（计算机应用技术专业论文）基于arm的汽轮机监视保护系统设计与实现.pdf

摘要 随着国民经济的发展，工业用电量日趋紧张。火力发电厂发展迅猛，各种汽轮机发 电机组需要一整套准确、高可靠的监视保护系统，为汽轮机的安全运行提供保障。目前 国内的汽轮机监视保护系统( t s i ) 大多采用8 位单片机作为微控制器，有的甚至仅仅 使用模拟电路实现监视、保护功能。这些产品技术单一、操作复杂，在精确度、可靠性、 智能化、网络化等方面存在很大缺陷；因此在国内开发一套精确测量、运行可靠、管理 便捷的汽轮机监视保护系统非常必要。 本设计正是为发电厂开发的集嵌入式技术，通讯技术、数据库技术于一身的汽轮机 监视保护系统。系统由硬件与软件两部分组成，硬件部分由3 2 位嵌入式微控制器 s 3 c 4 4 b o x ，l c d 和触摸屏组成的管理显示模块和以微控制器l p c 2 1 0 4 为基础的高可靠性 的组合式智能数据采集模块组成，它们对现场传输来的信号进行采集并进行相应的数据 分析处理；软件部分由下位机软件和上位机组态软件组成。下位机软件主要是嵌入式操 作系统及相应的应用程序，它们按一定的调度算法合理的分配使用系统资源，完成数据 采集、处理、通讯功能，达到实时性，可靠性的系统要求；上位机组态软件自动侦测、 报告系统中设备的状态，接收下位机上传的数据，并对下位机进行参数设置组态。 本文以目前国内外汽轮机监控系统的最新技术为参考，在总结国内外汽轮机监控系 统利弊的基础上，提出并实现了一种基于a r m 内核的嵌入式微处理器和嵌入式实时操作 系统的汽轮机监视保护系统；文中详细介绍了该系统硬件设计原理与结构及其优点，并 给出了相应的硬件原理图；着重分析了基于速率单调算法的u c l jn u x 实时内核进程调度 设计及基于细粒度定时器的m o d b u s 协议实现；文中对本系统下位机软件的主要内容， 如实时操作系统平台构建、嵌入式构件设计、触摸屏驱动等设计的算法与实现，作了系 统、细致的论述，并给出了部分源代码。最后总结了系统设计中的心得体会，并提出了 本系统设计若干有待进一步深入研究和探索的问题。 本论文研究的汽轮机监视保护系统具有实时监控能力强、稳定性好、智能化程度高、 操作方便等优点。目前，该系统在国内处于领先水平，在实际应用中受到用户好评。 关键字：嵌入式操作系统，a r m ，t s i ，m o d b u s 协议，构件 i a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m y ，t h en e e do fi n d u s t r i a le l e c t r i c i t yb e c o m e s m o r ea n dm o r ec r i t i c a l a s e r i a lo ft u r b i n es u p e r v i s o r y i n s t m m e n t ( t s l ) w h i c h i sa c c u r a t ea n d r e l i a b l ei sp r e s s i n gf o rt h ee l e c t r i c a l m a c h i n eg r o u po fs t r e a mt u r b i n e ，w h i l et h ef i r e p o w e r p l a n tg r o wr a p i d l y i tc a np r o v i d et h em a l f u n c t i o nf o r e c a s tf o rt h es e c u r er u no fs t r e a m t u r b i n e t o d a yt h em c u o ft s io fi n l a n di so n l y8 - b i ts i n g l ec h i p ，s o m ee v e nt h ea n a l o g c i r c u i t ，w h i c hi sw e a ki na c c u r a c y ，r e l i a b i l i t y ，i n t e l l i g e n c e s on e wt s lw h i c hi sa c c u r a t e ， r e l i a b l e ，c o n v e n i e n ti se x p e c t e d t h et s ii s j u s t f o rt h e p o w e rp l a n t ，w h i c h i n c l u d e st h ee m b e d d e d t e c h n o l o g y 、 c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y a n dd bt e c h n o l o g y i tc o n s i s t so ft h eh a r d w a r ea n dt h e s o f t w a r e t h ef o r m e ri st h et o u c h e r - d i s p l a ym o d u l eb a s e do n3 2 b i t s 3 c 4 4 b