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a r m 9 电力智能终端通信软件及压缩算法的研究 摘要 进入2 1 世纪以来，智能终端设备已成为热门研究对象，巨大的市场 与利润空间，吸引了大批的企业与科研机构的参与。在电力系统中，智能 终端广泛应用于变电站、大用户、配变电站，可利用移动公网g p r s c d m a 或其它通讯方式与电力管理主站进行通讯。随着需求的改变和工业环境下 对性能和安全性的更高要求，早期的终端呈现出了许多弊端。在这样的形 势下，本文在总结分析传统智能终端设计方法的基础上，采用嵌入式操作 系统m i z il i n u x 和a r m 9 微处理器，并选择目前广泛应用的工业以太网 为通讯方式，具体的研究内容如下： ( 1 ) 经过分析电力智能终端的结构与功能，提出以a r m 9 开发板和 m i z il i n u x 嵌入式操作系统为平台的通信设计方案。在掌握a r i v l 9 和 m i z il i n u x 特点的基础上，构建m i z il i n u x 嵌入式操作系统下应用程序 的软硬件开发平台。 ( 2 ) 在( 1 ) 基础上，本方案采用d m 9 0 0 0 芯片来控制以太网，在实现 通讯模块调用的基础上，进行l i n u x 下的s o c k e t 网络通信编程，实现智 能终端的以太网通信功能。 ( 3 ) 在终端中加入r a y - p e r i o d 压缩算法，以减少流量，降低系统的运 行费用。研究自适应哈夫曼编码、傅里叶变换编码、l z s s 编码等传统压 缩算法，深入研究r a y - p e r i o d 压缩算法，在l i n u x 操作系统下用卅语言 实现r a y - p e r i o d 压缩算法和自适应哈夫曼编码，并进行压缩效果的比较。 ( 4 ) 研究各种嵌入式g u i 开发工具，掌握用q t e m b e d d e d 开发包进行 g u i 的开发方法，并设计智能终端的g u i 程序，使终端l c d 实现数据的 显示功能。 ( 5 ) 将r a y - p e r i o d 压缩程序、通信程序、g u i 程序进行整合，在交 叉编译环境下调试和运行实验，最终实现采用以太网技术的终端与主站的 数据压缩和传输。 关键词：智能终端，以太网，m i z il i n u x ，压缩算法 l j r e s e a r c ho fe l e c t r i cp o 珊ri n t e l l i g e n t t e r m n a l sc o m m u n i c a t i o ns o f r w a r ea n d c o m 【p r e s sa l g o i u t h mb a s e do na r m 9 w i t ht h ec o m i n go f 2 1c e n t u r y , i n t e l l i g e n tt e r m i n a ld e v e l o p m e n th a sb e e n t h e p o p u l a rr e s e a r c ho b j e c t t h eh u g em a r k e td e m a n da n dp r o f ts p a c ea t t r a c 捃 a t t e n t i o u so fe n t e r p r i s e sa n ds c i e n t i f i cr e s e a r c hi n s t i t u t i o n i ne l e c t r i cp o w e r s y s t e m , i n t e l l i g e n tt e r m i n a li sa p p l i e dt ot r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n , a n dl a r g e p o w e rc o n s u l n e r s ，i nw h i c hg p r s c d m ao ro t h e rc o m m u n i c a t i o nm o d e s n o wh a v eb e e nu s e dt oc o m m u n i c a t ew i t he l e c t r i cp o w e rm a n a g e m e n tm a i n s t a t i o n w i t ht h ei n c r e a s i n gd e m a n do ft e r m i n a lp e r f o r m a n c ea n ds e c u r i t yi n t h e i n d u s t r yc o n d i t i o n , m a n yd i s a d v a n t a g e sa p p e a ri n f o r m e rt e r m i n a l f o c u s i n go ns u c