路电流量和8 路开关量，数据通过模拟量采集卡和开关量采集卡采集。装置的采 样频率、启动条件可定义，记录时间可设置。数据采集系统主程序流程图如图2 2 所示。 图2 2 数据采集系统主程序流程图 当启动条件满足时，数据采集模块便启动进行数据采集，启动条件不满足时继 续进行循启动条件判断。采集模块所采集的数据由d s p 通过双端口r a m 上传至 p c 1 0 4 总线，嵌入式计算机通过p c 1 0 4 总线将数据保存到装置的硬盘上面。装置 6 华北电力大学硕士学位论文 的启动记录条件有三个：定时连续记录、循环记录和按条件记录。定时连续记录指 设定装置在某个特定的时间启动数据采集，对数据进行一定时间段长度的连续记 录；循环记录首先按要求设定循环记录数据的长度，然后对数据进行连续循环记录， 数据记录达到设定长度以后新的数据会自动覆盖旧的数据，从而保证所记录的数据 都是最新的数据；按条件记录是装置设置一定的启动条件，满足条件则自动启动数 据采集。装置的采样频率可按要求手动设定，也可使用默认的数值。装置的数据分 析功能比较齐全，提供了多种数字信号处理的工具，所采集的数据可以使用其中的 工具进行全面的分析，分析结果可以以表格或图形的方式在t l 可触摸屏上显示。同 时装置提供了u s b 接口，可以用u 盘等移动存储设备对重要的数据进行拷贝。 2 2 嵌入式系统 2 2 1 嵌入式系统定义及特点 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，它将操 作系统和功能软件集成于计算机硬件系统之中，简单的说就是系统的应用软件与系 统的硬件一体化，类似于b i o s 的工作方式，具有软件代码小，高度自动化，响应 速度快等特点，特别适合于要求实时的和多任务的体系。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【1 2 1 。嵌入 式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”。嵌入式处理器主要由一个单片机或微控制器( m c u ) 组成。相关支撑硬件包括显示卡、存储介质( r o m 和r a m 等) 、通讯设备等。嵌入 式软件是实现嵌入式系统功能的关键，它包括与硬件相关的底层软件、操作系统、 图形界面、通讯协议、数据库系统、标准化浏览器和应用软件等，对它的要求也和 通用计算机不同： 1 软件要求固态化存储 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯 片或单片机本身中，而不是存储于磁盘等载体中。 2 软件代码质量、可靠性要求高 尽管半导体技术的发展使处理器速度不断提高、片上存储器容量不断增加，但 在大多数应用中，存储空间仍然是宝贵的，还存在实时性的要求。为此要求程序编 写和编译工具的质量要高，以减少程序二进制代码长度、提高执行速度。 7 华北电力大学硕士学位论文 3 系统软件的高实时性是基本要求 在多任务嵌入式系统，对重要性各不相同的任务迸行统筹兼顾的合理调度是保 证每个任务及时执行的关键，单纯通过提高处理器速度是无法完成和没有效率的， 这种任务调度只能优化编写的系统软件末完成，因此系统软件的高实时性是基本要 求【1 3 1 。 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般具备以下4 个特点： 1 ) 对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时 间，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。 2 ) 具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块 化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护 功能，同时也有利于软件诊断。 