o xa n dt h eh j 蜘 s e c u r ec o m b i n e dm e t e r sb a s e do nt h em c uo fl p c 2 1 0 4 ，w h i c h g a t h e rt h es i g n a lf r o mt h e l o c a l ，w h i l ea n a l y z i n ga n d d e a l i n g w i t ht h ed a t a ：t h el a t t e rc o m p r i s e st h ee m b e d d e d o p e r a t i o n s y s t e mw h i c hr e a s o n a b l ya l l o t sa n da d m i n i s t e r st h er e s o u r c eb a s e do no n ea r i t h m e t i ci nt h e n e e do fr ta n dr e l i a b l ea n dt h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e t h ec o n f i g u r a b l es o f t w a r en o to n l y c a l ls e tt h ec o m b i n e d p a r a m e t e r f o rt h ei n f e r i o re q u i p m e n t ，b u ta l s oc a nr e f l e c tt h ee q u i p m e n t s t a t u si nt i m e t h et s lw h i c hi sb a s e do nt h em c uo fa r m c o r ea n dt h ee m b e d d e do sh a sb e e np u t f o r w a r da n dp e r f o r m e di nt h ea r t i c l er e f e r r i n gt h en e w e s tt e c h n o l o g yo ft s io ft h ed o m e s t i c a n dt h eo v e r s e a s a tt h es a m et i m e ，t h e d e s i g nt h e o r ya n d t h ec o n s t r u c t i o no fh a r d w a r eh a v e b e e ni n t r o d u c e di nd e t a i l ，w h i l et h ec i r c u i t d i a g r a mp r o v i d e d f u r t h e r m o r e t h e p r o c e s s s c h e d u l eo fr t o sh a sb e e n a n a l y s e de m p h a t i c a l l y b a s e do nt h er m sa r i t h m e t i c t h e r e a l i z a t i o no fm o d b u sh a sa l s ob e e nr e s e a r c h e d a st h ek e yt e c h n o l o g l e s ，t h et r a n s p o r t a t i o n o fr t o s ，t h ed e s i g no fe m b e d d e dc o m p o n e n t sa n dt h e d r i v e ro ft o u c h e rh a v ea l lb e e n d i s c u s s e ds y s t e m a t i c a l l ya n dd e t a i l e d l y ，w h i l et h eo r i g i n a lc o d e s p r o v i d e d t h et s in o t o n l yh a st h ev i r t u eo fh i 曲r e a lt i m eb u ta l s oh a st h ec h a r a c t e ro fr e l i a b i l i t y a n di n t e l l e c t u r e ，w h i c hi ss u p e r i o rt ot h es a r n ep r o d u c t so fi n l a n d i th a sb e e np r a i s e db yt h e u s e r s k e yw o r d s ：e m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m ，a r m ，m o d b u sp r o t o c o l ，t s i ，c o m p o n e n t t e c h n o l o g y i i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章引言 随着国民经济的发展，工业用电量日趋紧张。