（计算机应用技术专业论文）基于arm的变电站移动终端控制系统的设计与实现.pdf

大连理【：大学硕士学位论文 摘要 随着3 2 位嵌入式微处理器性能的不断提高及无线网络技术的快速发展，将a r m 微处 理器、嵌入式实时操作系统及无线局域网技术引入电力系统，为其提供了新的安全稳定 的防误操作手段，大大提高了工作效率和安全性。 嵌入式移动终端控制系统是针对变电站“五防”规范化操作，并且应实际需要对当 前变电站防误系统提出的一种改进措施。目前变电站防误系统主要由模拟操作采集板、 微机和防误操作器组成，这种设计虽然满足“五防”基本要求，但系统稳定性不高、占 用空间过大、用户操作复杂且通用性也较差。本文在充分分析现有系统的基础上，为变 电站防误系统提出了基于a r m 嵌入式系统的全新解决方案。 本系统以嵌入式移动终端和基于p c 机的服务器端构成整体结构，通过8 0 2 11 b 无 线局域网实现通讯功能。利用a r m 架构微处理器s 3 c 2 4 4 0 a 强大的性能，移植w i n d o w s c e n e t 实时操作系统，将原微机防误子系统和防误操作器的功能集成至一个移动终端， 并通过无线局域网实现与服务器端的信息同步。和传统防误系统相比，新的设计方案具 有体积小、功耗低、操作简单、通用性强等特点。 本文首先对嵌入式系统及目前变电站防误系统作了简单介绍，同时介绍了选择 w i n d o w sc e n e t 的原因；接着针对应用特点和实际要求对移动终端控制系统进行了规划 设计，对移动终端硬件平台设计作了详细介绍，包括$ 3 c 2 4 4 0 a 最小化运行系统的设计， 人机接口模块、锁具驱动模块和无线局域网通信模块的设计等：然后介绍了系统启动代 码b o o t l o a d c r 的设计与开发，同时详细介绍了w i n d o w sc e n e t 的定制移植，包括针对特 定硬件模块( 如灰度s t nl c d 、按键、锁具操作和p c m c i a 无线网卡) 的设备驱动程 序的开发过程：之后介绍了应用软件的开发，移动终端包括用户操作界面、基于8 0 2 1 l b 的无线局域网通讯模块、c a b 规则数据库查询操作模块和锁具驱动模块的实现，服务器 端包括模拟图形界面和无线通讯模块的实现：最后对全文作了总结并对系统未来的进一 步改进作了展望。 关键词：五防；$ 3 c 2 4 4 0 a ；- i n d o w sc e n e t ：设备驱动；8 0 2 1 1 b 大连理= 人学硕士学位论文 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fm o b i l et e r m i n a lc o n t r o l l i n gs y s t e m o na r mf o rt r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n a b s t r a c t w j t ht h ei m p r o v e m e n to f3 2 b i tm i c r o p r o c e s s o ra n df a s td e v e l o p m e n to fw i r e l e s s n e t w o r k ，i n t r o d u c ea r mm i c r o p r o c e s s o r , e m b e d d e dr e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e ma n dw i r e l e s s n e t w o r k t e c h n o l o g yi n t o e l e c t r i cp o w e rs y s t e m ，t o p r o v i d ean e wk i n do fs a f em i s t a k e p r e c a u t i o n ，i m p r o v et h ew o r ke f f i c i e n c ya n ds e c u r i t yg r e a t l y t h em o b i l et e r m i n a lc o n t r o l l i n gs y s t e mi sa ni m p r o v e dm e a s l l f eo ft h eo l dt r a n s f o r m e r s u b s t a t i o nm i s t a k ep r e c a u t i o ns y s t e ma c c o r d i n gt o f i v er u l e s ”a n da c t u a lr e q u i r e m e n t o l d s y s t e mo np ci sc o n s i s t so fs i m u l a n to p e r a t i n gb o a r d p ca n dm i s t a k ep r e c a u t i o nd e v i c e a l t h o u