（电工理论与新技术专业论文）嵌入式技术在电能质量监测系统中的应用.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 针对现代电能质量监测在数据处理量、实时性、网络化、兼容性等多方面的要 求，结合目前广泛应用的嵌入式技术，开发出用于电能质量综合测试的嵌入式操作 系统平台。本文深入研究了嵌入式操作系统w i n d o w sc e 的体系结构和工作原理， 利用开发工具p l a t f 0 珊b u i l d e r 完成了嵌入式操作系统的定制和移植；采用驱动程序 开发工具w i n d r i v e r 编写了w i n d o w sc e 下数据采隽卡的驱动程序；进一步实现了 嵌入式操作系统w i n d o w sc e 下大容量存储设备的应用、网络连接和串门通讯，为 电能质量监测装置实现网络化、大量数据存储等功能提供了条件。 关键词：电能质量，嵌入式技术，w i n d o w sc e ，w i n d r i v e r a bs t r a c t f o rm o d e mp o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gi nt h ed a t ah a n d l i n gc a p a c i t y ，r e a l t i m e ， n e t w o f k i n g ，a n dc o m p a t i b i l i t yr c q u i f e m e n t s ，c o m b i n e dw i t h 如ec u r r e n te x t e n s i v eu s e d e m b e d d e dt e c h n o l o g y ，d e v e l o p i n ga ne m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mf b rp o w e rq u a l i t y i n t e g r a t e dt e s t i nt h i sp a p e r ，i n - d e p t hs t u d yo ft h ew i n d o w sc ee m b e d d e do p e r a t i n g s y s t e ma r c h i t e c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l c s ，c o m p l e t e dac u s t o mc m b e d d e d0 p e r a t i n g s y s t e ma n dt r a n s p l a n t a t i o nb yu s eo fp l a t f b n nb u i l d e r a n dt h e nu s ed r i v e rd e v e l o p m e n t t o o lw i n d r i v e rt op r e p a r i n gt h ed a t aa c q u i s i t i o nc a f dd r i v e rb a s e do nt h ew i n d o w sc e a tt h es a m et i m e ，i no r d e rt of u l l ym e e t i n gt h ep o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gd e v i c e si nt h e d a t as t o f a g e ，n e t w o r k i n ga n do t h e rf c q u i r e m e n t s ，r e a l i z et h ef u n c t i o n so fm a s ss t o r a g e d e v i c e a p p l i c a t i o n ， n e t w o r kc o m m u n i c a t i o na n ds e r i a ic o m m u n i c a t i o nu n d e rt h e e m b e d d e d0 p e r a l i n gs y s t e mw i n d o w sc e z h o ul e i ( e l e c t r i c a ie n g i n e e r i n gt h e o r ya n dn e wt e c h n o l o g y ) d j r e c t e db yp r o f y a nx i a n g w u k e yw o r d s ：p o w e rq u a l i t y ，e m b e d d e dt e c h n o l o g y ，w i n d o w sc e ，w i n d r i v e r 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文嵌入式技术在电能质量监测系统 中的应用，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：冈萎日 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：- j 虹 日期：? 