火力发电厂发展迅猛，各种汽 轮机发电机组的安全保护成为电力系统日益关注的问题。目前国内厂家生产的 监视保护系统在安全性，可靠性，先进性，通用性等方面，和进口同类产品相 比落后较多。中型，大型发电机组对汽轮机监视保护设备的要求很高，它们除 了要求有很高的安全性和可靠性外，还提出网络化，智能化，管理清晰便捷的 要求。国内同类产品已不能满足这些要求。虽然有些国外的先进产品基本上能 够满足这些要求，但也有它们的弱点。首先是价格昂贵：其次他们的技术不对 外开放，操作界面不够友好，导致运行和维护存在一定困难。因此在国内开发 一套运行可靠，精确测量，自动记录，实时分析，及时反馈，管理便捷的监视 保护系统，为汽轮机的安全运行提供保障是非常有必要的。 1 2 国内外研究历史与现状 目前，在国内汽轮机组上安装的监视保护系统分国产设备和进口设备两大 类。 国产设备仅在一些小容量机组上应用，主要有两种类型：一种是仿本特利 早期产品7 2 0 0 或飞利浦r m s 7 0 0 的模拟分立式或组合式单元仪表：另一类是数 据采集器加通用计算机的后台式监测诊断系统，该类系统多由科研院所开发， 一般并接在进口汽轮机监视保护系统的信号缓冲输出上，作为进口汽轮机监视 保护系统的补充部分，仅具有数据采集、波形显示、计算分析等后台功能，不 具有汽轮机监视保护系统必需的标准输出和监视保护功能。 2 0 0 潲以上机组的汽轮机监视保护系统几乎完全被国外产品垄断，主要包括 本特利公司7 2 0 0 ，3 3 0 0 ，3 5 0 0 系列：德国飞利浦( 后改为e p r o ) 的r m s 7 0 0 、 e p r o 啪s 6 0 0 0 系列：日本新川公司的一3 、一j 系列等；旨本、瑞士、德国的 其他公司产品也有应用坦装备数量较少。 国外产品主要有以下几个优点“”： i 、国外产品普遍采用标准化的模块结构。 2 、各模块均内置一片微控制器l m c u ) ，实现模块的自诊断、数据采集、数 武汉理工大学硕士学位论文 据通信、监测报警等功能。 3 、通过上位机软件组态代替通过跳线和电位器设置模块参数的传统方式， 使组态更加简洁。 4 、通过r s 2 3 2 r s 4 8 5 总线与上位机进行数据通信，可进行现场组态。 5 、电源模块采用双重冗余结构，提高系统可靠性。 同时，国外产品也有它的不足之处： l 、组态软件及上位机分析软件多为英文界面，操作方法复杂，不符合我国 机组运行维护人员的使用习惯。 2 、汽轮机监视保护系统的数据采集模式均不对外开放，无法被国内的各种 诊断分析软件利用，汽轮机监视保护系统只起了基本的监视保护作用， 浪费了系统资源。 3 、进口产品价格昂贵且供应周期长。 1 3 本课题研究内容及意义 1 3 1 研究内容 根据对国内外目前汽轮机监测系统的分析，提出以下主要研究内容 l 、汽轮机监视保护系统硬件的原理、结构与相应接口； 2 、基于a r m 7 内核的s 3 c 4 4 b o x 与l p c 2 1 0 4 体系结构： 3 、多任务实时操作系统在a r m 微处理器上的移植； 4 、嵌入式系统设备驱动程序的编写方法： j 、o d b u s 协议在系统通讯中的实现： 1 3 2 研究意义 随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，特别是微控制器的出现，使传 统的电子测量、监测仪器在原理、功能、精度及自动化水平等方面都发生了巨 大变化，形成了一种完全突破传统概念的额一代监测仪器一智能监测仪表。与 传统的电子监测仪表相比较，智能监测仪表具有以下几个主要特点： 【、微处理器的应用极大地提高了监测仪表的性能。例如，智能监测仪表利 用微处理器的运算和逻辑判断功能，按照一定的算法可以方便地消除由 于漂移、增益的变化和干扰等因素所引起的误差，从而提高了仪表的测 2 武汉理工大学硕士学位论文 量精度。智能监测仪表除具有测量功能外，还具有很强的数据处理能力。 例如，在传统的汽轮机监测仪表中，仪表并不能记忆历史运行中的峰值 与谷值等信息，而智能型的汽轮机监测仪表能够对测量结果进行统计分 析，并可保存历史中的峰值与谷值等数据。 2 、智能监测仪表运用微处理器的控制功能，可以方便地实现量程自动转换、 自动调零、触发电平自动调整、自动校准、自诊断等功能，有效地改善 了仪表的自动化测量水平。例如，用户可通过触摸屏来设置仪表的量程， 微处理器将会根据用户的设置自动调整仪表测量的上限和下限值。 3 、智能仪表具有友好的人机对话功能，工作人员只需通过触摸屏操作，仪 表就能够根据设置值实现相应的测量和处理功能。 4 、智能仪表一般配有r s 一2 3 2 或者r s 一4 8 5 等接口，使智能仪器具有可程控 操作的能力。从而可以很方便地与微机和其它仪表一起组成用户所需要 的多功能的自动监测系统。 由于具有以上优点，智能化、数字化仪表已经成为当今世界仪器仪表发展 的重要方向。因此，我们开发智能化、数字化汽轮机监控系统作为研究课题具 有十分重要的现实意义。 3 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章嵌入式系统研究与实现 2 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，软硬件均可裁剪、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。 