g ht h i sk i n do fd e s i g ni ss a t i s f i e dw i t ht h eb a s i cd e m a n do f “f i v er u l e s ”，i th a sp o o r s t a b i l i t y ，i sc o m p l i c a t e di no p e r a t i n g b a s e do l lt h ef u l l ya n a l y s i so fo l ds y s t e m ，t h i sp a p e r p r o p o s e sa ne n t i r e l yn e ws o l u t i o nw h i c hi sb a s e do na r m e m b e d d e ds y s t e m t h es y s t e r ni sm a i n l yc o n s i s t so ft h ee m b e d d e dm o b i l et e r m i n a la n dp c a n dt h e y c o m m u n i c a t et h r o t l g h8 0 2 1 l bw i r e l e s sl a n w i t ht h eh i g hp e r f o r m a n c eo fa r m a r c h i t e c t u r e m i c r o p r o c e s s o r $ 3 c 2 4 4 0 a , t r a n s p l a n tt h ew i n d o w sc e n e t i n t e g r a t t h e f u n c t i o n so ft h ep r e v i o u sm i s t a k ep r e c a u t i o ns y s t e ma n dm i s t a k ep r e c a u t i o no p e r a t i n gd e v i c e i n t oo n em o b i l et e r m i n a ld e v i c e a n dm a k et h ec o h e r e n c eo ft h ek n i f e s s t a t et ot h es e r v e r t h r o u g hw i r e l e s s “埘c o m p a r e dw i t ht h eo l ds y s t e m ，n e ws o l u t i o nh a ss m a l l e re r v o l u m e ， l o w e rc o n s u m p t i o n ，e a s i e ro p e r a t i o na n dm o r ec o m m o n a b i l i t y t h ep a p e rf i r s tm a k e sa ni n t r o d u c t i o nt ot h ee m b e d d e ds y s t e ma n do l dm i s t a k e p r e c a u t i o ns y s t e m a n ds h o wt h er e a s o nf o rs e l e c t i n gw i n d o w sc e n e t t h e ni n t r o d u c e st h e h a r d w a r ep l a t f o r m ，i n c l u d i n gt h ed e s i g no ft h em i n i m a lr u n n i n gs y s t e mo fs 3 c 2 4 4 0 a , t h e m a n m a c h i n em o d u l e ，t h el o c kd r i v e rm o d u l ea n dt h ec o m m u n i c a t i o nm o d u l e t h e n i n t r o d u c e st h et r a n s p l a n t i n go fw i c ea n dt h ed e v e l o p m e n to fb o o t l o a d e r a n dd e t a i l e d l y i n t r o d u c e sd e v e l o p m e n tp r o c e d u r eo fd e v i c ed r i v e ri nw i n c ef o rs p e c i a lh 盯d w a r em o d u l e ( s u c ha s “、d ，k e v b o a r d ，l o c ka n dp c m c i aw i r e l e s sl a nc a r d i ns u c c e s s i o n ，i n t r o d u c e st h e d e v e l o p m e n to fu s e rp r o g r a m ，i n c l u d i n gu s e ro p e r a t i n gi n t e r f a c e ，c o m m u n i c a t i o no fw i r e l e s s l a nb a s e do n8 0 2 1 l b ，r u l e sd a t a b a s em o d u l ea n dl o c kd r i v e rm o d u l eo ft h em o b i l et e r m i n a l ， a n dg r a p h i ci n t e r f a c ea n dt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l eo fs e r v e r a tl a s t ，i tm a k e sa s u m m a r y t ot h ep a p e r ，a n dp u t sf o r w a r di nt h ef u t u r eo nt h ef u r t h e ri m p r o v e m e n t k e yw o r d s ：f i v er u l 姻；s 3 c 2 4 4 0 a ；w i n d o w sc e n e t ；d e v i c ed r i v e r s ；8 0 2 1 i b 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除歹文串特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：垒塾日期：型! 坠垄 人连理t 大学硕士学位论文 _ _ - - _ _ h 一 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名： 盖教 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 嵌入式系统概述 随着半导体技术的发展，越来越多的设备开始具备“智能”，而嵌入式系统就是各 种设备里“智能”的实现手段。今天，嵌入式系统已经融入到我们工作和生活的各个领 域，发挥着重大的作用。我们身边的大到飞机、汽车，d , n 遥控器、手机，里面都有嵌 入式系统在默默的工作。 嵌入式系统一般指非p c 系统，它是与常见的微型机系统和专用的大型、小型机系 统相对而言的。它是以应用为中心、以计算机技术为基础，软硬件可裁减、适应应用系 统对功能、可靠性、成本、体积和功耗等综合性要求的专用计算机系统，是硬件和软件 的有机结合体，并以硬件的形式表现【i j 。 ( 1 ) 嵌入式系统的特点 嵌入式系统是集软硬件于一体可独立工作的“器件”，硬件包括处理器、存储器及 各种外设等，它有别于一般的计算机系统，没有像硬盘那样的大容量存储介质，而大多使 用f l a s hm e m o r y 作为存储介质；软件包括操作系统和应用软件。应用程序控制着系统 应用的运作和行为；而操作系统控制应用程序的调入、退出、调度与硬件的交互作用。 嵌入式计算机系统与通用型计算机系统相比，具有以下特点叫： 通常面向特定应用，嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中，具有 低功耗、小体积、高集成度等特点，可将通用c p u 、由板卡完成的任务集成在芯片内部， 有利于嵌入式系统趋于小型化，器件移动能力大大增强，跟网络的耦合也越来越紧密： 嵌入式系统的硬件和软件都必须以高效运行为设计目标，力争在同样的硅片面 积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具竞争力； 因为嵌入式系统和具体应用有机结合在一起，其升级换代也和具体产品同步进 行，所以嵌入式系统产品一旦进入市场，一般都具有较长的生命周期： 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯 片或单片机之中，而不是存贮于磁盘等载体中。 嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使在设计完成后，用户也不能对其中的程 序进行修改，而是必须有一套开发工具和环境才能进行开发。 ( 2 ) 嵌入式系统的现状与发展趋势 嵌入式系统技术具有非常广阔的应用前景，在工业控制、交通管理、信息家电、电 信设施、医疗保健设备、环境监测、机器人、p d a 等领域扮演着越来越重要的角色。随 孟敏：基于a r m 的变电站移动终端控制系统的设计与实现 着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式系统技术也将获得更广阔的发展空间。上世 纪末，嵌入式技术全面展开，目前已成为工业控制、通信和消费类产品的共同发展方向， 软件、集成电路和新型元器件在产业发展中的作用日益重要，所有上述产品都离不开嵌 入式系统技术。嵌入式系统已有3 0 多年的历史，但从来没有像现在这样风靡p j 。 