邴。一 导师签名： 日期： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 近几十年来，电能已经广泛应用于现代社会的各个领域里，其应用程度也成了 衡量一个国家或地区发展水平的重要标志之一。我国电力事业无论是发电总量还是 电网的建设都得到了迅猛发展，电力系统的规模在不断扩大，电能紧缺的问题已逐 步解决。但随着科学技术和国民经济的不断增长，用户对电能的需求日益增加，高 质量的电能对于保障工农业生产和居民正常生活有着重要的意义f 1 1 。为了更好的衡 量电能的好坏，人们提出了电能质量的概念。 i e c 标准对于电能质量的定义：电能质量是导致用电设备故障或不能正常工作 的电压、电流或频率偏差。其内容涉及频率偏差、电压偏差、电磁暂态、供电可靠 性、波形失真、三相不平衡度以及电压波动和闪变等。电能质量与一般的产品质量 不同，具有以下有两个特点：其一是电能质量不完全取决于电力生产企业，甚至有 的质量标准( 例如谐波，电压波形和闪变，三相不平衡度) 往往是由于用户干扰所 造成。其二是对于不同的供( 或用) 电点在不同的供( 或用) 电时刻，电能质量指 标往往是不同的，也就是说，电能质量在空间上和时间上均处于动态变化之中【2 1 1 3 l 。 自从2 0 世纪8 0 年代以来，电能质量问题得到了世界范围内的普遍关注，其主 要原因有以下几个方面1 4 j ： ( 1 ) 为了提高劳动生产率和自动化水平，大量基于计算机系统的控制设备和电子 装置投入使用，这些装置对电能质量非常敏感。一个计算中心失去电压2 s 就可能毁 掉几十个小时的数据处理结果，造成很大的经济损失。 ( 2 ) 现代电力系统中用电负荷结构发生了重大的变化，诸如整流器、晶闸管调压 及变频调正装置、炼钢电弧炉、电气化铁路和家庭用电器等负荷的迅速发展，由于 其非线性、冲击性以及不平衡的用典特性，使电网的电压波形发生畸变，对供电电 能质量造成严重的干扰或污染。 ( 3 ) 电能作为商品，在我国电力行业正在实行厂网分离，打破垄断，形成一个开 放和竞争的运行环境，必然对电能质量提出了越来越高的要求，并促使电能质量标 准化的发展和不断完善。 为了改善电能质量，电力系统首先要对电能质量进行监测、评估和分析工作。 通过高度智能化的工业监控单元的实时监测，不仅能够使我们掌握全网的电能质量 水平与状况，了解系统中电能质量干扰源的分布规律，发现干扰源的动态时间分布 特性，研究各种电能质量现象在电网中的传播机理，同时能够使我们取得大量的、 l 华北电力大学硕士学位论文 详实的、不同运行工况的现场数据，从而为电能质量问题的分析、控制、治理提供 了不可缺少的数据支持1 5 1 。 1 2 电能质量监测研究动态及发展趋势 在工业发达国家，电能质量问题早已被当作电力系统面临的重要问题看待。各 国均在加强有关电能质量问题的研究，己得出不少理论成果。国际上对电能质量问 题的系统研究可以追溯到八十年代兴起的电磁兼容( e m c ) 学科。该学科对干扰的 产生、传播、接受、抑制机理及相应的测量、计量技术进行深入的研究，根据经济、 技术最合理的原则，对产生的干扰水平、抗干扰水平及抑制措施做出规定，使处于 同一电磁环境中的设备“兼容”。而电能质量问题基本上属于e m c 中的低频传导 现象。e m c 的基本任务是协调干扰发射者和接受者之间的关系，使其“兼容”，协 调方法是制定合理的规定值。1 9 9 2 年7 月，欧洲电工标准化委员会发布 ：公用配电 系统的供电特性草案。该草案在广泛吸收i e c 标准的基础上，对中、低压配电系 统用户供电端的电能质量作了全面规定，包括频率、电压( 电压偏差、电压波动及 闪变、短时和长期停电、暂态工频过电压、瞬态过电压) 、电压不平衡、电压波形 以及电源的信号电压等。 为了适应电力市场发展，我国于1 9 9 5 年通过了电力法，并于1 9 9 6 年4 月 1r 起实施。 电力法规定：“供电企业应当保证供给用户的供电质量符合国家 标准 ( 第二十八条) ，“上网电价实行同网同质同价 ( 第三十七条) 。国家技 术监督局先后颁布了六项电能质量相关标准，分别是：电能质量供电电压允许偏 差g b 厂r 1 2 3 2 5 2 0 0 3 、电能质量电压波动和闪变g b l 2 3 2 卜2 0 0 0 、电能质 量公用电网谐g b 厂r 1 4 5 4 卜1 9 9 3 、电能质量三相电压允许不平衡度g b 玎1 5 5 4 3 一1 9 9 5 、l ：电能质量电力系统频率允许偏差g b 肛1 5 9 4 5 一1 9 9 5 电能质量暂时 过电压和瞬态过电压g b 厂r 1 8 4 8 1 2 0 0 1 1 6 j 。 目前，许多西方发达国家建立了全国性的电能质量监测网络，所采用的电能质 量监测装置一般都具有智能化、网络化等特点，能对多种电能质量问题进行监测、 记录和远传，并通过互联网实现数据共享及状况分析。与国外电能质量监测装置相 比，国内产品主要存在以下几个缺点【7 j ： ( 1 ) 电能质量监测方法不能实现或不能完全实现对电能质量的实时监测。