其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软件 与系统的硬件一体化，类似与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。其发展已有二十 多年的历史，适用的c p u 种类有a r m s t r o n g a r m 体系、p o w e r p c 体系、x 8 6 体系 等：著名的嵌入式操作系统有v x w o r k s ，p a l mo s ，w i n d o w sc e 、uc o s 、l i n u x 等川“l 。 2 2 实时操作系统 实时系统是指能在确定的时间内执行其功能并对外部的异步事件做出响应 的计算机系统。实时系统通常分为硬实时和软实时系统。前者意味着系统的某 种任务必须满足事件限制，而后者意味着偶尔超过时间限制是可以容忍的。大 多数实时系统都是软实时系统【9 。 嵌入式实时操作系统是面向嵌入式应用而开发的，它有别于一般p c 机的操 作系统，它没有文件系统，i o 管理等庞大的内容。其二进制的代码的大小一般 只有几k b ，具有很短的任务切换时间和响应速度。嵌入式实时操作系统的主要 工作是利用自身的实时多任务内核管理多个任务，任意时刻，处于运行的任务 只有一个，其它任务则处于另外的状态，如睡眠、等待、就绪等【1 8 3 9 l 。 随着新的处理器越来越多，世界上已经有几千种r t o s 内核，它们当中有许 多是开放源代码的，使用者不用付任何版费，还可以在此基础上任意剪裁、修 改实对内核。其中典型的代表是l i n u x 系统。l i n u x 是一种开放源代码，原本被 设计为桌面系统，现在广泛应用于服务器领域，现在已经出现各种版本的嵌入 式l n u x 系统。u c l i n u x 就是其中一种类型的版本，它是一种面向嵌入式应用而 开发的r t o s 。另一个著名的嵌入式r t o s 是源代码公开的uc o s - i i 。 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 1po o s - i i 简介 uc o s - i i 是一种源码公开、可移植到各种目标系统中的多任务实时内核， 1 9 9 7 年以后，在国际上就逐渐被广泛采用。如今许多领域都在使用uc o s i i ， 例如照相机行业、医疗器械、音响设备、发动机控制、网络设备、高速公路电 话系统、自动提款机、工业机器人等等。 。 1 1c o s i i 完全是占先式的实时内核，是基于优先级的，即总是让就绪态中 优先级最高的任务先运行，因此实时性比非占先式的内核要好【5 1 。它是一个支持 多任务的操作系统，可以将一个完整的应用程序划分为几个任务，不同的任务 执行不同的功能。1 1c o s - i i 可以管理6 4 个任务，提供了任务管理的各种函数 调用，包括刨建任务、删除任务、改变任务的优先级、挂起和恢复任务等。uc o s - i i 包含了实时内核、任务管理、时间管理、任务间通信同步( 信号量、邮箱、消 息队列和事件) 和内存管理等功能。它大部分的代码是用c 语言编写的，可移植 性强，目前，可以在绝大多数的8 位、1 6 位、3 2 位以至6 4 位微处理器、微控 制器、数字信号处理器( d s p ) 上运行。用户可以根据需要自己编写移植代码【“i | 4 4 i 。 2 2 2l j b u r 简介 l i n u x 是种能运行于多种平台、源代码公开、免费、功能强大、遵守p o s i x 标准、与u n i x 兼容的操作系统。这个系统是由全世界各地数以百计的程序员设 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。现在，l i n u x 内核已经发展到了2 5 x 版，并还在以 相当快的速度不断地发展着。它是一个很有发展前途的操作系统，也是为数不 多可以与m i c r o s o f t 公司的系列操作系统相竞争的操作系统。 l i n u x 的出现为嵌入式操作系统提供了一个极有吸引力的选择，它是一个和 “n i x 相似、以核心为基础的、完全记忆体保护、多任务多进程的操作系统。支 持广泛的计算机硬件，包括x 8 6 ，a l p h a ，s p a r c ，m i p s ，a r m ，n e c ，m o t o r o l a 等现有的大部分芯片。程序源码全部公开，任何人可以修改并在g n u g p l ( g e n e r a lp u b l i cl i c e n s e 通用公共授权) 下发行，这样开发人员可以对操作 系统进行定制【”】。 l i n u x 带有u n i x 用户熟悉的完善的开发工具，几乎所有的u n i x 系统的应用 软件部己移植到了l i n u x 上。l i n u x 还提供了强大的网络功能，有多种可选择窗 5 武汉理工大学硕士学位论文 口管理器( xw i n d o w s ) 。其强大的语言编译器g c c 、g + + 等也可以很容易得到。 不但成熟完善、而且使用方便。 