信息时代使嵌入式产品获得巨大的发展机遇，可看出未来嵌入式系统的发展趋势： 嵌入式开发是一项系统工程，因此要求嵌入式系统厂商不仅要提供嵌入式软硬 件系统本身，还要提供其他的硬件开发工具和软件包支持； 网络化信息化的要求随着因特网技术的成熟、带宽的提高而日益提高，使得以 往单一功能的设备功能不再单一，结构更加复杂； 网络互联成为必然趋势，硬件上要求提供各种网络接口及相应的通信组网协议 软件和物理层驱动软件，软件上系统支持网络模块，可在设备上嵌入w e b 浏览器； 精简系统内核、算法，降低功耗和软硬件成本； 提供友好的多媒体人机界面。 ( 3 ) 嵌入式系统的开发流程 在嵌入式系统的应用开发中，整个系统的开发过程如图1 1 所示。 否 图1 1 嵌入式系统开发流程 f i g 1 id g v e l o p p i n g f l o w o f e m b e d d e ds y s t e m ( 4 ) 嵌入式系统的选型原则 硬件平台的选择 嵌入式系统的核心是嵌入式c p u ，嵌入式开发硬件平台的选择主要是c p u 的选择。 系统使用何种c p u 内核主要取决于应用领域、用户需求和成本等因素。常见的嵌入式 c p u 内核体系有x 8 6 、a r m 、m i p s 和s h 等，其中a r m 体系的c p u 应用最为广泛【4 】。 大连理工大学硕士学位论文 确定c p u 内核后，就要综合考虑系统的外设需求以选择一款合适的处理器，主要因素 有：有无串行口和u s b 总线、有无以太网接口、是否需要1 2 c 和s p i 总线或i i s 总线、 是否需要a d 或d a 转换等，还要考虑c p u 的寻址空间，有无片上f l a s h ，c p u 是否 易调试和仿真及调试工具的成本和易用性等因素。实际开发中，挑选最好的硬件是一项 很复杂的工作，充满各种顾忌和干扰，包括其它工程的影响及缺乏完整或准确的信息等。 操作系统的选择 首先，操作系统并不是必要的，即使对于采用3 2 位的复杂嵌入式系统也是如此。 比如一个指纹识别系统，只是完成简单的指纹录入和指纹识别，之后给出开关信号量， 它在指纹识别过程中需要高速复杂的算法，所以需要3 2 位处理器，但任务并不复杂， 也不牵涉复杂的协议和管理，没有安装操作系统的必要。但是如果系统运行较多任务， 需要大量协议支持，或需要很好的图形用户接口g u i 等，应该考虑使用操作系统。 工业控制领域因为需要一般应选择实时系统，总体上可分为商用型和免费型两种。 商用型系统功能稳定可靠，有完善的技术支持和售后服务，但往往价格昂贵，如w i n d o w s c e ；免费型系统在价格上具有优势，目前主要有m i n u x 和b t c o s ，不管选用何种系统， 都要考虑到操作系统的硬件支持、开发工具的支持程度和能否满足应用需求等。选择一 款既能满足应用需求，性价比又最佳的实时操作系统，直接影响系统开发的顺利进行。 1 2 嵌入式操作系统的选择 1 2 1 常见嵌入式操作系统 嵌入式操作系统的发展与嵌入式系统的发展密切相关，都是当代计算机技术飞速发 展带来的硬件小型化、微型化及软件技术深入发展的产物。目前常见的人机界面良好、 易于开发应用程序的嵌入式操作系统有w i n d o w s c e n e t 、p a l m o s 和斗l i n u x 等。 ( 1 ) w i n d o w sc e n e t 个紧凑、高效、多平台的操作系统，是为资源有限的硬件平台全新设计的多线程、 占先式多任务的3 2 位嵌入式o s ，采用模块化设计，较容易被定制以适应从消费类电子 产品到工业用控制器的广阔应用领域； ( 2 ) p a l m o s 由p d a 操作系统开发的先驱者p a l mc o m p u t i n g 公司开发的3 2 位嵌入式操作系统， 采用开放式的架构，最大特点是省电及系统资源开销少，占据着p d a 市场的最大份额； ( 3 ) 嵌入式l i n u x 一种开放源码、软实时、多任务的嵌入式操作系统，是在标准l i n u x 的基础上针对 嵌入式系统进行内核裁减和优化后形成的，已被移植到多种硬件平台上，内核高效稳定， 孟敏：基于a r m 的变电站移动终端控制系统的设计与实现 并具备完善的网络通信和文件管理机制。 1 2 2w in d o w sc e n e t 应用于工业控制领域的优势 本系统根据实际应用对工业控制系统的功能和性能提出了许多新要求，例如适应恶 劣的工作环境、友好的用户界面及强大的通信功能等，一些嵌入式操作系统很难满足这 些新需要。工业控制领域的操作系统需要严格的实时处理能力、高可靠性，对人机界面、 开发环境和成本也有特别的要求。w i n d o w sc e n e t 很好的解决了以上问题，尤其是极大 的改善了实时性能，完全能够胜任工业控制中对实时响应的要求。 实时性是嵌入式系统性能的重要标准，其强弱以完成规定功能和做出响应时间的长 短来衡量嘲。提高硬件能力可在一定程度上提高系统的实时性，但当硬件条件确定后， 实时系统的性能主要由操作系统决定。本系统需在规定时问内完成操作，控制终端就必 须在规定时间内完成对设备的控制，w i n c e 提供了实时响应的特性，w i n c e 3 0 以后版 本的内核极大的增强了实时性能，其中断处理机制和线程优先级机制为实时应用提供了 很大方便，能对时间敏感的i o 操作做出高速响应，完全满足本系统的需求。 