一般只 是在需要时才对电能质量相关指标的参数进行监测，而对于电能质量波动较大的情 况，如系统中存在大功率的电弧炉和整流设备时往往不能得到全面的电能质量信 息。 ( 2 ) 电能质量监测指标较少。由于重视程度的不够和实现起来的难度，传统的电 2 华北电力大学硕士学位论文 能质量测量、监测装置往往只能监测其中一项或几项，并不能实现6 项电能质量的 同时监测。 ( 3 ) 电能质量监测大多孤立地对某个站点进行监测，不能从系统的角度来考虑电 能质量的监测，监测结果具有局限性。 ( 4 ) 电能质量监测运行效率低，从发现电能质量的问题到解决该问题，往往需要 很长的时间，不利于管理工作的展开，无法形成一个高效率的电能质量监督管理体 系。 针对以上缺点，现代电能质量监测具有以下几个主要特点【8 1 【9 1 【1 0 l ： ( 1 ) 数据处理量大。随着电能质量监测系统的不断发展，出现了越来越多的新算 法，归纳起来，可以分为基于方均根值、傅立叶变换变换、滤波、统计、函数、人 工智能等几大类。同时监测的指标也越来越多，西方发达国家如美国、加拿大等国， 对电能质量的研究、分析和监测范围己远远超过我国的电能质量的标准，如加拿大 的电能质量指标有2 5 项。西方发达国家的电能质量监测不仅包括了我国的全部指 标( 6 项) ，而且包括了暂态过程、长持续时间、短持续时间等电能质量指标。这 些无疑都带来了大量的数值计算，要求监测系统能够迅速、准确的处理这些数据。 ( 2 ) 数据处理实时化。电能质量监测系统不仅为用户提供电能质量的各种指标， 更重要的是能连续不断地监测电网的运行状况，当电网发生故障或异常时，能检测 出电网的异常，同时向电网质量监测人员发出报警信号，并能通过计算机后台处理， 自动识别出电网异常类型和原因。这一切的实现都依赖于数据处理的实时化，这些 动作必须在规定的时限内完成，否则将失去电能质量监测的意义。 ( 3 ) 监测装置网络化。由于被监测的对象大都分布在不同的地方，而且监测系统 数据采集量大，基于以上两个原因，电能质量监测系统需要采用网络化的构架。现 代网络技术( 包括局域网和广域网) 、光纤通讯技术以及标准化协议等为数据的采 集、传输、分析与共享提供了基本条件后，越来越多的电能质量监测系统将采用网 络技术，为电能质量参数的传送构建了高速的通信网络。为了有效地监测管辖区域 内整个电网的电能质量状况，需要构建监测网络集中监测各地的电能质量，网络技 术的发展为电能质量监测系统的网络化提供技术平台。 ( 4 ) 用户对监测装置兼容性要求不断提高。目前，各种计算机技术发展十分迅速， 为了将新技术不断的应用于监测系统中，就必须要求装置具有良好的兼容性。 由于电能质量监测装置要处理的任务种类繁多，既有周期性任务( 数据采样、各 种计算等) ，又有突发性任务( 通信、人机交互等) ，同时还要保证系统的实时性，这 种情况下不仅要求处理设备本身具有很高的速度和处理能力，而且还要具有实时任 务调度能力，最后还要考虑到成本。如今应用广泛的嵌入式技术能够很好的满足以 3 华北电力大学硕士学位论文 上要求，本论文就是根据电能质量监测装置的特点，将嵌入式技术引入其中。 1 3 嵌入式系统概述 随着计算机技术、网络技术和多媒体通信技术的发展，嵌入式系统已广泛地应 用于工业控制系统、信息家电、通信设备、医疗仪器等众多领域中。它是以应用为 中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、适用于对功能、可靠性、成本、体积、 功耗等严格要求的专用计算机系统l l “。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，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和多任务的体系。与通用计算 机系统相比较，嵌入式系统具备下列特点【1 2 】： ( 1 ) 嵌入式系统通常是面向用户、面向产品、面向特定应用的。 ( 2 ) 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与各个行业的具 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。 ( 3 ) 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率的设计，量体裁衣、去除冗余，这样 才能使系统设计更具优势性。 ( 4 ) 嵌入式系统将软件、硬件和具体应用及行业特点有机地结合在一起，这使它 的升级换代是和具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长 的生命周期。 嵌入式技术正在不断发展，与各种新技术的结合正日益密切，其应用将更加广 泛。同时结合现代电能质量监测的实际要求，将嵌入式技术引入到监测平台上是一 种首选可行的方案。下面简要介绍了嵌入式系统的体系结构和一些主流嵌入式操作 系统，然后选择一种适合于本装置的高可靠、高性价比的操作系统。 1 3 1 嵌入式系统体系结构 一般而言，整个嵌入式系统的体系结构可以分成4 个部分：嵌入式处理器、嵌入 式外围设备、嵌入式操作系统和嵌入式应用软件1 1 3 l 。 