l i n u x 是一个通用的操作系统，虽然它采用了许多技术来提高系统的运行和 反应速度，但它本质上不是一个实时操作系统，应用于嵌入式环境中还存在诸 多的不足。具体表现如下p q ： 1 、关中断问题 在系统调用中，为了保护临界区资源，l i n u x 处于内核临界区时，中断 会被系统屏蔽，这就意味着如果当前进程正处于临界区，即使它的优先 级较低，也会延迟高优先级的中断请求。在实时应用中，这是一个十分 严重的问题。 2 、进程调度问题 l i n u x 采用标准的u n i x 技术使得内核是不可抢占的。采用基于固定时间 片的可变优先级调度，不论进程的优先级多么低，l i n u x 总会在某个时 候分给该进程一个时间片运行，即使同时有可以运行的高优先级进程， 它也必须等待低优先级进程的时间片用完，这对一些要求高优先级进程 立即抢占c p u 的实时应用是不能满足要求的。 3 、时钟问题 l i n u x 为了提高系统的平均吞吐率，将时钟中断的最小间隔设置为l o m s ， 这对于一个周期性的实时任务，间隔要求小于l o m s 时，就不能满足实 时任务的需要。如果要把时钟的间隔改小以满足周期性的实时任务的需 要，由于l i n u x 的进程切换比较费时，时钟中断越频繁，而花在中断处 理上的时间就越多，系统的大部分时间是调用进程调度程序进行进程调 度丽不能进行正常的处理。 这些问题是将l i n u x 用于嵌入式环境时必然会碰到的，但是l t i l t l x 操作系 统本身的优势决定了l i n u x 经过改造后仍然适合嵌入式环境，将l i n u x 经过改 造，使其成为一个能运行于嵌入式系统的操作系统是目前操作系统领域中研究 的一个热点，r t l i n u x 就是l i n u x 实时改造非常成功的一例。 2 3 嵌入式微处理器 嵌入式微控制器有许多种流行的处理器核，芯片生产厂家一般都基于这些 处理器核生产不同型号的芯片。a r m 系列微处理器是目前应用最广泛的3 2 位高 性能嵌入式r i s c 处理器。 6 武汉理工大学硕士学位论文 a r m 即a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s 的缩写，由英国a d v a n c e d r i s cm a c h i n e s ( a r m ) l i m i t e d 公司设计。a r m 公司只是设计公司，本身不生产芯片，只是提 供知识产权( i p ) 。a r m 处理器目前包括下面及个系列：a r m 7 系列，a r m 9 系列， a r m 9 e 系列，a r m i o e 系列，s e c u r c o r e 系列，i n t e l 的x s c a l e 系列，i n z e l 的 s t r o n g a r m l 4 】o 这些处理器最高主频达到了8 0 0 m i p s ，功耗数量级为m w 唧z 。对 于支持同样a r m 体系版本的处理器，其软件是兼容的。a r m 7 【”】系列处理器是 低功耗的3 2 位r i s c 处理器。其最高频率可以达到1 3 0 m i p s 。a r m 7 系列处理 器支持1 6 位的t h u m b 指令集，使用t h u m b 指令集可以以1 6 位的系统开销 得到3 2 位的系统性能。三星公司生产的s 3 c 4 4 b o x ，p h i l i p s 公司的l p c 2 1 0 4 r i s c 微处理器就属于此类。 2 4 嵌入式系统设计方法 二4 1 嵌入式系统设计的传统方法 通常在单片机系统的开发应用中，是按照瀑布式开发流程进行的。其工作模 式简单，任务的划分协调及人员安排、物质材料的分配管理都比较容易。开发 过程为从硬件到软件的流水线式进行，如图2 一l 所示。 图2 1 瀑布式开发流程 传统的嵌入式系统设计方法又不同于瀑布式开发过程，它是将开发任务分 为硬件和软件两个独立的部分，由硬件工程师和软件工程师按照拟定的设计流 程分别完成“1 。其开发过程为一种并行的工作方式，我们称之为v 模式开发过程 如图2 - 2 所示。传统的嵌入式系统开发采用的是软件开发与硬件开发分离的方 式。虽然也可改进硬件软件性能，但由于这种改进是各自独立进行的，不一定 使系统综合性能达到最佳。虽然在系统设计的初始阶段考虑了软硬件的接口问 7 武汉理工大学硕士学位论文 题，但由于二软、硬件分别开发，各自部分的修改和缺陷很容易导致系统集成出 现错误。由于设计方法的限制，这些错误不但难于定位，而且更重要的是，对 它们的修改往往会涉及整个软件结构或硬件配置的改动。显然，这是灾难性的。 这种设计方法只能改善硬件、软件各自的性能，丽有限的设计空间不可能对系 统做出较好的性能综合优化。2 0 世纪9 0 年代初，国外有些学者提出“这种传统 的设计方法，只是早期计算机技术落后的产物，它不能求出适合于某个专用系 统的最佳计算机应用系统的解”。因为，从理论上来说，每一个应用系统，都 存在一个适合于该系统的硬件、软件功能的最佳组合，如何从应用系统需求出 发，依据一定的指导原则和分配算法对硬件、软件功能进行分析及合理的划分， 从而使系统的整体性能、运行时间、能量损耗、存储能量达到最佳状态，己成 为硬件、软件协同设计的一个重要研究内容之一。 