（电路与系统专业论文）基于Linux的发电机励磁监测系统的设计与实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

中文摘要 摘要：现代电力系统中发电机的单机容量变得越来越大，大型发电机在电力生产 中又占据着主要的位置，同时大型发电机的造价昂贵、结构复杂，如有损坏，则 需要的检修期很长，这必将影响人民的生活和生产，因此它要求有极高的运行可 靠性。发电机励磁系统是提供给发电机励磁电流的系统，而发电机励磁监测系统 对发电机励磁系统的稳定运行和故障预防有着重要的作用。这就要加强发电机励 磁监测系统的功能和可靠性。所以对发电机励磁监测系统的研究具有重要的现实 意义。 本论文在介绍了发电机励磁监测系统的应用背景和发展趋势之后，设计了一 种嵌入式发电机励磁监测系统。为了适应现代电力系统的发展要求，针对发电机 励磁监测系统采样率高、实时性好的特点，本系统采用d s p + a r m 的硬件架构。 整个系统主要由数据采集模块和数据传输模块构成；其中d s p ( t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 ) 用来实现数据的采集与处理；a r m ( e p 9 3 1 5 ) 用来实现数据的存储与传输。论文 先描述了系统的整体组成，再分别介绍了两个模块的硬件组成和软件设计；特别 介绍了嵌入式l i n u x 的安装及开发环境的建立；接着详述了基于l i n u x 的传输模块 的软件设计，并概述了在嵌入式l i n u x 操作系统下实现数据传输模块功能的操作步 骤；最后对系统的性能指标和测试结果进行了总结和分析。 本系统可以实时地将反映发电机励磁系统运行情况的数据通过以太网传到远 端的监控主站，还可同时判断和记录故障信息并上传至监控主站，作为发电机励 磁系统故障分析的依据。 本系统已经应用于生产试验中，具有精度高、实时性好、功能多样等特点， 大大地方便了现场试验，取得了良好的经济效益。特别是在故障情况下，能够及 时地上传故障数据，实现最佳监测和调节功能，保证发电机运行的稳定性，避免 由于设备突然损坏，停止运行带来的损失。 关键词：发电机励磁系统；监测；d s p ；a r m ；嵌入式l i n u x j 壁立交通盔堂亟堂焦论塞一 旦墨! ! a bs t r a c t a b s t r a c t ：i nm o d e r ne l e c t r i cp o w e rs y s t e m ，t h es t a n d a l o n ec a p a c i t yh a sb e c o m e b i g g e ra n db i g g e r , a n dl a r g e - s c a l eg e n e r a t o r sp l a ya ni m p o r t a n tp a r ti ne l e c t i cp o w e r p r o d u c t i o n b e c a u s eo ft h eh i g hc o s ta n dc o m p l e xs t r u c t u r eo f t h el a r g e - s c a l eg e n e r a t o r s ， o n c et h e yw e r eb r o k e nd o w n , t h e yn e e dal o n gt i m et om e n d ，a n di tw i l lc a u s e i n c o n v e n i e n c et op e o p l e sl i f ea n dp r o d u c t i o n t h u s ，t h eg e n e r a t o r sn e e dh i 曲r e l i a b i l i t y t h eg e n e r a t o re x c i t a t i o ns y s t e ms u p p l i e st h ee x c i t a t i o nc u r r e n tf o rt h eg e n e r a t o r , w h i l e t h eg e n e r a t o re x c i t a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mp l a y sa ni m p o r t a n tp a r ti nt h eg e n e r a t o r e x c i t a t i o ns y s t e m ss t a b l er u n n i n ga n dm a l f u n t i o np r e v e n t i o n s o ，i m p r o v i n gt h e r e l i a b i l i t yo fg e n e r a t o re x i t a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mh a sar e a l i s t i cm e a n i n g a f t e rad e t a i l e d a n a l y s i so fd e v e l o p m e n tt i d ea n da p p l i c a