（信号与信息处理专业论文）嵌入式电力监控系统的设计与实现.pdf

摘要 电力系统的远程监控是近年来得到迅速发展并受到电力系统有关运营、管 理、科研等部门工程技术人员日益关注的研究领域，是目前国内外的一个研究热 点。它的发展和采用，对电力系统的安全运行具有重要意义，具有明显的经济效 益和社会效益。 论文工作所研究的嵌入式电力监控系统是北京合众达电子技术有限公司的 重点项目。它融合嵌入式技术、网络技术和监控技术，统一了电力现场端和调度 端设备的功能，是构成嵌入式电力监控网络的重要节点；它充分发挥了嵌入式系 统的特点与优势，是对传统电力监控领域的有力补充。论文主要工作包括：在深 入研究a r m 芯片e p 9 3 1 5 的特点和片内外资源使用方法的基础上，详细阐述了 系统的整体结构和各功能接口的设计，并编写了各外设的测试驱动；成功解决了 e p 9 3 1 5 裸机初始化、m m u 管理、v i c 中断向量表等开发难题，并实现了r e d b o o t 的定制与移植；完成了嵌入式操作系统a r m l i n u x 和图形界面包q t 的移植， 并开发了基于q t 的电压演示程序；设计并编写了c a n 、d a 、s p if l a s h 、d i o 等设备的l i n u x 驱动。经过仔细调试，系统各功能顺利实现，现已生产了样板， 完善后即可用于商用。 系统以c i r r u sl o g i c 公司的e p 9 3 1 5 嵌入式a r m 处理器为核心，外接d a a d 芯片对电压电流信息进行现场采集，然后通过c a n 总线控制模块进行现场总线 数据通讯；通过i n t e m e t 接口模块实现与控制中心的数据传输，实时地将现场信息 反馈给控制中心；该控制系统还配有c r t 和l c d 视频输出模块，可以通过内部程 序将现场信息转化为数据或图表，显示在外接的显示器或液晶屏上，供现场的检测 人员参考，及时了解电力现场状况；在a r m 处理器上运行a r m l i n u x 嵌入式操作 系统对整个系统进行控制管理，并运行嵌入式w e b 服务器，通过网络进行远端信息 发布，使监控人员可以通过网络浏览器监控现场。 本文首先介绍了电力监控的发展状况及嵌入式技术在电力监控中的应用，然 后详细阐述了系统的整体设计方案，接着细致地研究了e p 9 3 1 5 开发中的关键技 术，最后重点阐述了c a n 总线控制器m c p 2 51 5 的使用、接口设计及l i n u x 设 备驱动。 可以预见，远程监控将发展成为电力系统中不可或缺的一部分，远程监控技 术本身也将发展成一个新的交叉学科。同时，电力远程监控将是一个巨大的市场， 对其开发研究具有巨大的学术上和经济上的吸引力。 关键词：电力监控嵌入式系统e p 9 3 1 5m c p 2 5 1 5l i n u x 设备驱动 a b s t r a c t t h er e m o t em o n i t o ro fp o w e rs y s t e mi sc u r r e n tar e s e a r c hh o ts p o to ft h e i n t e r n a t i o n a lt o po r d e r s ，b e c a u s ei tg e t st h eq u i c kd e v e l o p m e n ti nr e c e n ty e a r sa n dt h e e n d n e g t so fd e p a r t m e n tr e l e v a n tp o w e rs y s t e mp a ya t t e n t i o nt oi ti n c r e a s i n g l y t h e d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fr e m o t em o n i t o ri np o w e rs y s t e mh a v et h ei m p o r t a n t m e a n i n gt ot h es a f er u n n i n go ft h ep o w e rs y s t e ma n dh a v et h eo b v i o u s l ye c o n o m i c a n ds o c i a lp e r f o r m a n c e t h ee m b e d d e dp o w e rs u r v e i l l a n c e s y s t e mr e s e a r c h e d i n t h i s p a p e ri s a n i m p o r t a n ts u b j e c to fs e e de l e c t r o n i ct e c h n o l o g yl t d t h i ss y s t e mu n i f i e st h e f u n c t i o n so fp o w e rs p o ta n dc o n t r o l d e v i c e s ，u s i n ge m b