需求分析总体设计 i + 嵌入式硬件开发嵌入式软件开发k i 嵌入式系统集成、 测试、验证 图2 - 2 传统的嵌入式系统的设计方法 2 4 2 嵌入式系统协同设计技术 为了避免上述问题，一种新的开发方式应运而生一软件、硬件协同设计方法。 一个典型的硬件、软件协同设计过程如图2 - 3 所示。首先，应用独立于任何硬 件和软件的功能性规格方法对系统进行描述，采用的方法包括有限自动机 ( f s m ) 、统一化的规格语言( c s p ，v h d l ) 或其他基于图形的表示工具，其作用是 对硬件软件统一表示，便于功能的划分和综合：然后，在此基础上对硬件、软 件进行划分：即对硬件、软件的功能模块进行分配“。但是，这种功能分配不 是随意的，而是从系统功能要求和限制条件出发，依据算法进行的。完成硬件、 8 武汉理工大学硕士学位论文 软件功能划分之后，需要对划分结果做出评估。方法之一是性能评估，另一种 方法是对硬件、软件综合之后的系统依据指令级评价参数做出评估。如果评估 结构不满足要求，说明划分方案选择不合理，需要重新划分硬件、软件模块： 一直重复直到知道系统获得一个满意的硬件、软件实现为止。 图2 - 3 嵌入式系统的硬件软件协同设计方法 2 5 本论文中嵌入式系统具体实现 2 5 1 微处理器( m p u ) 选择 嵌入式开发的硬件平台的选择主要是嵌入式处理器的选择。在一个系统中使 用什么样的嵌入式处理器内核主要取决于应用的领域、用户的需求、成本、开 发的难易程度等因素。 选择合适的嵌入式c p u 可从以下几个方面来综合考虑：首先选嵌入式c p u 的 虚数，通常，位数的高低往往反映着c p u 性能的高低：其次选嵌入式c p u 的技术 支持，是否有便于设计和调试的集成开发环境，是不是有比较好的调试方法及 调试工具：再者选嵌入式c p u 的集成外设，能否最大限度的减少周围接口电路 的复杂性：此外，还应该注意选c p u 的生命力与以后的发展空间叫等。 综合考虑之后，选择基于a r m 体系结构的嵌入式c p u 最合适。其优势在于： a 蹦是基于精简指令系统( r i s c ) 的3 2 位内核，代码效率高，运行速度快，综 合性能强：a r m 公司是靠出售内核许可权赢利的i p 公司，本身并不生产芯片， 这使得其能更加专注于设计，提供更加完善的服务：而且其芯片集成种类多、 外设性能突出，普遍具有较高的性能价格比；比较完善的集成开发环境( 如s d t ， a d s 等) 和调试测试手段( 如j t a g ，e m b e d d e d l c e ，r e a l m o n i e o r 等) 电是其一丈 9 武汉理工大学硕士学位论文 优点。在基于a r m 体系结构的嵌入式c p u 中，基于a r m 7 t d m i 体系结构的 s 3 c 4 4 b o x 嵌入式微处理器和基于a r m 7 t d m i 体系结构的l p c 2 1 0 x 系列的嵌入式 c p u 在国内拥有较好的技术支持。下面分别对其进行介绍： l 、8 3 c 4 4 b o x 是三星公司生产的基于a r m 7 内核的微处理器。s 3 c 4 4 b o x 通过 在a r m 7 内容基础上扩展一系列完整的通用外围器件，适合手持式设备和普通嵌 入式的应用。8 k b 缓存的2 5 v 静态a r m 7c p u 核、扩展内存控制器；带有1 个专 用d m a 通道的l c d 控制器( 可直接控制d s t n s t n 的各种灰度2 5 6 彩色l c d 屏， 最大支持分辨率为1 6 0 0x1 6 0 0 ) ，2 个d m a 通道，1 个带外部请求引脚的d m a 通 道；1 个1 2 c 总线控制器；5 个p w m 定时器及1 个内部定时器：看门狗定时器； 7 1 个通用i o 口，8 个外部中断源；8 个1 0 位a d c ；带p l l 的片上时钟发生器“。 2 、l p c 2 1 0 x 内核采用的也是a r m 7 t d m i s ；具有1 2 8 k 片内f l a s h 程序存储 器、带i s p 和i a p 功能；f l a s h 编程时间i m s ，可编程5 1 2 字节、扇区擦除和整 片擦除只需4 0 0 m s ；最多可达6 4 k 静态r a m ：向量中断控制器：仿真跟踪模块支 持实时跟踪；标准a r m 测试调试接口兼容现有工具：双u a r t 、其中一个带有 完全的调制解调器接口：4 0 0 k b s 的高速1 2 c 串行接口；s p i 串行接口；两个定 时器分别具有4 路捕获比较通道；多达6 路输出的p w m 单元；实时时钟：看 门狗定时器：通用i ，1 0 口；c p u 操作频率可达6 0 硼z ：双电源( c p u 操作电压范 围：i 6 5 1 9 5 v ( 1 8 v 8 3 ) ；i o 操作电压范围：3 o 3 6 v ( 3 3 v 1 0 ) ) ； 两个低功耗模式空闲和掉电；通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒：外设 功能可单独使能禁止实现功耗最优化：片内晶振的操作频率范围l o 删z 2 5 m h z ：片内p l l 允许c p u 以最大速度运行，可以在超过整个晶振操作频率范围 的情况下使用o 。 