t o nb a c k g r o u n do f g e n e r a t o re x i t a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m ，ak i n d o fe m b e d d e dg e n e r a t o re x i t a t i o n m o n i t o r i n gs y s t e mi sd e s i g n e d a c c o r d i n g t ot h ed e m a n dt h a tt h eg e n e r a t o re x i t a t i o n m o n i t o r i n gs y s t e ms h o u l dh a v eh i g hs t a b i l i t ya n dr e a l - t i m en e e d ，ad s p + a r mp l a t f o r m i su s e df o ra d a p t i n gt ot h ed e v e l o p i n gr e q u i r e m e n to ft h em o d e r ne l e c t r i cp o w e rs y s t e m t h ee n t i r es y s t e mi sm a d eu po fd a t ac o l l e c t i n gm o d u l ea n dd a t at r a n s m i t t i n gm o d u l e d s p ( t m s 3 2 0 c 6 7 13 ) i su s e dt oa c q u i r ea n dp r o c e s sd a t a a r mi su s e dt os a v ea n d t r a n s m i t t i n gd a t a f i r s t l y , t h i st h e s i sd e s c r i b e st h ee n t i r ec o n s t r u c t ，t h e ni ti n t r o d u c e st h e h a r d w a r ef r a m ea n ds o f t w a r ed e s i g no ft h et w om o d u l e si nd i f f e r e n tc h a p t e r s i t e s p e c i a l l y i n t r o d u c e sh o wt oi n s t a l le m b e d e dl i n u xa n db u i l de m b e d e dl i n u x d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t s e c o n d l y , i td i s c u s s e ss o f t w a r ed e s i g no fd a t at r a n s m i t t i n g m o d u l eb a s e do ne m b e d d e dl i n u x ，t h e nb r i e f l yd e s c r i b e st h eo p e r a t i n gp r o c e d u r eo f h o wt oi m p l e m e n tt h ef u n c t i o no fd a t at r a n s m i t t i n gi ne m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n g s y s t e m a tl a s ti ts u m su pa n da n a l y s e st h es y s t e m sp e r f o r m a n c ea n de x p e r i m e n t a l r e s u l t s t h i ss y s t e mc a nt r a n s m i tt h ed a t aw h i c hr e f l e c tt h ec o n d i t i o no fg e n e r a t o re x i t a t i o n s y s t e mt ot h em a i ns t a t i o nt h r o u g he t h e r n e ti nr e a lt i m e m e a n t i m e , i tg a l lj u d g ea n d r e c o r dt h ef a u l ti n f o r m a t i o nw h i c hi st h ee v i d e n c ef o rg e n e r a t o re x i t a t i o ns y s t e mf a u l t a n a l y s i sa n du p l o a dt h er e c o r d e dd a t at ot h em a i ns t a t i o n t h i ss y s t e mh a sc o m ei n t ou s e i th a st h ev i r t