hs i t u a t i o n , t h et r a d i t i o n a ld e s i g ns c h e m e so fi n t e l l i g e n t t e r m i n a lw e r ea n a l y z e da n ds u m m a r i z e di nt h ed i s s e r t a t i o n , a n dt h e nm i z i l i n u xe m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e ma n da r m 9m i c r o p r o c e s s o rw a sa d o p t e da s t e r m i n a l s d e v e l o p m e n tf l a t f o r m , i n d u s t r ye t h e m e tw a sc h o s e n t ob e c o m m u n i c a t i o nc h a n n e la tt h es a m et i m e t h em a i nw o r k so ft h ed i s s e r t a t i o n l i s t 淞f o l l o w s ： ( 1 ) t h ed e s i g ns c h e m eb a s e do na r m 9d e v e l o p m e n tb o a r da n dm i z i l i n u xe m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e mw a sg i v e na c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e ro f m i n t e l l i g e n tt e r m i n a l s t h es o r w a r ea n dh a r d w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r mo f m i z il i n u xe m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e mw a sb u i l t ( 2 ) b a s e do n ( 1 ) ，t h et e r m i n a lu s e dt h ed m 9 0 0 0c h i pt oc o n t r o le t h e r n e t c o m m u n i c a t i o n a f t e rt h ec o m m u n i c a t i o nm o d u l ew a su s e ds u c c e s s f u l l y , s o c k e tn e t w o r kp r o g r a m m ew a sp r o g r a m m e di nl i n u x t h e nt h ei n t e l l i g e n t t e r m i n a l se c h e r n e tc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o nw a sr e a l i z e d ( 3 ) r a y - p e r i o dc o m p r e s s i o na l g o r i t h mw a sa d d e dt ot h et e r m i n a lt o d e c r e a s et h en e t w o r kd a t af l u xa n dr e d u c et h er t m n i n gc h a r g e k i n d so f c o m p r e s s i o na l g o r i t h m sw e r es t u d i e da n dr a y - p e r i o dc o m p r e s s i o na l g o r i t h m w a ss t u d i e dd e e p l y a n dt h er a y - p e r i o dc o m p r e s s i o na l g o r i t h mw a sr e a l i z e d w i mc + + i nt h el i n u xo p e r a t i o n s y s t e m ( 4 ) q t e m b e d d e dd e v e l o p m e n tk i tw a sc h o s e nt od e v e l o pt h et e r m i n a l s g u ia f t e rt h em o s tp o p u l a ro fe m b e d d e dg u id e v e l o p m e n tt o o l