（电工理论与新技术专业论文）基于arm的嵌入式系统在电力谐波检测分析中的应用研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，b e c a u s eo fr a p i dg r o w t ho fp o w e re l e c t r o n i cd e v i c e s ， h a r m o n i cp o l l u t i o ni ne l e c t r i c a lp o w e rs y s t e mb e c o m e sm o r ea n dm o r es e r i o u s i t c a np r o d u c eh a r m f u la f f e c tt oa l lk i n d so fp o w e rd e v i c e ，c o m m u n i c a t i o n e q u i p m e n ta n dw i r i n g ，e v e ng e n e r a t ea c c i d e n to fp o w e rs y s t e ms ot h a td i r e c t l y e f f e e ts a f e t yp r o d u c t i o na n dn o r m a lr u n n i n go fl i v e s a sac o n s e q u e n c et o m o n i t o ra n ds t u d yp o w e rn e t w o r ki sn o to n l yap r e m i s et oc o n f i n ea n de l i m i n a t e h a r m o n i cb u ta l s oau r g e n t i yd e m a n dt oa s s u r ep o w e rs u p p l ys y s t e mt or u n s a f e l ya n de c o n o m i c a l i ya n dd e v i c e sa n dp e r s o n a ls a f e t y e m b e d d e ds y s t e mi san e wt r e n do ft e c h n i c a ip r o g r e s s i th a sb e e na p p l i e d i nc o m m u n i c a t i o n ，e l e c t r o n i c sa n di n d u s t r i a la u t o m a t i o nf o rt h ec h a r a c t e ro f s m a l ls i z e ，h i g hp e r f o r m a n c e ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o na n do r i e n t e do b j e c t w i t h t h ei m p r o v e m e n to fm i c r o p r o e e s s o r s ，e o m m u n i c a t i o na n ds o f t w a r e ，e m b e d d e d s y s t e mb e c o m e sm o r ea n d m o r ei m p o r t a n t t h et h e m ea n a l y s e $ t h ea d v a n t a g eo fe m b e d d e dd i g i c a lc h i p st ot h e a p p l i c a t i o ni np o w e rs y s t e mw i t ht h e i rc h a r a c t e rt h r o u g ht h ec o l l e c t i o no fal a r g e a m o u n to fm a t e r i a l s ，t h er e s e a r c ho fr e a d i n ga n dr e l e v a n tt e c h n o l o g y a n dt h e a u t h o rd i s c u s s e dh o wt oa p p l yt h ee m b e d d e ds y s t e mi nt h ea n a l y s i sa n dd e t e c t i n g e l e c t r i c a lh a r m o n i c t h es a m s u n gs 3 c 4 4 8 0 xp r o c e s s o rw i t ha r m 7 t d m i k e r n e la n dt h en c ，o s - i ir t o sa r es e l e c t e di nt h et h e s i s t h ef i r s tc h