e d d e d ， n e t w o r ka n d s u r v e i l l a n c et e c h n o l o g ya n di ti st h ei m p o r t a n tn o d eo fe m b e d d e dp o w e rs u r v e i l l a n c e n e t w o r k w i t ht h ea d v a n m g eo fe m b e d d e ds y s t e m ，i ti sap o t e n ts u p p l e m e n tt o t r a d i t i o n a lp o w e rs u r v e i l l a n c ed o m a i n b a s e do nd e e p l yr e s e a r c h i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c s o fe p 9 315a n dt h eu s eo fp e r i p h e r a l s ，t h i sp a p e rd e t a i l e d l y e x p a t i a t e st h ew h o l e c o n f i g u r a t i o no fs y s t e ma n dt h ed e s i g no fe v e r yf u n c t i o n a li n t e r f a c e t h et e s td e m oo f e v e r yp e r i p h e r a li sp r o g r a m m e ds i m u l t a n e i t y t a k i n go t h e re m b e d d e ds y s t e ma s f o u n d a t i o n ，t h i sp a p e rs u c c e s s f u l l ys e r i e se m b e d d e dd e v e l o pp r o b l e m sa si n i t i a l i z e c o d e ，m m u ，v i ci n t e r r u p tv e c t o r sa n dr e a l i z e st h ec u s t o m i z a t i o na n dt r a n s p l a n to f r e d b o o t t h et r a n s p l a n to fa r m l i n u xa n dq ti sa l s os u c c e s s l l yr e a l i z e da n da v o i m g ed e m ob a s e do nq t i sd e s i g n e d t h ei m p o r t a n td u t yi st od e s i g nl i n u xd e v i c e d r i v e r so fc a n ，d a ，s p if l a s h ，d i o ，e t c t h r o u g hc a r e f u l l yt e s t i n ga n dd e b u g 百n g ， e v e r yf u n c t i o no ft h es y s t e mi sr e a l i z e d t h es a m p l eb o a r do fs y s t e mh a sb e e n p r o d u c e da n da f t e rb e i n gg o to v e rs o m eb u g s ，i tw i l lb eo ns a l e t h ec o r ec h i po ft h i s s y s t e m i sa r mp r o c e s s o re p 9 315o fc i r r u sl o g i c c o m p a n y i te x t e n d sd a a dc o n v e r t e rt oc o l l e c tc u r r e n ta n dv o l t a g ei n f o r m a t i o no f p o w e rl o c a l e t h e s ei n f o r m a t i o ni st r a n s f e r r e dt h r o u g hc a n b u sb yc a nm o n i t o r t h i ss y s t e ma l s oh a si n t e r n e ti n t e r f a c et oc o n n e c ts p o td e v i c ew i t hc o n t r o ld e v i c ea n d r e a l i z ei n s t r u c t i o nt r a n s m i ta n df e e d b a c k t h ec r ta n dl c dm o d u