u eo f h i g hp r e c i s i o n , g o o dr e a l - t i m e p e r f o r m a n c e ，a b u n d a n tf u n c t i o n s ，e t c i th a ss u p p l i e dm u c hc o n v e n i e n c ef o rt h es p o t e x p e r i m e n ta n dg o t t e ns i g n i f i c a n te c o n o m i c a lb e n e f i t e s p e c i a l l yi nf a u l ts i t u a t i o n ，i t c a l lu p l o a dt h ef a u l tr e c o r d e dd a t ai nr e a lt i m e i naw o r d ，i tn o to n l yh a st h eb e s t a c h i e v e m e n to fm o n i t o r i n ga n da d j u s t i n gt og u a r a n t e et h eg e n e r a t o r ss t a b i l i t y , b u ta l s o a v o i dt h el o s sc a u s e db yt h eg e n e r a t o r su n e x p e c t e dm a l f u n c t i o n k e y w o r d s - g e n e r a t o re x c i t a t i o ns y s t e m ；m o n i t o r i n g ；d s p ；a r m ；e m b e d d e d l i n u x v 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： 似，妨婷 签字日期：砩年月f ，日 导师签名： 辩醐：糯年多月日腓、| 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：节乡畸 签字日期：秒g 年6 月，日 致谢 本论文是在我的导师陈后金教授的悉心指导下完成的，陈后金教授严谨的治 学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在学习上和生活上都给予了 我很大的关心和帮助，在此衷心感谢两年来陈后金老师对我的关心和培养。 在此还要感谢提供给我论文资料和科研项目的华北电力科学院的领导和同 事，他们给了我参与此次科研项目的机会，同时为我提供了充足的设备资源；特 别是该公司的陶炜耐心地给予了我理论指导，并给了我许多宝贵的意见和建议， 特此表示衷心的感谢。 在实验和论文撰写期间，各位同学也对我的研究工作给予了热情的帮助，在 此也向蔺祥宇、张颖等同学表示感激之情。 另外，也要感谢家人的理解和支持，他们的不断鼓励和支持使我完成了该论 文，给我的学业划上了完美的句号。 1 引言 1 1发电机励磁监测系统的研究背景 现代生产和生活中对发电机运行可靠性的要求越来越高，发电机励磁监测系 统对发电机的稳定运行和故障分析具有重要意义。发电机励磁实时监测系统能应 用在各种容量发电机组的励磁系统中，可以较大提高运行人员对励磁系统的测控 能力，对保证发电机的稳定可靠运行有重要作用。同时，系统运行过程中收集到 的大扰动数据对于深入研究电力系统计算模型、预防系统故障也有重大的意义。 发电机励磁实时监测系统从电气量测量和数据处理两个核心环节入手，采用 先进的技术。 在电气量测量方面，采用的光p t c t 技术是一项较新的测量方法。光p t c t 对电压电流进行采集，通过光纤引到测控柜上进行测量，这样就彻底隔离了高压 侧和低压侧的电气联系，提高了监测系统的可靠性。 在数据处理方面，即发电机励磁实时监测系统的测量柜采用的是d s p 加上嵌 入式系统的解决方案，可以快速、灵活、可靠的完成各个测量量的采集和处理， 充分发挥了系统实时性、快速性、可靠性和便于进行复杂算法处理等特点。通信 数据可以满足i e e e l 3 4 4 、i e c l 0 3 或i e c 6 1 8 5 0 等通信规约的要求，既能有效接入 当前的w a m a s 系统，又符合电力系统的发展方向。 励磁监测系统在运行情况下，特别是在故障情况下，它能够记录发电机机端 电压，机端电流与励磁电流、可控硅导通角之间的对应关系等，为事后事故分析、 系统改进等提供所需的数据。这样既可避免由于设备突然损坏、停止运行带来的 损失，又可充分发挥设备的作用。所以励磁监测系统的运行情况是保证发电机组 稳定可靠运行的有效手段。 1 2发电机励磁监测系统的研究现状 大型发电机的监测分析已成为电工领域的一个重要的研究课题，最近几十年 世界很多国家都开展了此方面的研究，并逐步推广应用。自八十年代以来的国际 大电网( c i g r e ) 历届年会中，发电机的故障检测和诊断列为s c 1 1 ( 旋转电机) 委员会的中心议题之一。近年来，新技术新工艺的发展也推动了励磁监测系统的 不断研究和生产，特别是采用微机计算机用软件实现的励磁监测系统有着显著的 特点，能实现最佳监测和调节功能。 