（电路与系统专业论文）基于arm和dsp的发电机绝缘过热监测装置的设计与实现.pdf

中文摘要 摘要：发电机是电力系统的关键设备，如何有效监测发电机的工作状态一直是电 力部门研究的重要课题之一。发电机可以正常工作，其中绝缘体部分起着不可或 缺的作用，以前的发电机绝缘体监测系统都存在着一些不足，比如精度低，适用 范围窄等。基于此原因，本文介绍了f j r 装置，它可以用来监测发电机绝缘体是 否出现过热或老化的情况，为发电机的安全运行提供了保障。该装置具有很高的 灵敏度，可适合于空冷、水冷等不同发电机。整个检测系统分为气路和电路两部 分，气路部分负责将发电机绝缘体的状况转化成电流信号，而电路部分负责对这 些电流信号进行处理。文中将f j r 系统的气路部分等效为一个黑盒子，而重点介 绍其电路部分。电路部分主要的功能是采集从气路传送过来的两路电流信号，并 进行计算和分析，决定是否报警，同时将采集到的数据和分析的结果定性地显示 给工作人员。 本文第一章介绍了课题的研究背景，并在此基础上提出了课题的必要性和研 究方向；第二章从整体入手，对监测系统的功能进行了分析，明确了要实现的功 能和目标，并提出了使用a r m 做上位机，负责系统控制和界面显示，d s p 做下位 机负责信号的采集和计算；后面几章则分别介绍了系统的各个模块；第三章主要 介绍嵌入式系统及其软件开发，包括系统的设计以及各个功能的实现，比如串口 通信、c f 卡存储等等，从本章中可以了解到系统的界面显示内容和键盘操作步骤； 第四章介绍了负责信号采集和计算的d s p 系统，并且详细介绍了实现各项功能时 所用到的外部设备，包括r t c 时钟，a d 采样：签片等：本章接下来阐述了d s p 和 a r m 两个模块如何通过双口r a m 实现通信以及通信帧的格式：第五章介绍了系 统中的一些硬件电路，包括模拟放大器等，使得读者可以更全面地了解本系统， 同时在本章作者还总结了一些电路板设计的心得和体会。论文最后一章对本文所 做的工作进行了总结，指出了需要改进之处，也指明了以后进一步研究的任务和 方向。 。 关键词：f j r ；离子电流；氢气流量；嵌入式系统；d s p 分类号：t m 7 1 2 j e 塞窒通叁堂亟堂鱼论塞垦墨i 至 a bs t r a c t a b s t r a c t ：g e n e r a t o ri sav e r yi m p o r t a n td e v i c ef o rp o w e rs y s t e m h o wt om o n i t o r i t sw o r kc o n d i t i o ne f f e c t i v e l yh a sb e e na l li m p o r t a n ts u b j e c tf o rt h ee l e c t r i c i t ys e c t o r t h ei n s u l a t i o ni sak e yf a c t o rt om a k eg e n e r a t o r sw o r ks a f e l y t h eu s e dg e n e r a t o r i n s u l a t i o nm o n i t o r sh a v em a n ys h o r t c o m i n g s ，s u c ha sl o w p r e c i s i o n ，l i m i t e da p p l i c a t i o n a n ds oo n a tt h i s ，i nt h i se s s a yw ew i l li n t r o d u c ea h i g hs e n s i t i v em o n i t o r , f j r , w h i c hi s u s e dt od e t e c tw h e t h e rt h ei n s u l a t i o no fg e n e r a t o ri so v e r h e a to ra g i n g ，t ol e e p g e n e r a t o r sw o r k i n gw e l l t h i sd e v i c ec a l lb eu s e df o rd i f f e r e n tc o o l i n ga g e n c i e si e h y d r o g e n ，a i ro rw a t e rw h i c hd e p e n d so nt h eg e n e r a t o r s t h ew h o l em o n i t o rs y s t e m c o n s i s t so ft w op a r t s ：g a sp i p e l i n ea n de l e c t r oc i r c u i t t h eg a sp i p e l i n ei sr e s p o n s i b l ef o r c o n v e r t i n gt h ec o n d i t i o no ft h ei n s u l a t i o ni n t ot h ec u r r e n ts i g n