sw e r e m s e a r c h e d ，a n dt h et e r m i n a l sd i s p l a yf u n c t i o nw a sr e a l i z e d ( 5 ) t h ea l lm o d u l e sw e r eu n i t e d ，a n dt h ei n t e g r i t ym o d d ew a sd e b u g g e d i nt h el i n u x o p e r a t i o ns y s t e m f i n a l l yt h et e r m i n a lc a nc o m p a s st h ed a t aa n d t r a n s m i tt h ed a t aw i t hm a i ns t a t i o nu s i n ge t h e m e t k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n tt e r m i n a l ，e t h e r n e t ，m i z il i n u x ，c o m p r e s s i o n a l g o r i t h m i v 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：筵i 喹丝日期：竺z ：! ：翌 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在一年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名：越筮逝 导师签名：丞星後 日期： 鲨2 ：望 日期：墨丝z ! 厶，f 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题研究的目的及意义 电力系统是由电源、中间环节、负载组成，能对能量进行转换、输送及分配的典 型系统而电力系统智能终端是以计算机应用技术、现代通信技术、电力自动控制技 术为基础的实时监控设备它集电力负荷管理和现场客户服务功能于一身，是新一代 远程监控装置，广泛应用于变电站、大用户，配变电站。早期终端大多采用8 位5 1 系列单片机，然而随着对可靠性，准确性和效率要求的提高，采用单片机设计的终端 早己不能适应时代的需求。针对这种实际情况，本文设计了基于朋孙侈和m i z il i n u x 的电力系统智能终端的通信模块，并采用r a y - p e r i o d 压缩算法，以降低系统费用。采 用该通信模块可通过以太网将用户的用电参数、执行负荷控制的结果以及终端运行中 的一些重要信息和告警信息，经r a 薛p e r i o d 算法压缩后主动上报或者召测上报，保证 终端具有较好可靠性和实时性，同时为进一步的开发搭建了软硬件平台 1 2 本设计的优势 1 2 1 电力系统智能终端的通信方式 自2 0 世纪9 0 年代中国开始引入需求侧管理以来，负荷管理做为需求侧管理的一 个重要组成部分也得到了大力发展最初的单向控制到双向采控，从单纯的遥控功能 发展到集遥控，遥信、遥测等多项功能于一体的较为完善的用户侧网络，它为推动 d s m 迈向现代高效提供了强大的技术支持。特别是在2 0 世纪9 0 年代中期的初始阶 段，得到了大力发展，为合理安掉负荷、平滑负荷曲线、催收电费起到了较好的作用 电力负荷管理系统的通信方式分为无线通信、电力载波通信、光纤通信等。 无线通信：无线通信的特点是采用专用频点，可抵抗电波干扰，适合中短距离通 讯。如果超过传输范围，则需要建立中继站无线电负荷控制一般适用于平原地区、 负荷分散、密度不大及边远地区。 电力载波通信：在载波通信的方式中，输电线是通信通道，当负荷控制装置重建 或移动时也无须移动通信通道。 光纤通信：光纤通信的优势是容量大，且具有较强的抗电磁干扰能力，但是一次 性铺设光纤的费用和连接装置的费用是非常高的。 第一章绪论 1 2 2 嵌入式系统的发展 嵌入式计算机或者叫嵌入式系统，源于2 0 世纪6 0 年代，是一种不被用户所觉察 的专用计算机其实，最早在2 0 世纪6 0 年代嵌入式计算机技术已用于国防系统中， 是一种所谓的专用机。二十世纪7 0 - - 8 0 年代嵌入式微处理器逐渐应用于工业控制等领 域。目前，从航天飞机到家用微波炉，嵌入式计算机系统广泛应用于工业、交通、能 源、通信、科研、医疗卫生、国防以及日常生活( 消费电子、c e ) 等领域，并发挥着 极其重要的作用 基于嵌入式系统特有的优点，其在电力系统中的应用主要多用于底层来实现数据 采集、监视控制与仪表计量等功能，而上层应用由于对数据处理与存储能力、人机交 互( m m i ) 、网络通讯等方面要求甚高，一般都是由p c 系统或局域网的形式实现 总体来说，嵌入式系统在电力系统中的应用有一下特点； ( 1 ) 实时性更强：由于电网的安全稳定性通常在事故后几十到几百毫秒内就有 可能受到严重威胁，并且过迟的稳定控制措施不仅起不到预想的作用，造成经济上的 损失，甚至可能引起其它的安全问题，因而实时的嵌入式系统就是最佳的解决方案。 ( 2 ) 可靠性更高：现代化大生产与居民生活中电能的使用是最普遍的，因此在 利用嵌入式系统实现对电力系统的监控时，硬件与软件的可靠性也就成为人们极为关 注的问题。嵌入式系统不仅能按预先设计好的流程正常工作，而且也具备一定的抗干 扰能力与智能性。 ( 3 ) 可扩展性更好：目前大多数的嵌入式系统的开发语言都采用c ，c h ，也包 括少量的汇编语言，因此灵活性好，可移植性强，拥有较多的使用者。另外，尽量采 用模块化设计与工业组态软件。这不仅可以方便生产调试厂家，而且可以解放用户。 当一个模块出现问题时，只需要换一块新的；当需要增、减某项功能时，也只需要增、 减相应的模块即可。 ( 4 ) 网络通讯能力更强：电力系统地理上的分散性( 横向) 是其主要的外部特征。 一条长距离的输电线可能跨越几个地区，因此地区与地区之间的通信与联络就显得十 分重要。加上电力系统各级调度之间( 纵向) 的协调，电力系统的通信能力在很大程度 上制约着联网的规模与控制方式。目前市面上的多种嵌入式操作系统都支持多种通信 协议，可以很好地解决这个问题。 下面详细阐述了嵌入式系统的发展史。嵌入式系统的发展主要体现在芯片技术的 进步，以及在芯片技术限制下的算法与软件的进步上。传统的嵌入式系统是基于单片 机的，7 0 年代末，产品可以通过内嵌电子装置来获得更佳的使用性能，更容易使用、 速度更快、更便宜。8 0 年代初，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。随着对实时性要求的提高，软件规模不断上升，实时的核心软件 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 2 第一章绪论 式系统的主流【2 1 r t o s 有两个重要特性：实时性和可靠性。它还是多任务的，而且 这些任务可以并行执行，更有效地利用了系统资源【3 】。 从1 9 8 1 年r e a d ys y s t e m 发展了世界上第1 个商业嵌入式实时内核( v r t x 3 2 ) ， 到今天已经有近2 0 年的历史。2 0 世纪8 0 年代的产品还只支持一些1 6 位的微处理器， 如6 8 k ，8 0 8 6 等那时候的r t o s 还只有内核，以销售二迸制代码为主当时的产品 除v r t x 外，还有i p i 公司的m t o s 和8 0 年代末i s i 公司的p s o s 产品主要用于军 事和电信设备进入2 0 世纪9 0 年代，现代操作系统的设计思想，如微内核设计技术 和模块化设计思想，开始渗入r t o s 领域。老牌的r t o s 厂家如r e a d ys y s t e m ( 在1 9 9 5 年与m i c r o t e cr e s e a r c h 合并) ，也推出新一代的v r t x s a 实时内核，新一代的r t o s 厂家w m d r i v e r 推出了v x w o r k s 另外在这个时期，各家公司都有力求摆脱完全依赖 第三方工具的制约，而通过自己收购、授权或使用免费工具链的方式，组成一套完整 的开发环境例如，硌i 公司的p r i s m t 、著名的t o r n a d o ( v 呃m d f i v e r ) 和老牌的 s 脚a ( v r t x 开发系统) 等 4 1 进入2 0 世纪9 0 年代中期，互联网之风在北美日渐风行网络设备制造商、终端 产品制造商都要求r t o s 有网络和图形界面的功能为了方便使用大量现存的软件代 码，他们希望r t o s 厂家都支持标准的a p i ，如p o s i x ，w m 3 2 等，并希望r t o s 的 开发环境与他们已经熟悉的u q ，w m d o w s - - 致。这个时期代表性的产品有v x w o r k s ， q n x ，l y n x 和w m c e 等例 1 2 3 嵌入式以太网技术 随着网络应用的日益普遍，越来越多的嵌入式应用需要支持网络功能，电力系统 得智能终端类产品也不例外。t c p f l p 是目前使用最多的网络协议之嘲，只要能够实 现t c p i p 协议并增加一个网络接口，这些产品就可方便地接入到现有的网络中 从国外国内的r r 业界的趋势来看，嵌入式系统中的关键技术在于嵌入式操作系 统【刀。近几年来，高速发展的l i n u x 操作系统占领了嵌入式操作系统的半壁江山。由 于l i n u x 提供了强大的内核管理，并且其源代码( 包括内核、设备驱动程序、库和开 发工具1 都是免费提供的，使得为完成特定任务而修改和剪裁源程序成为可能。正是由 于l i n u x 是个开放的操作系统，且易于操作、修改和维护，使得各种应用较容易形成 自己的嵌入式l i n u x 操作系统。同时由于l i n u x 具有稳定性好、具有远程维护和远程 监视的能力和优越的处理性能等特点，使之成为嵌入式操作系统的首选【3 】。 目前，嵌入式设备接入因特网的技术多种多样，下面介绍几种已经实现的方案。 一种是3 2 6 4 位高端嵌入式系统实现方案。