从开发者的角度，w i n d o w sc e n e t 提供了w i n d o w s 程序员熟悉的各种开发环境，它 支持通用m i c r o s o f tw i n 3 2a p i 和其它的编程接口，包括c o m 、m f c 、a c t i v c x 和a t l 等， 其模块化的设计方式使得开发人员能够为多种多样的产品来定制它【6 】。不仅有助于提高 开发者的开发效率，而且有利于从其他w i n d o w s 平台上移植各种成功的应用程序。 此外，w i n d o w sc e 通过a c t i v e s y n c 实现嵌入式设备与台式计算机之间的通信， a c t i v e s y n c 提供了串行口、红外线接口和网络电缆这些常用的通信手段。 1 3 课题的产生 供电系统中电力系统的不断发展和人民生活水平的提高，使得对供电质量和可靠性 的要求也越来越高，电气刀闸操作则是构成这两项指标的重要因素，因此电力系统的运 行十分强调安全，电气操作要严格遵守“五防”的要求1 7j ，它是针对运行人员发生误拉、 误合断路器、带负荷拉合隔离开关、带电挂接地线合接地刀闸、带接地线按地刀闸送 电、误入带电间隔而采取的积极措施，减少误操作。 目前各个次和二次变电站的防误系统包括防误锁具、主机、模拟盘和操作器，模 拟盘完全模拟了现场刀闸的实际位置分布和状态( 分，合) 。系统用工控机作为主机，通 讯上采用4 8 5 总线式半双工通讯协议，主机防误软件接收模拟盘采集到的刀间状态信息， 并将正确操作传给操作器，从而通过操作器驱动锁具的防误措施。但是在现场安装及用 户的使用过程中不断出现了一系列的问题，不仅存在成本高、体积大，不便于安装、操 作和维护等弊端，还大大浪费了主机的资源；采用机械式的防误锁具，故障率高，经常 大连理工大学硕十学位论文 出现接口卡涩、接触不良从而导致不能开锁的情况；一次变电站较大的模拟屏系统，刀 闸信号采集点处容易接触不稳定，更新换代代价较高；此外先预演，再传输，然后拿着 操作器到现场进行实际操作，一系列的操作步骤对操作人员来说比较繁琐，不够方便。 近年来，随着嵌入式和通信技术的飞速发展，嵌入式设备在工业控制、消费类电子 产品及各种移动终端设备上以其成本较低、体积小巧和运算能力较高，逐步取代了一些 原先需要由计算机控制的产品。嵌入式移动终端控制系统，正是应实际工程需要，并仔 细研究和分析现状，研制具有自主知识产权并尽快推向各电力部门而产生的。本系统是 通过对目前市面上比较常见的嵌入式硬件系统和嵌入式操作系统进行分析、比较和仔细 研究，并考虑到能够移植原有防误软件至嵌入式系统平台的基础上，最终决定以 s a m s u n g 公司的$ 3 c 2 4 4 0 a 作为硬件系统的控制核心、w i n d o w sc e n e t 作为嵌入式操作 系统，在原有防误软件和驱动锁具的操作器程序的基础上，设计适合于移动终端系统的 防误和驱动锁具的软件，并将其移植至成功搭建的嵌入式硬件平台。基于p c 机的服务 器端，在保留原防误软件的图形界面的基础上，增加基于8 0 2 1 l b 无线局域网协议的通 信功能，提供和移动终端的信息交互，以达到实时显示系统各刀闸状态的目的。 1 4 本文主要工作内容 本课题是在较为充分的研究了嵌入式系统硬件平台设计、软件环境和支持软件的基 础上应用户的需求而提出的一种全新解决方案。通过研究现有相关技术的最新成果，阅 读了大量的相关资料和源代码，结合实际的用户需求，提出了一些行之有效的实现方法。 本文的主要工作内容如下： ( 1 ) 研究了3 2 位嵌入式技术的特点、开发流程和选型原则，重点研究了$ 3 c 2 4 4 0 a 的特性和工作原理，针对应用特点和要求设计出嵌入式移动终端的整体结构； ( 2 ) 认真研究分析了当前几种主流嵌入式实时操作系统的特点，最后选择w i n d o w s c e n e t 作为移动终端的操作系统： ( 3 ) 以s 3 c 2 4 4 0 a 为核心，结合f l a s h 、s d r a m 、l c d 、键盘、p c m c i a 接口及以 太网接口等外围模块和实验室同学共同搭建了移动终端的硬件平台； ( 4 ) 系统b o o t l o a d e r 启动代码的设计与实现，针对特定硬件模块( 如l c d 、键盘、 锁具、p c m c i a 无线网卡和电池监测) 开发相应的设各驱动程序，并利用p l a t f o r m b u i l d e r 定制移植w i n d o w sc e n e t 至移动终端； ( 5 ) 系统软件设计与实现，移动终端主要包括用户操作界面、基于8 0 2 1 l b 的无线 局域网通讯模块、规则数据库模块和锁具驱动模块的实现，服务器端主要包括模拟图形 界面和无线通讯模块的实现。 孟敏：基于a r m 的变电站移动终端控制系统的设计与实现 2 系统的总体设计 在详细介绍总体设计之前，有必要先了解一下目前变电站防误系统的基本原理。 2 1 目前变电站防误系统概述 目前变电站防误系统主要由三部分组成，分别为模拟操作板采集子系统、计算机子 系统和防误操作器子系统。