（电力系统及其自动化专业论文）基于dsp和arm的牵引变电所综合自动化装置研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t 1 1 l et r a c t i o ns u b s t a t i o n sa r et h ep o w e r s u p p l ys o u r c e sf o rt h eh i g h - s p e e dr a i l w a y s i n c ei tm a ya f f e c t st h ew h o l e r a i l w a ys y s t e mw h e n t h et r a c t i o ns u b s t a t i o ns h u td o w n ，i t s i m p o r t a n tt od e v e l o pt h ef u n c t i o no ft h ec o m p r e h e n s i v ea u t o m a t i o ns y s t e mo ft r a c t i o n s u b s t a t i o n t 虹st h e s i si sm a i n l yc o n c e r na b o u tt h eh a r d w a r ed e s i g n a t i o na n dr e a l i z a t i o no ft h e c o m p r e h e n s i v e a u t o m a t i o ns y s t e mo f t r a c t i o ns u b s t a t i o n t h r e ea d v a n c e dh a r d w a r e t e c h n i q u e a 托u s e di nt l i i sc o m p r e h e n s i v ea u t o m a t i o n s y s t e m ：t h e e m b e d d e d s y s t e mb a s e d o na r mc o r e t h ee n h a n c e d3 2 b i tf l o a t i n g p o i n td i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r , a n dt h ei n s y s t e mp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e f i r s t l y , t h er a i l w a yp o w e rs u p p l ys y s t e ma n di t s c h a r a c t e r sh a v eb e e ni n t r o d u c e d ， e s p e c i a l l y t h e d e v e l o p m e n t sa n da c t u a l i t yo ft h ec o m p r e h e n s i v ea u t o m a t i o ns y s t e mo f t r a c t i o ns u b s t a t i o n s e c o n d l y ，w eg e n e r a l l yd i s c u s s e dt h eu s e so f t h ed i 百t a ls i g n a lp r o c e s s o r s ，t h e nt h e s t r u c t u r eo ft m s 3 2 0 c 3 2 n 地d e t a i l so fe m b e d d e ds y s t e mb a s e do na r mc o r ea l s oh a v e b e e nd i s c u s s e d a n dt h e nw et a l k e da b o u tt h es t r u c t u r eo fs a m s u n g $ 3 c 4 4 8 0 x t h e e m b e d d e do p e r a t es y s t e m sa r eo n eo ft h es u b j e c t st h a th a v eb e e nd i s c u s s e di n t h is p a p e r t h ei ns y s t e mp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c ei st h eo t h e ro n eo ft h em a j o r s u b j e c t st o o w et o t a l l yd i s c u s s e dt h es t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r so ft h ec p l dc h i pi nt h e m a x 7 0 0 0 sf a m i l y , a n dt h e nt h ea s eo fe i ) at o o l sm a x + p l u si i w