这类方案以o s i c o m 公司研发的 n e t + a r m 的系统级芯片( s o c ) 为最正统【，】。它使用r 1 s c 技术，以a r m 7 为微内核 ( m i c r o c o r e ) ，并加上以太网( e t l l 锄e t ) 。该系统价格昂贵，开发周期长，对开发人员的 第一章绪论 开发能力要求较高。 另一种则是采用嵌入式网关的实现方案。各个嵌入式系统首先和网关通信，再由 嵌入式网关实现t c p i p 协议0 0 i 这种方式可以降低对嵌入式系统的要求，但需要一 个专门的嵌入式网关，对于过于分散的嵌入式系统而言，嵌入式系统和网关之间的遥 信将加大成本。应用此种方案的典型代表为e m w a r e 公司、p h a r l a p 公司及国内的武 汉力源电子股份有限公司( p s ) 。 还有一种是利用s c e n i x 网络单片机的实现方案。s c e n i x 公司提出了m c u + 虚拟软 件包的方案，它采用s c e n i x 公司的8 位单片机实现互联网接入功能。s c e n i x 单片机属 于r _ i s c 结构，芯片上有f l a s h 程序储存器，可以在安装到系统后进行编程和调试。 最特别的是，它可以运行流行的互联网协议栈，如h t r p ，s m t p ，p o p 3 ，t c p ，u d p ， i c m p ，i p 及p p p 等协议该方案是近期出现的较为理想的实现方案。但设计开发时 需要购买开发工具，价格较贵 最后一种是使用简化的t c p i p 的实现方式。嵌入式系统中除部分3 2 位处理器外， 大量存在的是8 位和1 6 位的m c u ，速度较慢，内存较小，故而可根据实际要求简化 t ：p ，p 协议。精简后的t c p ，口协议虽然功能上受到了一定的限制，但对于这种较低 端的嵌入式系统而言，如果传送少量数据或是信令，还是完全可以胜任的。而且，这 种方式的实现成本很低。采用此方案接入因特网的嵌入式设备的数据处理能力通常较 弱。 嵌入式因特网是最近网络应用的热点，就是通过i n t e m e t 使所有连接网络的设备 彼此互通互联，从计算机、p d a 、通讯设备到仪器仪表、工作设备等【儿】。因为i n t e m e t 的原因，所以连接局域网的设备直接使用支持t c p i p 的网络控制器，已成为当前工 业企业构建信息化技术平台的发展趋势。 1 2 4 电力系统中的压缩算法 迄今为止，数据压缩技术在国内外都得到非常广泛的应用。在电力系统中，数据 通信有多种方式：总线方式、光纤通信、无线通信、红外通信、低压电力线载波、公 用电话通信、i n t e m e t 网通信等。对于通过流量计费的通信方式，如g p r s 、c d m a 公 众网等进行数据传输时，如何减少流量成为企业降低成本的重要研究课题之一。在实 际的电力系统数据传输过程中，均采用压缩方式来传送数据。这样既可有效地降低系 统的运行费用，同时也在一定程度上对数据进行了加密。目前，各种压缩算法已在故 障录波、电能消耗、实时监控等方面有了实际应用。 所谓数据压缩，就是以最少的数码表示信源所发的信号，减少容纳给定信息集合 和数据采样集合的信号空间。常用数据压缩方法分为无损压缩和有损压缩两大类。电 力系统中传统的压缩方法主要采用无损压缩算法，包括自适应哈夫曼编码，l z s s 编码 4 第一章绪论 等算法 自适应哈夫曼编码是字定义方法，它是在估计源信文概率的基础上确定源到码字 的映射。代码是自适应的。即一直变化着以保证相当前的概率估计是最佳的用这种 方法，编码器必须知道源文特性，而且译码器必须不断修改h u f f m a n 树以保持与编码 同步，它是对静态h u f f a n a n 的改进 l z s s 算法是一种基于字典模型的压缩算法，它是在由jz l v 和a l e m p e l 所提出 的i , z 7 7 压缩算法基础上的一种改进算法。它采用二分搜索树大大加快了压缩速度， 解码时因无须生成和维护搜索树而更为迅速。 1 2 5 本设计的创新点 目前，市面上的智能终端多采用以a r m 7 和g , c o s - i i 操作系统为系统平台1 1 2 - d t t c o s i i 具有简单、可靠性高、实时性好等优点f 1 4 1 但它需要付一定的费用，也有缺 乏便利开发环境等缺点，尤其不像商用嵌入式系统那样得到广泛使用和持续的研究更 新。并且缺乏必要的支持，没有功能强大的软件包，通常需要用户自己编写驱动程序 相对而言，m i z l i n u x 使用标准的l i n u x 内核，高效稳定且开放源码，总是随着 l i n u x 内核的更新而更新，这比t t c o s 1 i 更具竞争力同时操作系统提供完备的a p i 函数，具有强大的开发工具链和文件管理机制l i n u x 提供的许多硬件驱动程序和应 用程序，在m i z il i n u x 下经过修改和重新编译，就能够运行，从而缩短开发的时间， 使开发省时省力。m i z il i n u x 的另一巨大优势就是支持q t e m b e d d e d 开发，可以实现 用户图形界面，方便操作和管理数据。 