系统结构如图2 1 所示。其中n 由变电站的总线路数决定。 图2 1 原防误系统结构 f i g 2 1t h ef o r m e rm i s t a k ep r e c a u t i o ns y s t e ma r c h i t e c t u r e ( 1 ) 模拟操作板采集子系统 根据现场实际情况，前置级采用十六选一的多路选择器选通每条线路上的各个测试 点状态，它采用循检的方式监视刀闸状态，并可将任一刀闸的变化立即发送到4 8 5 总线 进而传至上位机。该模块采用r s 2 3 2 转r s 4 8 5 通信转换芯片加强与主机通信的可靠性。 ( 2 ) 计算机子系统 考虑到系统连续工作的稳定性，选用工控机作为主机。防误软件中预先编写了变电 站电气系统接线模拟图和所有设备的操作规则，检查和记录正确操作，并在错误操作时 报警，修正错误之前禁止用户的其他操作。主机与模拟板采集卡及防误操作器之间均采 用了r s 4 8 5 总线式半双工通信模式。 ( 3 ) 防误操作器子系统 首先操作器从计算机串口接收模拟操作校验正确的操作序列，然后操作人员按操作 器显示的顺序操作相应线路上的相应刀闸。只有当操作器上显示的线路、刀闸号编码和 实际线路上防误锁具的线路及刀闸编码一致时，防误锁才解锁，操作人员才能操纵刀闸。 2 2 移动终端控制系统方案的提出 如1 3 节中介绍的，目前变电站防误系统出现了一系列的问题，给用户的操作带来 了很大的不便，笔者通过充分研究和调查目前嵌入式系统的发展状况，了解到嵌入式设 大连理工大学硕士学位论文 各在工业控制、消费类电子产品及各种移动终端设备上以其成本较低、体积小巧和运算 能力较高的特点，逐步取代了一些原先需要由计算机控制的产品。嵌入式移动终端控制 系统，正是基于变电站防误系统提高稳定性、使用方便、安装和维护简单、降低成本等 因素，为辽宁省阜新市六家子一次变电站提出的一种改进措施。 变电站的日常停送电操作在整个变电站范围内的户内或户外进行，户内主控室设置 一台p c 机作为服务器实时监测并显示现场刀闸等设备的状态( 分合) ，移动终端是整 个系统的核心，负责系统的防误和驱动锁具的操作，操作人员将要操作的线路号、刀闸 号和要进行的操作( 分合) 输入移动终端，之后对户内或户外的现场刀闸等设备进行实 际操作，并将该操作通过8 0 2 1 l b 无线局域网传送至服务器以实时显示当前设备状态。 根据移动终端的功能需求，以及现在市场上的成熟技术，我们采用“a r m 硬件平台 + 嵌入式操作系统+ 应用层软件”的系统架构来设计移动终端 8 】。本系统主要由两大部 分组成：移动终端软硬件系统和服务器端应用程序，如图2 2 所示。 无线局域网 ( i e f _ e s f l 21 1 ) 移动 终端 图2 2 移动终端控制系统结构 f i g 2 2t h em o b i l et e r m i f l a lc o n 昀1 l i n gs y s t e ma r c l l i t e c t u r e ( 1 ) 服务器端 利用p c 机作为服务器端运行应用程序，使用v c + + 6 0 开发，保留了原防误软件的图 形显示界面部分，添加了基于8 0 2 il b 协议的无线局域网通讯功能，实现与嵌入式移动终 端的信息交互。主要功能包括保存变电站所有刀闸等设备的状态信息；通过无线局域网 为移动终端提供变电站内所有刀闸、地线等设备的初始化状态信息；接收嵌入式移动终 端操作的刀闸等设备的状态信息，并实时显示该刀闸的最新状态。 ( 2 ) 移动终端 移动终端是综合了原一次变电站防误系统中的模拟盘子系统和防误操作器子系统 而提出的一种改进措施。它以s a m s l l n g 公司的$ 3 c 2 4 4 0 芯片为系统硬件控制核心，采 用w i n d o w sc e n e t 作为嵌入式操作系统，配备有2 4 0 3 2 0 的灰度s t nl c d 显示屏和 按键，可以为用户提供一个友好且易操作的人机交互界面，同时扩展出p c m c n 接口 并通过无线网卡接入无线局域网，经过访问点a p 实现和服务器的信息交互。 盂敏：基于a r m 的变电站移动终端控制系统豹设计与实现 移动终端功能上主要由以下几个模块组成：控制处理模块、输入输出模块、存储模 块、锁具驱动模块、无线网络模块和调试接1 ：1 模块，如图2 3 所示。 图2 3 嵌入式移动终端模块框图 f i g 2 3t h e s t r u c t u r eo f t h ee m b e d d e dm o b i l et e r m i n a l 控制处理模块 该模块主要由基于a r m 9 2 0 t 内核的1 6 3 2 位r i s c 嵌入式微处理器s 3 c 2 4 4 0 a 构 成，根据应用针对此控制芯片定制并移植w i n d o w sc e n e t 作为嵌入式操作系统，实现 对整个系统的管理与控制。 输入输出模块 该模块主要由分辨率为2 4 0 3 2 0 的灰度s t nl c d 显示屏和6 个按键组成，为用户 提供操作界面，并能够响应用户的按键请求。 