（计算机应用技术专业论文）基于嵌入式处理器的电力监控器研究与设计.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 随着计算机和微电子技术的发展，嵌入式处理器以其可靠性高、体积小、功耗 低等优点被广泛地应用于工程领域。本文针对工业变电站电力监控的特点和要求， 对基于3 2 位a 鼬讧处理器s 3 c 4 4 b o x 和嵌入式实时操作系统l lc ，o s 的嵌入式电 力监控器进行了研究与整体方案设计，与传统电力监控器相比，数据采集精度以及 数据处理运算速度都有很大的改善和提高。 嵌入式电力监控器硬件上设计了c p u 模块、存储系统模块、数据采集模块、人 机接口模块以及串行通信模块，并扩展a d 接口、d a 接口、i o 接口、l c d 接口、 r s 2 3 2 串口，用以模拟量开关量的输入输出、电流电压功率的显示以及与上位机的 通信。软件上首先设计了启动代码b o o t l o a d e r ，然后进行1 tc o s ，i i 在s 3 c 4 4 b o x 上的移植，最后给出了应用程序的建立，实现数据采集、监测控制、串行通信功能， 实时地监测工业变电站中设备的运行工况。 关键词：嵌入式系统，a r m 处理器，电力监控器，工业变电站 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n dm i c r o - e l e c t r o nt e c h n o l o g y , t h ee m b e d d e d c p uh a sh i g hr e l i a b i l i t y , s m a l lv o l u m e ，l o wp o w e re t c ，s oi ti sw i d e l yu s e di n e n g i n e e r i n ga r e a c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c a n dd e m a n do ft h ee l e c t r i c p o w e r m o n i t o r i n gi ni n d u s t r ys u b s t a t i o n ，t h es t u d yd e s i g no ne l e c t r i cp o w e rm o n i t o rb a s e do n s 3 c 4 4 b o xa n duc 0 s i ii s p r o p o s e di nt h i sp a p e r c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a l e l e c t r i cp o w e rm o n i t o r ，t h ed a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n go p e r a t i n gs p e e dh a v eg r e a t i m p r o v e m e n ta n de n h a n c e m e n t t oh a r d w a r e o fe m b e d d e de l e c t r i cp o w e rm o n i t o r , c p u ，m e m o r ys y s t e m ，d a t a a c q u i s i t i o n ，m a n m a c h i n ei n t e r f a c ea n ds e r i a lc o m m u n i c a t i o na r ed e s i g n e d a d ，d a ， i o ，l c da n dr s 2 3 2s t r i n ga r ee x p a n d e dt ot h ei n p u ta n do u t p u to fs i m u l a t eq u a n t i t y a n ds w i t c hq u a n t i t y , t h ei n d i c a t i o no fe l e c t r i cc u r r e n ta n dv o l t a g e ，t h ec o r r e s p o n d e n c et o p o s i t i o nm a c h i n e t os o f t w a r e ，f i r s t ，t h es t a r t e dc o d eb o o t l o a d e ri sd e s i g n e d ，t h e n ，t h e uc 0 s i ii st r a n s p l a n tt os 3 c 4 4 b o x ，l a s tt h ea p p l i c a t i o np r o c e d u r ei sd e v e l o p e d t h e d a t aa c q u i s i t i o n ，m o n i t o rc o n t r o