a l t m 公司推出的新一代的a j t m 9 处理器，代表了a 瑚v t 公司主流的处理器通 过增加时钟频率和减少指令执行周期，能够达到两倍以上相当于a r m 7 处理器的处理 能力【h l 。本设计采用的c p u 芯片是基于a r m 9 2 0 t 内核的1 6 3 2 位r i s e 处理器 $ 3 c 2 4 1 0 a 它实现了m m u ，a m b a 新型总线结构和h a r b a r d 高速缓冲体系结构采 用a r m 9 与支持图形界面的m i z il i n u x 嵌入式操作系统相结合的设计方案，目前已 经在手持电话、机顶盒、数码相机、g p s 、个人数字助理以及因特网设备等方面有了 广泛的应用，是极具潜力的嵌入式系统解决方案。 同时，本方案在智能终端中加入了r a y - p e r i o d 压缩算法。r a y - p e r i o d 压缩算法 集数据库压缩算法r a y ，位图压缩算法和周期字符压缩算法于一体，是一种新型的压 缩算法，目前还没有文献公开报道实现这种算法的关键技术。由于电力系统中传输的 数据主要是电能量数据，而r a y - p e r i o d 压缩算法能够紧扣电能量数据重复性高，零的 个数较多等特点，因而，能对电能量数据进行非常高效地压缩。这也是传统电力系统 压缩算法所无可比拟的 5 第一章绪论 1 3 本文研究的内容及主要工作 本文在总结分析实际应用的智能终端功能基础上，与传统嵌入式系统进行了分析 比较，选择采用嵌入式操作系统m i z il i n u x 和a r m 9 微处理器来设计电力系统智能 终端，主要对智能终端的网络通信模块进行了设计，并加入了r a y - p e r i o d 压缩算法 这样，不仅使终端可以实时地对数据进行压缩和传输，而且减少了网络流量，大大降 低了系统的运行费用。本设计采用m i z il i n u x 嵌入式操作系统具有独特的特性，且智 能终端采用嵌入式以太网，运行可靠，使用方便，通信速度高，实时性好，可以方便 地与i n t e r n e t 连接。具体的研究内容如下： ( 1 ) 提出以a r m 9 微处理器和m i z i l i n u x 嵌入式操作系统为平台设计电力系统 智能终端结构。以s 3 c 2 4 1 0 的a r m 开发板为硬件平台，在掌握m i z il i n u x 特点的基 础上，构建该操作系统下应用程序的开发平台并掌握其应用程序的开发流程； ( 2 ) 设计智能终端的以太网通信程序。在成功调用网卡驱动模块的基础上，开 发终端的以太网通信程序，主要是l i n u x 操作系统下的s o c k e t 网络编程，选用的流式 套接字是基于t c p 协议的： ( 3 ) 通过分析比较各种传统压缩算法，选择采用r a y - p e r i o d 压缩算法来进行电 能量数据的压缩。设计并实现了l i n u x 下的自适应h u f f m a n 压缩算法程序和 r 孵p e f i o d 压缩算法程序，通过对实际数据压缩结果的比较，证实了r 船叩e r i o d 压 缩算法的高效性； ( 4 ) 采用q t e m b e d d e d 开发包进行终端g u i 的开发，使其具有数据显示功能； ( 5 ) 将网络通信程序、r a y - p e r i o d 压缩程序和终端g u i 程序进行集成，实现智 能终端的以太网传输和数据压缩。 6 第二章a r m 9 及嵌入式m i z ll i n m 操作系统 第二章a r m 9 及嵌入式m i z il i n u x 操作系统 在总结分析电力智能终端各项功能的基础上，并与传统设计方案进行对比后，选 择采用嵌入式操作系统m i z il i n u x 和j 嗵m 9 微处理器来设计电力系统智能终端，是 具有实际应用价值的，下面首先阐述这种方案的优越性 2 1 从姻微处理器的优越性 a l t m ( a d v a n c e dp d s cm a c h i n e s ) ，既可以认为是一个公司的名字，也可以认为 是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。 a r m 公司于1 9 9 0 年9 月在英国成立，是全球领先的1 6 3 2 位嵌入式系统微处 理器知识产权设计供应商，它通过转让高性能、低成本、低功耗的r i s c 微处理器、 外围和系统芯片设计技术给合作伙伴，使他们能用这些技术来生产各具特色的芯片 0 6 1 目前，采用a r m 技术知识产权( 口) 核的微处理器，即通常所说的a r m 微处 理器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产 品市场，基于a r m 技术的微处理器应用约占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的市 场份额，a r m 技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面 2 1 1a 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 7 1 ： ( 1 ) 工业控制领域：作为3 2 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 7 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。 