（电路与系统专业论文）嵌入式电力系统多功能录波仪的设计与实现.pdf

中文摘要 摘要；随着我国国民经济的快速发展，全国电网初步形成。电力网络不断扩大和 区域网互联，使 | 导电力系统的行为变褥越来越复杂。作为记录电力系统瞬态的录 波仪，其功能也需要不断地完善，才能满足不断发展的电力系统的要求。全球定 位系统( g p s ) 、以太网络、数字信号处理器( d s p ) 、嵌入式计算机等计算机技术 的飞速发展，为录波装置的性能改善提供了必要条件。 录波仪的发展在国内已经取得了一些进展，但相比较国外的发展，仍有很大 的差距。提高录波仪中的计算机鼹络技术和数据通讯技术的应耀将是提高录波仪 性能的一个重要方向。本论文针对目前国内录波仪存在存储容量小、通讯速率低、 测量逶道少，测量模块单一等问题，基于高性能的专用数字信号处理器( d s p 、 新一代嵌入式微处理器a r m 9 以及稳定的嵌入式l i n u x 操作系统，提出了一种新 的多功能录波仪的设计方案。该系统豳d s p 系统、a r m 系统和上位机界面三个子 系统组成。在d s p 系统中实现了实时数据、录波数据的采集与传输；在a r m 系 统功中实现了实时数据和录波数据的传输，录波文件的存储及检索；上位机则负 责接收实时数据和录波数据，并进行显示与分析。本论文重点研究了a r m 系统下 的数据传输、储存与检索以及与d s p 系统、上位机界面之间的通信。其功能的实 现采用了嵌入式l i n u x 多线程及鼹终通讯套结字技术。最后，论文对系统进行了功 能测试与系统调试，系统基本上实现了设计的要求。 本文设计的电力系统多功能录波仪，由于其具有实时性强、可扩展性好、存储 容量大、录波通道多、软件功能灵活，具有强大的数据分析功能等诸多优点，将 广泛应用于电力系统继电保护试验、发电机励磁试验等各个方面。 关键谣：录波仪；d s p ；a r m ；嵌入式l i n u x ；多线程；套接字 分类号：t m 7 7 4 a bs t r a c t a b s t r a c t ：、m t l lt h er a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n e s en a t i o n a le c o n o m y , t h en a t i o n a l p o w e r 鲥dh a sf o r m e di n i t i a l l y t h et r e n do fp o w e rs y s t e mi se x p a n s i o no fn e t w o r k s a n di n t e r l i n ko fl o c a la r e an e t w o r k s ，a n dt h ep e r f o r m a n c eo f p o w e rs y s t e mi sm o r ea n d m o r ec o m p l e x r e c o r d e r , a sap a r to f r e c o r d i n gp o w e rs y s t e mt r a n s i e n ts t a t e ，n e e d st o i m p r o v ei t sf u n c t i o n s ，w h i c hc a nm e e tt h ed e m a n do fc o n t i n u o u s l yd e v e l o p i n gp o w e r s y s t e m t h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g i e sp r o v i d et h en e c e s s a r y c o n d i t i o n st oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fr e c o r d e r , s u c ha sg l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ( g p s ) ，e t h e m e t ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) ，e m b e d d e ds y s t e ma n ds oo n t h ed e v e l o p m e n to fr e c o r d e ri no u rc o u n t r yh a sm a d es o m ep r o g r e s s ，b u t c o m p a r e dt o o v e r s e a sd e v e l o p m e n t ，t h e r ea r es t i l l s i g n i f i c a n tg a p s i tw i l lb ea i l i m p o r t a n td i r e c t i o no fi n c r e a s i n gp e r f o r m a n c eo fr e c o r d e ri nw h i c hc o m p u t e rn e t w o