a l s ，a n dt h ee l e c t r oc i r c u i t i sr e s p o n s i b l ef o rd e t e c t i n ga n dp r o c e s s i n gt h ec u r r e n t s i nt h i se s s a y , w ec o n s i d e rt h e g a sp i p e l i n ea sab l a c kb o x , a n df o c u so nt h ee l e c t r oc i r c u i t t h em a i nj o bo ft h e e l e c t r o c i r c u i ti st os a m p l et h et w oc u r r e n t sf r o mg a sp i p e l i n e ，d os o m ec a l c u l a t i o na n d a n a l y s i s ，a n dd e c i d ew h e t h e rt og i v ea na l a r ms i g n a l a tt h es a m et i m e ，i td i s p l a y st h e s a m p l i n gd a t aa n dt h er e s u l to fa n a l y s i sq u a l i t a t i v e l y t h eb a c k g r o u n d so ft h i se s s a ya r ei n t r o d u c e di nt h ef i r s tc h a p t e r , a n dt h et a r g e t so f t h i se s s a ya r eg i v e n i nt h es e c o n dc h a p t e r s ，t h et o t a lf u n c t i o n so ft h ef j rs y s t e ma r e a n a l y z e da n ds p e c i f i e d b a s e do nt h e s e ，as c h e m ei sp r o p o s e d ：m a k ea na r mp r o c e s s o r ah o s ti nc h a r g eo fs y s t e mc o n t r o la n dl c dd r i v i n g ，a n dm a k ead s pas l a v et od o s i g n a ls a m p l i n ga n dc a l c u l a t i o n i nc h a p t e r3 ，e m b e d d e ds y s t e ma n di t s s o f t w a r e d e v e l o p m e n ta r ei n t r o d u c e d , a l s oa r ef u n c t i o n sb a s e do nt h i sp a r t i nc h a p t e r4 ，d s p s y s t e mw h i c ht a k e sc a r eo fs a m p l i n g ，c a l c u l a t i o na n ds o m eo t h e rf u n c t i o n si si n t r o d u c e d ， a l o n gw i t hp e r i p h e r a le q u i p m e n tr e l a t e d a f t e rt h a t ，h o wt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e n d s pa n da r mg o e sa r ed e s c r i b e d ，a l s oa ret h ef la m ef o r m a tu s e d i nc h a p t e r5 ， d e s c r i p t i o n sa b o u ts o m eh a r d w a r ec i r c u i to ft h es y s t e ma r eg i v e nt og e tr e a d e r sam o r e c o m p r e h e n s i v eu n d e r s t a n d i n go ft h es y s t e m a l s oi nt h i sc h a p t e r , s o m ee x p e r i e n c eo f b o a r dd e s i g na r eg i v e n i nt h ef i n a lc h a p t e r , ac o n c l u s i o ni sm a d et os u m m a r i z et h ew o r k d o n ei n t h i se s s a y , a n dp o i n to u tt h ei m p r o v