l ed i s p l a yp i c t u r e a n dt a b l et h a tr e p r e s e n t st h es p o tc u r r e n ta n dv o l t a g ei n f o r m a t i o ni nc r to rl c d p a n e l t h i sf u n c t i o nm a k e sp o w e rm a n a g e ri m p l e m e n tr e a l t i m es u r v e i l l a n c e t h i s s y s t e mb u i l d sa r m l i n u xo p e r a t i n gs y s t e mo na r mc h i pt oc o n t r o lp e r i p h e r a l sa n d s p a n se m b e d d e dw e bs e r v e rt or e m o t e l yi s s u ei n f o r m a t i o nt h r o u g ht h ei n t e r n e t t h e c o n t r o l l e rc a l la l s ou s ew e b e x p l o r e rt oc o n t r o ls p o t f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e ss i m p l yd e v e l o p m e n to fp o w e rs u r v e i l l a n c ea n d a p p l i c a t i o n so fe m b e d d e dt e c h n o l o g yi nt h i sd o m a i n s e c o n d l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e s t h ew h o l es y s t e md e s i g n t h e n ，t h i sp a p e re x p a t i a t e st h ep i v o t a ld e v e l o pt e c h n o l o g y o f a r _ mc h i pe p 9 315 l a s t l y , t h i sp a p e rd e t a i l e d l yi n t r o d u c e st h eu s e ，i n t e r f a c ed e s i g n a n dl i l l u xd e v i c ed r i v e ro fc a nm o n i t o re p 9 315 i tc a nb ef o r e s e e nt h a tt h er e m o t em o n i t o r sw i l lb e c o m ean e c e s s a r yp a r to f p o w e rs y s t e ma n dt h et e c h n i q u eo fr e m o t em o n i t o r sa l s ow i l lb e c o m ean e wc t o s s c o u l s e a tt h es a m et i m e ，t h er e m o t em o n i t o rw i l lb e c o m eah u g em a r k e ta n dh a v e e c o n o m i ca n ds c i e n t i f i cp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：p o w e rs u r v e i l l a n c e ，e m b e d d e ds y s t e m ，e p 9 3 15 ，m c p 2 515 ，l i n u x d e v i c ed r i v e r 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，也不包含为获得苤盗盘堂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： 签字日期：上汐汐7 年乡月弓同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤连盘堂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： 稳每 签字日期：二汐护7 年么月罗日 导师签名： 移磁 签字日期：另酬7 年易月多日 第一章绪论 第一章绪论 本章对嵌入式系统的概念及其在电力系统中的应用做了简要介绍。并概述了 基于e p 9 31 5 嵌入式电力监控系统的特点和应用。 