la n ds e r i a lc o m m u n i c a t i o nc a nb ea c h i e v e d f u r t h e r m o r e ，t h eo p e r a t i o ns t a t eo fe q u i p m e n t si ni n d u s t r ys u b s t a t i o nc a nb em o n i t o r e d i nr e a l t i m e y u a ny aj u a n ( c o m p u t e r a p p l i e dt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f l i us h up i n g k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，a r mc p u ，e l e c t r i cp o w e rm o n i t o r , i n d u s t r y s u b s t a t i o n 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于嵌入式处理器的电力监控器研究 与设计，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：二逛厶i l i 年一e l期：一兰竺l 三上 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，l l p ：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：蓝l 塑幽 e l期：垫1 2 ：三皇 导师签名： 日 期： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题的背景和意义 第一章引言 嵌入式技术在电力系统中的应用有较长的历史，广泛地用于数据采集、自动装 置、仪表检测、集散控制等各个领域。随着工业变电站综合自动化系统的迅速发展， 作为工业变电站系统的重要监控设备，电力监控器主要应用于工矿企事业单位供配 电系统的监测与控制。其典型的应用是工厂供配电系统的管理和维护，这些应用要 求电力监控器具有很高的可靠性和实时性；同时，电力监控器一旦投入使用，就要 求长时间、不间断、无故障运行，这就要求在设计上有很好的可扩展性和较高的容 错性；很明显，电力监控器还需要对三相电压电流等大量模拟信号进行交流采样和 数据处理，而这往往对处理器的计算速度和a d 转换精度和速度要求很高【1 1 。 目前的电力监控器往往以单片机作为计算控制核心，但单片机自身性能比较 差，可靠性不高，运算能力和通信功能比较弱，如果单片机外置价格昂贵的a d c 、 r a m 等集成电路，往往会造成系统复杂、稳定性不高、精度低等缺点，甚至成本也 居高不下。为了克服以上缺点，将嵌入式微处理器s 3 c 4 4 b o x 应用于电力监控器中， 可大大提高性能。 本文研究和设计的嵌入式电力监控器是以a r m 处理器为核心，硬件上进行了 c p u 模块、存储系统模块、数据采集模块、人机接口模块以及串行通信模块的电路 设计，并扩展a d 接口、d a 接口、i o 接口、l c d 接口、r s 2 3 2 串口等用以模拟量开 关量的输入输出、电流电压功率的显示以及与上位机的通信；软件上首先设计了启 动代码b o o t l o a d c r ，然后进行“c o s - i i 在s 3 c 4 4 b o x 上的移植，最后给出了应用程 序的建立，实现数据采集、监测控制、串行通信功能，实时地监测工业变电站中设 ，备的运行工况。该嵌入式电力监控器与以单片机为核心的传统电力监控器相比，数 据采集精度以及数据处理运算速度要高得多，实时性也更完美，这对于提高电力监 控器的效率、可靠性具有重要的意义。 1 2 嵌入式电力监控器的特点 本文所述嵌入式电力监控器是针对工业变电站电力监控的特点和要求，基于3 2 位a r m 微处理器s 3 c 4 4 b o x 和嵌入式实时操作系统uc o s 进行研究设计的。 它将最新的3 2 位a r m 技术引入到硬件系统设计中，提高了电力监控器的整 体硬件水平，实现高精度、低功耗、大容量等高性能设计要求。 将u c o s - i i 嵌入式操作系统技术引入到电力监控器中，提高了多任务性、实 华北电力大学硕士学位论文 时性、稳定性与可靠性。 为其实现网络通信、远程监控与友好的用户界面提供平台。 基于a r m 硬件系统和i i c o s i t 嵌入式实时操作系统建立了应用程序实例， 给出了该环境下电力监控应用程序的基本结构和开发方法。 1 3 本文主要研究内容 本文以工业变电站自动化系统中电力监控器现阶段的技术为参考，提出并设计 了一种基于a r m 内核嵌入式处理器和嵌入式实时操作系统p c 0 s i i 的电力监控 器。本文介绍了嵌入式电力监控器的软、硬件设计与实现方法，从而讲述了嵌入式 系统的开发方法。 