系统硬件平台由触摸屏显示模块与功能模块组成，由于5 3 c 4 4 b o x 芯片内自 带有l c d 控制器，外部总线开放等优点，选择其作为触摸屏显示模块c p u ；同时系 统功能模块对体积功耗要求相当严格，故选择l p c 2 1 0 4 作为其c p u 。 2 5 2 嵌入式操作系统的选择 在嵌入式系统的开发中，嵌入式软件是实现各种系统功能的关键，电是计算 机技术最活跃的研究方向之一。实时多任务操作系统( r t o s ) 可以简单地认为 是功能强大的主控程序，它嵌入到目标代码中，系统复位后首先执行，这负责 在硬件基础上，为应用软件建立一个功能更为强大的运行环境，用户的其它程 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 序都建立在r t o s 之上。因此嵌入式操作系统的选择至关重要。 嵌入式操作系统的选择首先要能满足实际的应用的需要，同时考虑到具体 硬件平台进行操作系统移植的可行性，操作系统是否稳定、实时性要求能否达 到应用的标准。 uc o s 和uc 1 i n u x 操作系统，是当前得到广泛应用的两种免费且公开源码 的嵌入式操作系统。uc o s 是一种免费公开源代码：结构小巧、具有可剥夺实 时内核的实时操作系统。其内核提供任务调度与管理、时间管理、任务间同步 与通信、内存管理和中断服务等功能，它适合小型控制系统。u c l i n u x 则是继承 标准l i n u x 的优良特性，针对嵌入式处理器的特点设计的一种操作系统，具有 内嵌网络协议、支持多种文件系统，开发者可利用标准l i n u x 先验知识等优势。 其编译后目标文件可控制在几百i ( b 量级。 i ac o s 和u c l i n u x 这两种操作系统在应用方面各有优劣1 。pc o s 占用空 间少、执行效率高、实时性能优良，且针对新处理器的移植相对简单。u c l i n u x 则占用空间相对较大，实时性能一般，针对新处理器的移植相对复杂。但是， u c l i n u x 具有对多种文件系统的支持能力、内嵌了t c p i p 协议，可以借鉴l i n u x 丰富的资源，对一些复杂的应用，u c l i n u x 具有相当优势。所以本系统设计中由 于触摸屏显示模块中需进行外设驱动程序开发，需要文件系统支持，故将 u c l i n u x 移植到该平台上，同时功能模块需要实时的采集和显示数据且l p c 2 1 0 4 外部总线不开放，所以将uc o s 移植到该平台再合适不过。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章系统硬件平台设计 3 1 系统总体结构与功能分析 根据实际的需要，系统采用可增减优化的硬件设计和软件1 0 0 兼容的方法， 使用户可以通过实际需要合理的选择相应的模块，同时功能模块部分可以现场 通过串口进行组态。系统确定在r s 一4 8 5 r s 一2 3 2 轻量级网络上使用m o d b u s 作为 通讯协议，整个系统分为三个模块：功能模块，l c d 触摸屏模块，组态采集软 件模块m 3 。如图3 1 所示。 图3 - i 方案总体设计图 l 、功能模块：由双通道转速键向模块、双通道轴振动监测模块、双通道轴瓦 振动监测模块、双通道轴向位移监测模块、双通道偏心监测模块、双通道行 程监测模块、双通道温度( 热电阻) 监测模块、双通道温度( 热电偶) 监测 模块、双通道标准信号监测模块九种模块组成，可根据要求适当增减；这些 模块的c p u 采用p h i l i p s 公司的l p c 2 1 0 4 ，该c p u 也是a r m3 2 位嵌入式c p u ， 与三星公司的s 3 c 4 4 b o x 在软件上兼容。该c p u 的s p i 、【2 c 接口，可以很方 便的外接a d 转换、e e p r o m 、数字电位器等器件。 2 、触摸屏显示模块：两路a c2 2 0 v 冗余供电，模块内两路d c 2 4 v 开关稳压电源 互为热备用。该模块内还包括有l c d 触摸屏以及通讯部件。该模块使用的c p u 为三星公司的s 3 c 4 4 b o x 。该c p u 为a r m3 2 位嵌入式c p u ，内含l c d 控制接 口，可以直接驱动伪采色显示屏。s 3 c 4 4 b o x 有两路串行异步通讯接口。一路 用于连接各功能模块，与各模块进行通讯，完成组态和数据采集任务，由于 属机内通讯，距离短、干扰小，采用直接连接两通讯c p u 的u a r t 接口进 行通讯。并使用内部自定的通讯协议，以提高通讯速度：另一路通过r s 4 8 5 接口与上位进行通讯，将采集的数据和组态信息传送给上位机。两路通讯可 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 以同时进行，互不影响。 3 、上位计算机及通讯、组态采集软件：使用r s 4 8 5 和r s 2 3 2 两种接口。采用 m o d b u s r t u 和m o o b u s t c p 两种通讯协议。m o d b u s t c p 可用于在支持t c p i p 协议的网络通讯( 如互联网) 。 