1 1 嵌入式系统的定义与特点 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 是以应用为中心，以计算机技术为基础， 并且软硬件可裁减，适用于应用系统对功能，可靠性、成本、体积、功耗有严格 要求的专用计算机系统。嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外同硬件设备、嵌 入式操作系统以及用户的应用程序4 个部分组成，用于实现对其他设备的控制， 监视或管理等功能n ：。 电气工程师协会对嵌入式系统的定义是：嵌入式系统是用来控制或者监视机 器，装置，工厂等大规模系统的设备。 北京航空航天大学的何立民教授对嵌入式系统这样定义“嵌入到对象体系中 的专用计算机系统。”嵌入性，专用性和计算机系统是嵌入式系统的三个基本要 素。对象系统则是指嵌入式系统所嵌入的宿主系统。 虽然无论8 位的单片机，还是高性能的3 2 位处理器都能构成嵌入式系统， 但现在普遍比较认为有前途的嵌入式系统应该是：硬件以一个高性能的处理器 ( a r m ，p o w e r p c ，s t r o n g a r m 等) 作系统为基础，软件以一个多任务操作系统为 基础的综合平台它相对于传统的p c 或单片机有以下一些特点： 1 ) 功耗低，体积小，专用性强。能够把p c 中许多由板卡完成的任务集成在 芯片内部，从而有利于系统小型化设计。 2 ) 带有多任务的嵌入式操作系统。可以同时运行多个进程，同时响应多个任 务请求，多个程序进行整合管理。有利软件系统的维护和升级。现在许多 嵌入式设备都安装l i n u x ，w i n c e ，s y m b i a n 等操作系统，实现管理的系统 化。 3 ) 精巧的人机交互。现在的许多嵌入式系统都带有小型的键盘，显示屏等输 入输出设备便于人机交互，方便使用者对嵌入式产品的操作和管理。现在 一些先进的p d a 不仅可以汉字写入，短消息语音发布，甚至有的可以语言 同声传译。这些使用上的方便都得力于触摸屏技术，语音识别等先进的嵌 入式交互技术的发展。 第一章绪论 4 ) 网络互联实现资源共享。为了适应嵌入式分布处理结构和应用上网的需求， 新的嵌入式设备都配有一种或多种通信接口。针对外部联网的要求，嵌入 式设备需要配有i n t e m e t 接口并需要t c p i p 协议族软件支持：针对家电互 联或现场仪器协调工作等要求，嵌入式设备还需要具备i e e e l 3 9 4 ，u s b ， c a n ，b l u e t o o t h 或i r d a 通信接口。互联的嵌入式设备方便的实现了信息 共享，信令发送和数据传输。 5 ) 丰富的外设资源基于强大的嵌入式处理器，嵌入式系统可以外接多种功 能芯片。如视频音频处理，d a a d 转换，专用算法处理，数据存储等芯片。 使嵌入式设备可以用于多种场合，大大扩展了嵌入式应用的外延。 现代基于a r m 等嵌入式处理器的嵌入式设备广泛的应用于以下场合： 1 ) 下一代的无线设备，包括视频电话，p d a ，笔记本电脑和i n t e m e t 设备 等。 2 ) 数字消费品，包括机顶盒，家庭网关，m p 3 播放器和m p e g 4 播放器等。 3 ) 成像设备，包括激光打印机，数字照相机和数字摄象机等。 4 ) 工业控制，包括马达控制和能量控制等。 5 ) 汽车，通信和信息系统等。 6 ) 网络设备，包括v o i p , w i r e l e s s l a n ，w i m a x ，3 g , x d s l 等。 1 2 嵌入式技术在电力系统的应用 电力系统是一个包含了电能生产、传输和使用的复杂系统，各种生产设备 地域分布广泛，设备类型众多、数量巨大，对这些设备的监控、诊断和维护成为 提高系统管理水平的重要内容幢1 。 电力系统中各重要节点的电压，电流，用电量及绝缘设备老化程度等都对整 个电力系统的安全稳定运行起着关键作用，因此，对他们的监控技术也就尤为重 要对于现场以及相应节点电压电流，绝缘老化，用电量的监测，般都在现场安 排了专门的测量仪器和监控设备，这些设备的测量数据通过网络传到控制中心。 监控人员通过对声音，图象，电压电流等信息的分析，通过网络控制现场的监控设 备，监控设备依据收到的指令控制电力现场协3 。 电力系统的远程监控是近年来得到迅速发展并受到电力系统有关运营、管 理、科研等部门工程技术人员日益关注的一个新的研究领域，是目前国内外的一 个研究热点。它的发展和应用，对电力系统的安全运行具有重要意义，具有明显的 经济效益和社会效益。随着传感器技术，计算机技术，通信技术，智能技术，嵌入式 技术等相关领域技术的发展以及远程监控技术本身的发展，越来越多的新技术在 2 第一章绪论 电力远程监控中得到应用。其中嵌入式技术以其灵活、功能可裁减、可靠等特点， 得到了特别的重视。嵌入式技术在电力远程监控中主要有以下应用： 1 现场总线互联的多层分布的嵌入式监控网络结构1 。整个系统进行多层 管理：现场端系统，调度端系统和通信系统。现场端系统用嵌入式处理器 代替传统的工控机，将现场的模拟信号就地进行a d 转换，采用现场总 线技术，进行通讯互联。充分发挥嵌入式设备体积小，功耗低，易于维护 的特点。调度端系统可以通过i n t e m e t 或者无线网络接口和现场端设备 相连，使监控人员在监控中心或在其他地方通过智能手机、机顶盒等嵌。 