论文主要包括以下几个方面：首先，对电力监控器的功能及其工作原理进行了 研究与分析；然后对嵌入式电力监控器进行了处理器的选择、整体方案的设计：最 后详细的讲述了嵌入式电力监控器的硬件与软件设计，给出了部分元器件的原理 图，并进行了i lc 0 s i i 操作系统的移植和应用程序的开发。 1 4 本章小结 本章概述了嵌入式电力监控器的背景、意义和特点，从而分析了嵌入式电力监 控器研究与设计的重要性。 华北电力大学硕士学位论文 第二章电力监控器的工作原理分析 2 1 电力监控器的功能分析 2 1 1 工业变电站综合自动化的概念 电力系统由发电、输电、变电、配电和用电五个环节组成。配电是电力系统中 直接面向电力用户的最后一个环节。由配电设备，包括馈线、配电变压器、断路器、 补偿电容器、各种开关在内构成的配电网和继电保护、自动装置、测量和计量仪表 以及通信和控制设备构成一个配电系统，按一定的规则运行，以高质量的电能持续 地满足电力用户需求。在电网中，通常分1 1 0 k v 、3 5 k v 、o 4 k v 电压等级。配电网 是指1 0 k v 及以下的电网，包括变电站1 0 k v 出线开关、柱上分段开关、环网柜、配 电变压器、配电站、开闭所、小区配电、补偿电容器等 2 1 。电力系统综合自动化是 以配电间隔为单元，将测量、信号、控制、继电保护集中于一体的先进技术。 工业变电站综合自动化系统主要用于工矿企事业单位3 5 k v 、1 0 k v 及3 8 0 2 2 0 v 供配电系统，也可用于电力系统县级电网中小型变配电站，它是由配电变压器、配 电开关、电缆、电容器等一次设备，及f t u 、t t u 、继电保护设备、通信系统和配 电控制中心等组成。它是自动化技术、计算机技术和通信技术等高科技在变电站的综 合应用。它的主要作用是提高配电网的可靠性、安全性和经济性，使配电网的潜力 得以最大限度地利用，并保证提供给用户的电能质量满足要求。具体讲，它的主要 现实意义在于： 配网优化一在配网正常运行时，通过监视配网运行情况，优化配网运行方式； 故障诊断排除一当配网异常运行时，迅速查出异常情况及故障段，快速隔离 故障区段，及时恢复非故障区段用户的供电，缩短对用户的停电时问，减小停电面 积： 自动抄表功能一也就是自动读取在线电量数据，为用户提供自动化的用电信 息，提高企业的工作效率，降低劳动强度，在减少人力介入的情况下完成大量重复 性的工作。 通过工业变电站综合自动化，可对工厂供配电系统实行远距离测量、监视与操 作，随时发现与处理事故，减少停电时间【3 】；而且可将各种遥控数据、合分闸操作、 开关检修及系统事故存盘保存，并可打印记录，从而减轻值班人员的劳动强度；还 可通过遥测和遥控可以合理调配负荷，实现优化运行，有效节约电能，并有高峰与 低谷用电记录，为能源管理提供了必要条件。 华北电力大学硕士学位论文 2 1 2 电力监控器在工业变电站监控系统中的地位 如图2 - 1 所示，工业变电站监控系统为四级分层分布式集散系统：第一级便为 数据采集、显示及控制输出单元，即电力监控器；第二级为现场控制站；第三级为 中央控制站；第四级为数据处理上位机。系统的整体功能为遥测、遥信、遥控1 4 】。 遥测指的是对全厂供配电系统的电流、电压、有功电度、有功功率、无功电度、无 功功率、功率因数及带有变送器输出的各种直流模拟信号等进行遥测，所有测量数 据半小时存盘一次，数据保存一年，所有数据均可通过画面进行观察，可在总画面 及各分站开关运行状态画面上进行实时显示，也可进行有关回路的趋势记录；遥信 是对全厂供电系统的开关状态实施实时监视，并有事故跳闸、事故预告及电流、电 压、温度等越限报警，还有事故电流以及跳闸时间和开关跳闸前电流的记录；遥控 指的是对全厂供电系统的电动开关实现远距离合、分闸操作，并有操作人、监护人、 操作票号记录与打印。 上位监控计算机 图2 - 1 工业变电站监控系统结构 其中电力监控器，通过与上位机或现场设备进行信息交换，主要实现对工业变 电站生产过程的参量、设备的运行状态进行测量，以及对配电回路的通断状态进行 控制。此外，电力监控器还具有供电质量监视、遥信，遥控、事件记录、电量负荷 整定与控制执行等功能【”。工厂变电站内值班人员或调度中心的人员通过电力监控 器能及时掌握变电站的运行情况，直接对设备进行操作，及时了解故障情况，并迅 速进行处理，达到配电系统的管理科学化、规范化，并且还可做到与其他自动化系 统互换数据，充分发挥整体优势，进行全系统的信息综合管理。这对进一步提高工 业变电站的自动化水平、实现远程监控具有定的意义。 4 华北电力大学硕士学位论文 2 1 3 电力监控器的主要功能 1 数据采集 采集工厂变电站运行实时数据和设备运行状态，包括各种模拟量、开关量、脉 冲量、数字量和保护信号，并将这些采集到的数据去伪存真后供电力监控器处理之 用。 ( 1 ) 模拟量的采集。变电站采集的典型模拟量有：各段母线电压；线路电流、电 压和功率值；馈线电流、电压和功率值；主变压器电流、功率值；电容器的电流、 无功功率及颏率、相位、功率因数。此外，还有主变压器的油温、变电站室温、直 流电流电压、站用电压和功率等。 ( 2 ) 开关量的采集。变电站的开关量有：断路器、隔离开关和接地开关的状态、 有载调压变压器分接头的位置、同期检测状态、继电保护动作信号、运行告警信号 等。这些信号都以开关量的形式，通过光电隔离电路输入至电力监控器。 ( 3 ) 脉冲量的采集。变电站采集的典型脉冲量是脉冲电能表输出的电能量。这种 脉冲量的采集在硬件接口上与开关状态量的采集一样经光电隔离后输入进电力监 控器，是对电能量( 包括有功电能和无功电能) 的采集。 2 运行监视 所谓运行监视，主要是指对工厂变电站的运行工矿和设备状态进行自动监视， 即对变电站各种状态量变位情况的监视和各种模拟量的数值监视。通过状态量变位 监视，可监视变电站各种断路器、隔离开关、接地开关、变压器分接头的位置和动 作情况、继电保护和自动装置的动作情况以及它们的动作顺序等。模拟量的监视分 为正常的测量和超过限定值的报警、事故模拟量变化的追忆等。当变电站有非正常 状态发生和设备异常时，还能及时在当地或远方发出事故音响或语音报警，并在显 示屏上自动推出报警画面，为运行人员提供分析处理事故的信息，同时可将事故信 息进行打印记录和存储。 3 安全控制 操作人员可通过监控软件对断路器、隔离开关进行分闸、合闸操作；对变压器 分接头进行调节控制；对电容器进行投、切控制；同时能进行遥控操作命令，进行 远方操作；并且所有的操作控制均能就地和远方控制，就地和远方切换相互闭锁， 自动和手动相互闭锁。 2 2 电力监控器的工作原理 工业变电站是一个复杂的、多变的多输入输出系统，各重要节点的电流、电压 华北电力大学硕士学位论文 等参数都对整个系统安全有效的工作起着关键作用，为了保证其安全运行，需要实 时地监测各节点的运行状况，及时发现变电站回路中的不正常状态及故障状态，快 速地进行控制和处理【6 】。 电力监控器的基本原理如图2 2 所示，首先把工业变电站生产过程的参量和设备 的运行状态通过传输通道传输到电力监控器数据采集接口进行数据采集，然后将测 得的变电站运行参数转化为数字量，并把测量结果进行计算、监测或判断等数据处 理，最后进行显示或与上位机进行通信，同时还可对配电回路进行运行状态分析和 通断状态控制。其中数据采集部分包括模拟量、开关量、脉冲量的输入，它是电力 监控器的运行条件，同时也为故障处理及控制功能提供了所需要的数据输入。 2 3 本章小结 信息处理 运行状态分析和控制措施 图2 2 电力监控器的工作原理 本章介绍了工业变电站综合自动化的概念，通过对电力监控器在配电站综合自 动化中的系统分析，给出了电力监控器的主要功能与工作原理。 6 璺 广 传输通道 工业变电站 华北电力大学硕士学位论文 第三章基于嵌入式处理器的电力监控器总体方案设计 3 1 嵌入式处理器 3 1 1 嵌入式处理器的基本概念 嵌入式系统是以应用为核心，以计算机技术为基础、软硬件可剪裁，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。它可以实现 对其他设备的控制、监视或管理等功能。它是面向用户、面向产品、面向应用的，是 先进的计算机技术、半导体技术和电子技术及各个行业的具体应用相结合的产物【”。 嵌入式系统具有内核小，系统精简，专用性强，开发需要专门的开发工具和环境等 特点。它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通用的计算机系统最主 要的区别。 嵌入式系统通常由嵌入式处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统和用户应用软件 4 部分组成，其中最核心的部分就是嵌入式处理器。嵌入式处理器的体系结构经历了 从c i s c ( 复杂指令集) 到r i s c ( 精简指令集) 和c o m p a c t r 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。现在常用的嵌入式处理器可分为低端 的嵌入式微控制器( m c u ) 、中高端的嵌入式微处理器( m p u ) 、嵌入式d s p 处 理器和高度集成的嵌入式片上系统( s o c ) 。目前，世界上具有嵌入式功能特点的 处理器已经超过了1 0 0 0 多种、3 0 多个系列。不同的处理器有其不同的功能和优势， 但是低成本、低功耗、高性能是嵌入式系统应用的特殊要求f s 】。目前主要的嵌入式 处理器类型有p o w e r p c 、m c 6 8 0 0 、m i p s 和a r m s t r o n ga r m 系列等。 3 1 2 嵌入式系统设计的一般方法 在嵌入式系统的应用开发中，整个系统的开发过程如图3 1 所示【9 】。可见，嵌 入式系统开发的过程中，对每一个处理器的硬件平台都是通用的、固定的、成熟的， 这在开发过程中减少了硬件系统错误的引入机会。但是不同的硬件系统对于操作系 统也有不同的要求，假若对内存要求不是那么高，可以选择操作系统兼容性大的， 若是对操作系统要求高，即要求比较精简的内核。同时，因为嵌入式系统屏蔽掉了 底层硬件的很多复杂信息，使得开发者通过操作系统提供的a p i 函数就可以完成大 部分工作，大大地简化了开发过程，提高了系统的稳定性。 所以，嵌入式系统的开发可以说是把开发者从反复进行硬件平台的设计过程中 解放出来，从而可以把主要的精力放在编写特定的应用程序上。这个过程更类似于 7 华北电力大学硕士学位论文 在系统机的某个操作系统上开发应用程序。