e m e n t ，w h i c hs h o w st h et a s k sa n dd i r e c t i o n s o ff u r t h e rs t u d y k e y w o r d s ：f j r ；i o nc u r r e n t ；h y d r o g e nf l o w ；e m b e d d e ds y s t e m ；d s p c l a s s n 0 ：t m 7 12 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、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) 学位论文作者签名：劳天传 导师签名： 签字日期： 1 矿刃年( 月7 fe t 签字日期：黼年6 月f 日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，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，也不包含为获得北京交通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：苍天昝 签字日期：? 矿，苫 年f 月j 】日 致谢 本论文的工作是在我的导师陈后金教授的悉心指导下完成的，陈后金教授严 肃的科学态度，严谨的治学精神，渊博的学识、精益求精的工作作风，深深地感 染和激励着我。两年来，陈后金教授不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思 想上、生活上给我以无微不至的关怀，在思想道德情操和为人处事上给我树立了 光辉的榜样。从课题的选择到项目的最终完成，陈后金教授都始终给予我细心的 指导和不懈的支持。在此谨向陈后金老师致以诚挚的感谢和崇高的敬意。 电路与系统的侯建军老师、杜普选老师、刘颖老师、胡健老师、郝晓莉老师、 路勇老师、薛健老师在我学习期间给予我的热心帮助，对我在实验室的学习和科 研给予了极大的支持，他们孜孜不倦、尽心尽力的敬业精神时刻影响着我，在此 表示衷心的谢意。 我也要感谢北京华科兴盛电力工程技术有限公司的陶炜工程师、谷瑞英工程 师、蔺相宇工程师，以及公司的全体工作人员，在我实习期间对我的指导和帮助， 并对我的科研和论文都予以了大力的支持，在此表示衷心的感谢。 我还要感谢我的师兄师姐和同学们，正是由于你们的帮助和支持，我才能克 服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。特别是贾淼、朱明强、孔勇等 同学对我论文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。 感谢含辛茹苦培养我长大的父母，你们的理解和默默的支持使我能够在学校 专心完成我的学业，你们的健康是我最大的快乐。 最后祝所有给予我帮助的亲人、老师、朋友和同学一切顺利、幸福健康。 1 绪论 1 1 课题的研究背景 随着社会的发展，人们对电力能源的需求越来越大，而发电机是电能生产的 关键设备，其运行的安全性历来受到电力部门的高度重视。随着我国经济的迅速 发展，发电装机容量迅速增加。预计到2 0 1 0 年，装机容量将达到6 亿k w 以上。 至2 0 0 0 年底，3 0 0 m w 及以上单机容量的机组占火电总装机的3 8 9 t l 】；目前我国 电力生产滞后于电力实际需求，发电装机容量缺口十分巨大，特别是今年春节前 后电量的缺乏引起了全社会的广泛关注。而发电设备的安全稳定运行是保障电力 供应最根本的要求。近年来，发电机事故率有上升趋势，2 0 0 m w 及以上汽轮发电 机事故占事故总台次的比例不段上升。由于发电机的绝缘性能将影响电力系统的 稳定性和安全性，并会带来直接和间接的社会经济损失。因此研究发电机的绝缘 老化原因，对其老化状态进行评估，对保障电机的连续安全稳定运行，减少绝缘 事故造成的停机检修是非常重要的。 发电机运行安全的主要威胁之一来自其绝缘体系，这是由发电机的绝缘结构， 绝缘的运行环境和运行条件决定的。发电机的绝缘结构是由不同耐热等级的绝缘 材料组合而成的固体( 槽部) 和固一气( 端部) 结构，其绝缘强度没有自恢复性。 虽然在设计时要求它具有相当的耐热等级、足够的电气强度、优良的机械性能和 良好的工艺性，但制造过程中的偶然因素可能给它留下先天的缺陷，而运行过程 中的放电、电磁力、热应力、湿热环境、有害的活性气体、油污、粉尘更会造成 其性能的逐渐劣化，并且这种劣化过程是不可逆和不断加速的。一旦由于某种原 因造成绝缘缺陷点，它就很可能发展成击穿短路事故。 随着发电机的单机容量增长迅速，对发电机运行的安全性提出了更高的要求。 因为随着单机容量的增大，发电机的额定电压亦相应提高，更有可能造成绝缘缺 陷点的击穿；大容量发电机事故的波及面大、修理周期长、费用昂贵、停运损失 尤其严重。发电机绝缘介质长期承受热、电、机械应力及环境影响，导致绝缘发 生劣化，使得发电杌在运行时绝缘发生局部放电，反过来，局部放电又加速了绝 缘的劣化，若局部放电继续扩大与发展，最终将导致绝缘的破坏【2 1 。因此，对发电 机进行绝缘测量，评定其好坏的一个标准是局部放电量及其特征参量。 