入式设备随时了解电力现场状况。通讯系统采用现代数字通讯技术，将 现场视音频信息进行压缩传输，充分保障通讯的高速与准确。 2 嵌入式网络视频监控在电力系统中的应用。基于嵌入式远程网络视频监 控的原理是在现场端嵌入式设备安装摄像头，现场设备采用嵌入式实时 操作系统，将视频信号数字化后由高效压缩芯片压缩，通过高速局域网 传到调度端设备的w e b 服务器上。该系统主要应用于无人值守变电站、 电业局电厂综合监控系统、现场生产调度指挥系统以及对灾害和突发 事件的应急处理，以确保监控场所内设备的可靠运行及人员的安全。 3 嵌入式w e b 服务器技术在电力系统中的应用。将w e b 技术与监测及故 障诊断技术的结合策略有设备端嵌入式w e b 服务器体系、基于服务的 w e b 服务器体系和综合的多w e b 服务器的系统体系等3 种。其中设备端 嵌入式w e b 服务器体系把w e b 服务器放在现场设备处，与设备集成在 一起，用户通过w e b 浏览器监测设备状态，同时可通过浏览器编程的方 式来控制设备端的数据采集方式。通过合理分配计算任务，可以充分发 挥客户机的强大计算能力，减轻设备端的计算负荷。 4 嵌入式数据融合技术在电力系统中的应用。将嵌入式设备的高扩展性和 数据融合技术结合起来。嵌入式处理器通过1 2 c ，s p i ，m i i ，g p i o 等接口扩 展各种声，光，电，红外传感器。根据不同的现场环境和条件，监视电压、 电流、烟火、温度等不同现场信息。再利用数据融合技术将这些不同侧 面得到现场信息还原融合，得到最真实的现场数据。这种技术避免了很 多因自然或人为干扰而对现场状况进行地错误检测。大大提高了检测的 准确性、真实性。 随着网络技术的发展和3 g 时代的到来，电力系统的远程检测将会得到更多 的发展，可能形成以下新的方式呻儿刀： 1 基于三网合一的电力远程监控系统。三网合一是将通信电视，电信业务 和多媒体传输等多种信息服务纳入计算机网络，统一规划建立一个宽频 第一章绪论 带，大容量，高速率的公用信息网络。三网合一的明显的优势是：第一是 方便用户。第二是覆盖率比电信网大。在现代化城市的智能化小区中， 利用多功能，多接口的机顶盒进行三表( 电表，水表，煤气表) 的电力远程 检测系统自然是未来的发展方向。 2 基于电网的电力远程监控系统。近年来，信号处理技术，通信技术的进步， 使低压电力载波通信得到了迅速发展。再加上智能化小区的建设，家庭 智能化网络h o m e n e t 的兴起和电力部门用电，配电管理实现智能化， 自动化和科学化管理的需求等都为低压电力载波通信提供了广阔的发 展市场。 3 基于移动无线网的电力远程检测系统。随着3 g 时代的到来和后3 g 等 新兴技术的兴起，无线网络的数据承载能力，数据安全性能大大提高。 加上移动联网的灵活性，使无线网络成为远程电力检测研究的新方向。 1 3 论文的主要内容 论文工作完成了基于高性能a r m 处理器e p 9 3 1 5 的嵌入式电力监控系统的设 计。以c i r r u sl o g i c 公司的e p 9 3 1 5 嵌入式a r m 处理器为核心，外接d a a d 芯片对电压电流信息进行现场采集，然后通过c a n 总线控制器模块实现现场总线 互联通讯：通过i n t e r a c t 接口模块实现与控制中心的数据传输，实时地将现场信息 反馈给控制中心：该控制系统还配有c j 玎和l c d 视频输出模块，可以通过内部程 序将现场信息转化为数据或图表，显示在外接的显示器或液晶屏上，供现场的检 测人员参考，及时了解电力现场状况：在a r m 处理器上运行a r m l i n u x 嵌入式操 作系统对整个系统进行控制管理，并运行嵌入式w e b 服务器，通过网络进行远端 信息发布，使监控人员可以通过网络浏览器监控现场。 本文主要完成了以下几个方面的工作： 1 系统的整体结构和各外设接口的设计，编写全部外设芯片( v g a ，l c d ， e t h e m e t ，c a n ，t o u c h ，d a ，u a r t , l r d a 等) 及片内资源( d m a ，r t c ，t i m e r , p w m 等) 的测试驱动。 2 研究a r m 的m m u 管理、系统初始化代码、v i c 中断向量表等嵌入式 开发关键技术。 3 实现了对r e d b o o t 、嵌入式操作系统a r m l i n u x 、图形界面包q t 和嵌 入式w e b 服务器一b o a 的定制与移植，并编写了基于q t 的d a 电压演示 程序。 4 第一章绪论 4 研究了l i n t t x 设备驱动的开发。设计并编写了c a n 、d a 、s p if l a s h 、 d i o 等设备的l i n u x 驱动。 1 4 论文的组织结构 本文的组织结构如下： 第一章阐述了嵌入式系统的概念与特点，及其在电力系统中的主要应用。 第二章详细阐述了嵌入式电力监控系统的整体方案，并对a r m 处理器 e p 9 3 1 5 的特点和功能进行了概述。 第三章对a r m 的m m u 管理、裸机初始化程序和r e d b o o t 的定制与移 植进行了细致的研究。 