因此，如何调试出精巧、简便的内核， 以及在其上开发出特定的应用程序是主要的任务。 3 ，2a r m 嵌入式处理器 3 2 1a r m 简介 图3 - 1 嵌入式系统的开发过程 a r m ( a d v a n c e dr i 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r i s c 微处理器的通称，还可以认为是一种技术。1 9 9 1 年a r m 公司成 立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权，作为知识产权供应商，本身不直接 从事芯片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片，世界各大半导体 生产商从a r m 公司购买其设计的a r m 微处理器核，根据各自不同的应用领域，加 入适当的外围电路，从而形成自己的a r m 微处理器芯片进入市场。 目前，采用a r m 技术的微处理器，即我们通常所说的a r m 微处理器，已遍及工 业控制、消费类电子产品、无线通信系统、网络系统等各类产品市场，基于a r m 技 术的微处理器约占据了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【1 0 】。目前，全世界有几十家大的半导体公司都使用a r m 公司的授权，因此既使得a r m 技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持，又 使整个系统成本降低，使产品更容易进入市场被消费者所接受，更具有竞争力。 华北电力大学硕士学位论文 3 2 2a r m 微处理器的特点 a r m 微处理器具有r i s c 体系的一般特点【1 1 】：指令长度固定，指令格式种类少， 寻址方式种类少，多数是简单指令，执行效率高，大量操作在寄存器之间进行，通 过l o a d s t o r e 的体系结构在内存和寄存器之间传递数据。 除此之外，a r m 体系自身也形成了特有的技术特点。在保证提高性能的同时尽 量减少芯片面积，降低芯片的功耗，提高性价比。这些技术包括： 使用l o a d s t o r e 体系结构，批量传输数据，提高数据的传输效率； 在循环处理中使用地址自动增减，以优化程序； 在同一条数据处理指令中同时完成算术逻辑处理和移位处理； 所有指令都可以根据前面指令的执行结果，决定是否执行，以提高指令的执 行效率。 3 2 3a r m 微处理器系列 a r m 处理器目前有五个系列产品：a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m l 0 和 s e c u r c o r e 。其中a r m 7 是低功耗的3 2 位核，最适合应用于对价位和功耗敏感的产 品，它又分为应用于实时环境的a r m 7 t d m i 、a r m 7 t d m i s ，以及适用于开发平 台的a r m 7 2 0 t 和适用于d s p 运算及支持j a v a 的a r m 7 e j 等i l “。a r m 7 t d m i 是 a r m 7 系列的一员，是目前世界上使用最广泛的3 2 位r i s c 处理器核，它属于低端 的a r m 核。a r m 7 t d m i 使用冯诺依曼结构f 1 3 】( 如图3 2 ) ，3 级流水线，指令 和数据共用一条3 2 位总线，而且只有加载、存储和交换指令可以对存储器中的数 据进行访问，其它操作都是在其内部寄存器中进行。 图3 - 2a r m 7 冯诺依曼体系结构模型 a r m 7 t d m l 支持8 位、1 6 位及3 2 位数据类型，支持两种指令集：3 2 位a r m 9 华北电力大学硕士学位论文 指令集和1 6 位t h u m b 指令集，并可随时在两种指令集之间切换。相应地，也就有 两种状态：当a r m 微处理器执行3 2 位的a r m 指令集时，工作在a r m 状态；当 a r m 微处理器执行1 6 位的t h u m b 指令集时，工作在t h u m b 状态。a r m 7 t d m i 将 存储器看作是从零地址开始的字节的线性组合，以8 位字节为单位进行编址，它所 支持的最大寻址空间为4 g b ，对3 2 位数据的存储有大端格式和小端格式两种组织 方式。 3 2 4a r m 处理器模式 如表3 1 所示，a r m 体系结构支持7 种处理器模式：用户( u s e r ) 模式、快中断 ( f i q ) 模式、外部中断( i r q ) 模式、管理( s u p e r v i s o r ) 模式、终止( a b o r t ) 模 式、系统( s y s t e m ) 模式和未定义( u n d e f i n e d ) 模式【1 4 】。a r m 7 t d m i 完全支持这7 种模式。其中，除了用户模式u g r 之外的其他6 种处理器模式称为特权模式，在这些 模式下，程序可以访问所有的系统资源，也可以任意地进行处理器模式的切换。其 中，除系统模式s y s 外，其他5 种特权模式又称为异常模式。 