随着电子技术的发展，监测系统逐渐由模拟走向数字化，大规模集成电路也 逐渐应用到各个领域，实时嵌入式系统也逐渐代替原来的微型计算机、及其外围 设备组成的系统的大部分功能，并使其精简，易扩展。目前嵌入式系统已经广泛 应用到工业控制、远程监控、电子通信、智能仪表、机器人控制等。所以将嵌入 式系统用于发电机绝缘体监测就成为了研究的课题。 l 。2 论文主要目标及作者的主要工作 针对第一节所提出的问题，本文将介绍一种新型的发电机绝缘过热监测装置 f j r ，它是基于华北电力科学研究院的高新技术专利的产品，在国内处于领先水平。 该装置适用于不同容量的空冷、氢冷和水冷发电机组，可以监测发电机内部绝缘 过热事故隐患，它是诊断发电机绝缘过热故障的一种较灵敏装置。通过故障采样， 经过质谱分析，能够区分发电机定子线棒、铁芯和转子绕组等不同部位的绝缘过 热故障。本文中要实现的f j r 型装置是一种智能型仪器，灵敏度高，抗干扰能力 强，可以自动故障判别、自动报警、自动追踪和智能储存，从而有效地监测出发 电机绝缘体的状态和存在的隐患。 f j r 犁发电机绝缘监测系统主要分为电路和气路两部分，由于气路部分涉及到 华北电力科学研究院的专利，并且与专业无关，所以文中之做简要介绍，重点将 放在对电路监测系统部分的介绍。 文章在简单介绍发电机绝缘体过热造成的危害和处理方案之后，便引入这套 基于a r m 和d s p 的监控系统，该系统集数据的采集，传输，处理，存储于一体。 首先是用a d 芯片对模拟信号进行采集，并送往d s p ，经过计算后，通过l e d 灯 显示当前值，并判断是否需要告警；同时将计算结果经过双口r a m 送往a r m ， 用a r m 来控制液晶屏显示，并将记录结果存储下来。a r m 中有操作系统，以保 证系统的稳定运行，本文将对这些内容进行详细介绍。 在本系统的设计与实现中，作者首先参与了系统整体框架的设计，然后完成 了d s p 模块的软件设计，并在前人的基础上，实现了a r m 模块的各项功能，并 完成了一些外围硬件电路的设计。 2 2 监测系统的整体结构 2 1f j r 监测系统的整体结构 发电机绝缘过热监测装置用于在线监测发电机内部绝缘过热事故隐患。该装 置可分为气路与电路两部分，包括离子室、放大器、控制电路、过滤器、取样管、 电磁阀、电源等主要单元。如图l 所示： 图1f j r 系统结构图 f i g 1s t r u c t u r eo ff j rs y s t e m f j r 装置在线监测需接通冷却气体管路，将联接管路与发电机本体构成密闭循 环系统。在发电机风扇压力作用下，使机内的冷却气体流经装置内部。冷却气体 介质在受到离子室内q 射线的轰击，使冷却气体介质电离，产生正、负离子对， 又在直流电场作用下，形成极为微弱的电离电流( 1 0 - 1 2 a ) 。电离电流经放大器( 约 1 0 ”倍) 放大后，送电流表显示。 如果在发电机运行中，其部件绝缘体有局部过热时，过热的绝缘材料受热分 解后，产生冷凝核，冷凝核随气流进入装置内。由于冷凝核远比气体介质分子的 体积大而重，负离子附着在冷凝核上，负离子运行速受阻，从而使电离电流大幅 度下降。 电离电流下降率与发电机绝缘过热程度有关。经试验确定，当电流下降到某 一整定值时，代表着绝缘早期故障隐患的发生和存在，装置及时发出报警信号。 运行人员可根据报警信号频度，结合其它检测仪表指示，综合判断故障隐患的发 生和发展，有计划地提早采取相应措施，避免因绝缘过热故障的扩大而导致后期 烧毁发电机的重大事故，以此提高发电机的运行安全性。 2 2 f j r 系统的功能架构 f j r 系统中实现了对发电机绝缘体监测等多项功能，其功能框图如图2 所示： 图2f j r 系统功能框图 f i 9 2 f u n c t i o n so f f i rs y s t e m 4 如图2 所示，系统的功能主要包括过热报警功能和运行监测功能两个模块， 其中每个模块又包含了多个不同的功能，下面对各个功能进行简单的介绍。 过热报警功能包括： ( 1 ) 采集测量功能：采集差压流量、离子电流，计算采集量的平均值； ( 2 ) 超温报警功能：分析确定是否进入报警程序，根据报警程序的结果判 断是否报警； ( 3 ) 流量报警功能：氢气流量低于门限值时报警； ( 4 ) 电流报警功能：离子电流低于门限值时报警； ( 5 ) 报警记录功能：记录报警过程的离子电流、差压流量等数据。 运行监测功能包括： ( 1 ) 运行监测功能：运行数据监视，运行状态正常异常指示； ( 2 ) 运行设置功能：放大器增益设置、报警定值设置等； ( 3 ) 事件记录功能：记录运行过程中发生的事件如报警、退出运行、进入 测试等； ( 4 ) 报警查询功能：查询报警记录； ( 5 ) 事件查询功能：查询运行事件记录； ( 6 ) 手动取样功能：操作人员手动取样； ( 7 ) 零点监测功能：手动自动检测放大器的零点变化： ( 8 ) 运行告警功能：装置停运、装置故障等告警； ( 9 ) 运行输出功能：离子电流4 2 0 m a 电流环输出、差压4 2 0 m a 电流环输 出。 2 3f j r 报警流程 在离子室加上一个负的电压建立电场产生p a 级电流，该电流在发电机所用绝 缘材料过热释放烟气时，由于电子和带正电的离子中和而降低，其降低幅度可根 据试验标定。