第四章重点研究了c a n 总线控制模块m c p 2 5 1 5 的使用方法、接口设计 与l i n u x 设备驱动的编写。 1 5 本章小结 本章首先阐述了嵌入式系统的概念和特点及其在电力系统中的应用。接着分 析了电力监控未来的发展方向。最后说明了本文的主要工作和论文的组织结构。 第二章嵌入式电力监控系统的整体方案 第二章嵌入式电力监控系统的整体方案 本章详细阐述了嵌入式电力监控系统的整体设计方案。最后对核心a r m 处 理器e p 9 3 1 5 做了概述。 2 1 整体设计方案 系统采用c i r r u sl o g i c 公司的高端a r m 芯片e p 9 3 1 5 做核心控制，上面运行 a r m l i n u x 操作系统和电力监控主程序对各个外设模块进行协调管理。e p 9 3 1 5 处理器是工业级a r m 9 2 0 t 内核，主频2 0 0 m h z ，功耗低，性能稳定，特别适合各 种工业控制场合。系统在其丰富的外设接口上，扩展了d a 转换模块，通过程序 为控制场合提供不同大小的直流电压和正弦波等特定电压信号；通过触摸屏接口 的自动a d 转换模块，检测电力现场各种电流电压的大小；通过p w m 脉冲调制接 口输出工控需要的不同宽度的方波电压。为了实现数据互联组成嵌入式监控网 络，该监控系统还外接有c a n 控制模块和i n t e r n e t 接口模块。同时拥有这两种 网络接口，使该系统既可以通过高速现场总线互联成为现场端的监控设备，又可 以通过i n t e m e t 接口连接外网进行信息w e b 发布成为调度端的控制设备，大大提 高了该监控系统使用的灵活性，使统一设备布网成为可能；为了能将电力现场信 息实时的展现给现场的检测人员，该系统接有c r t 和l c d 显示模块，可以通过 程序将现场采集的信息转换成图表通过显示器进行显示：另外该系统还有u s b 接口，可以扩展u s b 接口的摄像头或视频采集芯片对现场图象进行实时采集； 为了适应某些无法布线的特殊工业场合，系统还接有i r d a 低速红外接口，大大 提高了数据传输和人们对设备控制的灵活性；丰富的g p i o ，s p i ，1 2 c 扩展总线接 口可以外接各种声、光、电传感器，实现数据融合，提高检测的全面性和准确性。 6 第二章嵌入式电力监控系统的整体方案 c a n 总线 c a n 控 制模块 调度端嵌入式i 广一 电力监控模块l li n t e m e t 网络 c a n 控 制模块 现场端嵌 入式电力 监控模块 c a n 控 制模块 现场端嵌 入式电力 监控模块 c a n 控 制模块 现场端嵌 入式电力 监控模块 图2 - 1 嵌入式电力监控系统 本系统是功能全面的监控模块，可以根据需要，布局在电力检测网络不同层 面的不同节点上，既可以作为现场端设备又可以作为调度端设备。统一设备布网， 节约成本，联接门槛低，易于组成稳定的嵌入式电力监控网络。系统组成如图 2 1 。 系统主要由数据检测单元、视频输出单元、网络通信单元、数据存储单元和 外设扩展单元组成。如图2 2 所示： 一 d a 转换模块 _ j l - h 数 s d r a m 数据检j 据 测单元 a u 将伙供扶 f l a s h r 存 hp w m 控制模块 储 s p i 串行f l a s h 堕 惨 兀 视频 广1c r t 视频输出模块r e p 9 3 1 5 输出 a r m tt s r 怫口h t ，1 n 呵蛹始埘壮l u 。d1 文“ i外 设 单元 + 一“u 佻训牾0 山供珧 u 脚接口 卜 扩 网络1 以太网接口模块r s 哪“展接口 r 展 蓖 通信 jii- c a n 总线控制模块l g p i o 扩展接口 卜 兀 单元 h i r d a 接口模块 l 图2 2 基于e p 9 3 1 5 的嵌入式电力监控系统结构图 7 第二章嵌入式电力监控系统的整体方案 1 数据检测单元。数据检测单元由输入输出两部分组成。它通过a d 转化模块 采集电力现场的各线电路( a 相，b 相，c 相) 及各线问的电流电压，反馈给a r m 控制单元。a r m 处理器将这些信息通过显示单元显示或者通过网络传给调 度端的控制人员。控制人员通过d a 转换模块和p w m 控制模块输出特定电压 或方波信号以控制各线电路的开关状态和电压大小。 a d 转换模块。e p 9 3 1 5 本身集成触摸屏控制模块，支持4 线，5 线，7 线，8 线触摸屏，有x 轴模式，y 轴模式和压力值等几种工作模式。这些工作模 式由内部的一组逻辑开关矩阵控制，每个开关的通断状态可以通过读写 逻辑开关矩阵寄存器t s d i s c h a r g e ，t s x s a m p l e ，t s y s a m p l e 和t s d i r e c t 来 控制。触摸屏控制模块有自动和手工两种采集模式，通过读写系统设备寄 存器d e v c f g 和触摸屏控制寄存器t s s e t u p 来选择。这两种模式都遵循 特定的采集算法，需要设置每次采集的样点数，最大最小样点值的差值等 关键参数，这些都通过设置特定的寄存器来实现。