在国际上，对光p t c t 的研究工作已开展多年，许多国际大公司如a b b 、 s i e m e n s 、a r e v a 等均有相关产品面世，也在这方面积累了许多经验。在国内， 虽然相关的研究工作开展较迟，但也取得了很大的成就。d s p + a r m 这种解决处理 与存储传输的模式在工业控制领域已经被事实证明是一种优质、高效的处理方法。 各大保护厂商，如a r e v a 、g e 、南瑞、四方、许继等都有大量应用此种硬件平台 模式的成熟产品，也都在实践中不断地更新改进。 本系统拟在具有完全自主知识产权的r p s c 2 安全稳定装置测控平台上开发的 发电机励磁实时监测系统，完全能够满足现场运行条件对装置的可靠性、稳定性 和实时性的要求。 本系统研究的内容有： ( 1 ) 光p t c t 在复杂的电磁环境中对直流电压、直流电流的准确测量； ( 2 ) 采用d s p + a r m 嵌入式系统的解决方案对励磁系统的数据进行采集处理和 存储传输； ( 3 ) 灵活选择励磁系统的各开关量、模拟量的突变或越限来启动录波功能； ( 4 ) 开放的数据接口，录波文件与标准c o m t r a d e 格式的转换； ( 5 ) 通过g 7 0 32 m 通道、光纤或以太网等多种通信方式将励磁系统的运行情况 和录波数据按要求远传到主站； ( 6 ) 完成样机研制、测试及现场试运行。 重点解决的技术问题包括： ( 1 ) 光p t c t 在复杂的电磁环境中对直流系统测量的准确性； ( 2 ) 高速的数据采集、处理能力及较大数据文件的及时可靠传输； ( 3 ) 发电机励磁实时监测系统与w a m a s 系统及其他系统的可靠通信互连。 2 2 发电机励磁监测系统概述 2 1励磁系统简介 供给同步发电机励磁电流的电源及其附属设备统称为励磁系统。它一般由两 个主要部分构成：励磁功率单元和励磁调节器。励磁功率单元是向同步发电机转 子提供励磁电流的，而励磁调节器则根据输入信号和给定的调节准则来控制励磁 功率单元的输出。励磁系统是同步发电机的重要组成部分。 励磁系统的主要作用有： ( 1 ) 根据发电机负荷的变化相应的调节励磁电流，以维持机端电压为给定值： ( 2 ) 控制并列运行各发电机间无功功率分配； ( 3 ) 提高发电机并列运行的静态稳定性； ( 4 ) 提高发电机并列运行的暂态稳定性； ( 5 ) 在发电机内部出现故障时，进行灭磁，以减小故障损失程度； ( 6 ) 根据运行要求对发电机实行最大励磁限制及最小励磁限制。 同步发电机励磁系统的形式有很多种，按照供电方式可以划分为他励式和自 励式两大类。 获得励磁电流的方式有：直流发电机供电的励磁方式，这种励磁方式提供独 立的励磁电流，因而工作比较稳定可靠，但缺点是励磁调节的速度比较慢；交流 励磁机供电的励磁方式，是现在大容量的发电机一般采用的方式，它比直流发电 机供电的励磁方式具有更高的调节速度，而且结构简单，但是噪音比较大：无励 磁机的励磁方式是从发电机自身获得励磁电源，它的结构简单，投资省，维护工 作量小。 2 2励磁监测系统简介 由励磁调节器、励磁功率单元和发电机本身一起组成的整个系统称为励磁监 测系统。 实现状态自动监测的全过程应包括以下基本功能： ( 1 ) 数据采集； ( 2 ) 数据处理； ( 3 ) 数据的存储和传输； 3 ( 4 ) 故障诊断。 数据采集部分通常包含相互串联的三个部分：多路转换器，采样保持和模数 转换器。多路转换器在多通道监测系统中至关重要，所有传感器的信号在这里汇 总。采样保持单元基本上是一个高速放大器，在模数转换周期内存储各输入量， 并把数值大小不变的信号送给模数转换器。它缩短了模数转换的采样时间，从而 可以提高系统的运行速度。模数转换器是数据采集系统的核心，要注意的是必须 同时满足转换速度及精度这两方面的要求。 数据处理模块采用一些科学数学的方法对采集量进行分析处理，如小波分析、 频谱分析、时间平均、自相关和互相关等方法的应用问题。 数据的存储与传输模块负责将处理后的数据存储在相应的存储地址上并按规 定的要求和主站的命令上传至主站到界面显示。它要能可靠地、快速地上传以便 能及时监测系统的运行情况和故障诊断。 诊断的功能包括：依据数据处理的结果提出改善设备的运行状态与性能的措 施，以及改进维修的计划。 发电机励磁监测系统要采集发电机运行状态下许多电气的、机械的、物理及 化学的数据与特性，并建立数据处理系统。发电机状态检测的主要内容有： ( 1 ) 发电机电压、电流实时监测与故障录波； ( 2 ) 发电机轴运行状态( 转速、转角、振动等) 实时监测； ( 3 ) 发电机定、转子铁芯和绕组的温度、进出口风温的实时监测；对非自然冷却 系统，还包括冷却介质的流量、流速、压力的监测； ( 4 ) 发电机励磁系统运行状态实时监测。 上述所有监测信息由计算机在线数据采集系统统一管理。 4 3 励磁监测系统的硬件设计 3 1系统硬件的总体设计 本监测系统负责高速采集发电机励磁系统的相关数据，并具备分析、存盘和 上传的功能。系统主要由d s p 系统和a r m 系统构成。其硬件组成图如图l 。系统 的工艺结构图见附录a 。 图1 监测系统硬件组成图 f i g 1h a r d w a r es l n l c t u r eo f t h em o n i t o r i n gs y s t e m 该系统的性能指标有： ( 1 ) a d 采样：采样精度为1 4 b i t ，采样速率可达5 0 k 每秒，最多为1 6 通道； ( 2 ) 磁盘的存储容量：c f 卡的存储容量可达8 g b ； ( 3 ) 通信接口：以太网口，最高通信速度可达1 0 0 m b i t s ； 5 ( 4 ) 电源：a c 2 2 0 v ； ( 5 ) 模拟量测量精度：误差小于0 5 。 