3 ) 可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足应用的最高性能的嵌入式 微处理器， 4 ) 嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和 通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有m w 甚至群w 级。 总体看来，嵌入式系统具有便利灵活、性能价格比高、嵌入性强等特点，可以 嵌入到现有任何信息家电和工业控制系统中。从软件角度来看，嵌入式系统具有不 可修改性、系统所需配置要求较低、系统专业性和实时性较强等特点。 2 2 2 嵌入式p c 7 1 0 4 p c 1 0 4 是嵌入式计算机的工业控制总线标准，它秉承了i b m 。p c 开放式总线结 构的优点，为设计应用系统的工程入员提供了标准的、商可靠的、功能强大的、方 便使用的系统组件。从而将人力从繁琐的基于芯片的设计中解放出来。近年来在国 际上广泛流行。1 9 9 2 年被i e e e 协会定义为i e e e - - p 9 9 6 ，l 。我们知道，i e e e - - p 9 9 6 是p c 和p c a t 工业总线规范，从p c 1 0 4 被定义为i e e e - - p 9 9 6 1 就可以看出，p c ，1 0 4 实质上是一种紧凑型的i e e e - - p 9 9 6 1 其型号定义和p c a t 基本一致，但电气和机 械规范却完全不同，是一种优化的，小型堆栈式结构的嵌入式控制系统【1 4 1 。 随着计算机技术的飞速发展，计算机嵌入式越来越受到业界的关注。 p c 1 0 4 i e e e 国际标准广泛满足了嵌入式领域的要求，正在迅速成长为主流的嵌入式 计算机。由于其体积小、功能强、可靠性高、温度范围广等特点，广泛地应用于通 讯、医疗、电子、机械等行业，及智能仪器仪表、便携式设备、数据采集等各个方 面。 p c 1 0 4 总线产品在软件上与p c a t 完全兼容。而在硬件上与p c a t 主要存在 b 华北电力大学硕士学位论文 着以下几方面不同： 小尺寸结构，标准模块的机械尺寸为：3 6x3 8 英寸( 9 6x9 0 m m ) ； 堆栈式，“针”、“孔”总线连接，即p c 1 0 4 总线模块之间总线的连接是通 过上层的针和下层的孔相互咬和相连，有极好的抗震性； 4 m a 总线驱动即可使模块正常工作，低功耗，减少元件数量； 自我堆栈式连接，无须母板。 p c 1 0 4 有两个版本，8 位、1 6 位分别与i s a 和e i s a 相对应，p c 1 0 4 p l u s 则与 p c i 总线相对应。在p c 1 0 4 总线的两个版本中，8 位p c 1 0 4 共有6 4 个总线管脚( 单 列双排插针和插孔) ，1 6 位“+ 4 0 = 1 0 4 个总线管脚( 双列双排插针和插孔) ，其 有效信号线和控制线完全与i s a 和e i s a 兼容。p c 1 0 4 p l u s 为单列三排1 2 0 个总线 管脚，有效信号线和控制线和p c i 总线完全兼容。与我们的计算机一样，一个计算 机主板可以同时拥有e i s a 和p c i 总线，一个p c 1 0 4 c p u 模块则可以同时拥有 p c 1 0 4 和p c 1 0 4 p l u s 总线。 实际上对于不同工业领域的应用，p c 1 0 4 生产商集成了不同类型的模块，结合 本系统的应用，我们选用了盛博科技嵌入式计算机有限公司的 s c m s p t ( s y s c e n t r e m o d u l e ) 模块。盛博科技是国内首家国际化嵌入式计算机公司， 它推出的高品质的嵌入式p c 模块广泛地应用于各种高可靠的智能设备中。 s c m s p t 是一种高度集成、自栈结构、i b m - - p c 兼容的p c 1 0 4c p u 模块。它 被设计成可方便与其他周边设备及模块构成完整系统的核心部件。其在板不仅包含 了一般p c a t 机的母板、一二块扩展板的功能，更为嵌入式控制扩展了特有功能。 