表3 - 1a r m 的7 种运行模式 处理器模式描述 用户模式( u s e r ，u s r ) 正常程序执行的模式 快中断模式( f i q ，f i q )用于高速数据传输和通道处理 外部中断模式( i r q ，i r q )用于通用的中断处理 管理模式( s u p e r v i s o r ，s v c )供操作系统使用的一种保护模式 数据访问终止模式( a b o r t ，a b t )用于虚拟存储及存储保护 未定义指令中止模式( u n d e f i n e d ，u n d )用于支持硬件协处理器的软件仿真 系统模式( s y s t e m 。s y s ) 用于运行特权级的操作系统任务 处理器模式可以通过软件控制进行切换，也可以通过外部中断或异常处理过程 进行切换。大多数的用户程序运行在用户模式u s r 下。这时，应用程序不能够访问一 些受操作系统保护的系统资源，应用程序也不能直接进行处理器模式的切换。当需 要进行处理器模式切换时，应用程序可以产生异常处理，在异常处理过程中进行处 理器模式的切换。这种系统结构可以使操作系统控制整个系统的资源。 3 2 5a r m 状态下的寄存器 a r m 处理器一共有3 7 个寄存器，其中3 1 个是通用寄存器( 包括1 个程序计数 器p c ) ，另外6 个是状态寄存器。这些寄存器都是3 2 位寄存器。但是这些寄存器 不能被同时访问，具体哪些寄存器是可编程访问的，取决微处理器的工作状态及具 体的运行模式。在a r m 状态下，任一时刻均可以访问1 6 个通用寄存器及1 个或2 1 0 华l 魅力大学硪士学经论文 个状恣寄存器。在非用户模式( 特权模式) 下，则可访问刘特定模式分组寄存器， 瑟3 - 3 说筏了在每一耱运行摸式下，哪一些寄存嚣燕可敬访闫魏l 聪l 。 u s e t f i q s u p e r v i s o r a b o r t l r q u n d e f i n e d s y s t e m r or o韵妖o r or 0 r 1 r 1 r 1r 1r 1r 1 r 2r 2r 2 r 2r 2r 2 r 3 r 3最3袋3r 3r 3 r 4r 4r 4r 4r 4r 4 r 5r 5 r 5r 5r 5 r 5 r 6r 6髓r 8r 8髓 r 7 r 7r 7r 7 r 7r 7 r 8 躲蜊警溺 r 8r 8r 8r 8 r 9 舞穴爹舞罐c 囊 r 9r 9r gr 9 r o 一辩o _ 耍一 r or 1 0r 0r o r 1 1 良尽纠蓼i ： 。凌 r 1 1 r 1 1r 1 1 r 1 1 r 1 2 扩删= j r 1 2r 1 2r 1 2 r 1 2 r 1 3 ( s p )r 摹j 。? r ，g 翼i 怒咿尊x 。r ，3 鞫戳譬繁：“莰倦； 穗翟! 涎褐鲞黼斓 r 1 4 ( l r ) ? r 1 4f i qr 1 4 s v c ”r 1 4a b t ”r 1 臼r q r 1 4 一u n d 嚣 r 1 5 ( p c )酝鄹与( p 铱。 ； 参缓q 一。 。r 1 5 ( p g 氛。鸿3 劁舄；k 。焉1 织瓿洌 l i 3 - 3a r m 状态下的寄存器组织 通用寄存器包括r 0 r 1 5 。其串r 0 - r 7 为未分缀寄存器，在新有的运行模式下 均指向同一个物理寄存器，京们未被系统用作特殊用途。r 8 - r 1 4 为分组寄存器。对 r 8 r 1 2 来说，每个寄存器辩痘两个不同煎物理寄存器，在f i q 模式露，游蠲寄存 器r 8 ；在除模式以外的其他模式时，访问寄存器。fiq r 1 2 f i qf i q r 8u s r - r 1 2u s l 对r 1 3 、r 1 4 来说，每个寄存器对瘦6 个不阉朗秘疆寄存嚣，箕串1 个是厢户模式 与系统模式共用，另外5 个对应于其他5 种舜常模式。寄存器r 1 3 常用作堆栈指针， 薤理嚣静每耱运 亍模裁均有鑫己独叟静耪瑾寄存器r 1 3 。r 1 4 氇称俸连接寄存器l r ， 可用来保存予程序的返回地址，也可作为通用寄存器。r 1 5 用作程序计数器( p c ) ， 虽然墩霉瘸锋逶臻寄存器，餐一簸不这么使爝，霾为对r 1 5 兹使臻窍一些特殊静袋 制，当违反了这些限制时，獠序的执行结果是未知的。 寄存器戳6 蔫俸c p s r ( 当前稔序获态寄存器) ，c p s r0 - - 1 - 在任褥运行模式下 被访问。每一种运行模式下叉都有个专用的s p s r ( 物理状态寄存器) ，当异常 发生辩s p s r 褥子保襻c p s r 的当前值，簌菇鬻逶甾嚣孪燹| j 由s p s r 采恢复c p s r 。宙 于用户模式和系统模式不属于异常模式，所以它们没有s p s r ，当在这两种模式下 访翔s p s r 辩，结采怒未知静。 华北电力大学硕士学位论文 3 3 基于嵌入式处理器的电力监控器方案总体设计 3 3 1 电力监控器功能需求分析 电力监控器作为工业变电站自动化系统的重要监控设备，主要实现对工业变电 站生产过程的参量及设备运行状态的测量和控制。电力监控器功能分为输入部分和 输出部分【1 6 i7 1 。