ea l s od e e p l ys t u d i e d t h ev h d l t h er e a l i z a t i o n so f t h eh a r d w a r ea r et h ei m p o r t a n tp a r t so f t h et h e s i s t h er e a l i z a t i o no f d s pb o a r di n c l u d e sb a s ec i r c u i to f d s p , m e m o r ys t r u c t u r e a dc o n v e r ta n dd u a l - p o r tr a m t h ed e s i g n a t i o no fa r mb o a r di s m a i n ya b o u tt h e u s eo fl i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ， t o u c h s c r e e n ，e t h e r n e tn e t w o r ki n t e r f a c ea n dt h ec o n t r o l l e ra r e an e t w o r k w i t h as a m p l e ，w ea l s od i s c u s s e dh o w t ou s ev h d lt od e s i g nt h eh a r d w a r ec i r c u i t ，a n dh o wt o u s et h ew a v es i m u l a t i o nt o o l so f m a x + p u u s - l it oc h e c kt h ed e s i g n a t i o n so f v h d l a tt h el a s to ft h i sp a p e r , w es h o r t l yd i s c u s s e dt h es t r u c t u r eo ft h es o l , r a r e ，a n dw h a t i n f l u e n c ew a sd o n et ot h eu s e r ss o f t w a r eb yt h ep c o s 一1 ia n di x c l i n u x k e y w o r d s ：t r a c t i o ns u b s t a t i o n c o m p r e h e n s i v e a u t o m a t i o nd s p a r mc p l dv h d l l i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对 本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 日期：年月 日 指导教师签名： e l 期：年月e t 华中科技大学硕士学位论文 1 1 引言 1 绪论 提高铁路列车运输速度、改善列车牵引方式是解决当前铁路运输能力的基本策略。 高速电气化铁路的建设和发展迫切需要高新技术及先进设备的支持，基于计算机技术 的全所自动化系统逐渐在推广和使用，而高速电气化铁路这一新的应用领域正在期望 着品质更高、功能更强、性能更好的自动化系统的出现，以改善牵引供电系统的质量， 满足高速铁路运输的需要。目前我国牵引变电所综合自动化设备多数是从国外引进的。 因而发展我国的牵引变电所综合自动化技术已追在眉睫。 本章主要介绍电气化铁道供电系统的概况、特点和牵引变电所综合自动化装置的 发展现状，以及本文的主要工作。 1 2 电气化铁道牵引供电系统简介 电气化铁道牵引供电系统是指铁路从地方引入11 0 千伏电源，通过牵引变电所降 压到2 7 5 千伏，再送至电力机车的整个供电系统。牵引供电系统一般包括地方变电站、 1 l o 千伏输电线、牵引变电所、2 7 5 千伏馈电线、接触网、电力机车、轨回流线和地 回流线。 摹堪它发 u j f 火j 艇屯j 水力发电厂 中间( 通 ) 型章 变电所 _ 丁t - 至区域变电昕 i 区域变t ：；_ 至其它用户】j 。( 2 2 。) 千伏输电拽 中闻( 支 柱) 型牵目 变电所 豇 终端型牵0 蹙t 乜所 同 i 流 1 线 网也力机乍绝鑫m 黼 馈电线 钢轨与大地 图1 一l 电气化铁道牵引供电系统示意图 b 、珍鬻县砂班璐丑 华中科技大学硕士学位论文 牵引供电系统的供电方式有以下三种： ( i ) 直供电式以钢轨与大地为回流线路。 bc 地 回 流 线 接触网 接地装置 图卜2 牵引供电系统直供电式原理示意图 ( 2 ) b t 方式电流通过吸流变压器与回流线再返回变电所，限制对通讯线路的干 扰。 abc 地 【n l 流 线 接地装置 图1 3 牵引供电系统b t 供电式原理示意图 ( 3 ) a t 方式利用自耦变压器对接触网供电，减少对通讯线路的干扰。 2 华中科技大学硕士学位论文 abc l f | c p 。