它的超小尺寸、单+ 5 v 供电、宽工作温度范围，超低功耗，以及一系列针对嵌入式 应用的功能扩展使s c m s p t 可独立作为一台p c a t 引擎，或与其他p c 1 0 4 模块一 起构成嵌入式和便携式应用的理想方案。 s c m i s p t 是一款真正的“a 1 1 i n o n e ”的c p u 模块，其c p u 是一片x 8 6 兼容 的6 4 位处理器，运行速度最高可达到3 0 0 m h z ，在板包含了所有的p c a t 兼容的 d m a 控制器、中断控制器及定时器、r o m b i o s 、4 m 至1 6 m 字节的d r a m 及键 盘、喇叭接口；在板的外部接口包括一个p c a t 兼容的双向并行口、两个1 6 5 5 0 兼 容的r s 2 3 2 串行口、一个用外界后备电池支持实时时钟。s c m s p t 与p c a t 标准 完全兼容，在i b m p c 上运行的众多软件全部能在以s c m s p t 为基础的系统中运 行。使用该模块在性能上、速度上已完全满足本系统的要求1 1 5 】。 该模块能与众多的盛博显示接口、磁盘控制接口、通讯接口及网络接口等扩展 模块配合使用。 9 华北电力大学硕士学位论文 s c m s p t ( p c 1 0 4 模块) 具体功能概述如下： x 8 6 兼容6 4 位处理器，支持m m x t m 指令集扩展，速度高达2 0 0 m h z s v g a 显示器接口 平板显示器接口支持所有类型l c d 及t f l r 平板显示器 2 m 内置显存，最大分辨率可达1 2 8 0 1 0 2 4 、1 6 7 0 万种颜色 内存可扩展至1 2 8 m 1 6 k b l l 回写缓存 支持p c a t 键盘及p s 2 鼠标 支持软驱、e i d e 硬盘及c o m p a c tf l a s h 一个并行接口、两个串行接口 两个u s b 接口 在板1 0 1 0 0 b a s e t 以太网接口 1 6 位立体声，t v 输出 w a t c h d o g 看门狗电路 一个3 2 位p c 1 0 4 + 插槽，一个1 6 位p c 1 0 4 插槽 标准d m a ，中断定时控制器 p c 1 0 4 兼容总线 尺寸：9 5 9 m m 4 1 1 5 6 m m * 1 5 m m ( 包括i 0 扩展1 2 2 3 嵌入式系统软件开发过程 存在操作系统的情况下，嵌入式软件开发主要分如下几个步骤：建立交叉开发 环境，交叉编译和连接，重定位和下载，联机调试。因为嵌入式系统资源受限制， 无法建立起所需要的开发环境。而且对于只是面向产品的嵌入式系统来说，没有发 展成为既是运行环境，又是开发环境的。所以，交叉开发环境是嵌入式系统开发中 必不可少的编程环境。在主机和目标机器体系结构不同的情况下，在主机上开发那 些将在目标机器上运行的程序。在建立好交叉开发环境上完成软件的编制、编译、 连接和调试工作。最终，将编译、连接所生成的运行程序移植到目标机器上。主机 开发环境包括编程库、头文件、汇编器、分析器、编译器、连接器、调试器、文本 编辑器和编程工具。本系统采用的编译器和连接器是g c c ( g n uc c ) ，它能够编译c 、 c + + 和0 b i e c t i v e c 语言编写的程序。g c c 能够支持多种不同的c 语言交体。编译 过程分为4 个阶段：预处理、适当编译、汇编和连接。可以在编译的任何阶段结束 后停止整个编译过程以检查或使用编译器在该阶段的输出信息。可以控制嵌入在生 成的二进制执行文件中调试代码的数量和类型，和其他编译器一样，g c c 也能优化 执行代码。g c c 是一个交叉平台编译器，所以能够在当前c p u 平台上为不同体系 华北电力大学硕士学位论文 结构的硬件系统开发软件。 调试器是g d b ( g n ud e b u g g e 0 ，对代码进行调试要求你的源代码在编译时用一g 选项，以生成增强的符号表。通过基本的g d b 命令可以实现对程序的调试，简单 输入g d bp r o g n a m e 【c o r e f i l e 】即可启动调试会话，p r o g n a m e 为想要调试的程序名称， c o r e 文件是可选的，能够增强g d b 的调试能力。