r k a n dd a t ac o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g i e sa r ew i d e l ya p p l i e d i nv i e wo ft h ec u r r e n t p r o b l e m so fd o m e s t i cr e c o r d e r , s u c ha ss m a l ls t o r a g ec a p a c i t y , l o w - r a t ec o m m u n i c a t i o n s ， m e a s u r i n gl e s sc h a n n e l s ，as i n g l em e a s u r e m e n tm o d u l e ，t h ep a p e ri n t r o d u c e san e w d e s i g no fm u l t i f u n c t i o nr e c o r d e r , w h i c hi sb a s e do nad e d i c a t e dh i g h - p & f o r m a n c e d 培t a ls i g n a lp r o c e s s o r , an e wg e n e r a t i o no fe m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ra r m 9a n d s t a b i l i t yo fe m b e d d e dl i n u x t h es y s t e mi sc o m p o s e db yt h r e es u b s y s t e m s ：d s ps y s t e m ， a r m s y s t e ma n dh o s tc o m p u t e ri n t e r f a c e t h ef u n c t i o no fd s ps y s t e mi ss a m p l i n ga n d t r a n s m i t t i n gr e a l t i m ed a t aa n dr e c o r d e dd a t a t h ef u n c t i o no fa r ms y s t e mi s t r a n s m i s s i o no fd a t a ，a n ds a v i n ga n ds e a r c h i n go fr e c o r d e df i l e s t h eh o s tc o m p u t e r i n t e r f a c ea c c e p t st h ed a t a , a n dd i s p l a y sa n da n a l y z e st h e m t h ep a p e rf o c u s e so nt h e d a t at r a n s m i s s i o n ，s t o r a g e ，s e a r c h i n g ，a n dt h ec o m m u n i c a t i o no fd s p s y s t e ma n dh o s t c o m p u t e ri n t e r f a c e t h ef u n c t i o n sa r ei m p l e m e n t e db ym u l t i p l et h r e a d sa n ds o c k e t t e c h n o l o g yi ne m b e d d e dl i n u x f i n a l l y , t h ef u n c t i o n so ft h es y s t e ma r ed e b u g g e da n d t h es y s t e mi st e s t e d t h es y s t e mb a s i c a l l ya c h i e v e st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s i nt h ep a p e r , t h ep o w e rs y s t e mm u l t i - f u n c t i o nr e c o r d e rh a ss e v e r a lm e r i t s ，s u c ha s s t r o n gr e a l t i m ep e r f o r m a n c e ，g o o ds c a l a b i l i t y , l a r g ec a p a c i t yo fd a t as t o r a g e ，m a n y r e c o r d i n gc h a n n e l s ，s o f t w a r ef l e x i b i l i t y , p o w e r f u ld a t aa n a l y s i sf u n c t i o n s i tw i l lb e w i d e l yu s e di nt h et r i a l so f p o w e rr e l a yp r o t e c t i o ns y s t e m ，e x c i t a t i o ns y s t e ma n ds oo n k e y w o r d s ：r e c o r d e r ；d s p ；a r m ；e m b e d d e dl i n u x ：m u l t i p l et h r e a d s ；s o c k e t c i 。