如图3 - 4 所示，电力监控器输入部分的功能主要完成4 路模拟量输 入和1 3 路开关量输入，其中4 路模拟量输入包括3 路电流模拟量输入和1 路电压 模拟量输入，1 3 路开关量输入包括2 路脉冲量输入、l 路手动分闸输入、l 路主开 关状态输入、1 路隔离开关状态输入和8 路事故预告信号输入。 图3 - 4 电力监控器输入部分功能图 如图3 5 所示，电力监控器输出部分的功能主要完成4 路开关量输出，4 路模 1 2 华趣奄力丈学联士学钽论文 拟量输出，电流电压鼹示，功率、功率因数的显示，以及开关状态、跳闸信号和预 告信譬等数攒与主位税豹数撵逶痿。萁孛功率、功率因数鹣诗算公式菇下，透遘躲 冲量的输入脉冲电度液每转l 圈发1 个或4 个脉冲，实际电度数一脉冲个数每度湖 数罄率，有凌功率一实际龟蒗数每凝转动辩海，麓率嚣数一有臻功率甓臻功率。 图3 4电力监控器输出部分功能图 因此，电力监控器的主要功能怒对工业变电站运行实时数据和运行状态的j i 氛 溅，以及对配电回路的通断状态进行控制。所以数搬采集、监测帮控制这三项功能 是电力监控器的基础核心部分【1 8 】，是本课题研究的主要部分。在工业变电站这个对 性能要求较高的情况下，一个系统的选择首先是可靠性，其次是功能完善，所以邂 过对憩力监控器进行需求分析和调研，结合蜜际情况进行了处理器的选择和外围接 口电路的确定。 华理毫力大学硪士学位论文 3 3 2 嵌入式电力监控器硬件总体设计 如图3 - 6 所示，嵌入式电力监控器硬件上设计了c p u 模块、襻储系统模块、数 据采集模块、人枧接口模块以及串静遥信模块，主臻包括数据采繁控制部分、嵌入 式c p us 3 c 4 4 b o x 、f l a s h 、s d r a m 、液晶显示屏、触摸屏等。由s 3 c 4 4 b o x 按 制数据采集模块对电力监控器的输入模拟量、开关爨进行采集，将采集后的数据存 储在s d r a m 中，可对数据进行监测处理并控制开荚量输出执行含分闸等操作，处 理后得到的数据存储在n a n df l a s h 中，以各查询；s 3 c 4 4 b o x 圊时可晌应触摸 屏命令输入和控制l c d 液菇显示，将测量麟的电流、电压、功率等加以显示；还w 以通过r s 2 3 2 串行接口将故障信息镣传递绘上位机；电力败控器还可透过网络设餐 与豁器联系，接收采集数据并在处壤后通过网络传国。 n o r 、n a n d f l a s h a m 2 9 l v l 6 0 b k g f 2 8 0 8 u s d r a m h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 数据袋嶷窝输入礁出模块 f c 总线 萌艟不月 7 4 h c t 2 4 5 锨太嬲接霜 图3 6 嵌入式电力监控器硬件结构图 零系统c p u 煞选择采雳了s a m s u n g 公镯戆a r m 7 系列3 2 毪r i s cs 3 c 4 4 b o x 芯片。数据存储模块包括了2 m 的a m 2 9 l v l 6 0 bn o r f l a s h 用于存放所有的指令 代璐箨参交量，1 6 m 豹k 9 f 2 8 0 8 un a n df l a s h 麓子鸯力薤溅数镖存镄耨记录囊 询，8 m 的s d r a m h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 用于存储采集的数据和计算过程中的临时数据。 数摆采集模块逶过1 2 c 总线鸟嵌入式c p u 缀连接，逸震孛叛方式王终，逶避i o 鞠 或a d 、d a 接口进行输入输出。入机接口模块采用l c d 液晶显示和触摸屏，l c d 滚暴篓忝经7 4 h c 2 4 5 驱动瑟，将羧翻售专褒接譬控制嚣耀连，瓣摸器擦糕镬溪 f m 7 8 4 3 芯片。串行通信模块通过m a x 2 3 2 进行电平转换，采用r s 2 3 2 串杼接口进 行逶痿。鼹终凝分零遁过太耀接墨r t l 9 0 1 9 a s 与露台逶痿，实瑗毫力系绫鲍运稷 监控，此部分不作为本课题的主要研究内容，为进步研究方向。 翔蚕3 。7 掰示，数据采集接镄部分榘疲了模攘量输入、穰羧量输穗、嚣关鬟输入、 开关量输出、定时计数器等功能。输入的信号直接或经变送器间接接入此数据采集 控裁模块，莠癌_ i 迦控镪模块将数据逡纷转捺楚理屠撬交绘系统进学分据、建理然豢 1 4 筹 华恕毫力大学瑗学位论文 控制输出。每块数据采集控制模块舆有4 路模拟量输入( 包括3 路电流模拟鬃输入和 l 路电蘧模羧餐输入) ，l l 黯汗关量输入( 毽括1 路圭开关状态输入、l 路隔离开关状 态输入、1 路簪动分闸按扭状态输入和8 路预告信号输入) 、2 路脉冲量输入、4 路模 接量簸遗、4 貉开关蘩输整秘定嚣诗数等多矮功能。 戮司簇 搂摈差 l ： 输入贮 蚓警 开关量一 ? 礁入；l7 ： 2 路f i j 狮 脉冲耋 - 1 垂辕 输入一k d a 转换器0 2 竺茎鉴塑! 卜一 巫熏亘卜 巫巫乎 罾恃弃裳 衅蓊犬慕 。