7 第二章a r m 9 及嵌入式m i z il i n u x 操作系统 除此以外，a r l v l 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 1 2 肛鹏微处理器的特点 在本设计中采用的a r m 9 系列微处理器在高性能和低功耗特性方面具有最佳的 性能：5 级整数流水线，指令执行效率更高；提供1 1m i p $ m h z 的哈佛结构；支持 3 2 位a r i v i 指令集和1 6 位t h u m b 指令集；支持3 2 位的高速a m b a 总线接口；全性 能的m m u ，支持w m d o w sc e 、l i n u x 、p a l mo s 等多种主流嵌入式操作系统；m p u 支持实时操作系统；支持数据c a c h e 和指令c a c h e ，具有更高的指令和数据处理能力。 a r m 9 系列微处理器主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端 打印机、数字照相机和数字摄像机等。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。 2 1 3 脓_ 9 与a r 9 7 的区别 新一代的a r m 9 处理器，通过全新的设计，采用了更多的晶体管，能够达到两倍 以上于a r m 7 处理器的处理能力。这种处理能力的提高是通过增加时钟频率和减少指 令执行周期实现的【m 。 ( 1 ) 时钟频率的提高 a r m 7 处理器采用3 级流水线，而a r m 9 采用5 级流水线。增加的流水线设计提 高了时钟频率和并行处理能力。5 级流水线能够将每一个指令处理分配到5 个时钟周 期内，在每一个时钟周期内同时有5 个指令在执行。在同样的加工工艺下，a r m g t d m i 处理器的时钟频率是a r m 7 t d m i 的1 8 2 2 倍 ( 2 ) 指令周期的改进 指令周期的改进对于处理器性能的提高有很大的帮助。性能提高的幅度依赖于代 码执行时指令的重叠，这实际上是程序本身的问题。对于采用最高级的语言，一般来 说，性能的提高在3 0 左右。 2 1 2 3 $ 3 c 2 4 1 0 a 处理器简介 $ 3 c 2 4 1 0 a 是一款由三星公司推出的1 6 3 2 位r i s c 处理器，它采用了a r m 9 2 0 t 内核，0 1 8 u mt 艺的c m o s 标准宏单元和存储器单元。其最显著特性就是它的c p u 核心实现了m m u ，a m b a 新型总线结构和h a r b a r d 高速缓冲体系结构。这一结构具 有独立的1 6 k b 的指令c a c h e 和1 6 k b 数据c a c h e ，每个都是由8 字长的行( 1 i n e ) 组 s 第二章a r m 9 及嵌入式m t 丑1 a u x 操作系统 成 同时8 3 c 2 4 1 0 a 还提供了丰富的内部设备( 如图2 1 所示) ，降低了整个系统的 成本，为手持设备和一般类型应用提供了低价格、低功耗、高性能小型微控制器的解 决方案。 i 墨l 墨l 舞专 l 譬警陪穹 lh ni 昏 图2 - ls 3 c 2 4 1 0 a 处理器结构 f i g 2 - 1s 扛u c h 聆o f s 3 c 2 4 1 0 a p r o c c s s o f 2 2m i z il i n u x 嵌入式操作系统 2 2 1 常用嵌入式操作系统 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，将应用程序和操作系统与计 算机硬件集成在一起，能够独立工作，而且软硬件均可裁减的专用计算机系统i 瑚 嵌入式系统的特点与定义不同，它是由定义中的三个基本要素衍生出来的。不同 的嵌入式系统其特点会有所差异。 嵌入式系统通常是面向特定应用的，即所谓“专用性”嵌入式系统以满足特定 用户群的最低要求来进行软硬件的裁剪和配置，使其具有功耗低、体积小，集成度高 等特点。 嵌入式系统总是与具体应用相结合，必须满足应用对象系统的环境要求，即所谓 “嵌入式” 9 第二章a r m 9 及嵌入式m i z il i n u x 操作系统 嵌入式系统体现了计算机技术、半导体技术和电子技术三个学科的技术，是一个 完整的“计算机系统” 2 2 1 1v x w o r k s 操作系统与实时应用 w r s 产品v x w o r k s 操作系统自1 9 9 6 年登陆中国来。越来越多地占据了国内嵌入 式应用市场1 2 0 。