a s s n 0 ：t m 7 7 4 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：啊气磅掳 导师签名： 签字日期。纫年0 月7 日纱呀 l | 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：卅乞秀芳签字日期：砂一莎年多月i 日 致谢 本论文的工作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。从课题的选择到项目 的最终完成，陈后金教授都始终给予我细心的指导和不懈的支持。在此衷心感谢 陈后金教授两年来对我的关心和指导。 在华北电力科学研究院进行本项目的研究期间，陶伟、谷瑞英、蔺祥宇等几 位工程师也给予我极大帮助，在此向他们表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，钟伟、张颖、姜晓庆等同学对我论文中的研 究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的父母、姐姐、弟弟，同时感谢我的男友，他们的理解和支持 使我能够在学校专心完成我的学业。 1 引言 1 1 课题背景 录波仪是电力系统发生故障及振荡时能自动记录的一种装置，它可以记录因 短路故障、系统振荡、频率崩溃、电压崩溃等大扰动引起的系统电流、电压及其 导出量，如有功、无功以及系统频率的全过程变化现象。主要用于检测继电保护 与安全自动装置的动作行为，了解系统暂态过程中系统中各电参量的变化规律， 校核电力系统计算程序及模型参数的正确性【l 】。 近年来，随着我国国民经济的快速发展，电力系统在走向全国大联网的过程 中又取得了辉煌的成就全国电网初步形成。电力网络不断扩大化、各区域网 互联，提高了大电网的运行效益，支持了经济的发展。电网规模扩大的同时，电 力系统的行为也将越来越错综复杂。作为记录电力系统瞬态的录波仪，其功能也 需要不断地完善，才能满足不断发展的电力系统的要求。 目前电力系统录波仪存在存储容量小、通讯速率低、测量通道少、测量模块 单一等问题。全球定位系统( g p s ) 、以太网络、数字信号处理器( d s p ) 、嵌入式 计算机等计算机技术的飞速发展，为录波装置的性能改善提供了必要条件。 1 2 电力系统录波仪的发展现状 1 2 1国外录波仪的发展 国外录波仪一般采用分散式结构，标准化模块设计，可以分散安装在开关柜 或保护小室内，通过以太网可以连到一台所级计算机或远传到调度中心【1 1 。 国外录波仪的优势在于： ( 1 ) 国外普遍采用专门的d s p 芯片，便于数据的采集、分析； ( 2 ) 模块式结构使以后的扩展被简单集成到现有的结构中，且采用数据压缩技 术，存贮容量大； ( 3 ) 国外录波仪一般是多功能的智能化装置，能记录短路故障、低频振荡、暂 态故障，还能进行故障定位、谐波分析和电能质量分析； 国外录波系统除前置录波仪以外，还要配置专门的分析软件，建构独立的录 波网，投资大，技术要求高。 1 2 2 国内录波仪的发展 国内录波仪的研制和开发已经有多年的历史，早期的机电式录波仪、光纤式 录波仪和采用固态数据存储器的录波仪，在电网故障及继电保护动作行为分析方 露扮演着非常重要的角色。9 0 年代中期以后，计算机技术在录波仪中得到了广泛 的应用，出现了靠微处理器实现的录波仪。微机型录波仪解决了早期录波仪无记 忆力、存储容量小、没有时标、对录波数据分析能力差等闻题，以其优势完全取 代了光电式录波仪，成为电网故障信息记录的主力，在许多重大事故的调查和分 析中发挥了重要作用。 但从近几年的实践中可以看出，现有微机型故障录波仪在性能上，还远未发 挥出计算机的巨大潜力，仅仅是完成了模拟式录波向数字式录波的转换，仍存在 下列问题： ( 1 ) 录波通道少，通讯速率低，在线数据分析功能差； ( 2 ) 录波方式孤立，运传技术不完善，录波仪机型各种各样，录波的数据格式、 远传实现的格式各不相同，缺少统一的远传技术规范，不便统一分析和统计查询； 3 ) 装置的可靠性差。霹前使用的微机式录波仪的可靠性设计指标较低，装置 误起动、死机时有发生； ( 4 ) 故障录波数据难以用做故障再现。 新一代录波仪应该提高录波数据的安全性，主要是指事故盾获取记录信息的 能力。可以采取的措施如下【2 】： 1 ) 扩充容量，保证长过程或连续故障时离密度录波数据的完整性； ( 2 ) 采用高速采样芯片，各存储设备的连接采用高速总线形式，解决当前录波 仪中数据转存的“瓶颈闯题，实现数据的实时、快递、安全转存； ( 3 ) 系统c p u 则需集中精力采集和转存数据，保证数据的安全性，其它工作 均可留给不断完善的后台分析软件来做； ( 4 ) 录波仪分散布置，网络化管理。改造现有孤立的录波仪，使其成为网络中 的“节点”。