- 一 l i i i l l l i i i 1 i i ) 2 ， 舞引楚电i行v v 图葫囵 7 一 电力机车【l 2 j n 3 2 “ 华中科技大学硕士学位论文 1 3 电气化铁道牵引供电系统的特点 牵引供电系统相对于大型电网来说是一个规模比较小的供电系统，但是由于高速 铁路本身的特殊性及重要性，就使牵引供电系统相对于常速铁路具有了新的特点，主要 表现在以下几个方面： ( 1 ) 高速电气化铁路机车牵引电流大，牵引供电系统供电能力要求高。由于列车速度 高，列车通过供电臂时间短，负荷持续时间短，每次通断电都会造成一定的励磁涌流 冲击，所以供电臂中负荷电流波动大，牵引变电所倒闸操作频繁。 ( 2 ) 电气机车为大功率非线性负荷，运行时会产生大量谐波。文献【1 】中提到“对京 郑电铁北京段3 座牵引站投运后所产生的谐波和负序分量，对北京地区电网产生的 影响进行了定量的分析研究。结果表明3 座牵引站接入电网运行后，分别向各供电站 1 l ok v 母线( 公共连接点) 上注入的谐波电流都将严重超过国家标准规定的允许值， 对电力系统及其它电力用户产生危害。据不完全统计，自电铁投运以来，在电网结构 薄弱的地区，电铁谐波与负序电流已引发过2 0 0 m w 发电机跳闸，山西、河南、贵州等 电网大面积停电或系统解列，电网产生局部谐振、发电机转子损坏、继电保护非正常 频繁启动、用户电动机和电容器大量烧坏，小火电厂不能就近并网等一系列危害，使 社会、电力部门和用户蒙受了巨大的经济损失。” ( 3 ) 牵引变压器的结构与常规三相变压器不同，它是把高压侧的三相交流电转换成为 低压侧的两相交流电，然后由低压侧的两相交流电给电力机车供电。因此，牵引变压 器在正常工作时就有负序分量等不对称分量。而且牵引变压器的短路阻抗比一般电力 变压器要大，因此当牵引变压器内部发生内部匝间短路故障时，电流可能比较小【2 1 。 这就要求牵引变电所综合自动化装置适应其特点，做到对牵引变压器故障准确、快速、 可靠的动作。 ( 4 ) 由于接触网是沿铁路线悬挂的，正常工作时要受到电力机车受电弓的扰动，工作 条件比电力系统的架空线差很多，馈线故障概率较高，而相应牵引变压器受到的短路 电流冲击也比一般的电力变压器频繁得多。 ( 5 ) 牵引变电所和分区亭的分布地域广大，尚未建立变电所和分区亭之间的远程通信， 因此解决远距离通讯是对牵引变电所综合自动化装置的又一个要求。 1 4 电气化铁道牵引变电所综合自动化系统发展及现状 与普通电力变电所综合自动化系统相似，牵引变电所的也经历了从继电器系统， 4 华中科技大学硕士学位论文 到晶体管系统，再到目前广泛应用的微机式综合自动化系统的发展过程。 目前电气化铁道牵引供电控制系统般还是通过继电器逻辑回路来实现对开关设 备、断路器与隔离开关的控制和联锁，以及对进线电源、备用变压器的自动投切等控 制。由于继电器逻辑的功能单一，不易改变控制方式，因而自动控制能力较差，系统 不具备自动根据工况改变控制逻辑的功能，也缺少对系统主要运行设备的自动检测手 段。 保护系统一般是根据牵引供电系统所采用的供电制式及供电网络结构来配置的。 虽然现有的继电器保护配置与保护配合关系基本上能满足目前牵引供电系统运行的要 求，但文献【3 】指出还存在以下不足： ( 1 ) 对自耦变压器的故障缺乏足够的保护。虽然部分自耦变压器的故障可由距离保 护检测到，但距离保护使断路器跳闸后又启动了重合闸，这对自耦变压器有害，且距离 保护的动作时间也比较长。 ( 2 ) 保护的速动性比较差。由于要与机车的保护进行配合，因此保护动作延时至少 0 1 s 。随着电力工业的发展、电网规模的扩大以及短路容量的大幅提高，这一问题会越 来越突出。 ( 3 ) 短路时对主变压器冲击时间较长，冲击较大，尤其是在近端短路时更是如此。 同时，文献 3 将电气化铁道牵引变电所综合自动化系统的要求归纳为以下几点： ( 1 ) 高速电气化铁道牵引供电系统设备集成化高、自动化功能强、监控对象多。特别 是引入无人值班的管理方式，就要求保护及监控系统质量可靠、功能完善、性能优越： ( 2 ) 为了保证铁路的高效安全及快速的系统响应，设备间的联动联锁，主要设备运行的 自适应控制及供电系统自动组态控制功能，应纳入所内集成监控系统： ( 3 ) 为缩短停电时间、减少停电范围、提高高速铁路的通行能力，所内及所间程序控 制功能应大力加强： ( 4 ) 为了适应高速铁路牵弓i 供电设备周期检测、预防诊断、状态维修的运行管理方式， 应加强对运行设备的动态数据跟踪和现场参数采集，以提高设备维护的可预见性： ( 5 ) 为提高系统的保护能力，自耦变压器应设有更加可靠的保护，同时对断路器应设置 失灵保护： ( 6 ) 提高保护系统的选择性和速动性，加强保护设备自身的可诊断性，以完善保护系 统的安全性能。 从以几点要求来看，基于微机技术的综合自动化装置是未来电气化铁道牵引变电 所综合自动化系统的首选方式。 5 华中科技大学硕士学位论文 1 5 论文的主要工作 本文主要工作是一种新型电气化铁道牵引变电所综合自动化装置的硬件系统设计 和软件调试。 该系统采用模块化设计，核心c p u 按保护和控制两种功能分别采用美国t i 公司生 产的3 2 位浮点_ 1 m s 3 2 0 c 3 2 芯片和基于a r m 内核的3 2 位s a m s u n gs 3 c 4 4 b o x 处理 器，两个核心各自在不同的电路板上独立运行，两者通过双口r a m 交换数据。硬件上 还采用了在系统可编程( i ns y s t e mp r o g r a m m a b l e i s p ) 技术，各种控制逻辑电路由 c p l d 器件完成。 