嵌入式系统的核心是各种类型的嵌入式处理器，嵌入式处理器与通用处理器最 大的不同点在于嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群所专门设计的系统中，它将通 用c p u 中许多由板卡完成的任务集成到芯片内部，从而有利于嵌入式系统在设计时 趋于小型化，同时还具有很高的效率和可靠性。嵌入式处理器的体系结构经历了从 c i s c ( 复杂指令集) 至r i s c ( 精简指令集) 和c o m p a c tr i s c 的转变，位数则由4 位、8 位、1 6 位、3 2 位逐步发展到6 4 位。目前常用的嵌入式处理器可分为低端的嵌入式 4 华北电力大学硕士学位论文 微控制器，用于计算机通信领域的嵌入式d s p 处理器，中高端的嵌入式微处理器和 高度集成的嵌入式片上系统【1 4 l 。 ( 1 ) 嵌入式微控制器( m c u ) ，俗称单片机。其最大特点是单片化，体积小，从而 使功耗和成本较低、可靠性高。 ( 2 ) 嵌入式d s p 处理器。d s p 处理器对系统结构和指令进行特殊设计，采用了 h a r v a r d 结构，使其适合于d s p 算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。主要应用 在数学滤波、f f r 、频谱分析等需要d s p 算法的嵌入式领域，尤其适合在运算量较 大，特别是向量运算、指针线性寻址等较多的智能化算法中。目前国内广泛应用的是 t i 公司的t m s 3 2 0 系列和m o o r o l a 公司的d s p 5 6 0 0 0 系列等。 ( 3 ) 嵌入式微处理器( m p u ) 。嵌入式微处理器是在具体应用中，在通用计算机中的 c p u 的基础上，将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式有关的母 板功能，大幅度减小系统体积和功耗。嵌入式微处理器目前主要有p o w e r p c 、6 8 0 0 0 、 m i p s 、a r m 系列等。 在嵌入式系统硬件系统中，除了中心控制部件以外，其它用于完成存储、通信、 调试、显示等辅助功能的部件，都可以算作嵌入式外围设备。目前常用的嵌入式外 围设备按功能可以分为存储设备、通信设备和显示设备三类。存储设备主要用于各 类数据的存储。目前存在的绝大多数通信设备都可以直接在嵌入式系统中应用，包 括r s 2 3 2 接口( 串行通信接口) 、s p l ( 串行外围设备接口) 、i r d a ( 红外线接口) 、u s b ( 通 用串行总线接口) 、e t h e m e t ( 以太网接口) 等。由于嵌入式应用场合的特殊性，通常使 用的外围显示设备有阴极射线管( c r t ) 、液晶显示器( l c d ) 和触摸板( t o u c hp a n e l ) 等。 嵌入式操作系统( e o s ) 是嵌入式系统的灵魂，是嵌入式系统的重要组成部分。 它是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，嵌入式操作系统具有通用操作系统 的基本特点，能够有效管理复杂的系统资源，完成进程管理、处理器调度、存储管 理、设备管理、中断处理等操作系统任务。它通常包括与硬件相关的底层驱动软件、 系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等软件模块。嵌入 式操作系统能够把硬件虚拟化，使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱 出来，能够提供库函数、驱动程序、工具集以及应用程序。随着i n t e r n e t 技术的发 展，嵌入式系统的微型化和专业化，目前的嵌入式操作系统也从单一的功能向高专 业化的强功能发展。综合来讲，嵌入式操作系统一般具有以下特点1 1 6 】： ( 1 ) 可定制性。因为嵌入式系统环境的要求，嵌入式操作系统一般需要提供可添 加或可裁剪的内核及其它功能，能够让用户根据需要自行进行配置。 ( 2 ) 可移植性。因为目前的嵌入式微处理器种类很多，每种微处理器都有其市场， 所以嵌入式操作系统要支持尽可能多的微处理器，这样才能使用户具有硬件选择的 5 华北电力大学硕士学位论文 灵活性。 ( 3 ) 实时性。实时性是嵌入式系统环境的现实要求。不满足一定的实时性，嵌入 式操作系统就无法应用到一些环境中去。 ( 4 ) 低资源占有性。低资源占有性也是嵌入式的要求。相对其它计算机而言，嵌 入式设备一般都配置少量的r a m 、频率较低的微处理器、很小的永久存储空间。 1 3 2 主流嵌入式操作系统介绍与比较 在嵌入式系统发展的初期，还没有出现操作系统的概念，大部分功能是用汇编 语言来实现的。由于这些汇编程序只能用于某一种特定的处理器，所以这种嵌入式 系统的兼容性、通用性和可扩展性都很差。这些应用程序需要完全控制c p u 和硬件， 这对开发人员提出了较高的要求，同时这些应用程序的依赖性很强，硬件的一点点 变化都使得软件需要进行相应的改动。c 语言的出现促进了嵌入式操作系统的开发。 所以，自从2 0 世纪8 0 年代开始，出现了各种各样的商用嵌入式操作系统，逐步形 成了百家争鸣的局面。