统一各种型号录波仪数据记录格式和通信规约。充分发挥网络效益， 采用高性能的数据压缩软件，打包传送，以降低逶信时间，提高传输效率。 嵌入式系统的发展为新一代录波仪的研制提供了必备的条件，利用嵌入式系 统在硬件上，结构简洁、禽效，针对性强；软件上实时，多任务，占用硬件资源 少等特点，采用分布式结构，现场开放网络，系统合理设计，能够很好地改进电 力系统录波仪的性能，适应现在电力系统的发展。 1 3 嵌入式系统的发展现状 2 1 3 1 嵌入式系统概述 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 。按照历史性、本质性、普遍性的要求、嵌入 式系统应定义为：“嵌入到对象体系中的专用计算机系统”。“嵌入性 、“专用性 与“计算机系统是嵌入式系统的三个基本要素。目前国内一个普遍认同的定义 为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、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。嵌入式系统的最大 特点是其所具有的巨大的灵活性：系统的设计者可以根据不同的目的有针对性地 定制系统的软硬件和功能，这也是嵌入式系统与通用的计算机系统最主要的区别。 嵌入式系统的结构图如1 1 所示【3 】o 驱动层 应用程序 操作系统层 f i设备驱动程序 图1 - 1 嵌入式系统的结构图 f i g u r e1 - 1s t r u c t u r eo f e m b e d d e ds y s t e m 1 3 2 嵌入式系统发展 嵌入式系统已经发展了近几十年，无论在体系结构、应用领域，还是在软硬 件方面都经历了很大的飞跃。纵观嵌入式系统的发展过程，可以将其分为以下三 个阶段： 3 第阶段：嵌入式系统的概念出现在上世纪七十年代，当时的嵌入式系统主 要应用于一些专业性极强的工业控制系统中，基本上不采用操作系统。系统通过 由汇编语言编写的程序对系统进行直接控制。主要特点是：结构简单、功能单一、 针对性强，主要采用简单的循环控制来响应外界的请求，系统处理效率低，系统 可访问控制的存储容量小，几乎没有用户接口。 第二阶段：出现了种类繁多的专用的嵌入式微处理器，并引入了简单的操作 系统。优秀的编译工具的出现使得嵌入式系统酉以使用高级编程语言，如c ，使得 系统功能多样，性能也大幅度提高。 第三阶段：嵌入式微处理的性能突飞猛进，嵌入式操作系统日趋成熟。嵌入 式微处理器的通用性好，提供了丰富的外部接口；嵌入式操作系统兼容性好、内 核精小、效率高，具有高度的模块化和扩展性，能提供文件和隧录管理、设备支 持、多任务、网络支持、图形窗口及用户界面等功能。嵌入式操作系统对网络功 能的支持使得嵌入式系统的互联与i n t e m e t 接入成为现实。 1 3 3 嵌入式微处理器 嵌入式系统的核心是各种类型的嵌入式处理器。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 tr i s c 的转变；位 数由4 位、8 位、1 6 位、3 2 位发展到6 4 位。 嵌入式微控制器一般以某种微处理器内核作为核心，芯片内部集成了 r o m e p r o m 、e e p r o m 、f l a s h 、r a m 、总线、总线逻辑、定时计数器、i o 口、 a d 、d a 等各种必要的功能和外设。嵌入式处理器中，目前3 2 位嵌入式处理器 占据m p u 的主流，主要有：a r m s t r o n g a r m 、p o w e r p c 、x 8 6 、m c o r e 、c o l d f i r e 、 d r a g o n b a l l 、d s p 。其中a r m 在3 2 位嵌入式处理器中占据着8 0 左右的市场份额。 a r m 微处理器当翦有以下死个系列：a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m l 0 e 、 a r m l l 和s e c u r c o r e ，其中a r m l l 为最近推出的产品。进一步的产品来自于合作 伙伴，例如i n t e lx s c a l ea r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m l0 e 是4 个通用处理器系 列。每个系列提供一套特定的性能来满足设计着对功耗、性能、体积的需求。 s e c u r c o r e 是第5 个产品系列，是专门为安全设备而设计的。 1 3 4 嵌入式操作系统 作为嵌入式系统极为重要的组成部分的嵌入式操作系统，通常包括与硬件相 关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接隧、通讯协议、图形界面、标准化测 4 览器等。嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点，如能够有效管理越来越 复杂的系统资源；能够把硬件虚拟化，使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维 护中解脱出来；能够提供库函数、驱动程序、工具集以及应用程序。