软件分为两部分，d s p 部分为数据采集和保护程序；s a m s u n gs 3 c 4 4 b o x 处理器则 采用嵌入式实时操作系统( r t o s ) ，负责实现液晶显示、以太网通讯等功能 本文的第二章主要阐述装置的系统设计思路和器件的选择，第三章给出了装景硬 件的原理设计和具体电路实现，第四章简要说明了装置软件的结构。第五章为全文总 结。 6 华中科技大学硕士学位论文 2 牵引变电所综合自动化装置的系统设计 提要：本文主要介绍牵引变电所综合自动化装置的系统设计。在装置设计中采用了基于a r m 的嵌 入式系统、3 2 位浮点d s p 和c p l d 这3 项前沿技术，并对这3 项技术的原理和功能进行了详细的 分析。 2 1 系统设计思路 牵引变电所综合自动化系统是一系列自动化系统技术的综合，它能够实现微机保 护、故障测距、电能计算、远动功能、电压无功控制调整等功能。过去这些功能往往 采用多个设备分别实现。这些设备中某些部件功能重复，硬件资源浪费现象严熏，同时 也降低了设备的可靠性。因此本文所设计的牵引变电所综合自动化装置采用模块化设 计，不同功能和数量的模块加以组合并下载相应软件就可以成为独立装置，取代常规 监视仪表、操作控制屏柜、中央信号系统及常规远动装置。它除了完成常规的保护、 测距、控制、测量、远动功能外，还能提供故障录波，故障记录，显示谐波量等功能。 信息的监测和操作界面更清晰、简单，增加防止误动、误操作软件控制，改善运行人员 的工作条件f 2 l ( 现。可以实现变电所无人或少人值班，提高运行效率。 为了满足以上要求，本装置采用了两块c p u 分别完成保护和控制功能，髁护c p u 为1 1 公司3 2 位浮点d s pt m s 3 2 0 c 3 2 ，控制c p u 为基于a r m 内核的3 2 位s a m s u n g s 3 c 4 4 b o x 处理器。装置的硬件原理框图如图2 1 所示。 美国公司生产的t m s 3 2 0 c 3 2 芯片是高性能的c m o s3 2 位浮点数字信号处理器， 它具有强大的数学处理功能，在电力系统保护中有着广泛的用途。采用t m s 3 2 0 c 3 2 芯 片作保护芯片主要考虑牵引变电所的模拟量所含谐波较大【1 】，需要大量使用数字滤波 技术，运算量大，一般c p u 难以满足其要求。但t m s 3 2 0 c 3 2 芯片的控制引脚很少【4 】， 难以满足牵引变电所综合自动化的控制方面要求，因此本文选择了一块s 3 c 4 4 b o x 处 理器作为控制核心，两者通过双口r a m 交换数据。 由于目前尚未建立牵引变电所、分区亭之间的远程通信系统，因此有学者提出将 以太网引入牵引变电所综合自动化装置中哺】。随着网络技术的进步，以太网的实时性、 稳定性和抗干扰性问题逐步解决，将以太网应用到工业自动化领域的研究热潮又再次 兴起i - s 7 1 。 韩国三星公司3 2 位s 3 c 4 4 b o x 处理器是目前常用的基于a r m 内核的芯片，它具有 华中科技大学硕士学位论文 直接驱动液晶显示、支持网络通讯和支持嵌入式操作系统等功能t 们，是一款性能价格 比极高的控制芯片。本文选择s 3 c 4 4 b o x 处理器，就是希望装置能通过它实现以太网 通讯的功能解决远程数据通讯的问题。 在本章后面的章节将具体介绍各个部分的硬件器件的选择和器件的特点。 1 6 路采样保持器1 6 路采样保持器 儿儿 儿 儿p ；一导f 阜印 1 6 位a d1 6 位a d 采样采样 l：h 保护c p u ( t m s 3 2 0 c 3 2 ) 儿儿儿儿1 l 1 器暑l | f l a s h li r a m ii 实时时钟ii 看门狗1 c p l d ( m a x 7 0 0 0 s ) 1 控常u c p u ( s a m s u n gs 3 c 4 4 8 0 x ) ：h1 h： 触摸屏 f l a s hf l a s hr a m 以太网 液晶屏 接口 c a nr s 4 8 5 ( 含控 错器) 图2 1 牵引变电所综合自动化装置硬件结构框图 2 2 保护c p u 的选择 电力系统的保护装置需要实时对各种信号进行处理，而牵引变电所的电信号又具 有丰富的谐波，因此牵引变电所的综合自动化装置必须具有处理大数据量的能力，以 保证系统的实时性。由于数字信号处理算法的结构复杂，一般采用运算速度岛，寻址 方式灵活，通信机制强大的数字信号处理器( d i 刨t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 来实现。因此，本 8 华中科技大学硕士学位论文 文所研究的装置采用美国t i 公司生产的3 2 位浮点d s p - - - - t m s 3 2 0 c 3 2 芯片。 2 2 1 d s p 的发展与现状 数字信号处理器( d i # t ms i g n a lp r o c e s s o r ) 与数字信号处理技术( d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s ) 都简称d s p ，两者的关系密不可分。前者是硬件实现，后者是理论技术，= 者 结合就是解决实际问题的方案，有人简称为d s p s 【】。 