a p t e ri nt h et h e s i si n c l u d e st h ec o r r e l a t i v eb a c k g r o u n dt e c h n i q u e o fd e t e c t i n gh a r m o n i ca n de m b e d d e ds y s t e m t h es e c o n dc h a p t e ri n t r o d u c e st h e b a s em a t h e m a t i c st h e o r i e sa b o u ta n a l y z i n gh a r m o n i c ，a n dc o m p a r e sm e t h o d sf o r t h ed e t e c t i n gh a r m o n i cs i g n a l s t h et h i r dc h a p t e rb r i n g sf o r w a r dt h ew a y so f d e s i g na n dd e v e l o p m e n to fe m b e d d e ds y s t e ma n dt h ea r c h i t e c t u r eb a s e do na r m a n da i m 7 t h ef o r t hc h a p t e rt e l l su st h ei n s t a l lo fh a r d w a r ep l a t f o r mf o ra r m t h ef i f t hc h a p t e ri n t r o d u c e st h ed e s i g no fs o f t w a r ef o re m b e d d e ds y s t e m e s p e c i a l l yb a s i ct h e o r ya n dc h a r a c t e r i s t i co fe m b e d d e dr t o s t h i sc h a p t e r a n a l y z e sa n dc o m p a r e st w oe m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m s ：n c ，o s d ia n d u c l i n n x t h et h e s i si n t r o d u c e st h ep r o c e s so fp o r t i n ga c ，0 s i ii n t os 3 c 4 4 8 0 x p l a t f o r mi nd e t a i la n dd e s i g no fa p p l i c a t i o ns o f t w a r e t h el a s tc h a p t e rb r i n g so u t t h ec o n c l u s i o na n de x p e c t a t i o nf o rt h es y s t e m k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，a r m ，h a r m o n i c ，r t o s ，u c o s - i i 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究电力谐波目的和意义 近年来由于大功率电力电子技术的发展以及它们的广泛应用，使得非线性负载 大量增加，产生大量电力谐波，它们对电力设备，电能质量和通讯线路等带来有害 的影响。电力谐波已日益成为人们关注的问题。 首先，电力谐波带来的严重影响已经危害到用电设备、变电站设备和电力系统 载波通讯。如何能够把电力谐波的危害最大限度的减少，是目前电力电子领域极为 关注的问题，而解决这一问题的关键在于定量地确定谐波的成分、幅值和相位等。 这也正是我们进行电力谐波分析的目的所在。 其次，由于现代工商业及居民用户的用电设备对供电质量要求的越来越高，因 此，电力谐波抑制及补偿装置的研制己势在必行。这些装置到底需要补偿多大的电 力谐波，需要进行怎样的补偿配置，以及需要达到何种的补偿效果都是以电力谐波 分析得到的结果为依据的。 最后，对于电力系统这个环境来说，无谐波是“绿色”的主要标志之一。目前， 对地球的环境保护已成为全人类的共识，对电力系统谐波污染的治理己成为电工技 术学科所亟待解决的问题。 1 2 电力谐波的相关概述 1 2 1 谐波的产生 随着当今经济的发展和人类生活水平的提高，大量电气设备广泛应用，这些设 备会在电力系统中产生严重的谐波污染，进而严重的降低电能的质量。当代的工业 和民用电子电气设备中，非线性负载占很大的比例，如带有功率电子器件的变流设 备，电力电子装置、交流控制器和电弧炉、感应炉、电动机、变压器、荧光灯、家 电设备等都是电力谐波源。在民用设备中，洗衣机、电冰箱、空调器、家用电脑等 家用电器的使用也会产生大量谐波。“。 