与通用操作 系统相比较，嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态 化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。 据调查，目前全世界的嵌入式操作系统已经有两百多种。从2 0 世纪8 0 年代 开始出现了一些商用嵌入式操作系统，它们大部分都是为专有系统而开发的。随 着嵌入式领域的发展，各种各样嵌入式操作系统相继问世。有许多商业的嵌入式 操作系统，也有大量开放源代码的嵌入式操作系统。其中著名的嵌入式操作系统 有：uc o s 、v x w o r k s 、n e c u l e u s 、l i n u x 和w i n d o w sc e 等。 1 4 本课题研究的意义及论文内容 本论文分析了以往录波仪在实际应用中存在的问题( 如存储容量小、通讯速 率低、测量通道少、测量模块单一等) ，结合现实中的实际需要，运用了数字信号 处理器( d s p ) 、嵌入式微处理器、嵌入式操作系统、网络通讯等技术，提出了一 种新型录波仪的设计方案，并对设计中采用的新方法及先进技术做出了较为详尽 的阐述。本论文设计的多功能录波仪主要有以下几个特点： ( 1 ) 采集1 6 路模拟信号、1 6 路开关量，克服了以往监测通道数量少的缺点。 ( 2 ) 录波仪功能丰富，可以实时监测电力系统工作状态，同时存储录波文件， 并具有录波文件检索的功能，方便系统运作状态的重现及之后的数据分析。 ( 3 ) 系统中接入了8 g 的c f 卡，扩大了存储容量。 ( 4 ) 系统采集数据的传输通过网口来实现，灵活性强，方便局域网内数据的综 合分析。 本论文的主要工作如下： ( 1 ) 介绍录波仪的研究背景、发展历史及新一代录波仪的技术突破点；嵌入式 系统的发展，以及在录波仪中的运用； ( 2 ) 介绍系统功能及硬件； ( 3 ) 系统的多线程和网络通信模块的实现； ( 4 ) 系统的a r m 模块的实现； ( 5 ) 功能测试和系统测试； ( 6 ) 论文总结及展望。 5 2 系统总体介绍 本文设计的系统主要由d s p 系统、a r m 系统和上位机界面三个部分组成。系 统要实现的功能有t ( 1 ) 实时上传监视数据( 原始数据的抽样和解析) ，采样率最大为5 0 k h z ，采 样遥道数为1 6 路模拟量，1 6 路开关量。 ( 2 ) 每次满足触发条件，产生新的录波文件，并存入c f 卡，单个文件的大小 最大为3 2 k 。上位机暴面发送上传录波文件命令时，髯上传录波文件。 ( 3 ) 录波文件的检索功能，当需要分析某一时间段的录波文件时，系统将检索 这一时间段内的录波文件，上传绘上位机，并在上位机界面显示。 系统的功能框图如图2 。1 所示。 d s p 系统 a r m 系统 q 上位机界面 协议、数据 协议、数据 圈2 1 系统功髓框图 f i g u r e2 - 1b l o c kd i a g r a mo fs y s t e mf u n c t i o n 系统中，d s p 控毒l4 片a d 对1 6 路模拟信号进行采样，采样后的数字量与 1 6 路开关量，经过双口r a m 传送给a r m 系统。a r m 系统则通过网口与上位机 透信，按照上位机的要求，将采集到的部分数据上传或存储。丽上位机界面将接 收到的数据按照一定的格式显示给用户。 2 1d s p 系统 d s p 系统主要有以下三个任务： ( 1 ) 采集1 6 路模拟量信号和1 6 路开关量，并将采集到的数据存储在s d r a m 串。 ( 2 ) 将采集到的实时数据，以及d s p 系统的工作状态通过双口r a m 发送给 删系统。 ( 3 ) d s p 系统按照上位机界面设置的配置信息采样，将满足触发条件时产生的 录波数据发送给a r m 系统。 6 2 1 1d s p 简介 d s p 芯片，即数字信号处理器，是专门为快速实现各种数字信号处理算法而 设计的、具有特殊结构的微处理器，其处理速度已高达2 0 0 0 m i p s ，比最快的c p u 还快l o 5 0 倍。目前，在微电子技术发展的带动下，d s p 芯片的发展日新月异， d s p 的功能日益强大，性能价格比不断上升，开发手段不断改进。在当今的数字 化时代背景下，d s p 已成为通信、计算机、消费类电子产品等领域的基础器件， 被誉为信息社会革命的旗手。同时d s p 已成为集成电路中发展最快的电子产品， 并成为电子产品更新换代的决定因素。在国外，d s p 芯片已经被广泛地应用于当 今技术革命的各个领域；在我国，d s p 技术也正以极快的速度被应用在通信、电 子系统、信号处理系统、自动控制、雷达、军事、航空航天、医疗、家用电器、 电力系统等许多领域中，而且新的应用领域在不断地被发掘。因此基于d s p 技术 的开发应用正成为数字时代的应用技术潮流。 d s p 芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器， 广泛采用流水线操作，提供特殊的d s p 指令，可以用来快速地实现各种数字信号 处理算法。根据数字信号处理的要求，d s p 芯片一般具有如下的一些主要特剧4 】： ( 1 ) 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法。 ( 2 ) 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据。 ( 3 ) 片内具有快速r a m ，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问。 ( 4 ) 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。 ( 5 ) 快速的中断处理和硬件i o 支持。 ( 6 ) 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。 ( 7 ) 可以并行执行多个操作。 ( 8 ) 支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。 2 1 2d s p 系统硬件介绍 d s p 系统需要对1 6 路模拟信号进行采样，需要外接4 片4 路的a d 。d s p 通 过c p l d 对这四片a d 分别进行控制，同时，c p l d 还负责1 6 路开关量的采集。 a d 每通道的采样率最高可达5 0 k h z ，而双口r a m 的容量有限，d s p 不可能把 采集到的数据一次性全部通过双口r a m 发送给a r m 系统，d s p 需要外接一片 s d r a m ，作为数据缓冲区。 硬件框图如图2 2 所示。 7 - - - - 4 路模拟信 - - - 4 路模拟信 - - - - 4 路模拟信 叫路模拟信 图2 - 2d s p 系统硬件框图 f i g u r e2 - 2h a r d w a r eb l o c kd i a g r a mo fd s ps y s t e m 1 d s p 系统中豹核心芯片为t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 ，它是t i 公司推高的一款高性能 浮点处理器，主频为1 6 7 m h z ，处理能力达到1 2 0 0 m f l o p s 。它具有如下特征： 1 ) 采用了超长指令字( v l i w ) 体系结构，有8 个独立功能单元，3 2 个3 2 b i t 通用寄存器，一个时钟周期同时执行8 条3 2 b i t 指令，且所有指令都是条件指令。 ( 2 ) 硬件支持i e e e 的单精度和双精度指令、字节寻址( 8 、1 6 、3 2 b i t s 数据 。 ( 3 ) l l l 2 存储器结构，4 k b 一级程序缓存，4 k b 级数据缓存，6 4 k b 二级 缓存。 ) 1 6 个独立通道的e d m a ，每个通道对应一个专用同步触发事件，使得 e d m a 可以被外设中断、e d m a 传输完成等事件触发。 ( 5 ) 3 2 b i t s 外部存储器接豳( e m i f ) ，与异步器 争( s r a m 、e p r o m ) 和同步 器件( s d r a m 、s b s r a m ) 无缝连接，一共有2 5 6 m 可寻址范围。 2 。d s p 6 7 1 3 外接罂片a d 7 8 6 5 ，a d 7 8 6 5 是a d 公镯生产的一款高速、低功耗 的模数转换器件，基本参数如下： ( 1 ) 1 4 位精度； ( 2 ) 透个逶道同时采样分时转换； ( 3 ) 采样保持时间为0 3 5 u s ，a d 转换时间为2 4 u s ； ( 4 多种转换电压范鋈1 0 v ，士5 v ，士2 5 v ，。5 v ，0 , 一s v ； 系统的最高采样率为5 0 k h z ，2 4 u s 的a d 转换时间能够满足系统的要求，此 外系统的采样精度为1 4 b i t s 。存储采集数据的s d r a m 为1 6 b i t s ，所以采集到的数 据需要转换为1 6 b i t s 后，才能存储s d r a m 中。 转换方法为：将1 4 b i t s 数据的符号位取出，判断符号位，如巢为0 ，则将1 4 b i t s 8 数据低字节对齐、高字节补零，直接按位存入s d r a m 中，反之，须将符号位移 至最高位，即将数据与0 x c 0 0 0 进行“或 运算。 3 d s p 6 7 1 3 外接一片c p l d ，d s p 对a d 的片选控制信号通过c p l d 译码后， 分别对四片a d 进行控制。此外，c p l d 还负责将输入系统的1 6 路开关量转换为 2 字节的数据。 4 系统中3 2 m 1 6 位的s d r a m ，其为高速c m o s 、动态随机访问的存储器， 是用来储存采集到的实时数据和录波数据的，相当于数据缓冲池。一个录波文件 最大为3 2 m ，因而，s d r a m 能防止采集的数据还未上传给a r m 系统，就被新采 集的数据覆盖。 5 系统中6 4 k 1 6 位的d p s r a m ( d u a l p o r ts r a m ) ，其特点主要有： ( 1 ) 双口r a m 允许同时访问存储器的同一地址； ( 2 ) 低功耗，工作状态时功耗为4 4 0 m w ； ( 3 ) 可高速访问，访问速度可达2 0 n s 。 