特别是到9 0 年代，几个重要的操作系统相继开发成功，如 v x w o r k s 、p a l mo s 、嵌入式l i n u x 和w i n d o w sc e 【1 7 j 【1 8 l i l 9 1 。 ( 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 ) 。它具有高性能的内核以及友好的用户开发环境，在嵌入式 实时操作系统领域占有重要地位。v x w o r k s 实时操作系统基于微内核结构，由4 0 0 多个相对独立、短小精悍的目标模块组成，用户可根据需要增加或删减适当模块来 裁剪和配置系统。v x w o r l 【s 的链接器可按应用的需要来动态链接目标模块。v x w o r k s 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 ( 2 ) p a l m0 s 操作系统 在个人数字助理( p d a ) 市场上，p a l mo s 是全球最知名、使用人数最多的p d a 操作系统。目前p a l mo s 已经有超过一万种的软件，而且每天都有新的p a l m 软件 问世。这就是p a l mo s 操作系统成功的一个重要因素。 ( 3 ) 嵌入式l i n u x 另外一个重要的嵌入式操作系统是嵌入式l i n u x 操作系统。嵌入式l i n u x 是一 种开放源代码、软实时、多任务的嵌入式操作系统。它是在标准l i n u x 的基础上针 对嵌入式系统进行内核裁剪和优化后形成的。 ( 4 ) w i n d o w sc e 操作系统 m i c r o s o f tw i n d o w sc e 是针对有限资源的平台而设计的一个3 2 位多线程、完整 6 华北电力大学硕士学位论文 优先权、多任务的操作系统，w i n d o w sc e 操作系统的基本内核至少需要2 0 0 k b 的 r o m 。它支持w i n 3 2a p i 子集、多种用户界面硬件、多种串行和网络通信技术、 c o m o l e 和o l e 和其它进程间通信的先进方法。它的设计目标是：模块化及软硬 件的可裁减性、实时性能好，通信能力强大，支持多种c p u 。w i n d o w sc e 提供了 平台定制工具p l a t f o r mb u i i d e r 和应用软件开发工具e m b e d d e dv i s u a lc + + 。用户可 以通过这些工具根据不同的硬件裁减出符合不同要求的操作系统。 w i n d o w sc e 嵌入式操作系统最大的特点是能提供与p c 机类似的图形界面和主 要的应用程序。w i n d o w sc e 嵌入式操作系统的界面显示大多是在w i n d o w s 里出现 的标准部件，包括桌面、任务栏、窗口、图标和控件等。这样，只要是对p c 机上 的w i n d o w s 比较熟悉的用户，就可很快的使用基于w i n d o w sc e 嵌入式操作系统的 嵌入式设备。 v x w o f k s 价格昂贵，由于操作系统本身以及开发环境都是专有的，价格一般都 比较高，对每一个应用一般还要另外收取版税。它一般不提供源代码，只提供二迸 制代码。由于它们都是专用操作系统，需要专门的技术人员掌握开发技术和维护， 所以软件的开发和维护成本都非常高。另外该软件支持的硬件数量有限。 嵌入式l i n u x 与w i n d o w sc e 相比有以下几个弱点：第一，l i n u x 开发难度较高， 需要很高的技术实力，w i n d o w sc e 开发相对较容易，开发周期短，内核完善，主 要是应用层开发。第二，l i n u x 核心调试工具不全，调试不太方便，尚没有很好的 用户图形界面，w i n d o w sc e 的g u i 丰富，开发工具强大；第三，系统维护难度大， l i n u x 占用较大的内存，如果去掉部分无用的功能来减小使用的内存，但是如果不 仔细，将引起新的问题。 综上考虑，采用w i n d o w sc e 嵌入式操作系统作为电能质量监测装置的软件平 台。 1 4 本文的主要工作 针对现代电能质量监测装置在数据处理量、实时性、网络化、兼容性等多方面 的要求，将嵌入式技术引入到监测装置中，充分利用嵌入式技术的特点以提高电能 质量监测装置性能，本论文主要工作包括以下几个方面： ( 1 ) 分析了现代电能质量监测的实际需求，结合当前广泛应用的嵌入式技术，将 其引入到电能质量监测装置中：通过分析、比较并选择适合于电能质量监测装置的 嵌入式操作系统。 ( 2 ) 深入研究嵌入式操作系统w i n d o w sc e 的工作原理，基本功能以及配置方法； 利用开发工具p l a t f o mb u i l d e r 实现基于电能质量监测装置的嵌入式操作系统定制， 7 华北电力大学硕士学位论文 并通过以太网实现镜像文件在目标机上的移植与启动。 ( 3 ) 研究嵌入式操作系统w i n d o w sc e 驱动程序类型及特点，利用驱动开发工具 w i n d r i v e r 开发w i n d o w sc e 下数据采集卡驱动程序，并通过实验进行相关测试；进 一步完成嵌入式操f 1 ：系统w i n d o w sc e 下大容量存储设备的应用、内存的扩展、网 络连接和串行通讯，为电能质量监测装置实现网络化、大量数据存储等功能提供条 件。 