g d b 可以实现在调试器中查看代 码、检查数据、设置断点和检查并更改运行中的代码等调试手段。文本编辑器和变 成工具分别选用的是v i 编辑器q td e s i g n e r 。使用g n u m a k e 管理和控制项目的开 发，m a k e 是一种控制编译或者重复编译软件的工具。m a k e 可以自动管理软件的编 译内容、方式和时机。m a k e 能减少重复编译所需要的时间，因为它能够判断那些 文件被修改过，进而只重新编译程序被修改过的部分。m a k e 是通过使用m a k e f i l e 文件来完成对项目的管理的，m a k e f i l e 为项目构建了一个依赖信息数据库，因而可 以让m a k e 在每次编译前检查是否可以找到所有需要的文件。m a k e f i l e 文件是一个 文本形式的数据库文件，其中包含一些规则告诉m a k e 编译那些文件、怎样编译以 及在什么条件下去编译。 2 2 4 嵌入式计算机与外部设备的连接 装置以d s p 和嵌入式计算机为核心，d s p 和嵌入式计算机之间通过双端口r a m 实现信号传递和数据传输。嵌入式计算机外围配有触摸屏等外设，装置本身没有键 盘和鼠标，而是用t f l r 触摸屏代替，目的是使装置结构简捷，满足便携式装置设计 的要求，但是在装置的安装和调试过程中若没有键盘和鼠标则很不方便。嵌入式计 算机本身提供了这些接口，方便装置的调试。 2 2 4 1 嵌入式计算机与双口r a m 的连接 l i n u x 操作系统针对x 8 6 兼容c p u 的保护模式采用了虚拟存储器管理方式【1 6 1 ， 这种管理模式充分利用c p u 的内存管理单元( m m u ) ，将c p u 内部地址总线可访 问到的内存空间分为用户空间和内核空间，显存、p c 1 0 4 总线上的i o 共享内存等 外部存储器都被映射到内核空间，应用程序所产生的地址被称为虚地址，c p u 将虚 地址传递给m m u ，由m m u 将虚地址通过地址影射转换为物理地址再通过硬件地 址总线寻址硬件存储器。用户应用程序只能通过虚拟地址访问用户空间，要想访问 内核空间中的资源和外部i ，o 资源就要将操作系统由用户态转换为内核态，然后通 过内核空间中的地址映射访问。 一般情况下，对连接在i s a 或p c i 局部总线上的硬件设备的访问都是通过驱动 程序。驱动程序中包含了与硬件设备特征有关的内核函数、与文件系统的接口以及 可以使应用进程访问硬件设备的系统调用函数。驱动程序编译通过后形成设备文 1 1 华北电力大学硕士学位论文 件，用户进程可以像访问普通文件那样通过文件流变量访问硬件设备。设备驱动程 序虽然功能强大，但设计和编译复杂，需要对硬件设备和操作系统内核有较深入的 理解。而数据采集分析装置中的双端口r a m 只是p c 1 0 4 总线上连接的外部存储器， 没有其他功能，可以通过系统调用方式使应用进程直接访问。 系统调用是操作系统为应用程序与硬件设备进行交互提供的一组接口，使得编 程更加容易，提高了系统的安全性。系统调用实际上是操作系统内核中的一组c 函 数，需要通过可屏蔽中断或异常处理来唤醒，当用户态的进程调用一个系统调用时， 该系统调用函数通过执行一条i n t0 x 8 0 软中断和系统调用编号使操作系统由用户态 转换为内核态，并根据系统调用号执行内核中相应的系统调用例程。0 x 8 0 是一个中 断向量地址，是所有系统调用的入i u 点。l i n u x 内核提供了1 6 3 个系统调用，可以 实现大部分用户进程与硬件设备的接1 ：3 ，在本系统双端1 ：1r a m 接1 ：1 程序设计中应 用了o p e n 0 和m m a p o 以及m u n m a p 0 系统调用实现了访问双端口r a m 的功能。 下面结合一个例程说明接口程序设计方法： # i n c l u d e # i n c l u d e # i n c l u d e s y s m m a n b 瓶n c l u d e # i n c l u d e 2 ，c 时，采样信号完全能够代表原始信号。