惭江大学硕士学位论文第一章擗i 论 电力谐波电流的量取决于谐波源设备本身的特性及其工作状况，而与其电网参 数无关，故可视为恒流源。各种晶闸管电路产生的谐波次数与其电路形式有关，可 称为该电路的特征谐波。除了特征谐波外，在三相电压不平衡，触发脉冲不对称或 非稳定的工作状态下，上述电路还会产生非特征谐波。进行电力谐波分析和计算最 有意义的是特征谐波，如果5 ，7 ，1 1 ，1 3 次等。总而言之，提倡绿色电能、确保电 网运行安全其意义何等重要。“。 1 2 2 谐波相关的基本概念 国际上公认的电力谐波含义是羽“：“谐波是一个周期电气量的正弦波的分量 其频率为基波频率的整数倍”。从其定义中可以看到： i 谐波次数必须是个正整数。谐波频率与基波频率的比值( n = f d f i ) 称为谐波 次数。我国的工频交流电能信号是5 0 h z 正弦信号，k 倍工频的基波信号就是谐波 ( k j 2 ，3 ) 。谐波次数不能为非整数，因此也不能有非整数谐波。 2 间谐波、次谐波和分数谐波。按照i e c 有关文件中定义的间谐波 ( i n t e r h a r m o n i c s ) 是指频率不是工频的整数倍的谐波分量，即介于工频谐波之间的傅 立叶频谱分量( 五= 酝+ a f ) 。其主要来源于变频器、换流器、感应电动机、电焊 机和电孤炉等。 次谐波( s u b h a r m o n i c s ) 为频率低于工频基波的分量。 分数谐波( f r a c t i o n a l h a r m o n i c s ) 是频率非基波频率整数倍的分量。 本文主要讨论第1 种情况。在供用电系统中，通常总是希望交流的电压和电流 呈正弦波形。在进行电力谐波分析时，正弦电压通常由下式表示： “( f ) = 4 2 u s i n ( c o t + 口) ( 1 1 ) 其中，【，为电压有效值；口为初相角；为角频率。 对于周期为t = 2 r r l c o 的非正弦电压u ( c o t ) 。一般满足狄里赫利条件，可分解为 如下形式的傅立时级数：7 3 “) = + ( a 。c o s n o o t + b s i n n w t ) ( n 2 l ，2 ，3 ，一) ( 卜2 ) h = i 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 测量仪来说是满足不了要求的。而且使用单片机片内a d 也是不够的，只有采用性 能更好的处理芯片和转化速度更快、精度更高的a d 和同步锁相环电路及更先进的 算法才能实现要求。“ 另一种微处理器d s p 具有很高的运算速度和很大存储空间的高速寻址功能，但 是价格贵，与之配套的开发系统价格也不低，因而在我国的谐波测量仪中使用的还 不多，但在国外使用较多。随着其价格的下降，将来在我国会得到更大发展。 现在新一代数字式、自动化和智能化谐波监测仪是研制得方向和趋势。特别是 近年来，基于a r m 的嵌入式系统在检测方面广泛应用，尤其是在多参数、多通道 的测试中非常具有开发研究意义。 1 3 基于a r m 的嵌入式系统研究概述 1 3 1 嵌入式系统定义 随着当今计算机技术的不断发展，嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m s ) 已成为计 算机领域的一个重要组成部分，并成为近年来新兴的研究热点。 根据i 髓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置”( d e v i c e su s e dt oc o n t r 0 1 ，m o n i t o r ，o r a s s i s tt h eo p e r a t i o no fe q u i p m e n t ，m a c h i n e r yo rp l a n t s ) 。这主要是从应用上 加以定义的，嵌入式系统是软件和硬件的综合体，可涵盖机电等附属装置。 目前国内关于嵌入式系统普遍被认同的定义是：以应用为中心、以计算机技术 为基础，软件、硬件可裁剪，适应于应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功 耗严格要求的专用计算机系统。n 铷 和通用型计算机不同，嵌入式系统是针对具体应用的专用系统，一般都有成本 及功耗的要求，因此它的软硬件都必须高效率的设计，量体裁衣、去除冗余，力争 在同样的硅片面积上实现更高的性能。 1 3 2 嵌入式系统的特点 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器，它一般具备以下4 个特点：1 1 1 擐江大学硕士学位论文筻二章电力谐波检测及分析计算 第二章电力网谐波检测及分析计算 2 1 谐波检测分析计算数学理论基础 2 1 1 非正弦周期函数的傅立叶三角级数分解盯3 如果非正弦周期函数f ( t ) 满足狄里赫利( d i r i c h l e t ) 条件，则函数f ( t ) 可 以展开成三角函数级数即傅立叶级数。显然，电力系统中的交流电气量均满足上述 条件。