d p s r a m 与d s p 的外部存储器接口( e m i f ) 相连，d s p 以总线的形式，对 双口r a m 进行快速访问，访问速度最大可达1 0 0 m h z 。d s p 的c e 3 引脚与双口 r a m 的c e o l 相连，双口r a m 的首地址则为0 x b 0 0 0 0 0 0 0 。 2 2 a r m 系统 a r m 系统的任务主要有： ( 1 ) 通过访问双口r a m ，获得d s p 系统采集到的实时数据及录波数据。实时 数据通过以太网络实时上传给上位机界面，从界面显示，实现对被测系统的实时 监控。而录波数据以触发时间为文件名，存入c f 中。 ( 2 ) 通过网口与上位机通信，接收上位机发送的命令，以及d s p 采集所需的 配置信息。上位机发送的命令主要有开始录波、停止录波、上传录波文件等。 ( 3 ) 检索录波文件的功能。当上位机需要查看过去某一时间段内的录波文件 时，上位机将要求a r m 系统发送这一时间段内的文件。此时，a r m 系统需要从 c f 卡中数百个文件中检索出符合条件的文件并上传给上位机。 2 2 1a r m 简介 a r m 是一类嵌入式微处理器，同样也是一个公司的名字。a r m 公司于1 9 9 0 年1 1 月成立于英国剑桥，它是一家专门从事1 6 3 2 位r i s c 微处理器知识产权设 计的供应商。a r m 公司本身不直接从事芯片生产，而只是授权a r m 内核。 9 采用a r m 技术的微处理器现在已经遍及各类电子产品，汽车、消费娱乐、影 像、工业控制、海量存储、网络、无线等市场，占据了7 5 的市场份额。a r m 的 成功是显示出a r m 处理器优良性能。a r m 处理器具有如下特点。 ( 1 ) 小体积、低功耗、低成本、高性能； ( 2 ) 支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能v , 很z 好的兼容8 位1 6 位 器件； ( 3 ) 大量使用寄存器，指令执行速度更快； ( 4 ) 大多数数据操作都在寄存器中完成； ( 5 ) 寻址方式灵活简单，执行效率高； ( 6 ) 指令长度固定位。 a r m 微处理器有多达十几种的内核结构，主要有以下几个系列：a r m 7 系列、 a r m 9 系列、a r m 9 e 系列、a r m l 0 系列、a r m l l 系列、s e c u r c o r e 等，各系列 处理器之间属性的比较如表2 1 所示【5 1 。 表2 1a r m 系列处理器属性比较 t a b l e2 - 1c o m p a r i s o no f a r mp r o c e s s o r 项目a r m 7a r m 9a r m l 0a r m l l 流水线深度3 级5 级6 级8 级 典型频率( m h z ) 8 01 5 02 6 03 3 5 功耗( m w m h z ) o 0 60 1 9 ( + c a c h e )0 5 ( + c a c h e )o 4 ( + c a c h e ) m i p s m h z0 9 71 11 31 2 架构冯诺伊曼哈佛哈佛哈佛 乘法器 8 3 28 3 21 6 3 21 6 3 2 根据实际需要，如：a r m 系统同上位机界面之间需要网络通信，系统的多任 务等，系统设计时需要使用w i n c e 或l i n u x 等嵌入式操作系统。选用a r m 处 理器时需要选择带m m u ( m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t ) 功能，高性能、低功耗，以 及网络支持功能等。综合考虑以上因素，系统设计时选择了a r m 9 系列的e p 9 3 1 5 为核心处理器。 2 2 2a r m 系统硬件介绍 a r m 系统中以a r m 9 芯片为核心，并嵌入了l i n u x 操作系统。a r m 系统 与d s p 系统之间通信是通过双口r a m 实现的，而a r m 与上位机之间通信则是通 过网口实现的。系统的框图如图2 3 所示。 1 0 网2 - 3a r m 系统的硬件框图 f i g u r e2 - 3h a r d w a r eb l o c kd i a g r a mo f a r ms y s t e m a r m 系统的核心是基于3 2 位a r m 9 2 0 t 核的高速a r m 处理器e p 9 3 1 5 ，它 楚一款高懂能、低功耗、低成本的工业级a r m 9 芯片，西翦己被广泛应用于各种 工业控制系统中。 f 1 ) 核心处理器：e p 9 3 1 5 ，工作频率力2 0 0 m h z 。 e p 9 3 1 5 微处理器是一款由c i r r u sl o g i c 设计生产的嵌入式a r m 微处理器，采 用b g a 封装，是高度集成的片上s o c 系统处理器，为下一代消费和工业电子产 品的开发开辟了新的道路。