3 2数据采集处理模块的硬件设计 3 2 1d s p 芯片的选择 d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，数字信号处理) 是- - f - 涉及学科广泛且应用领 域广泛的新兴学科。自从2 0 世纪6 0 年代以来，数字信号处理技术就随着计算机 和信息技术的飞速发展应用而生并得到迅速地发展。 1 数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进行采集、 交换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到人们需要的信号形式。 d s p 芯片的主要应用领域有以下几个： ( 1 ) 信号处理：数字滤波，自适应滤波，快速傅立叶变换，频谱分析等； ( 2 ) 通信：调制解调，自适应均衡，扩频通信，波形产生等； ( 3 ) 语音：语音编码，语音合成，语音识别，语音增强，语音存储等； ( 4 ) 图像图形：图像压缩与传输，图像增强，二维三维图形处理等； ( 5 ) 军事：保密通信，雷达处理，声纳处理，导航等； ( 6 ) 仪器仪表：频谱分析，函数发生，锁相环，地震处理等； ( 7 ) 自动控制：引擎控制，自动驾驶，机器人控制，磁盘控制等； ( 8 ) 医疗：助听，超声设备，诊断工具，病人监护等； ( 9 ) 家用电器：高保真音响，音乐合成，数字电话电视等。 d s p 芯片有不同的型号，但其内部都具有哈佛结构。它包括处理器内核，指 令缓冲器，数据存储器和程序存储器，i o 接口控制器，程序地址总线和程序数据 总线，直接读取的地址总线和数据总线单元；它最核心的是处理器内核，其性能 好坏直接决定d s p 的性能和使用范围。总的来说，选择要根据实际的应用需要。 一般要考虑如下一些性能： ( 1 ) 运算精度 定点算法动态范围较浮点算法动态范围小，且容易出现溢出的问题，但成本 低，功耗小。浮点算法的d s p 成本较高，功耗较大，所以大都用在高档的产品上。 ( 2 ) 运算速度 运算速度是选择d s p 时需要考虑的重要因素。衡量的性能指标有指令周期、 m a c 时间、f f t 执行时间、m i p s 、m o p s 、m f l o p s 或b o p s 。 ( 3 ) 芯片性价比 6 我们应该根据自己的性能需要和实际应用情况来选择一个价格适中的d s p 芯 片。只要功能够用就好。要切记d s p 芯片发展迅速，其价格也在不断下降。 ( 4 ) 硬件资源 不同d s p 芯片提供的硬件资源不同，如片内r a m 和r o m 的数量、外部可扩 展的数据和程序空间、接口等。所以不同的内部硬件资源可适应不同的需要。 ( 5 ) 芯片开发工具 在d s p 系统的开发过程中，开发工具是必不可少的。如果没有开发工具 的支持，要想开发一个复杂的d s p 系统几乎是不可能的。如果有功能强大的 开发工具的支持，如c 语言支持，则开发的时间就会大大缩短。所以，在选 择d s p 芯片的同时必须注意其开发工具的支持情况，包括软件和硬件的开发 工具。 ( 6 ) 芯片的功耗 在很多d s p 的应用场合中，功耗要特别注意。如手机、p d a 、手提式声 音播放机等都对功耗有特殊的要求。很多处理器供应商降低工作电压，如 3 3 v 、2 5 v 、1 8 v ，同时还增加电源电压管理功能，如增加“睡眠”模式以 降低能耗。 ( 7 ) 是否支持多处理器 在运算速度要求特快的时候，就需要应用多个处理器并行工作。这时， 各个处理器的内部连接就是个问题了。 ( 8 ) 其他 除以上因素外，还应考虑d s p 芯片的封装形式、质量指标、供货情况和 生命周期等。还要看d s p 芯片是否有工业级或军用级的同类产品。 1 根据电力系统的需要和实际情况，本产品对d s p 芯片的选择主要考虑浮点运 算能力和总线速度等因素，所以选择了t i 的浮点处理器t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 ， t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 是一款功能强大，硬件资源丰富，开发工具多及开发平台先进的微 处理芯片。 3 2 2t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 芯片介绍 本d s p 系统以t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 为核心。t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 是t i 的高性能浮点d s p 。 t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 主要参数如下： ( 1 ) 工作主频为2 0 0 m h z ； ( 2 ) 每秒可进行1 0 0 0 m m s m f l o p s 以上的运算； ( 3 ) 系统总线速度达1 0 0 m ； 7 ( 4 ) 片内集成2 5 6 k 字节的l 2 ( 二级缓存) ； ( 5 ) e m i f ( 存储器接口) 支持s d r a m ，s r a m ，f l a s h 等多种存储器。 