系统的报警流程如图3 所示： 图3 报警过程流程图 f i g 3f l o wc h a r to fa l a r m i n gp r o c e s s 电流从离子室出来后，由于只是p a 级电流，所以要先进入放大器，放大为 m a 级电流，再对其进行判断。当该电流值连续3 秒小于额定值的7 5 时，视为出 现异常情况。由于电流低可能是因为装置中有杂质的缘故，所以开启过滤器进行 过滤，等5 5 秒后再次判断，如果仍然小于额定值的7 5 ，则显示故障；如果大于 额定值的7 5 ，则关闭过滤器，等1 8 秒后，再进行判断，如果电流大于额定值的 7 5 ，则恢复正常，如果再次小于额定值的7 5 ，则启动报警。 2 4f j r 电路结构设计 发电机超温报警装置可分为气路与电路两部分。其中电路部分是本文介绍的 重点。在电路部分设计时，首先提出了由一片a r m 芯片来实现系统功能，并且信 号采集也可以有a r m 内部自带的a d 来完成，这样可以简化系统结构；但是考虑 到a r m 内部的a d 精度并不高，并且系统对信号采集的频率要求不高，所以作者 提出采用双积分电路来实现信号采集，可以直接滤除噪声，但是考虑到采用双积 分电路需要占用一个定时器，而且会有一些其他要求，所以这个方案又被否决： 后来又提出在系统中加入串口通信等模块。最终考虑到系统要实现信号的采集计 6 算，液晶屏显示，数据发送，以及许多告警信号的输出，所以单用一片a r m 芯片 来显现，工作量略大，不利于系统的稳定，也不利于软件升级。考虑到a r m 做主 控芯片，加上操作系统，可以提供一个稳定的平台，并且在操作系统下开设多个 任务，可以同时完成多个功能；而采集和计算可以交给一片适合这些工作的c p u 来完成，而d s p 优良的计算能力则成为首选。则电路部分主要由两个模块组成： ( 1 ) a r m 及其外围设备。它主要负责人机界面，包括l c d 屏幕显示、键盘 扫描、数据存储以及串口通信。 ( 2 ) d s p 及其外围设备。它主要负责电流信号和差压流量信号的采集和计算、 报警、以及气路部分的一些开关量的控制。 d s p 和a r m 之间的通信和数据传递则是通过一个双口r a m 来实现的，d s p 将采集的数据和计算的结果通过双口r a m 传给a r m ，而a r m 将命令和一些用 户设置的信息同样传给d s p ，从而实现系统内部的信息交互。 7 3 嵌入式模块软件设计 3 1 嵌入式系统的特点 嵌入式系统被定义为：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。嵌入式系统的最大特点是其所具有的目的性或针对性，即每一套嵌入式系统 的开发设计都有其特殊的应用场合与特定功能，这也是嵌入式系统与普通计算机 系统最主要的区别。另外，嵌入式系统与实时性有着天然的联系，由于嵌入式系 统是为特定的目的而设计的，且常常受到空间、成本、存储等条件的限制，因此， 它必须最大限度地在硬件上和软件上“量身定做”以提高效率，这样的结果最终 导致了实时性的增强【3 1 。 一嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统以及上层 应用软件系统等共同组成，它是集软硬件于一体的可独立工作的系统，主要有以 下特点【4 】： ( 1 ) 高效性，高可靠性：嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量 体裁衣、去除冗余，力争在同样的成本下实现更强的性能，这样才能在具体应用 的选择面前更具有竞争力。在硬件方面，嵌入式系统要针对用户的具体需求，对 系统配置进行裁剪和添加才能达到理想的性能，甚至根据用户的特殊需要，设计 不同的系统以面向不同的用户；在软件方面，要求代码高质量、高可靠性，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、 节省宝贵的存储空间。 ( 2 ) 相对稳定性：嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代 也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。嵌入式系统中的软件，一般都固化在只读存储器中，而不是以磁盘为载体 可以随意更换，所以嵌入式系统的生命周期也和嵌入式产品一样长。另外，各个 行业的应用系统和产品，和通用计算机软件不同，很少发生突然性的跳跃。嵌入 式系统中的软件也因此更强调可继承性和技术衔接性，发展比较稳定嵌入式微 处理器的发展也体现出稳定性，一个体系一般要存在8 1 0 年的时间。一个体系结 构及其相关的片上外设、开发工具、库函数、应用产品是一套复杂的知识系统， 用户和半导体厂商都不会轻易地放弃一种处理器。 ( 3 ) 系统软件的高实时性：在多任务嵌入式系统中，对重要性各不相同的任 8 务进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，这种任务调度只能由优化编写的系统软件来完 成，因此系统软件的实时性是基本要求。