临晃条件是 l 0 ( 3 2 8 ) 、，c 4 自相似性：不同尺度参数a 和平移参数f 的连续小波变换之间是自相似的； 5 冗余性：连续小波变换中存在信息表述的冗余度( r e d u n d a n c y ) 。 3 3 2 2 二维连续小波变换 二维连续小波变换( 2 - dc o n t i n u o u sw a v e l e tt r a n s f o r m ) ：假定信号 f ( x ，) ，) r 僻2 ) ，v ( x ，y ) 为二维母小波函数，则 w a a ，b , c ) 一c w t ( a a c ) 材1 f f f ( x , y ) g 学，等蚴( 3 - 2 9 ) 3 3 3 离散小波变换 在实际运用中，尤其是在计算机上实现，连续小波必须加以离散化，因此有必 要讨论一下连续小波和连续小波变换w f ( a , r ) 的离散化。 3 3 3 1 一维离散小波变换 将( 3 2 7 ) 参数a 、f 分别取口。口i ”，f 1 盯o a o “，其中m ，n e z ，a o ，为常数则离散参 数小波变换( d i s c r e t ep a r a m e t e rw a v e l e tt r a n s f o r m ) 为： d p w t 西，吣= 口：尼r ，o q 矗一盯o ) a t ( 3 3 0 ) 若令式( 3 3 0 ) 中的时间变量t = k t ，k z ，t 为周期，一般情况下t = i ，则离 散时间小波变换( d i s c r e t et i m ew a v e l e tt r a n s f o r m ) 为： d t w t ( m , n ) _ 口孑7 2f ( k ) 吵( a o k - 胍o ) ( 3 - 3 1 ) 再令( 3 - 3 1 ) o p - - - - 2 ，- - - - 1 ，则离散小波变换( d i s c r e t e w a v e l e t t r a n s f o r m ) 为： d w r ( m ，n ) 一? 胆罗f ( k 砂( 2 m k n ) ( 3 3 2 ) 魁 同样我们有对应与式( 3 3 2 ) f l 勺重构公式，即逆离散小波变换： ，o ) 。荟荟d 胛，厅渺* 一 ) ( 3 - 3 3 ) 3 3 3 2 二维离散小波变换 华北电力大学硕士学位论文 1 - - - 维离散参数小波变换( 2 - dd i s c r e t ep a r a m e t e rw a v e l e tt r a n s f o r m ) ：式( 3 2 9 ) 中 a - 口；j , b - k a b o a o i , c - k 2 c o a f f 7 ，a o , b o ，c o 为常数，j ，毛，如z ，则 d p 胛( j ，毛，k s ) = 4 9 f f l c x ，y ) 5 # ( a j o k , b o ，口g y k 2 c o ) d x d y ( 3 - 3 4 ) 2 二维离散空间小波变换( 2 一d d i s c r e t e s p a c e w a v e l e t t r a n s f o r m ) ：将式( 3 3 4 ) 中的空间变量x 与y 离散化，即得 a 卿( 鸲蚴郇。荟丕凰1 2 ) 妒( a d 一地“乞- k s c o ) ( 3 - 3 5 ) 3 二维离散小波变换( 2 - dd i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r m ) ：令式( 3 - 3 5 ) 中的常 数参数a o = 2 ，b o = c o = l ，印得 册o 如) 筝2 7 荟丕，( f 1 l o l , ( 2 ”毛, 2 j 乞- k 2 ) ( 3 - 3 6 ) 3 4 序分量的计算 对称分量法( 正序、负序和零序) 是分析三相电力系统的基本工具之一，对从 采样信号得到的对称分量进行快速推算能有效地应用于电力系统信号分析。 一、负序分量 下面列出几种负序分量的计算方法。 ( 1 ) 根据负序分量的基本公式 。u h