我们这里只需要采集一 路电压信号，可以按照只采集x 轴信号设置逻辑开关矩阵，将待采集电路 电压信号和a r m 触摸屏控制单元的x 引脚相接，设置采集模式为自动模 式。在每次硬件中断中，切换到手工模式，设置t s d i r e c t 为x 轴模式，手 工采集电压值。这样可以通过每次得到的x 轴换算出待测电路的电压值。 p w m 输出模块。e p 9 3 1 5 本身集成p w m 控制模块。参考时钟是就是a r m 芯片的外接晶振，大小为1 4 7 4 5 6 m h z 。可以同时输出两路方波信号。 通过设置p w m x t e r m c n t 和p w m x d u t y c y c l e 两个寄存器设置每个方波 周期及该周期内正电压所占的比例。通过设置p w m x l n v e r t 寄存器决定 每组方波信号的起始极性。 d a 转换模块。e p 9 3 1 5 外接t i 公司的d a 转换芯片d a c 7 7 1 4 组成d a 转换模块【8 1 。d a c 7 7 1 4 有四路电压输出，串行数字输入，输出电压范围 最大可达1 5 v - + 1 5 v 。双参考电压，当只接正参考电压时则只能输出正 电压，如果接上负参考电压就能输出正负参考电压内的任意值电压。串 行输入接i s l 为仿1 2 c 模式，分别为c l k 和s d i 信号，有自己的输入时序。 每次输入1 6 位数字，最高两位控制四路输出通道的选择，0 0 到11 分别 代表a 到d 四路通道，最低1 2 位为输出电压值。该数值与实际输出电 压值的换算关系如下： v o - r ：x r 。m + 鱼翌= 掣 其中v r e f h 和v r e f l 为高低参考电压，在系统中为+ 1 2 v 和1 2 v 。n 为 8 第二章嵌入式电力监控系统的整体方案 1 2 位的串行数值。串行数据输入的时序如图2 3 所示： ( m s b l(lsb) 锄二工丑至正工丑亘臣工丑= 匹工弓! 正 l i 几几几nn 几几nn 几 i_ - t 。踞c 静呻 卜 ii 制_ 一2 +卜- i f u - _ j 图2 3d a c 7 7 1 4 串行输入时序图 在a r m 端用e g p l 0 0 ，e g p i o i 两个g p i o 信号分别模仿c l k 和s d i 。 e g p l 0 3 信号接d a c 7 7 1 4 的片选信号，以使e g p l 0 0 ，e g p i o i 两个连 接多个1 2 c 设备的信号可以单独使用。e p 9 3 1 5 和d a c 7 7 1 4 接口示意图 如图2 _ 4 所示： e g p l 0 0c l k e g p l 0 1s d i e p 9 3 1 5d a c 7 7 1 4 e g p l 0 3c s 图2 - 4d a 转换模块接口示意图 2 视频输出单元。通过视频输出单元，监控系统可以将检测单元得到的电力现 场信息实时的显示给检测人员。使检测人员对现场情况有直观的了解，对现 场的控制更加方便。e p 9 3 1 5 处理器内置光栅控制单元，外部有视频输出引 脚，可以直接输出视频数据信号和视频时序信号。它既可以直接输出r o b 信号用于l c d 或者c r t 显示，也可以通过内部电路转换输出c c i r 6 5 64 ：2 ：2 的y c r c b 色差信号用于p a l 或n t s c 电视制式的显示。它支持1 2 8 x 3 2 到 1 2 8 0 x 1 0 2 4 的分辨率。像素深度支持4 b p p 、8 b p p 、1 6 b p p 、2 4 b p p 和3 2 b p p 等多种格式。内置硬件像数闪烁模块、2 5 6 色色彩表、灰度增强模块、像数 位移电路、硬件光标等多种图象处理模块，可以根据输出图象的要求进行选 择使用。 另外e p 9 3 1 5 还内置有图形加速单元。通过操作相关寄存器可以实现画线， 画点等简单的绘图功能；还可以在内存中实现大块数据的搬移，使图象可以 9 姒 嚣 蕊一o面 面 第二章嵌入式电力监控系统的整体方案 整帧的替代或传输，大大提高了图象处理的速度。 使用e p 9 3 1 5 的内置光栅控制单元显示图象可以遵循以下步骤来实现： 根据输出的格式( r g b 或者y c r c b ) ，扫描模式以及外接显示芯片 的具体参数配置各种显示时钟信号。包括场时钟信号，场同步信号， 场显示信号，场消隐信号，行时钟信号，行同步信号，行显示信号， 行消隐信号等。它们的数值通过配置光栅控制单元的显示时钟寄存 器组来实现，例如配置v l i n e s t o t a l 寄存器确定场时钟，其他 的场信号的大小都以该时钟值为标准。 配置v i d e o a 厂r r j b s 寄存器选择时钟来源，确定它是否由a r m 芯片内部提供，或者由外接显示芯片提供；确定时钟信号，同步信 号是否输出，以供外部显示芯片使用。 配置显存属性。根据输出图象的分辨率和像数深度，在内存s d r a m 中开辟显存。