2 0 世纪6 0 年代以前，由于数字信号处理只能依靠速度较低的通用m p u ( 微处理 器) 完成，实时性很差。1 9 6 5 年c o o l e y 和t u k e y 发表了著名的快速傅立叶变换( f f t f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ) ，极大降低了傅立叶变换的计算量。与此同时，集成了专用乘 法器的早期d s p 芯片逐步出现，如1 9 7 9 i n t e l 公司的2 9 2 0 ，a m i 公司的$ 2 8 1 1 芯片等。 1 9 8 2 年，美国1 1 公司推出其第一代d s p 芯片_ t m s 3 2 0 1 0 ，其运算速度比m p u 快了几十倍。t m s 3 2 0 1 0 是一个里程碑。它标志着d s p 应用系统由大型系统向小型化 迈进了一大步。2 0 世纪8 0 年代中后期，随着c m o s 技术的进步与发展，t i 公司的第 三代d s p 芯片t m s 3 2 0 c 3 x 系列问世，开发者可以使用高级语言，如c 语言编程，大 大降低了开发难度，缩短了开发时间。这一改进使得d s p 芯片的应用范围大为增加， 逐步进入控制、通讯和计算机领域。 目前，d s p 经过2 0 多年的发展，已经发展到第五代。它的系统集成度更高，速度 更快，如t m s 3 2 0 c 6 2 0 1 定点d s p 的运算能力可达1 6 0 0 m i p s ，完成1 0 2 4 定点h 可的 时间只有7 0 蝎，而且功耗却更低。同时由于越来越多的外围芯片被集成到芯片中，使 得d s p 在消费类产品中的使用比例大为增加。 未来d s p 的发展方向主要有以下几方面： - 微处理器和数字信号处理器混合。由于实际系统往往两种处理器都需要，像 本文中的牵引变电所综合自动化装置就不得不采用m p u 加d s p 的双处理器 结构，如果能将两者整合到一片芯片中，可以节约硬件成本，简化开发调试 的过程。目前有m o t o r i l a 的m c 6 8 3 5 6 ( 集成d s p 5 6 0 0 2 ) 和t i 的t m s 3 2 0 c 8 0 都是这方面的代表产品。 一d s p 和实时操作系统( r t o s ) 的结合。由于数字信号处理系统日趋复杂。软 件规模越来越大，往往需要运行多个任务。这使得各任务间的通信、同步等 问题变得非常突出。解决这一问题最直接的办法是对d s p 提供r t o s 支持， 使d s p 开发人员能集中精力解决应用问题，而不是花费大量时间处理重复的 底层驱动软件开发。3 l 公司的d i a m o n d 就是专门为1 1 公司1 m s 3 2 0 c 6 2 0 0 9 华中科技大学硕士学位论文 开发的一种嵌入式实时操作系统。 支持高级编程语言的d s p 开发软件。随着d s p 器件和开发系统的的不断进步， 使用高级语言进行d s p 软件开发是必然趋势。大量高级语言( 特别是c 语言) 的程序员、函数库可以加快d s p 的发展速度。 并行处理结构。并行处理是提高d s p 芯片处理速度非常有效地方式。并行处 理主要分为片内并行和片间并行。像的t m s 3 2 0 c 8 就是片间并行结构，其 内部有多个处理器，运行效率相当于每秒2 0 亿次的r i s c 类型的操作。而a d 公司的a d s 2 1 0 6 x 和a d s 2 1 1 6 0 则是片间并行方式的代表，片内有大容量双 口r a m 和并行处理器接口，可以方便的实现多d s p 片间并行处理。 2 2 2d s p 的特点 d s p 和诸如i n t e lp e n t i u m 或m o t o r o l ap o w e r p c 的通用处理器有很大的区剐，这些 区别产生于d s p 的结构和指令是专门针对信号处理而设计和开发的，主要有以下特点 4 1 。 硬件乘法累加操作 把d s p 同早期的通用处理器区别开来的一个重大技术改进，就是添加了能够 进行单周期乘法操作的专门硬件和明确的硬件乘法累加操作指令。 一哈佛结构 传统的通用处理器使用冯诺曼存储结构，在这种结构中，有一个存储空间通 过两条总线( 一条地址总线和一条数据总线) 连接到处理器内核，这种结构不 能满足硬件乘法累加操作必须在一个指令周期中对存储器进行四次访问的要 求。d s p 一般使用哈佛结构，在哈佛结构中，有两个存储空间：程序存储空 间和数据存储空间。处理器内核通过两套总线与这些存储空间相连，允许对存 储器同时进行访问，这种安排使处理器的带宽加倍。在哈佛结构中，有时通过 增加第二个数据存储空间和总线来实现更大的存储带宽。现代高性能通用处理 器通常具有两个片上超高速缓冲存储器，一个存放数据，一个存放指令。从理 论的角度上讲，这种双重片上高速缓存与总线连接等同于哈佛结构，但是，通 用处理器使用控制逻辑来确定哪些数据和指令字驻留在片上高速缓存里，这个 过程通常不为程序设计者所见，而在d s p 里，程序设计者能明确的控制哪些 数据和指令被存储在片上的存储单元或缓存中。 零消耗循环控制 1 0 华中科技大学硕士学位论文 d s p 算法的共同特征在于大部分处理时间花在执行包含在相对小循环内的少 量指令。因此，大部分d s p 处理器具有零消耗循环控制的专门硬件。