其内含一个a r m 9 2 0 t 核和以下片内外围，其特性如下 【6 1 ： 2 0 0 m h z 的删9 2 0 t 处理器： 1 6 k b 指令c a c h e 和1 6 k b 数据c a c h e l 内嵌m m u ，支持l i n u x ，w i n c e 等嵌入式操作系统； 1 0 0 m h z 的系统总线频率； m a v e r i c k c r u n c h 刑数学引擎： 支持浮点、整型和信号处理指令； 硬件联锁( i n t e r l o c k s ) 装置允许联机编码； m a v e r i c k c r u n c h t m 硬件编程国，可用于数字版权管理( d r m ) 和设计知 识产权的保护；3 2 位的唯一i d ，1 2 8 位随机i d ； 集成外围接霹： 多达4 组的3 2 位s d r a m 接网； 3 2 1 6 愿位s 鞑蛾终l a s h 瓜o m 接口； 串行e e p r o m 接口； i d e 接口； 1 1 0 1 0 0 m b p s 以太网控制器； 3 路u a r t ； 3 路u s b 2 0 全速( 1 2 m b p s ) 主口； 串行外围接网( s p i ) ； 2 个1 6 位p w m 输出； 其它片内功能： 1 2 个d m a 通道； 可由软件调憋的r t c ； 双p l l 可控制所有时钟； 看门狗( w a t c h d o g ) 定时器； 2 个通用1 6 位定时器，1 个遴用3 2 位定时器，1 个4 0 位调试定时器； 中断控制器； 片内b o o t r o m ； ( 2 ) 3 2 m bn o rf l a s h 存储器 n o rf l a s h 存储器内部存放系统启动代码、l i n u x 内核和用户程序等。f l a s h 存储器的数据宽度为3 2 位，映射到e p 9 3 1 5 的n c s 6 。e p 9 3 1 5 终接的n o rf l a s h 实现了j f f s 2 的文件系统支持，具有掉电保持数据的功能。 ( 3 ) 3 2 m bs d r a m ( 4 m x16 b i tx4b a n k ss y n c h r o n o u sd r a m ) 作为程序的运行空间。由两片1 6 位数据宽度的s d r a m 存储器并联为3 2 位 数据宽度的s d r a m 存储系统，作为程序的运行空间，映射到e p 9 3 1 5 的n s d c s 3 。 是对e p 9 3 1 5 内存的扩展，供l i n u x 内核的运行。 ( 4 ) 网络接口 e p 9 3 1 5 蠹嵌1 0 m 1 0 0 m b p s 以太嬲m a c 。以太隧m a c 是o s i 参考模型中雾 于物理层( p h y ) 与逻辑链路层( l l c ) 之间的m a c 子层的硬件实现，以太网 m a c 支持m i i ( m e d i ai n d e p e n d e n ti n t e r f a c e ) 和r m i 王( r e d u c e dm e d i ai n d e p e n d e n t i n t e r f a c e ) 模式的数据传输。系统外接了一块物理层芯片c s 8 9 5 2 ，用于支持以太 网通讯。a r m 系统就是通过此网络接口与上位机之间通信的。 ( 5 ) c f 卡 系统支持c f 卡存储，扩大了系统的存储容量。c f 卡的存取方式有三种：p c c a r dm e m o r y 模式、p cc a r di o 模式以及t r u ei d e 模式。在t r u ei d e 模式下，c f 卡与主机通讯的信号最少，硬件接口最简单，软件易于实现，因此本设计采用了 t r u ei d e 模式。 i d e 操作的最小单元是扇区( 5 1 2 个字节) ，可以一次读写l 到2 5 6 个扇区。 每一次读写操作都需要先“建立寄存器块，即确定读写的扇区地址和扇区数，焉 1 2 后通过数据传输将一批数据全部读出或写入。 本系统的设计是基于嵌入式操作系统的，系统对c f 以及双口r a m 的访问都 是以文件的方式实现的。 2 2 3 嵌入式l i n u x 操作系统 l i n u x 系统遵循g p l 协议，具有开源、可定制、安全、稳定等特征，自问世 以来得到了迅速的推广和应用，成为当今世界主流操作系统之一。它是一个成熟 而稳定的网络操作系统，作为嵌入式操作系统有如下优势( 7 1 。 ( 1 ) 低成本开发环境。l i n u x 的源码开放性允许任何人可以获取并修改l i n u x 的源码。这样一方面大大降低了开发的成本，另一方面又可以提高开发产品的效 率。 ( 2 ) 可应用于多种硬件平台。l i n u x 可支持x 8 6 、p o w e r p c 、a r m 、x s c a l e 、 m i p s 、s h 、6 8 k 、a l p h a 、s p a r c 等多种体系结构，并且可以被移植到多种硬件 平台。这对于经费、时间受限制的研究与开发项目是很有吸引力的。l i n u x 采用一 个统一的框架对硬件进行管理，同时从一个硬件平台到另一个硬件平台的改动与 上层应用无关。 ( 3 ) 可定制的内核。l i n u x 具有独特的内核模块机制，它可以根据用户的需要， 实时地将某些模块插入到内核或者从内核移走，并能根据嵌入式设备的个性需要 量体裁衣。 ( 4 ) 性能优异。l i n u x 系统内核精简、高效和稳定，能够充分发挥硬件的功能， 因此它比其他操作的运行效率更高。在个人计算机上使用l i n u x ，可以将它作为工 作站