网辣藉 ll 进錾墨l 计数 1 2 c 总线控制及译码电路 4 爨 模 拟 璧 输 出 图3 7 数据采集控制部分 荬串a d 转换葱黪采震a r mc p u 鑫豢熬一令8 黪1 0 位a d 转换器，选爝其孛4 赣 进行模拟量输入，转换的模拟量信号主要怒变电站各线路电流和备母线的电压，测 量颧迩建是毫压0 1 2 0 v 5 0 h z 、毫流e 5 彭5 0 珏z ，a d 转换鹣耱壤也是l e 毽；d 纨 采用4 片独立m a x 5 0 4 转换器芯片进行4 路模拟量输出，实现滤波功能；开关量和脉 冲量凌s 3 c 4 4 b o x 嚣i o 接口输入信号，经过7 4 l v x c 3 2 4 5 秽n 2 4 秀级骧动器蕊 片，撩制输出模板中的继电器输出。开关量信号主鼹是大量的以羔进制数字变化为 特点黥信号，如各羧鼹器、刃 霹黪嚣关状态、手动分阕按撼状态纛预告信号等。舞 关量输入采用光电隔离，干终点输入。开关氩输出采用继电器输出，合分闹继电器 触点容量是2 5 0 v 、3 a ；脉冲爨输入采用脉；孛电度竣入，脉转宽度 8 0 m 、频率 i h z 、 d c l 5 v ，采用p w m 定时器，用于脉冲信号的计数。 3 。3 3 嵌入式电力监控器软件慧体设计 软件部分是整个嵌入式系统的关键部分、也是魄力监控器的灵魂，良好的软件 不毽黥充分发挥c p u 在数据懿理上静速度优势，更好施完成控稍功镌，还麓大大强 高系统的可靠性。嵌入式电力监控器软件所要达到的目标是监测正业变电站的电 流、魄压、功密等电嚣参数及设备秘运行状态，著畿进行蔽障楚毽实现对粥电西路 的通断状态进行控制。 电力盗控软件的工作原壤：由誓厂变电站送来的电流电压信号，经电流电压甄 感器变换后产生低电压信号( + 1 0 v 内) 送入电力j | 燕控器。监控嚣内的s 3 c 4 4 b o x 华兹电力大学琰士学篷论文 处理器执行片内的监控软件，首先谶行数据采集信号采样，完成各种数值运算、分 耩及疑理。获两确定茧鑫溺静窀滚毫聪参数毽及镑控髑豹系绕运行状态。翔有藏薄， 则由s 3 c 4 4 b o x 发出跳闸动作信号，达到保护系统的目的；同时，可由串行通信方 式将绦护动侈信惠送入上位辘、记豢保存数器著报警，完袋窀力鏊控器熬z 终遘稳。 本系统的主程序流程图如图3 。8 所示。程序首先对各种软硬件模块进彳亍初始化， 主要镪摇a d c 模掇转换、入梳交誊i o 按翻、u a r t 串毒亍遥信接鞠帮f l a s h 等豹 初始化。然后进入图3 - 9 任务调度管理子程序，不断循环监控各个模块的工作状态， 势及辩翡瘦备模块掩懑豹秘韵请求，各个模块逻辑圭鑫动究或耋蠢戆工律，并鑫麓 将自融的任务结果提交给任务调度稷序， 匡圃 由任务调度程序协调它们之间的关系。 匝匣圄 任务调发譬淫程痔入霜 l i 霉重锋黥狰模块 0 a d c 任务驰调度管邂模块 i i o 任务的调度管理模块 i 监测控制模块 l 数据采集模块入霹 i 关键奄薰铰箍 非关键电量标准 计算模块入口 i 载障楚理模块入誓 3 - 8 主稔序流程圈3 - 9 任务调度管理程序流程图 经务谲凌予程穿翦孩，盘燕鎏溪撩翻模块，它曾先进行数据采集交流采样，每瓣 1 6 4 个基波周期开一次a d c 对模拟量进行a d 转换，转换结束后产生a d c 中断信号， 然惹撬行采搭孛赣辍务程痔童要经务，莠调瘸“关键毫量标准、嚣关键耄囊标准” 1 6 华北电力大学硕士学位论文 进行关键电量的计算判断，然后进行故障处理执行合分闸操作并发告警信息。 监测控制模块的整体结构如3 1 0 所示，主要包括：数据采集主程序、采样中断 服务程序和故障处理程序【1 9 】。先运行数据采集主程序，每周期采样2 4 点；然后执 行采样中断服务程序，并计算相流差突变量i 。m b e ，判断启动元件d 1 1 是否动 作，如果d 1 1 不动作，采样中断程序执行完后，正常返回主程序；如果d 1 1 动作， 转入执行故障处理程序，采样中断程序执行完后，完成相应保护控制功能，返回正 常运行的主程序。其中t v t a 表示电流互感器电压互感器，i o 可进行合分闸操作。 图3 1 0 监测控制结构图 1 7 华北电力大学硕士学位论文 3 3 4 嵌入式电力监控器的设计流程 如图3 1 1 ，首先进行功能需求分析，选择a r ms 3 c 4 4 b o x 作为平台的处理器； 然后进行整个系统的硬件平台设计，做出硬件连接图，在实验箱上进行调试；然后 在s 3 c 4 4 b o x 上移植了嵌入式操作系统pc o s i i ；建立了基于s 3 c 4 4 b o x 硬件构架 和“c o s i i 的应用程序开发和用户界面研究；最后在a r ma d s 环境下进行仿真调 试。 3 4 本章小结 图3 1 1嵌入式电力监控器的设计流程 本章简要介绍了嵌入式处理器的基本概念和嵌入式系统设计的一般方法，并结 合电力监控器的功能特点进行了需求分析，然后对嵌入式电力监控器进行了整体方 案设计，其中选择的是3 2 位r i s c 架构的a r m 处理器。并对a r m 处理器的特点、 模式、寄存器等体系结构给出了详细的说明，这为下一步的基于a r m 7 t d m i 的p c o s i i 移植与应用程序设计开发提供了理论基础与编程基础。 华北电力大学硕士学位论文 第四章嵌入式电力监控器硬件设计 4 1 硬件电路总体考虑 4 1 1 系统硬件