零消耗 循环是指处理器不用花时间测试循环计数器的值就能执行一组指令的循环，硬 件完成循环跳转和循环计数器的衰减。有些d s p 还通过一条指令的超高速缓 存实现高速的单指令循环。 特殊寻址模式 d s p 经常包含有专门的地址产生器，它能产生信号处理算法需要的特殊寻址， 如循环寻址和位翻转寻址。循环寻址对应于流水f i r 滤波算法，位翻转寻址对 应于f f t 算法。 一执行时间的可预测性 大多数d s p 应用都具有硬性实时要求，在每种情况下所有处理工作都必须在 指定时间内完成。这种实时限制要求程序设计者确定每个样本究竟需要多少时 间或者在晟坏情况下至少用去多少时间。d s p 执行程序的进程对程序员来说 是透明的，因此很容易预测处理每项工作的执行时间。但是，对于高性能通用 处理器来说，由于大量超高速数据和程序缓存的使用，动态分配程序，因此执 行时间的预测变得复杂和困难。 具有丰富的外设 d s p 具有d m a , 串口，p u 。定时器等外设。 2 2 3 t m s 3 2 0 c 3 2 芯片 美国1 1 公司生产的t m s 3 2 0 c 3 2 芯片是高性能的c m o s3 2 位浮点数字信号处理器 t m s 3 2 0 家族中的一员。它将系统控制和强大的数学处理功能集成于单个芯片上，以 实现快速、简洁的数据存储和高速的数字处理功能。巨大的寻址空间和强大的d s p 指 令集，使该芯片每秒能执行6 千万次浮点数字操作( 6 0m f l o p s ) 。该芯片的另一个突 出特点是用户能在一个指令周期内执行多达1 1 项操作的在片( o n c h i p ) 并行处理能力。 t m s 3 2 0 c 3 2 芯片的卓越性能是开发高性能保护装置的基础。 ( 1 ) t m s 3 2 0 c 3 2 芯片的结构嘲 t m s 3 2 0 ( = 3 2 芯片的内部结构框图如图2 - 2 所示： 华中科技大学硕士学位论文 ， 图2 - 2 t m s 3 2 0 c 3 2 芯片的内部结构框图 ( 2 ) t m s 3 2 0 c 3 2 芯片的特点 一超高速的处理能力：6 0 m f l o p s ，3 0 m i p s 5 1 2 x 3 2 位单周期一双获取片上r a m _ 6 4 x 3 2 位指令缓存 一3 2 位指令和数据，2 4 位地址， 一1 6 3 2 位定点和3 2 4 0 位浮点运算 _ 灵活的程序加载器 _ 八个扩展精度辅助寄存器( 累加器) 双地址产生器，由八个辅助寄存器和两个辅助运算单元构成 增强型外部存储器接口 - 一支持8 1 6 3 2 位外部数据访问 一支持1 6 3 2 位外部程序运行 华中科技大学硕士学位论文 - 一个外部引脚p r g w ，配置外部存储器宽度为1 6 或3 2 位 二组选通信号( s t r b 0 和s t r b l ) ，一个i 0 选通信号( i o s t r b ) ，简化接 口逻辑 每组选通信号各有一个独立的外部总线控制寄存器控制它所访问的外部存储 器宽度、数据位数、和软件插等待的个数 双或三操作数指令 单周期累加和乘法并行指令 块重复指令 条件调用和返回 延时和条件跳转指令 支持多处理器操作的内部封锁指令 片上存储器映射外设： 一个同步串口，可实现8 1 6 2 4 3 2 位传输；两个3 2 位定时器；两通道d m a ， 优先级可配置 两个通用外部标志位，四级外部中断 ( 3 ) t m s 3 2 0 c 3 2 软件特点【l o l 【1 l 】 d s p 特有的汇编指令是其能进行高速数字运算的基础。c 3 x 汇编指令非常适于数 字信号处理。它的所有汇编指令均为一个机器字长，而且执行其中大部分指令只需一 个机器周期。指令集包括1 1 3 条汇编指令，并可分为以下几组：装载和储存指令、两 操作数数字逻辑指令、三操作数数字逻辑指令、程序控制指令、并行操作指令以及一 些特殊指令。 而d s p 又能借助一整套软件开发工具将用户基于a n s i ( a m e r i c a nn a t i o n a l s t a n d a r d si n s t i t u d e ) 标准的c 语言程序转换成d s p 机器指令来执行，并支持c 语言与 汇编语言混合编程。这使得d s p 的开发应用极为方便。所以，本文所研究的装置的软 件采用c 语言与汇编语言混合编程，并对软件进行了模块化处理，使得软件在通用性、 可读性和可维护性等方面得到了很大的提高。 为了提高效率和使用性，d s p 支持a n s ic 语言编程。a n s i 标准的c 语言与一般 的c 语言有一些差异。这些差异使得a n s ic 语言很好地适应了目标处理器和运行环 境的要求。这些差异主要表现在标识符与常量、数据类型、类型转换、变量定义等方 而。 t m s 3 2 0 c 3 x 具有一个专用的仿真器及相应的调试软件。该仿真器安装方便，工作 可靠。而其调试软件亦具有简单易学、界砸友好、方便编程等特点。 华中科技大学硕士学位论文 2 3a r j l 处理器和嵌入式系统 嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。一个手持的m p 3 和一个p c i 0 4 的微型工业 控制计算机都可以认为是嵌入式系统。嵌入式系统已经有了近3 0 年的发展历史，它是 硬件和软件交替发展的双螺旋式发展1 1 2 】。 