存储模块 该模块主要由6 4 m b 的r a m 和6 4 m b 的r o m 组成，r a m 用来存储程序运行时的 临时命令和数据，r o m 用来存储w i n c e 镜像文件、应用程序及c d b 数据库文件等。 锁具驱动模块 该模块通过响应用户的按键命令，调用相应的设备驱动控制微处理器的i o 引脚， 并经过放大电路产生驱动信号驱动相应刀闸的锁具，从而达到开锁的目的。 无线网络模块 本系统采用桥接芯片p d 6 7 1 0 经$ 3 c 2 4 4 0 a 的外部总线扩展出6 8 脚的标准p c m c i a 卡接口，连接标准p c m c i a 卡接口的无线网卡，通过提供p d 6 7 1 0 的驱动程序，为上层 应用提供底层的网络服务。 调试接口模块 该模块主要包括j t a g 接口、由c s 8 9 0 0 a 芯片提供的以太网接口、主从u s b 接口和 标准r s 2 3 2 串行口接口，调试时连接宿主机( p c 机) 用于操作系统的启动代码b o o t l o a d e r 的下载、操作系统镜像的下载、应用程序的同步和查看调试信息。 8 大连理工大学硕士学位论文 3 移动终端硬件平台的搭建 3 1a r m 微处理器8 3 0 2 4 4 0 a 的选择 ( 1 ) $ 3 c 2 4 4 0 a 的选择 嵌入式微处理器是嵌入式系统的核心，微处理器的选择常常会限制操作系统的选 择，操作系统的选择又会限制开发工具的选择。 根据应用选择嵌入式操作系统 考虑到原防误系统主机端的防误软件在w i n d o w s 下采用v c + + 6 0 开发而成，操作 器采用单片机c 语言编制而成，综合各种应用需要和性能要求，同时为了更方便的移植 原有的防误及锁具操作软件至移动终端，减短开发周期，并结合本系统的人机交互界面、 通信和开发环境等因素，我们选择了w i n d o w sc e n e t 作为嵌入式操作系统。 根据嵌入式操作系统选择处理器内核 目前w i n d o w sc e n e t 支持的处理器主要有x 8 6 ，p o w e r p c ，a r m ，m i p s 等【9 】，其 中a r m 是近年来在嵌入式系统中很有影响力的微处理器架构，在同等处理器主频下， a r m 内核的芯片面积最小，功耗最低，价格也最低廉，在性能、技术指标、软件支持 工具、内置调试工具和开发资料等方面都有优势。考虑到本系统移动终端的体积、功耗、 成本等因素，最后决定选择a r m 内核的处理器。 $ 3 c 2 4 4 0 a 的选择 w i n d o w sc e n e t 的运行要求处理器有较高的处理速度，支持m m u 单元，必须选择 a r m 9 以上型号的处理器，同时考虑到处理器内部尽可能集成系统所需的外设接口，如 本系统所需的l c d 控制器、i i c 总线、a d 转换器及系统调试所需的串行接口、u s b 接口等，同时在借鉴了实验室开发的基于$ 3 c 2 4 1 0 的仓储盘点机系统的经验后，我们最 后选择了s a r n s u n g 公司的$ 3 c 2 4 4 0 a 这一陛价比非常高的嵌入式微处理器。 ( 2 ) a r m 简介 越t m 系列是英国先进r i s c 机器( a r m ) 公司的产品。a r m 公司把a r l 4 作为知 识产权i p 推向嵌入式处理器市场，目前a r m 微处理器的应用占据3 2 位r i s c 微处理 器7 5 以上的市场份额，在低功耗、低成本的嵌入式领域确立了其市场领导地位【1 0 】。 a r m 体系的处理器拥有最好的性价比和性能比；最小的芯片面积，必要的处理能 力；加上低功耗以及非常灵活和多样的产品线【1 1 】。a r m 内核采用相对简单的5 级流水 线，使得芯片结构变得简单，还革命性的采用了1 6 位t h u m b 指令集。t h u m b 指令集是 a r m 指令集的一个子集，由3 2 位指令经代码压缩而成，大大提高了运行效率。为进一 孟敏：基于a r m 的变电站移动终端控制系统的设计与实现 步简化系统结构，a r m 处理器把浮点运算单元f p u 、内存管理单元m m u 的配置作为 a r m 内核的选项而不是标准配置，这使得a r m 内核拥有最简单的结构，从而减小了 a r m 内核的芯片面积，减少了开发、，升级、优化内核成本，进而降低了功耗和价格【l 2 】。 目前非常流行的a r m 内核有a r m 7 t d m i 、s t r o n g a r m 、a r m 7 2 0 t 和a r m 9 t d m i 等。 a r m 内核的架构已发展并定义了6 种不同的版本，现在芯片种类较多的是基于 a r m v 4 a r m v 6 体系的内核【1 3 】。a r m v 4 舢孙6 体系内核的特点如表3 1 表述。 这里先简单介绍一下a r m 内核所应用的一些新技术t 1 4 1 ： t r u s t z o n e 一个有关系统安全的扩展特性，在系统内核中实现，可保护系统内存和外设资源； d s p 对d s p 指令的扩展功能，而且完全兼容a r m 内核原有的指令集； j a z e l l e 该技术让a r m 内核的指令执行增加了一个j a v a 状态，该状态下a r m 内核可像 j a v a 虚拟机那样执行j a v a 指令，大大提高了j a v a 程序执行效率。 