e p 9 3 1 5 共有四个s d r a m 分区，配置v i d s c r n p a g e 寄存器确定由a r m 哪个内存分区作为显存；配置s c m l i n e s 寄存 器确定行像数的个数：配置l i n e l e n g t h 寄存器确定场像数的个数； 配置v l i n e s t e p 寄存器确定图象数据起始位置在显存中的偏移量。 令配置像数模式。通过配置p i x e l m o d e 寄存器确定颜色模式( 是 1 6 位色还是2 4 位) ，像数深度( 是4 b p p ，8 b p p ，1 6 b p p ，2 4 b p p 还是 3 2 b p p ) ，输出移位模式( 每移位时钟输出多少像数) 。 夺向显存写入图象数据。 夺使能v i d e o a t t r i b s 寄存器，显示输出。 其中最重要的是时钟信号的配置，要根据不同的图象要求和芯片参数选择合 适的时钟。最常见的逐行扫描时序如图2 5 所示： 1 0 第二章嵌入式电力监控系统的整体方案 d o w n x o hx v u n e 珊出v l n 鹞m t l x 一一xt hx o h jv l n 笛t o r l x u n 嘈r 、 ，3 y h c m r i 、 ”g c 盯黑。 、 v c u 酊 f 盯一 ， u r m 、 ：c 1 b 一 、 ， 、 ， 、 嘶- 岛i b 吐a ，曲 ， 叫訾、 、，| lj ，v _ 证- i9 0 j 一愀”一 n t - m , , 4 1、 v a c t i 怩j 、 l ， 、 ， i 、j 一1、i f v 啪t t d d ： s p c u c1 、 1 j 崩n b v l r t i c 4 d ， l n 目c 耕c 吣、 ， h a u 伫汀0 1 ：l lu r 、i 啦l k s t d t d - 一 l a 上舛o p u o i 1 l h 盯懈t 耵 i 1 c 1 1 v l ： s r o o ” _ 、，| h a r _ i 呻t “ a d i d o o h o n i 砌b a g ki l 七朋叫f t 吖 f h 口，r 蚋 n 、ej 、 l _ 一w 嗣j c 3 t o p ：l k 州g 1n 几陀一一一r 订u l 丌 图2 5e p 9 3 1 5 光栅控制模块逐行扫描时序图 c i 玎输出模块。e p 9 3 1 5 的光栅控制模块外接a d i 公司的v g a 输出芯 片a d v 7 1 2 3 构成c r t 输出模块【9 】。a d v 7 1 2 3 是个高性能的数字模拟转 换芯片，输出r g b 三路模拟信号，输入为r g b 三路的数字信号、同步 信号和消隐信号。每路输入数字信号有1 0 b i t 宽度，在这里e p 9 3 1 5 光栅 控制单元的1 8 b i t 数据输出引脚，每路6 b i t 复用2 b i t 组成8 b i t 信号，分 别接在a d v 7 1 2 3 的三路输入引脚上。a d v 7 1 2 3 内部没有配置寄存器无 须软件配置。a d v 7 1 2 3 输出端接c r t 显示器，输入端接a r m 芯片，在 e p 9 3 1 5 上配置完光栅控制模块即可显示图象。a d v 7 1 2 3 的接口如图2 - 6 所示： 第二章嵌入式电力监控系统的整体方案 图2 - 6 v g a 芯片a d v 7 1 2 3 接口 l c d 输出模块。由于l c d 显示屏输入为r g b 数字信号，因此e p 9 3 1 5 无须外接显示芯片，直接将r g b 的数字输出信号接到l c d 屏上即可。 液晶显示器按照控制方式不同可分为被动矩阵式l c d 及主动矩阵式 l c d 两种。目前应用比较广泛的主动矩阵式l c d ，也称t f t - l c d ( t h i n f i l mt r a n s i s t o r - l c d ，薄膜晶体管l c d ) 。t f t 液晶显示器是在画面中的 每个像素内建晶体管，可使亮度更明亮、色彩更丰富及有更宽广的可视 面积。 t f t - l c d 接口信号包括控制信号、数字信号和电源。下面以s h a r p l c d l q 0 5 7 q 3 d c 0 2 为例说明t f t - l c d 的接口信号。 控制信号： e n a b ：使能信号；刚l ：左右扫描方向信号；u d ：上下扫描方向信 号：v q ：v g a 或q v g a 选择信号；c l k ：时钟信号；h s y n c ：水平 同步信号：v s y n c ：垂直同步信号。 数字信号： b l u e 5 ：0 】；g r e e n 5 ：0 】；r e d 5 ：0 。 电源： 1 2 第二章嵌入式电力监控系统的整体方案 v c c ：+ 3 3 电源；g n d ：地。 考虑到信号衰减和较长距离布线，e p 9 31 5 光栅控制单元的数据输出信 号，时钟信号需要经过驱动芯片7 4 l v t h l 6 2 4 5 来加强信号避免衰减。另 外加入多条g p i o 信号，可以通过软件控制l c d 屏的使能、扫描方向选 择、模式选择等功能信号，以匹配多种l c d 屏，加大了设计的灵活性。 l c d 接口如图2 7 所示。 p 一。j v