根据i e e e ( 国际电气和电子工程师协会) 的定义：嵌入式系统是“用于控制、监 视或者辅助操作机器和设备的装景”( 原文为d e v i c e su s e dt oc o n t r o l ，m o n i t o r , o ra s s i s t t h eo p e r a t i o n o f e q u i p m e n t ，m a c h i n e r yo r p l a n t s ) 。 可以看出此定义是从应用上考虑的，嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以 涵盖机电等附属装置。一般把嵌入式系统定义为“以应用为中心、以计算机技术为基 础、软件硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。” 嵌入式系统的特点主要有以下方面【1 2 】： - 系统内核小 由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的，系统资源相对有限，所以内核较 之传统的操作系统要小得多。比如e n e a 公司的o s e 分布式系统，内核只有5 k ， 而w i n d o w s 的内核则要大得多。 专用性强 嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一般要针对 硬件进行系统的移植。即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统硬件 的变化和增减不断进行修改。同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更 改，程序的编译下载要和系统相结合，这种修改和通用软件的“升级”是完全不 同的概念。 系统精简 嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功能设计及实现 上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。 _ 高实时性o s 这是嵌入式软件的基本要求，而且软件要求固态存储，以提高速度。软件代码要 求高质量和高可靠性、实时性。 嵌入式软件开发走向标准化 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。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r t o s 1 4 华中科技大学硕士学位论文 ( r e a l - - t i m e o p e r a t i n gs y s t e m ) 开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可 靠性，并减少开发时间，保障软件质量。 嵌入式系统开发需要开发工具和环境 由于其本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后，用户通常也是不能对其中 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上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器 等。开发时往往有主机和目标机的概念，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。 2 3 1 基于a r m 架构的微处理器 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器【”】。嵌入式微处理器一般就具备以下4 个特 点： 一对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间， 从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。 一具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构己模块化， 而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护 功能，同时也有利于软件诊断。 _ 可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足应用的最高性能的嵌入式微处 理器。 一嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信 设各中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有m w 甚至uw 级。 嵌入式处理器的主要分为微控制器( m c u ) 、微处理器( m p u ) 、数字信号处理器 ( d s p ) 、混合处理器和片上系统( s o c ) 、可编程片上系统( s o p c ) 。嵌入式处理器 的发展趋势主要是经济性提高( 成本低) 、微型化( 封装、功耗) 、智能化( 功能强、 速度高) 1 3 1 。 