下面对于嵌入式系统的两大重要组成部 分：嵌入式微处理器和嵌入式操作系统分别进行详细的分析和介绍。 3 2 嵌入式a r m 微处理器 3 2 1a r m 简介 a r m 公司( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e sl i m i t e d ) 成立与1 9 9 0 年，公司本身并不生 产芯片，而专门从事芯片的设计，出售芯片技术授权，即知识产权( i p ) 供应商。 a r m 公司将这些i p 核授权给各个半导体公司，半导体公司在这些处理器内核的基 础上进行再设计，嵌入各种外围功能部件，形成各种各具特色的嵌入式处理器。 例如：a t m e l 公司的a t 9 1 系列、c i r r u sl o g i c 公司的e p 系列、i n t e l 公司的 s t r o n g a r m 等。截至目前，a r m 已占据了嵌入式内核市场的8 0 以上的分额。 a r m 系列处理器是r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ，精简指令集计算机) 体系的典型代表【5 l 。 r i s c 是在分析了c i s c ( c o m p l e xi n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ，复杂指令集计算 机) 体系缺点的基础上发展起来的体系结构，其特点是指令及其格式精简，操作 和控制简洁。所以基于r i s c 体系的处理器结构简洁、面积小、功耗小，非常适合 于嵌入式应用的场合。 3 2 2a r m 微处理器的特点 采用r i s c 架构的a r m 微处理器一般具有如下特点【6 ，7 】： ( 1 ) 体积小、低功耗、低成本、高性能； ( 2 ) 支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，很好的兼容8 位1 6 位器件； ( 3 )大量使用寄存器，指令执行速度更快； ( 4 )大多数数据操作都在寄存器中完成； ( 5 )寻址方式灵活简单，执行效率高； ( 6 ) 指令长度固定。 3 2 3a r m 微处理器的应用领域 9 到目前为止，a r m 微处理器的应用几乎已经深入到各个领域，并且可以肯定 的说在可以预见的将来a r m 微处理器会取得更加广泛的应用【删。 ( 1 )工业控制领域：作为3 2 位的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 位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 )机器人领域：自主移动机器人技术包含了多种技术，其中重要的一个 就是嵌入式技术。特别是在小型机器人上，由于其体积小、功耗小、功能强，嵌 入式处理器同样得到了广泛的应用。 ( 4 )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。 ( 5 )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、数字机项 盒和游戏机中得到了广泛的应用。 ( 6 )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。 3 2 4a r m 7 t d m i 内核 a r m 7 t d m i 是a r m 7 系列c p u 的基本核心部分，是目前使用非常广泛的3 2 位嵌入式r i s c 处理器，并具有高密度的1 6 位指令集和极低的功耗。a r m 7 t d m i 的名字含义如下：t 代表1 6 位压缩指令集；d 代表片上调试支持，允许处理器响 应调试请求暂停；m 表示增强型乘法器，可进行两个3 2 位数相乘而直接产生“ 位结果；i 表示嵌入式i c e 硬件提供片上断点和调试点支持。 3 2 4 1 数据类型 a r m 7 t d m i 处理器支持下列数据类型： b y t e 字节，8 位 h a l f w o r d 半字，1 6 位( 半字必须和2 字节边界对准) w o r d 字，3 2 位( 字必须与4 字节边界对准) a r m 指令的长度正好是一个字，t h u m b 指令长度是一个半字。 3 242 处理器状态 l o 删7 t d m l 内核中采用了a r mv 4 t 结构实现，该结构包含3 2 位a r m 指令 集和1 6 位t h u m b 指令集，因此a r m 7 t d m i 处理器有两种操作状态： a r m 状态：3 2 位，这种状态下执行的是字方式的a r m 指令。 t h u m b 状态：1 6 位，这种状态下执行的是半字方式的t h u m b 指令。 可以使用b x 指令将a r m 7 t d m i 内核的操作状态在a r m 状态和t h u m b 状态 之间进行切换。由于所有的异常处理都在a r m 状态中执行，如果异常发生在 t h u m b 状态下，处理器会切换到a r m 状态中，若异常处理完毕后，自动切换回 t h u m b 状态中。 3 243 处理器模式 a r m 7 t d m l 支持7 种处理器模式【9 】。