最初的v x w o r k s 是运行v r t x 、p s o s 以及早期的较慢的w i n d 内核 等实时内核之上的软件集合的名字【2 “从5 0 发行起，现在v x w o r k s 不再运行于其 他核之上，只运行于它自己的w i n d 内核之上 v x w o r k s 操作系统是现在所有独立于处理器的实时系统中最具特色的操作系统 之一v x w o r k s 支持3 2 位的c p u ，包括i n t e l 公司的x 8 6 、m o t o r o l a 公司的6 8 k 和 p o w e r p c 、m 口s 、a r m 、i n t e l 公司的i 9 6 0 、h i t a c h i 公司的s h v x w o r k s 的微内核w i n d 是一个具有较高性能的，标准的嵌入式实时操作系统内 核，其主要特点包括：快速多任务切换，抢占式任务调度、任务间通信手段多样化等。 该内核具有任务问切换时间短、中断延迟小、网络流量大等特点，与其他嵌入式实时 操作系统相比具有一定的优势。 2 2 1 2 基于l i n u x 的嵌入式操作系统 l i n u x 的历史可以追溯到1 9 9 0 年，芬兰赫尔辛基大学的一名学生l i n u st o r v a l d s 编写了最初的0 0 1 版本的l i n u x m 。1 9 9 1 年l o 月5 日，l i n u st o r v a l d s 在新闻组 c o m p o s m i n i x 发布了大约有一万行代码的l i n u xv 0 0 1 版本。1 9 9 4 年3 月，l i n u x l 0 发布，代码量1 7 万行，当时是按照完全自由免费的协议发布，随后正式采用g p l 协 议。至此，l i n u x 的代码开发进入良性循环 2 3 l 。 l i n u x 是一个成熟而稳定的网络操作系统，具有众多的优点。首先，l i n u x 的源代 码是开放的，任何人都可以获取并修改，用以开发自己的产品。其次，l i n u x 是可以 定制的，其系统内核最小只有约 3 4 k b 2 4 。一个带有中文系统和图形用户界面的核心 程序也可以做到不足1 m b ，并且同样稳定。另外，它和多数u n i x 系统兼容，应用程 序的开发和移植相当容易。同时，由于具有良好的可移植性，l i n u x 已成功运行于数 百种硬件平台之上瞄】。下面简单列出常用的几种基于l i n u x 的嵌入式操作系统的特点： ( 1 ) u c l i n u x u c l i n u x 是针对控制领域的嵌入式l i n u x 操作系统，u 为m i c r o ，微小的意思，c 为c o n t r o l ，控制的意思，也即它是专为微控制领域而设计的。它从l i n u x2 0 2 4 内核 派生而来，沿袭了主流l i n u x 的绝大部分特性【2 6 i 。u c l i n u x 专门针对没有m m u 的c p u ， 并且为嵌入式系统做了许多小型化的工作。u c l i n u x 是一个完全符合g n u ( 3 p l 公约 1 0 第二章a r m 9 及嵌入式m i z il i n u x 操作系统 的项目，完全开放代码口刀 u c l i n u x 是一个优秀的嵌入式操作系统，支持十余种硬件系统，如m o t o r o l a 公司 的m 6 8 3 2 8 、m 6 8 e n 3 2 2 、m c 6 8 3 6 0 、d r a g o n b a l t 系列如6 8 e z 3 2 8 、6 8 v z 3 2 8 ，c o l d f i r e 系列的如5 2 7 2 、5 3 0 7 ，a r m 碱l i ，m c 6 8 e n 3 0 2 、e t r a x 、t n t e li 9 6 0 、p r i s m a 、 a t a r i 6 8 k 等等。 虽然t t c l i n u x 的体积很小，但是仍然保留了l i n u x 的大多数的优点：稳定、良好 的移植性，优秀的网络功能、完备的对各种文件系统的支持，以及标准丰富的a p i 内存管理是t t c l i n u x 同标准l i n u x 的最大区别f 2 研 正是由于u c l i n u x 有着优良的可移植性和广泛的兼容性，其应用遍及d v d 播放 器、p d a 、路由器、防火墙、机顶盒、工业控制设备、v o i p 设备、数码摄像头、智 能家具设备等。 ( 2 ) t t c o s - t t c o s 一出自美国工程师j e a n j l a b r o $ s c 之手，最初名字是心o s 如同所有嵌 入式l i n u x 操作系统一样，t t c o s i i 最主要的特点就是源码公开的自由软件 t t c o s 一1 i 是专门为单片机嵌入式应用设计的实时操作系统内核，主体用标准的 a n s i c 语言写成，可移植性极好。目前已被成功地移植到四十多种c p u 上，包括8 位、1 6 位、3 2 位及6 4 位单片机，包括若干种d s p 2 9 】。 t t c o s i i 不支持时间片轮转法，而是基于优先级的，所以系统中每个任务的优先