华北电力大学硕士学位论文 第二章电能质量监测装置硬件设计 结合现代电能质量监测的要求和嵌入式系统的优点，设计装置的基本组成为嵌 入式d s p + 工控机，利用嵌入式d s p 处理器强大的计算能力进行电能质量参数的实 时计算，由工控机负责数据的显示、统计、存储和通讯等，使得监测装置具有较好 的人机界面和较强的计算能力，而且可以实现电能质量的实时在线测量。同时嵌入 式d s p 和工控机之间的通讯非常关键，如果采用速度较慢的接口如串口等，则实时 性受到较大的限制，一般只能采用每分钟计算3 秒钟数据的模式，这样虽然能满足 国家标准的要求，但有可能漏掉某些短时间的扰动，造成对电能质量的错误估计。 如果要实时的计算电能质量参数并且将电压和电流波形上传到p c 端，需要高速的 数据通道，传统的通信接口速度无法满足要求，而p c i 总线无疑是比较合理的选择。 p c i ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ) 总线是当今个人计算机的主流总线结 构，用于周边设备与计算机中央处理器之间的快速通信，是微型计算机中处理器 存储器与外围控制部件，扩展卡之间的互连接口。p c i 总线是构建微计算机系统的 基础，也是嵌入式计算机系统和工业控制计算机系统与微机系统互联的重要实现方 式，它具有如下特点：高性能，p c i 时钟频率为3 3 m h z ，3 2 位数据总线下数据传送 速率可高达1 3 2 m b s ；线性突发传输，这种数据传输模式可确保总线不断满载数据： 极小的存取延误，能够大幅减少外围设备取得总线控制权所需的时间；采用总线主 控和同步操作；不受处理器限制；适用于各种机型，兼容性强1 2 0 l 。 基于上述原因，本电能质量监测装置采用了数据采集卡+ p c i 总线+ 工控机的 方案。图2 1 为该电能质量监测装置的整体原理框图。 p c 计算机 图2 1 电能质量监测装置整体原理框图 系统工作时由d s p 负责电能质量各个参数的计算，并将计算后的结果以及原始 数据通过p c i 总线上传给p c ，由p c 负责这些参数的实时显示、存储、分析和统计。 2 1 数据采集卡设计 9 华北电力大学硕士学位论文 由图2 1 可知，数据采集卡是整个电能质量监测装置的核心部分，它需要对 电力系统多路电气量同时进行采集，并且对原始数据进行存储、计算以及将处理 后的数据上传给主机。 高速、多路采集卡现在市场上比较多，但它们一般是a d c + f i f 0 结构，没 有微处理器，而且这些采集卡只能实现对信号的定时采集。而在谐波等指标的精 确测量中，需要通过锁相同步电路，对电压电流信号进行等间隔采样，减少因非 同步采样带来的频谱泄漏和栅栏效应测量误差，提高准确度。所以选择自主开发 数据采集卡【2 1 】【2 2 1 。 对一个公共连接点( p c c ) 进行在线监测需要同时输入三相的电压、电流共 六路数据，而且要求每个工频周波每个通道采样1 2 8 点，即采样频率为6 4 k 。目 前，高速高位、多通道的d 转换器已较易获得，考虑到系统成本和接口灵活设 计的要求，选用了t i 公司的适合电力系统电气量测量的六路、高速、低功耗、十 六位模数转换器a d s 8 3 6 4 。 在微处理器的选择上，这个监测装置并没有太多的对外界的控制，只是要求 高速、扩展存储器简单、与主机接口灵活，再者考虑到此微处理器软件系统能用 c 语言的快速开发。选用了t i 公司最新的嵌入式d s p 芯片t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 。 考虑到采集卡与工控机的数据传送数率和将来的对数据的更高要求，选用了 p c i 总线。实现p c i 总线协议般有两种方法，一是用f p g a 设计实现，但p c i 协 议比较复杂，因此难度较大；二是采用p c i 总线控制芯片，如a m c c 公司的s 5 9 x x 、 p l x 公司的p c i 9 0 x x 等通用的p c i 接口芯片。综合考虑之后选用了p l x 公司的 p c i 9 0 3 0 ，该芯片实现了p c i 总线控制的功能，而且能与可以与主流的t i 的c 6 0 0 0 系列d s p 直接相连，实现d s p 芯片无缝的接口，因而简化了系统设计的复杂度， 而且p l x 公司提供了完备的软件开发包，大大提高了开发速度。根据以上论述，数 据采集卡的原理图如图2 2 所示。 l o 华北电力大学硕士学位论文 图2 2 数据采集卡原理图 整个系统主要由数据采集单元、电源模块、时序和可编程逻辑控制单元及d s p 扩展子系统组成，其主要性能特点为。 ( 1 ) 采用1 5 0 m h z t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 芯片，具有高速浮点运算能力，可快速实现各种 复杂运算。 。 ( 2 ) 双路数据采集，每一路宽度为1 6 b i t ，采样频率可达2 5 0 k h z ，采样频率可达 2 5 0 k h z ，可同时实现对两个p c c 节点的三相电压、三相电流的同步采样。 ( 3 ) p c i 控制器选用p l x 公司的p c i 9 0 3 0 ，具有符合p c i 2 2 标准的总线接口。 ( 4 ) 具有脱机和插入计算机构成主从系统两种工作模式。该采集卡本身就是一个 独立的计算模块，所有程序都固化在f l a s hr o m 中，只需接通电源就可以独立工作， 通过板载r a m 即可实现数据的显示与传输；如果插在计算机上则可将数据通过速 度更快的p c i 总线上传给计算机，组成功能更加强大的电能质量在线监测系统。 d s p 芯片采用的是浮点信号处理器t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 ，该芯片采用t i 公司专利的 超长指令字结构，在1 5 0 m h z 时钟频率下其峰值处理能力达9 0 0 m i p s ：片内具有两 级c a t c h ( 一级c 鑫t c h 为8 kb y t e ，二级c a t c h 为6 4 kb y t e ) ：具有8 1 6 3 2 b i t 的高 性能外部存储器接口( e m i f ) ，提供了与s d r a m 、s b s r a m 和s r a m 等同步异 步存储器的直接接口；片内集成多种外设，如多通道e d m a 控制器、多通道缓冲串 口( m c b s p ) 、3 2 b i t 通用计数器和可以访问d s p 的整个存储空间的主机口( h p i ) 。 华北电力大学硕士学位论文 本系统采用该芯片作为主处理器，正是充分利用其强大的信号处理能力和h p i 接口， 以满足数据传送和与上位机接口的设计要求。 2 2 总线接口芯片p c i 9 0 3 0 p c i 9 0 3 0 是由局部总线接口控制逻辑、p c i 总线接口控制逻辑与内部逻辑和 资源构成的【2 3 j 【2 4 1 。p c i 总线接口控制逻辑由p c i 控制逻辑和热交换控制逻辑组成， 实现p c i 9 0 3 0 与3 2 b i t 、3 3 m h zp c i 总线的接口；局部总线接口控制逻辑由局部总 线控制逻辑、码转换控制逻辑、动态数据总线宽度控制逻辑和复用非复用控制 逻辑四部分组成，实现p c i 9 0 3 0 与局部总线的接口；p c i 9 0 3 0 的内部资源，包括 p c i 配置寄存器、局部配置寄存器和一对读写f i f o 组成，用于配置系统，连接 p c i 总线与局部总线；p c i 9 0 3 0 的内部逻辑由串行e e p r o m 控制器和f l f o 控制 逻辑组成，前者用来从可选的外部串行e e p r o m 加载配置寄存器的值，后者控 制读写f i f o ，协调p c i 总线和局部总线。 s 眦t a r g e t 技术为p c i 9 0 3 0 提供了最大的灵活性：可编程的局部总线支持非 多路复用和多路复用3 2 位地址数据协议，宽度动态改变的局部总线能够访问8 位， 1 6 位或3 2 位的局部从设备；p c i 9 0 3 0 支持4 个p c i 局部地址空间和1 个扩展r o m 地址空间，并且每个局部地址空间操作特性( 包括等待状态，总线宽度和突发传输能 力) 都可编程，以适应各种各样的局部存储器空间；支持所有操作和数据类型的自动 快速b i ge n d i a n 和l i t t l ee n d i a n 转换；p c i 9 0 3 0 完全支持p c iv 2 2 扩展的新功能结 构，为用户或系统定义参数或配置数据提供另一种方法；p c i 9 0 3 0 为零等待突发传 输提供了一个1 6 双字的读f i f o 和一个3 2 双字的写f l f 0 ；局部时钟与p c i 时钟异 步，局部总线按照局部时钟操作，并产生p c i 9 0 3 0 必要的内部时钟信号，p c i 9 0 3 0 还提供的一个p c i 缓冲时钟可用作局部总线时钟；虽然p c i 9 0 3 0 使用3 3 v 电源， 但是它在p c i 总线和局部总线上都提供了3 3 v 5 v 容错信号，不仅使p c i 9 0 3 0 能够 用于3 3 v 或5 vp c i 连接器，而且局部设备也可以选择3 3 v 或5 v 电源。 2 3 基于p c i 9 0 3 0 的p c i 接口设计 d s p 通过p c i 总线向主机传送数据，然而它并不能和p c i 总线直接接口。这里 选用p l x 公司p c i 9 0 3 0 实现p c i 总线协议。p c i 9 0 3 0 实现了p c i 总线控制的功能， 而且能与可以与主流的t l 的c 6 0 0 0 系列d s p 直接相连，实现d s p 芯片无缝的接口， 因而大大简化了系统设计的复杂度。 2 3 1p c i 9 0 3 0 与d s p 的接口设计 d s p 提供主机口h p l ( h o s t p o r ti n t e r f a c e ) 与p c i 9 0 3 0 相连，h p i 是一个 1 2 华北电力大学硕士学位论文 1 6 位宽度的并行端口，通过它可直接访问d s p 的所有片内及片外的外围存储器的 存储空间1 2 5 l f 捌。 h p i 是利用h p i 的三个寄存器来完成p c i 9 0 3 0 和d s p 之间的通信的，三个寄存 器分别为h p i 数据寄存器( h p i d ) ，h p l 地址寄存器( h p n ) 和h p i 控制寄存器 ( h p i c ) 。