由于t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 具有强大的浮点运算能力和较高的存储器读写速度，所以 本系统使用t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 d s p 来进行数据的采集和处理。t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 要接收 并计算a d 采集来的1 6 路模拟量和c p l d 采集的1 6 路开关量。把采集量经过处 理后存储到存储容量为3 2 m x l 6 b i t 的s d r a m ，并用于循环存储采集的数据。采集 和处理后的数据通过6 4 k x l 6 b i t 双口r a m 传至数据传输模块。 3 2 3数据采集处理模块的硬件构成 d s p 主要完成现场数据的采集和计算，实时响应a r m 系统传来的控制命令， 并将采集的实时数据和计算后的结果回传给a r m 。硬件组成图如图2 所示。 1 6 通道 1 6 通道 开关量 c p l d e p m 3 1 2 8 8 通道开 关量输出 看门狗 t p $ 3 8 2 3 d s p t m $ 3 2 0 c 6 713 s d r a m m t 4 8 l c 3 2 双口r a m i d t 7 0 v 2 8 程序f l a s h s s t 3 9 v f 4 0 0 a 图2 采集处理模块硬件组成图 f i g 2h a r d w a r es t r u c t u r eo f t h ec o l l e c t i n g - p r o c e s s i n gm o d u l e 8 3 3数据存储传输模块的硬件设计 3 3 1嵌入式系统概述 a r m 是a d v a n c e dr i s cm a c h i n e 的首写字母组合。根据i e e e ( 国际电机工程 师协会) 的定义，嵌入式系统是“控制，监视或者辅助装置、机器和设备运行的装 置 。目前国内一个普遍被认同的定义是：以应用为核心，以计算机技术为基础， 软件硬件可剪裁，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。 7 嵌入式系统通常由嵌入式处理器、外围设备、嵌入式操作系统和应用软件等 几大部分组成。 ( 1 ) 嵌入式处理器 它是嵌入式系统的核心部件，与通用处理器的最大不同在于其大多工作在为 特定用户群所设计的系统中。它通常把通用计算机中许多由板卡完成的任务集成 在芯片内部，从而利于嵌入式系统设计趋于小型化，并具有高效率。高可靠性等 特征。 ( 2 ) 外围设备 外围设备是指在一个嵌入式系统中，除了嵌入式处理器以外用于完成存储、 通信、调试、显示等辅助功能的其他部件。根据外围设备的功能可以分为3 类： 存储器，接口，人机交互。目前常用的嵌入式存储设备如r a m 、s r a m 、f l a s h 等； 通信设备如r s 2 3 2 接口、s p i 接口、以太网接口等；显示设备如显示屏等。 ( 3 ) 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统是为了使嵌入式开发更方便、快捷，具备一种稳定、安全的 软件模块集合，用以管理存储器分配、中断处理、任务间通信和定时器响应，以 及提供多任务处理等。它不仅具有通用操作系统的一般功能，如向上提高对用户 的接口，向下提高与硬件设备交互的接口，管理复杂的系统资源，同时还在系统 实时性、硬件依赖性、软件固化性以及应用专用性等方面，具有更加鲜明的特点。 ( 4 ) 应用软件 它是针对特定的实际专业领域，基于相应的嵌入式硬件平台，并能完成用户 预期任务的计算机软件。应用软件是实现嵌入式系统功能的关键，嵌入式系统软 件的特点有：软件要求固化存储，软件代码要求高质量和高可靠性，系统软件的 高实时性，多任务实时操作系统是嵌入式应用软件的必需。 嵌入式系统的最大特点就是其所具有的巨大的灵活性，我们可以根据不同的 目的有针对性的定制系统的软硬件和功能，这也是嵌入式系统和通用计算机系统 9 最主要的区别。 不同的嵌入式系统的特点会有所差异，但其几个重要特征是： ( 1 ) 系统内核小 嵌入式系统通常是面向特定应用的嵌入式c p u ，都具有低功耗、体积小、集 成度高等特点，系统资源相对有限，所以内核较之传统的操作系统小得多，从而 有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，和网络的耦合也越来越 紧密。 ( 2 ) 专用性强 嵌入式系统的软件和硬件结合的非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植， 嵌入式系统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。 ( 3 ) 系统精简 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效的设计，量体裁衣，去除冗余。