软件控制、外部中断和异常处理都可以 使模式发生变化。 表ia r m 处理器模式 处理器模式 说明备注 用户( u s r ) 正常程序执行模式不能直接切换到其他模式 快速中断( f i q ) 支持高速数据传输及通道处理f i r 异常响应时，进入此模式 中断( i r q )用于通用中断处理i r q 异常响应时，进入次模式 管理( s v c ) 操作系统保护代码系统复位和软件中断响应时，进入次模式 中止( a b t )用于支持虚拟内存或存储器保护在a r m t t d m i 没有大用处 未定义( u n d )支持硬件协处理器的软件仿真未定义指令异常响应时，进入此模式 系统( s y s )用于支持操作系统的特权任务等与用户类似，但可以直接切换到其他模式 大多应用程序运行在用户模式( u s r ) 下。用户模式下的程序不能访问某些被保护 的系统资源，也不能改变模式。只有通过改写操作系统来控制系统资源的使用。 除用户模式外，其它模式均为特权模式。a r m 内部寄存器和一些片内外设在硬件 设计上只允许特权模式下访问。此外，特权模式可以自由地切换处理器模式，而 用户模式不能直接切换到别的模式。除用户模式和系统模式外的其它5 种模式叫 做异常模式。它们除了可以通过程序切换进入外，也可以由特定的异常进入。每 种模式都有某些附加的寄存器，以免异常退出时，用户模式的状态不可靠。至于 系统模式，它与用户模式一样，不能由异常进入，且使用与用户模式完全相同的 寄存器，然而它是特权模式，不受用户模式的限制。 3 2 4 4 寄存器 a r m 7 t d m i 共有3 7 个寄存器【5 1 ，3 1 个为3 2 位通用寄存器，6 个为状态寄存 器。处理器的状态和操作模式决定了程序员可以访问哪些寄存器。 l 、通用寄存器 。 通用寄存器分成3 组：不分组寄存器r 0 r 7 、分组寄存器r s r 1 4 和程序寄 存器r 1 5 1 4 | 。 r 0 r 7 ：不分组寄存器；与所有处理器模式无关的寄存器，是真正的通用寄存 器。在所有处理器模式下，它们所对应的物理寄存器地址是相同的。 r 8 r 1 4 ：分组寄存器；与处理器模式有关的寄存器，在不同的模式下，对应 到不同的物理寄存器。其中r 1 3 又叫做s p ，通常作为堆栈指针；r 1 4 又叫做链接 寄存器l r ，一般用于保存返回地址。这两个寄存器在每种异常模式下都对应到不 同的物理寄存器上。 r 1 5 ：又叫做程序计数器，即p c ，所有的模式下都使用同一个p c 。 2 、状态寄存器 a r m 7 t d m i 内核包含一个c p s r ( 当前程序状态寄存器) 和5 个供异常处理 程序使用的s p s r ( 程序状态保存寄存器) 。内核的所有处理器状态都保存在c p s r 中，所有的模式都共享一个c p s r 。每种异常模式都有s p s r ，当异常中断出现时， s p s r 用于保存c p s r 的状态。用户模式和系统模式不是异常模式，没有s p s r ， 因此，在这2 种模式中使用任何读写s p s r 的指令，其结果都是不可预知的。 3 245 异常 异常是由内部或者外部源产生的以引起处理器处理的一个事件。异常发生时 任何程序都必须暂时停止处理器转而去处理异常的情况。异常处理程序执行之前， 被中断的程序的状态必须保存。a r m 支持7 种类型的异常，异常出现后，强制从 异常类型对应的固定存储器地址开始执行程序。这些固定地址称之为异常向量 ( e x c e p t i o nv e c t o r s ) 。表2 列出了异常的类型以及处理这些异常的处理器模式。 表2 异常模式 t a b 2e x c e p t i o nm o d e l 异常模式模式 复位管理 未定义指令未定义 软件中断( s w i )管理 预取中断( 取指令存储器中止)中止 数据中止( 数据访问存储器中止)中止 i r q ( 中断)i r q f i q ( 快速中断)f i q 1 2 3 3 实时操作系统平台 3 3 1 嵌入式实时操作系统简介 实时操作系统( r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m 。r t o s ) 是指能支持实时控制系统 工作的操作系统。r t o s 是一段嵌入在目标代码中的程序，系统复位后首先执行， 相当于用户的主程序，用户的其他应用程序都建立在r t o s 之上。不仅如此，r t o s 还是一个标准的内核，将c p u 时间、中断、i o 、定时器等资源都包装起来，留给 用户一个标准的系统调用a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ) ，并根据各个 任务的优先级，合理地在不同任务之间分配c p u 时间。 r t o s 是相对“分时操作系统”而言的，我们日常接触的通用操作系统( 如 w i n d o w s ，u n i x ，l i n u x 等) 都是分时操作系统。r t o s 要求能及时( 或即时) 响 应外部事件的请求，在规定时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协 调一致的运行。