p c i 9 0 3 0 对于这三个寄存器都可以进行读写，d s p 只能对h p l c 进行访 问。h p i d 中存放的是主机经p c i 9 0 3 0 从d s p 存储空间中读取的数据，或者是主机 经p c i 9 0 3 0 向d s p 存储空间写入的数据。h p 认中存放的是主机经p c i 9 0 3 0 访闯d s p 存储空间的地址，这是一个3 0 位的值，最低两位则固定为o ，这样可以保证每次进 行操作的数据是1 6 位的。 p c i 9 0 3 0 的局部总线接口信号可分为四类：局部时钟信号，地址数据信号，状 态控制信号和局部总线仲裁信号。外部输入的局部时钟信号l c l k 是局部操作的基 准时钟信号，决定了p c i 9 0 3 0 局部操作的速率和数据传输率。 地址数据信号线的连接比较简单，把p c i 9 0 3 0 的l 蛐【1 5 ：0 】与h p i 的h d 【1 5 ：o 】 相连，构成1 6 位总线：把p c i 9 0 3 0 的l a 【3 ：2 】与h p l 的h c n t l 【1 ：0 】连接，来寻址 h p i 的四个寄存器。状态控制信号中，主要是a d s 与l r d y 信号的处理。主要连 线如图所示2 3 所示。 p c i 9 0 3 0t m s 3 2 0 c 6 7l l 图2 3p c i 9 0 3 0 与d s p 连线图 p c i 9 0 3 0 内的寄存器可分为p c i 配置寄存器、局部配置寄存器、片选寄存器和 控制寄存器四类。在p c i 配置寄存器中，包含有标识板卡的设备识别( d e v i c e i d ) 1 3 华北电力大学硕士学位论文 和供应商识别( v e n d o r i d ) 寄存器、以内存映射或i o 映射方式访问的p c i 基地址 寄存器等，其中前一部分根据e e p r o m 中存储的参数设置，后一部分则是根据操 作系统所分配的资源地址自动进行设置。局部配置寄存器中所包含的寄存器，分别 为p c i 9 0 3 0 的四个局部地址空间和扩展r o m 地址空间的范围寄存器、基地址寄存 器和区域描述寄存器。片选寄存器包括为p c i 9 0 3 0 的四个片选基地址寄存器。控制 寄存器则包括中断状态控制寄存器和p c i 目标响应寄存器等。根据数据采集卡硬件 设计，对p c i 9 0 3 0 的各部分寄存器的具体设置分别为： ( 1 ) 对于局部配置寄存器，由于是将h p l 的三个寄存器( 地址上为1 6 个字节) 以i ，o 方式映射到p c i 9 0 3 0 的s p a c e1 局部地址空间，所以只需设置p c i 9 0 3 0 的 s p a c e1 局部地址空间的范围、基地址和区域描述寄存器即可。三个寄存器所设的 值分别为f f f f f f f l ，0 0 0 0 0 1 0 0 1 和d 4 4 1 4 0 8 2 ，表明s p a c e1 局部地址空间为i o 映射 方式，其范围大小为1 6 个字节，禁止突发传输，不进行预取，总线宽度为1 6 位， 写周期保持3 个时钟周期，读写闸门延迟均为1 个时钟周期。 ( 2 ) 对于片选寄存器，由于p c i 9 0 3 0 的c s l 与h p i 的h c s 相连作为片选信号， 因此只需对片选1 基地址寄存器进行设置。该寄存器值设为0 0 0 0 0 0 1 1 ，除了表明片 选l 允许外，还表明局部总线的范围大小为1 6 个字节，映射的基地址为0 。 ( 3 ) 对于控制寄存器，将中断状态控制寄存器的值设为0 0 4 l ，表示允许p c i 中断， 允许l i n t i l 产生中断并且为电平触发方式，低电平有效。对p c i 9 0 3 0 上电后， p c i 9 0 3 0 进行初始化，首先p c i 总线的r s t 拱信号使p c i 9 0 3 0 内部的寄存器重定成缺 省值，然后p c i 9 0 3 0 输出局部总线初始化信号l r e s e t 劳初始化外围电路，同时检查 e e p r o m 是否存在( 读e e p r o m ，若读出的第一个字不是f f f f h ，则继续读操作， 否则认为没有配置e e p r o m ) ，若存在则根据e e p r o m 中存储的参数设置p c i 9 0 3 0 部分内部寄存器，主要包括有标识板卡的d c v i c e i d 和v e n d o r i d 以及中断引脚设置 和局部地址空间配置等。在p c i 9 0 3 0 初始化之后，主机即可通过p c i 9 0 3 0 对h p i 进 行读写。 2 3 2p c i 9 0 3 0 与p c i 总线的接口设计 p c i 局部总线标准的制定主要目的是为了实现一种将周边设备与处理器高速 结合起来的总线结构，以便适应用户对于数据率越来越高的要求【2 7 1 。理论上峰值 能达到1 3 2 m b y t e s s ，但实际上只能达到6 0 m 左右。 为了处理数据、寻址、接口控制、仲裁及系统功能，p c i 接口要求作为目标 设备的设备至少要有4 7 条引脚，作为总线主设备的设备至少要有4 9 条引脚