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e ) 是英国知识产权核( i p ) 设计公司，它是知识产权 供应商，是设计公司。a r m 公司本身不生产芯片，靠转让设计许可，由合作伙伴公司 来生产各具特色的芯片。a r m 公司的a r i v i 系列内核耗电少、成本低、特有的1 6 3 2 位双指令集功能强大。基于a r m l 6 3 2 位微处理器市场占有率目前已达到8 0 ，世界 上绝大多数i c 制造商都推出了自己的a r m 结构芯片；这些产品包括了i n t e l 公司的 s t r o n g a r m 的系列：s a 1 1 0 、s a - 1 1 0 0 、s a 一1 1 0 l 、s a 一1 1 1 0 、s a 1 1 1 1 ；c i r r u sl o g i c 华中科技大学硕士学位论文 公司的a r m 系列：e p 7 2 0 9 、e p 7 2 1 1 、e p 7 2 1 2 、e p 7 3 1 2 、e p 9 3 1 2 、p s 7 5 0 0 f e ；s a m s u n g 公司的a r m 系列：$ 3 c 4 4 8 0 、$ 3 c 2 4 0 0 、$ 3 c 4 5 1 0 ；a t m e l 公司的a r m 系列：a t 9 1 系列等等。 在所有a r m 处理器系列中，a r m 7 处理器系列应用最广，采用a r m 7 处理器作 为内核生产芯片的公司最多。 2 3 2 a r m 微处理器的特点 ( 1 ) 处理速度快 a r m 是r i s c 结构的处理器。而且a r m 内部集成了多级流水线，比如：a r m 7 t 中使用3 级流水线；a r m 9 中使用5 级流水线技术，大大的增加了处理速度： ( 2 ) 超低功耗 各种档次的a r m 的功耗都是同档次其他嵌入式处理器中较低的。处理器的散热问 题不用考虑；低电压，微电流供电，这些都无疑为成为便携式设备的最理想的选择 ( 3 ) 应用前景广泛 因为a r m 公司不是生产处理器的，它专门为i c 制造商提供各种处理器的解决方 案。所以，上述在各种处理器中，a r m 的使用最广，同时应用前景广阔，开发资源丰 富，有利于缩短产品的研发同期。 ( 4 ) 价格低廉 在各种嵌入式处理中，a r m 的价格适中，而且使用量大，比较容易够买。 ( 5 ) 可利用的软件丰富 a r m 公司一直致力于支持嵌入式系统在a r m 处理器上的开发应用，目前几乎所 有常见的嵌入式系统在a r m 内核处理器上都有成熟的应用，其中i t c o s i i 和p c l i i l l i x 是两种应用广泛的免费嵌入式操作系统。 2 3 3 s a m s u n g s 3 c 4 4 b o x s a m s u n gs 3 c 4 4 b o x 微处理器是三星公司专为手持设备和一般应用提供的高性价 比和高性能的微控制器解决方案，它使用a r m 7 t d m i 核，工作在6 6 m h z 。a r m 7 t d m l 名字后面的字母原意如下： _ t 表示1 6 位压缩指令集t h u m b 。 _ d 表示在片调试( d e b u g ) 支持，允许处理器相应调试请求暂停。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 m 表示增强型乘法器( m u l t i p l i e r ) ，与以前的处理器相比性能更高，产生6 4 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。 s a m s u n gs 3 c 4 4 b o x 微处理器的内部结构框图如图2 3 所示 图2 - 3s a m s u n gs 3 c 4 4 b o x 微处理器的内部结构框图 为了降低系统总成本和减少外围器件，这款芯片中集成了下列部件： 8 k b c a c h e 一外部存储器控制器 l c d 控制器 一4 个d m a 通道 2 通道u m h 1 个多主1 2 c 总线控制器 华中科技大学硕士学位论文 - 1 个s 总线控制器 - 5 通道p w m 定时器及一个内部定时器 7 1 个通用i o 口 8 个外部中断源 一实时时钟 8 通道1 0 位a d c s 3 c 4 4 b o x 的存储系统具有以下一些主要特性： _ 支持数据存储n ) k d , 端选择( 通过外部引脚进行选择) 地址空间具有8 个存储体，每个存储体可达3 2 m b ，总共可达2 5 6 m b 。 对所有存储体的访问大小均可进行改变( 8 位1 6 位3 2 位) - 8 个存储体中，b a n k 0 - - b a n k 5 可支持r o m 、s r a m ；b a n k 6 、b a n k 7 可支持 r o m 、s r a m 和f p e d o s d r a m 等。 一7 个存储体的起始地址固定，1 个存储体的起始地址可变。 s a m s u n gs 3 c 4 4 b o x 微处理器非常适合作为控制核心，基于该芯片的嵌入式操作系 统已有成熟的应用，网络用途广泛。同时，该芯片强大的数据处理能力能够完成后期 采样数据的处理工作，如历史曲线分析、故障数据分析等功能。所以本文所研究的装 置采用该芯片作为控制c p u ，实现人机界面、网络通讯以