3 2 系统主要硬件模块设计 3 2 1 系统硬件平台结构图 l c d 触摸屏模块电路功能模块基本电路 图3 - 2 系统硬件平台结构图 圈3 - 2 为汽轮机监视保护系统硬件结构图，从中可知系统硬件主要组成为1 3 6 l c d 触摸屏模块部分： 主处理器s 3 c 4 4 b o x ( a r m 7 内核，三星公司m c u 产品) $ 外围存储器：4 mf l a s h 及8 md r a m * r s 2 3 2 接口 * l c d 触摸屏模块 $ 电源及电压变换电路 $ 复位电路 功能模块部分： 十主处理器l p c 2 1 0 4 ( a r m 7 内核，p h i l i p s 公司m c u 产品) $ 外围存储器：2 ke 2 p r o m * r s 2 3 2 接口 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 * 1 2 c 、s p i 接口 * a d 转换部分 丰数码管显示模块 小键盘 木电源及电压变换电路 聿复位电路 $ 状态指示 3 2 2 存储器扩展设计 由于s 3 c 4 4 b o x 不含内部存储器。因此需要外接存储器( f l a s h 、r a m ) 。外 接存储器的优势在于：可以只增加少量成本就能灵活的确定存储器的容量，从 而可以大幅度的增加软件的容量和功能，而不必担心存储器容量不够。f l a s h 程 序存储器为i _ n t e l 公司生产的，存储容量为4 m ( 8 位字节) 。各引脚描述如表g _ f 所示。 表3 一l2 8 f 3 2 0 8 3 引脚定义 r 雕，复位接收c p u 来的薹位信号 盱#写保护接商电平表示取消写保护 ! 堡l 皇蔓：! ：卫兰! ：型 唧 1 芯片烧写电压；2 7 卜3 6 v g i n；避 接地 n c j 无连接无连接引脚 通过引脚a o a 2 0 ( a 2 1 是无效脚) 与m c u5 3 c 4 4 b o x 的地址总线a d d r i a d d r 2 l 相接。a o a 2 0 共用了2 1 根地址线，因此寻址范围可以到2 m ；引脚d q o d ql 5 接c p u 的数据总线d a t a o d a t a l 5 ，进行1 6 位的数据传送； r p # 接c p u 第j o 脚，接收c p u 来的复位信号； w e # 接c p u 第1 6 脚，c p u 向存储器发送的 写( 使能) 信号： o e # 接c p u 第1 5 脚，c p u 向存储器发送的读( 使能) 信号： c e # 接c p u 第1 7 脚，c p u 向存储器发遴的片选信号，对该芯片读、写时为低电 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 平。 数据存储器芯片s d r a m 选用w i n b o a d 公司的w 9 8 6 4 1 6 h d ，该芯片为同步动态 随机存储器，容量为8 m ( 8 位字节) 。动态存储器是一种需要不断刷新的r a m 。 在通电的情况下该型号芯片保存数据的时间最长不超过6 4 毫秒。芯片结构如图 3 - 3 所示。 图3 - 3w 9 8 6 4 1 6 h d 芯片结构图 w 9 8 6 4 1 6 h d 的每个存储单元也是1 6 b i t 。分为4 个块( b a n i ( ) ，每块l m 存储 单元，因此共有4 m 存储单元。按字节算为8 m 。要寻址1 m 存储单元需2 0 根地址 线，4 m 存储单元需2 2 根地址线，w 9 8 6 4 1 6 h d 只有1 2 根地址线( a o a ) ，显 然是不够的。w 9 8 6 4 1 6 h d 采用行、列分时复用和分块的方法解决。即先用a o a 1 1 送行地址，再用a o a 7 送列地址( 其作用等于1 2 + 8 = 2 0 根地址线) ，然后加 上两根块( b a n i ( ) 选择线b a o 和b a l ，总共2 2 根地址线，可寻址4 m ( 1 6 b i t ) 存储单元，或8 m ( 8 b i t ) 单元。地址连接的方法是：a o a l l 接c p u 的a d d r l a d d r l 2 ，b a o 、b a l 接c p u 的a d d r 2 1 、a d d r 2 2 。行、列切换由引脚r a s 、c a s 控 制。系统功能模块c p u 为p h i l i p s 最近推出的基于a r m 内核的控制器l p c 2 1 0 4 ， 该控制器外部总线不开放，无法扩展内存、驱动液晶显示器等，但该c p u 内含 1 2 8 k b 可编程f l a s h 程序存储器和1 6 k b 静态r a m 数据存储器；硬件s p i 、1 2 c 接 口，可以很方便的外接e e p r o n 。系统通过1 2 c 串行接口 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 外接型号为2 4 l c l 6 ，1 6 k 位( 2 k 字节) 非易失存储器。如图3 4 所示。 i 蓦害蠹蚕 l 9 t o r i p 艺 i 暑宅譬葶 一l 。i | ，1 图3 - 42 4 l c l 6 存储器 芯片v c c 接3 3 v 电压，脚s c l 、s d a 分别接l p c 2 1 0 4