分时操作系统的基本设计原则是：尽量缩短系统的平均响应时间 并提高系统的吞吐率，在单位时问内为尽可能多的用户请求提供服务。由此可见， 与分时操作系统相比，r t o s 具有多路性、独立性、及时性、交互性、可靠性的特 点。在本论文中选用的u c o s i i 则是典型的实时操作系统，在后面章节中将具体 介绍。 3 3 2 嵌入式实时操作系统内核 嵌入式实时操作系统中最关键的部分是实时多任务内核。它主要实现任务管 理、定时器管理、存储器管理、任务间通信与同步、中断管理等功能。如何实现 一个效率高，体积小，移植功能强大，易于定制的实时操作系统内核是开发嵌入 式操作系统的关键问题 1 1 - 1 4 】。 3 3 2 1 任务管理 实时操作系统中的任务与操作系统中的进程相似。它是具有独立功能的无限 循环的程序段的一次运行活动。它决不会返回，具有并行性、异步性、动态性等 特点。 系统运行的任务状态有运行态、就绪态、挂起态和休眠态。 系统任务就绪后进入任务就绪态，等待队列。通过调度程序使它获得c p u 和 资源使用权，从而进入运行态。任务在运行时因申请资源等原因而挂起，转入挂 起态，等待运行条件的满足。条件满足后，任务被唤醒进入就绪态，等待系统调 度程序依据调度算法进行调度。任务的休眠态时任务虽然在内存中，但不被实时 内核所调度的状态。任务还有一种状态即被中断状态，它指任务在运行态时有中 断到达，系统响应中断，转而执行中断服务子程序，是任务被中断后所处的状态。 在宏观上系统中可能有多个任务同时运行，但在微观上只能有一个任务在运 行态。 实时内核的任务管理实现在应用程序中建立任务，删除任务，挂起任务，恢 复任务，以及对任务的响应、切换和调度等职能。实时系统中常用的任务调度算 法包括基于优先级的抢占式调度算法、同一优先级的时间片轮转调度算法和单调 速率调度算法。 3 322 任务间同步和通信 目前，主要的实时操作系统的任务间同步和通信的机制有：消息、事件、信 号量，而部分实时操作系统仍然在沿用邮箱机制，另外一些实时操作系统提供了 共享内存的任务间通信机制。 消息机制的概念和分时操作系统没有差别，其基本思想是任务通过公用的数 据交换区( 包括私有消息缓冲区和共有消息缓冲池) 来交换任务间需要通信的信 息。目前大多数实时操作系统支持的消息队列既可以是定长的，也可以是变长的。 事件机制适用于任务间需要同步，并且通信的数据量不大的情况，一般来说 任务之间的事件通信机制是可以覆盖的，即任务a 先后发送三次事件给任务b ， 如果b 还没有来得及处理的话，任务b 只需要处理一次事件就够了。事件机制的 系统调用一般包括发送事件( e vs e n d ) ，接收事件( e vr e c e i v e ) 。目前大多数实时 操作系统支持1 6 - - 3 2 个事件【1 3 】。 如同分时系统中的信号量一样，实时操作系统提供的信号量机制也是为了解 决对于临界资源共享的加锁机制。实时操作系统与分时操作系统在信号量机制上 有一个明显的区别，那就是优秀的商用实时操作系统要解决信号量机制的优先级 倒置问题。 3 3 2 3 内存管理 和分时操作系统一样，实时操作系统会借用c p u 的内存管理单元( m h 仉y ) 来完成内存管理。内存管理也必须时刻考虑到系统的实时性，这就决定了内存管 理必须采用简单、有效和快速的方法，尽最大可能保证程序对内存的需要，保证 程序在运行过程中对内存的申请能得到满足。在对内存分配方式的选择上，需要 权衡利弊，以满足实时性为前提来选用静态内存分配、动态内存分配或者两者的 结合方式。一般来说，实时操作系统的内存管理，还有对于内存的优化分配，以 尽量减少整个系统的内存占有量的要求。 t 4 3 3 2 4 实时时钟服务 目前，商用的实时操作系统在硬件的硬时钟中断的基础上，提供了实时时钟 服务。实时时钟是系统调用的基础，也是系统定时服务器的基础。实时时钟服务 一般包括定时唤醒( t mw k a f t e 或者t mw k w h e n ) 、定时事件机制( t i ne v a f t e r 或者 t me v w h e n ) 。另外部分优秀的实时操作系统提供了定时消息机制，即应用任务( 比 如说某个任务a 向系统定时服务器申请定时器，当定时时间到后，定时服务器返 回任务a 一条消息) 。相应的系统调用一般有定时器申请( t ms t a r t ) 、定时器删除 ( t md e l e t e ) 、定时器重置( t i nr e s t a r t ) ，定时消息的接收一般采用消息队列的接 收机制( q。是否提供灵活的、高精度的定时器服务是衡量实时操作系统_receive) 功能完整性的一个重要指标。 3 325 中断管理服务 如同分时系统一样，中断管理服务是操作系统的一个核心和基本的功能。实 时操作系统的中断管理有自己的特殊的要求，那就是中断处理程序要更加短小、 精悍，以减少中断禁止时间和中断延迟时间。 3 4 嵌入式操作系统移植 嵌入式应用中移植微型的操作系统，一方面能够把整个系统要实现的功能进 行分解，并用不同的任务来实现这些应用功能，使得应用系统的软件机构模块化。 一方面，嵌入式系统由于以多任务管理作为基础，可以满足应用系统实时性的要 求，有助于提高整个系统的稳定性和