表3 1a 脒内核架构及其所支持的特性 t a b 3 1a r mk e r n e la r c h i t e c t u r ea n d s u p p o r t e df e a t u r e s 3 2 移动终端硬件设计及实现 从$ 3 c 2 4 4 0 a 较高的运行速度、系统性能和成本，同时借鉴实验室曾开发的3 2 位 嵌入式手持设备的经验等因素综合考虑，我们采用了当前比较流行的模块化设计方案， 即将整个系统分为核心板和底板两大模块分别设计。核心板集成了基于$ 3 c 2 4 4 0 a 的最 小化运行系统，由于$ 3 c 2 4 4 0 a 是一款f b g a 封装的高速处理器，需使用多层电路板设 计，采用了六层板的设计方案。底板采用普通的两层板设计方案，集成了移动终端所需 的各接口部件，包括人机接口、按键、扩展的p c m c i a 无线网卡接口、锁具操作接1 3 、 声音报警接口、u s b 接口、串口、以太网接口等。移动终端硬件设计框图如图3 1 所示。 大连理工大学硕士学位论文 l 竺竺尸攀 曼 厂磊p 穆动终端最小 t l k i t 囊据息艘 巨 臣三习一 纯运行系统 岢 cs a c 2 “o a 、 g g 陌忑i 卜一 s d l t 噩、 弛l 船f i 出) l 竺竺竺呈卜 - 驱动f 膀 一 镀 面w 磊面p c 具 图3 1 移动终端硬件框图 f i g 3 1h a r d w a r ea r c h i t e c t u r eo f m o b i l et e r m i n a l 移动终端硬件平台中，选择s a m s t m g 公司的$ 3 c 2 4 4 0 a 作为嵌入式微处理器。 在存储上，n a n df l a s h 为大容量固态存储提供相当高的性价比，系统选用s a m s u n g 公司的n a n df l a s hk 9 f 1 2 0 8 作为f l a s hm e m o r y ，容量为6 4 m b ，系统可直接从n a n d f l a s h 启动；s d r a m 采用的是h y n i x 公司的h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 ，容量是4 b a n k s 4 m 1 6 b i t ， 使用2 片实现3 2 b i t 的位扩展，总容量为6 4 m b ，其地址空间映射在$ 3 c 2 4 4 0 a 的b a n k 6 。 在人机接口上，采用了一块2 4 0 3 2 0 的灰度s t n l c d 显示屏为甩户提供操作界面， 输入上由6 个按键通过i o 口传给c p u 以响应用户的请求。 在网络接口上，通过桥接芯片p d 6 7 1 0 扩展出$ 3 c 2 4 4 0 a 与无线网卡间的p c m c i a 接口，实现与服务器的数据交互；同时通过c s 8 9 0 0 a 网卡芯片实现与宿主机的数据交 互。系统通过a l t e r a 公司的e p m 7 0 3 2 可编程逻辑芯片从s 3 c 2 4 4 0 a 的外部总线扩展出 i s a 总线接口用于连接p d 6 7 1 0 和c s 8 9 0 0 a 。 此外，在锁具中放置了一片e e p r o m ，s 3 c 2 4 4 0 a 通过1 1 c 总线读取e e p r o m 中 的锁具i d 信息，并通过i o 引脚经放大产生锁具的驱动信号。 3 2 1 $ 3 c 2 4 4 0 a 最小化运行系统 $ 3 c 2 4 4 0 a 最小化运行系统主要由$ 3 c 2 4 4 0 a 、s d r a m 存储器接口、f l a s h 存储器 接口、复位电路和晶振电路组成。 ( 1 ) $ 3 c 2 4 4 0 a 简介 $ 3 c 2 4 4 0 a 是s a m s u n g 公司最近推出的一款主频高达4 0 0 5 0 3 m h z 的1 6 3 2 位 r i s c 嵌入式微处理器，主要面向手持式设备以及高性价比、低功耗的应用。能满足嵌 入式系统中的低成本低功耗高性能小体积的要求。$ 3 c 2 4 4 0 a 基于a r m 9 2 0 t 内核，采 孟敏：基于a r m 的变电站移动终端控制系统的设计与实现 用0 1 3 u r nc m o s 制造工艺，它的小巧低功耗全静态设计特别适合于价格和功耗敏感的 系统设计【” 。它采用了一种全新的总线设计结构a m b a 。a r m 9 2 0 t 内核实现了 m m u z m v l b a 总线和分离的指令和数据c a c h e 哈佛结构。 $ 3 c 2 4 4 0 a 内部具有独立的1 6 k b 指令和1 6 k b 数据c a c h e ，m m u 虚拟内存管理单 元，使得程序运行和数据存储更加高效，并可以支持w i n d o w $ c 1 3 n e t 、肛l m u x 和“c o s i i 等多种业内主流的嵌入式操作系统。此外，