它一般 没有系统软件和应用软件的明显区别，不要求其功能设计及实现上过于复杂，这 样即利于控制系统成本，又利于实现系统安全，这样才有竞争力。 ( 4 ) 具有实时性的系统软件 软件代码要求高质量和高可靠性，为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式 软件中的软件一般都要求固态存储，而不是存储在磁盘、光盘等载体中，这是和 普通计算机的主要区别。 ( 5 ) 使用多任务的操作系统 嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行，但为了合理地 调度多任务、利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口，用户必须自行选 配实时操作系统开发平台，只有这样才能保证程序执行的实时性和可靠性，并减 少开发时间，保障软件质量。 ( 6 ) 开发需要开发工具和环境 由于嵌入式本身不具备自举开发能力，即使设计完成后用户也通常不能对其 中的程序功能进行修改，必须有一套开发工具和环境才能进行开发，这些工具和 环境一般是基于通用计算机的软硬件设备和各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。 开发时主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进 行。 7 3 3 2a r m 处理器 一a r m 微处理器工作状态 1 0 第一种为a r m 状态，此时处理器执行3 2 位字对齐的a r m 指令。 第二种为t h u m b 状态，此时处理器执行1 6 位的、半字对齐的t h u m b 指令。 二a r m 体系结构的存储格式 大端格式：此格式中，字数据的高字节存储在低地址中，而字数据的低字节 则存储在高地址中。 小端格式：和大端格式相反，字数据的低字节存放在低地址中，高字节存放 在高地址中。 三a r m 处理器模式 a r m 微处理器支持七种运行模式： ( 1 ) 用户模式：a r m 处理器正常的程序执行状态； ( 2 ) 快速中断模式：用于高速数据传输或通道处理； ( 3 ) 中断模式：用于通用的中断处理； ( 4 ) 管理模式：操作系统使用的保护模式； ( 5 ) 数据访问终止模式：当数据或指令预取终止时进入此模式，可用于虚拟存储 及存储保护； ( 6 ) 未定义模式：支持硬件协处理器的软件仿真； ( 7 ) 系统模式：运行具有特权的操作系统任务。 a r m 处理器凭借它的低功耗、高性能等特点，被广泛用于个人通信等嵌入式 领域，而a r m 7 也曾经在低端手持设备中占据一席之地，然而，a r m 7 的处理性 能逐渐无法满足人们日益增长的高性能功能需求的处理，取代它的是性能更强大 的a r m 9 系列处理器。 1 4 1 a r m 9 处理器能够达到两倍于a r m 7 处理器的处理能力。它的主要特点是： ( 1 ) 采用哈佛结构 在计算机中，根据计算机的存储结构及其总线连接形式，计算机系统分为 冯诺依曼结构和哈佛结构。冯诺依曼结构是指数据存储空间和程序存储空间 共享存储总线，而哈佛结构分开数据和程序空间的访问总线，所以哈佛结构在执 行指令时，取指和取数可以并行，具有更高的执行效率。a r m 9 即采用哈佛结构。 ( 2 ) 五级流水线 a r m 7 采用的是三级流水线，而a r m 9 采用五级流水线，即在每个时钟周期 内可以执行5 条指令。如图3 。 田田田团园 图3 五级流水线 f i g 3f i v es t a g ep i p e l i n e ( 3 ) 高速缓存和写缓存 在处理器中，一般处理器速度远远高于存储器访问速度，为了解决由于存储 器访问成为系统性能的瓶颈，引入了高速缓存和写缓存。它们存储了最近常用的 代码和数据，以供c p u 快速存储。 ( 4 ) 支持m m u m m u 是内存管理单元，它把内存以“页”为单位进行处理。操作系统为每个 正在运行的程序建立并维护一张进程内存映射表，表中记录了程序可以存取的所 以内存页及它们的实际位置。 每当程序存取一块内存时，它就把相应的虚拟地址传给m l v l u ，而m m u 则在 进程内存映射表中查找这块内存的实际位置，即物理地址。如果程序要存取的位 置在磁盘上，就必须把包含该地址的页从磁盘上读到内存中，并更新进程内存映 射表。只有拥有了m m u 才能真正实现内存保护。 1 6 a r m 芯片的选择要考虑的因素有： ( 1 ) a r m 芯核 如果希望使用w i n c e 或l i n u x 等操作系统以减少软件开发时间，就需要选择 a r m 7 2 0 t 以上带有m m u ( m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t ) 功能的a r m 芯片，a r m 7 2 0 t 、 s t r o n g a r m 、a r m 9 2 0 t 、a r m 9 2 2 t 、a r m 9 4 6 t 都带有m m u 功能。而a r m 7 t d m i 没有m m u ，不支持w i n d o w sc e 和大部分的l i n u x ，但目前有l x c l i n u x 等少数几 种l i n u x 不需要m m u 的支持。 ( 2 ) 系统时钟控制器 系统时钟决定了a r m 芯片的处理速度。a r m 7 的处理速度为0 9 m i p s m h z ， 常见的a r m 7 芯片系统主时钟为2 0 m h z 1 3 3 m h z ，a r m 9 的处理速度为 1 1 m i p s m h z ，常见的a r m 9 的系统主时钟为1 0 0 m h z - 2 3 3 m h z , a r m l 0 最高可以 达到7 0 0 m h z 。不同芯片对时钟的处理不同，有的芯片只有一个主时钟频率，这样 的芯片可能不能同时顾及u a r t 和音频时钟的准确性，如c i r r u sl o g i c 的e p 7 3 1 2 等；有的芯片内部时钟控制器可以分别为c p u 核和u s b 、u a r t 、d s p 、音频等 1 2 功能部件提供不同频率的时钟，如p h i l i p s 公司的s a a 7 5 5 0 等芯片。 ( 3 ) 内部存储器容量 在不需要大容量存储器时，可以考虑选用有内置存储器的a r m 芯片。 ( 4 ) u s b 接口 许多a r m 芯片内置有u s b 控制器，有些芯片甚至同时有u s bh o s t 和 u s bs l a v e 控制器。 ( 5 ) g p i o 数量 在某些芯片供应商提供的说明书中，往往申明的是最大可能的g p i o 数量，但 是有许多引脚是和地址线、数据线、串口线等引脚复用的。这样在系统设计时需 要计算实际可以使用的g p i o 数量。 ( 6 ) 中断控制器 a r m 内核只提供快速中断( f i q ) 和标准中断( i r q ) 两个中断向量。但各个半导 体厂家在设计芯片时加入了自己不同的中断控制器，以便支持诸如串行口、外部 中断、时钟中断等硬件中断。外部中断控制是选择芯片必须考虑的重要因素，合 理的外部中断设计可以很大程度的减少任务调度的工作量。例如p h i l i p s 公司的 s a a 7 7 5 0 ，所有g p i o 都可以设置成f i q 或i r q ，并且可以选择上升沿、下降沿、 高电平、低电平四种中断方式。这使得红外线遥控接收、指轮盘和键盘等任务都 可以作为背景程序运行。而c i r r u sl o g i c 公司的e p 7 3 1 2 芯片，只有4 个外部中断 源，并且每个中断源都只能是低电平或者高电平中断，这样在用于接收红外线信 号的场合时，就必须用查询方式，会浪费大量的c p u 时间。 ( 7 ) i i s ( i n t e g r a t ei n t e r f a c eo fs o u n d ) 接口 即集成音频接口。如果设计音频应用产品，i i s 总线接口是必需的。 ( 8 ) n w a l t 信号 外部总线速度控制信号。不是每个a r m 芯片都提供这个信号引脚，利用这个 信号与廉价的g a l 芯片就可以实现与符合p c m c i a 标准的w l a n 卡和b l u c t o o t h 卡的接口，而不需要外加高成本的p c m c i a 专用控制芯片。另外，当需要扩展外 部d s p 协处理器时，此信号也是必需的。 ( 9 ) r t c ( r e a lt i m ec l o c k ) 很多a r m 芯片都提供实时时钟功能，但提供的方式不同。如c i r r u sl o g i c 公 司的e p 7 3 1 2 的r t c 只是一个3 2 位计数器，需要通过软件计算出年月日时分秒； 而s a a 7 7 5 0 和$ 3 c 2 4 1 0 等芯片的r t c 直接提供年月日时分秒格式。 ( 1 0 ) l c d 控制器 有些a r m 芯片内置l c d 控制器，有的甚至内置6 4 k 彩色t f tl c d 控制器。 在设计p d a 和手持式显示记录设备时，选用内置l c d 控制器的a r m 芯片如 1 3 8 1 c 2 4 1 0 较为适宜。 ( 1 1 ) p w m 输出 有些a r m 芯片有2 8 路p w m 输出，可以用于电机控制或语音输出等场合。 ( 1 2 ) a d c 和d a c 有些a r m 芯片内置2 - - 8 通道8 1 2 位通用a d c ，可以用于电池检测、触摸 屏和温度监测等。p h i l i p s 的s a a 7 7 5 0 更是内置了一个1 6 位立体声音频a d c 和 d a c ，并且带耳机驱动。 ( 1 3 ) 扩展总线 大部分a r m 芯片具有外部s d r a m 和s r a m 扩展接口，不同的a r m 芯片 可以扩展的芯片数量即片选线数量不同，外部数据总线有8 位、1 6 位或3 2 位。某 些特殊应用的a r m 芯片如德国m i c r o n a s 的p u c 3 0 3 0 a 没有外部扩展功能。 ( 1 4 ) u a r t 和i r d a 几乎所有的a r m 芯片都具有l 一2 个u a r t 接口，可以用于和p c 机通讯或 用a n g e l 进行调试。一般的a r m 芯片通讯波特率为1 1 5 2 0 0 b p s ，少数专为蓝牙技 术应用设计的a r m 芯片的u a r t 通讯波特率可以达到9 2 0 k b p s 。 ( 1 5 ) d s p 协处理器 a r m + d s p 结构的a r m 芯片。 ( 1 6 )内置f p g a