故其傅立叶级数展开式为 ，( r ) = c o + 口lc o s q ，+ 岛s i n q f + 6 2g i n 2 q f + + 口。c o s 斤q f + ks i n 行n 】l r + = 气+ o 。c o s h q f _ 6 。s i n 月q f ) ( 2 1 ) 或写成 ，( ，) = + os i n o q h ) 月 l 式中 c 。不随时间变化的常量，称恒定分量或直流分量： ( 2 2 ) c 。三角级数各项的幅值，n = l 时为基波分量的幅值，”2 为谐波 分量的幅值； 织一n 次谐波的初相角； q = 等周期函数的角频率，也是基波的角频率； 吼、瓦两正交三角函数的幅值。 利用三角函数集的正交特性即可推导出式( 2 1 ) 各正弦分量的系数吼、也。 n 。= 争f 厂( r ) c 。s ”。- r d r( 2 3 ) 卜= 手r ，( f ) s i n 嗍，d r 对于直流分量c n ，可将式( 2 1 ) 两端在一个周期内积分求得，即 c 。= ；l f ( 2 4 ) 浙江大学硕士学位论文第二章电力谐波检测及分析计算 2 1 2 傅立叶级数的指数形式1 8 m 9 1 除了司以展开成三角函数形式的傅立叶级数外，刷期函数f ( t ) 根据不i 司的t 匦 用还可以展开成指数形式的傅立叶级数。由于指数函数集 e 扣q 7 具有正交性，即 f p q r e 一扣q r 以： ：! 聊二 ： 。：一， 如 l0 ( ，”胛) 、二 。 因此，傅立叶级数的指数展开式为 f 吣= 民+ 脚q + 肇q + + 1 0 炉+ 。? f # i 嘲j r f 乒j 吼七。i f j ”q + = 只p p q 7 ( 2 6 ) 式中f n 指数函数级数的第n 次系数。 由于指数函数集的正交性，根据式( 2 4 ) ，可求得 c = 睾f ，o x m 。斫 ( 2 7 ) t 。= 专f ，( f 弦即州西 ( 2 8 ) 傅立叶三角函数级数与傅立叶指数函数级数只是两种不同的表现形式，它们的 系数之间存在着简单的关系。即， ，0 = c 。 c ：当( 吒一6 。) 2 9 只。= 妻( + j 6 。) 傅立叶级数的指数形式便于导出时域函数f ( t ) 的傅立叶变换，也为建立离散 傅立叶变换理论做了准备。 2 1 3 傅立叶变换例 2 1 3 1 连续时间系统的傅立叶变换 在连续时间系统中只有周期函数才能展开为傅立叶级数。且它的频谱特性是只 在基波频率的整数倍的各点上取值的离散频谱。在实际工作中常常会遇到非周期函 浙江大学硕士学位论文第二章电力谐波检a 4 及分析计算 ( 融) ，表示n k 被n 除后眵瓣浮。 f f t 彰融夸眭臣雨靶目；荆n 燮d f t 型型婵! | 酉吲n 2 魁坚d f t 蕲；和实时蘩 灞慨澎行堕哪诹尘犁嚣鹈壁星( r a d i x ) j 居g 荫f f t 静琵驰可嗒霉理l 鞴d f t j 谚鬻磐n 并女博目基而佳；潍n 。2 8 ；m 舀蹦嘴瑶，强墨u 卵匀j i 鲔始飘咱积醐韭科 却d e c i m a t i o n - - ! 计强大的存储区保护功 能，这样同时也有利于软件诊断。 嵌入式微处理器必须功耗很低对于用于便携式的无线及移动的计算和通信 设备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u w 级。 1 3 3嵌入式系统的组成 如图l _ 1 所示嵌入式系统一般指非p c 系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包 括：嵌入式处理器、存储器和i o 端口及外围设备等。软件部分包括操作系统软件和 应用程序。 应用程 ls oc k e ta p i s t cp i p 1 i 操作系统 设备驱 图1 1 嵌入式系统的组成 操作系统可分为以下一些类型：1 5 1 l、顺序执行系统：系统内只含有一个程序，独占c p u 的运行时间，按语句顺序 执行该程序，直至程序执行完毕后，另一程序才能启动运行。如d o s 。 2、分时操作系统：系统内同时可以有多个程序运行，c p u 的时间按照顺序分成 若 浙江大学硕士学位论文 第二章电力谐波检测及分析计算 外，还要泄漏到其它频率上去，产生与原信号频率不同的成分，即频谱泄漏误差。 对于周期信号，只有当窗宽是原信号周期t 的整数倍时，才不会产生频谱泄漏误 差，所得频谱即是原周期信号的谐波成分，并使周期波形的分析得到简化。实际运 行的电力系统周期波形，其频率在不断的变化，但对应周期内的波形相同，为减少 频谱泄漏可采用如下方法： 利用加窗插值算法对快速傅立叶算法进行修正。该算法可减少泄漏，有效地 抑制谐波间的干扰，从而可精确测量到各次谐波电压和电流的幅值及相位。 修正理想采样频率法。这种方法的主要思想是对每个采样点进行修正，得到 理想采样频率下的采样值，该方法计算量不大，并不需要添加任何硬件，实时性比 上一种方法要好，适合在线测量，但对泄漏的减少不明显。 采用数字式锁相器( d p l l ) 使信号频率和采样频率达到同步。图2 1 为频率 同步数字锁相装置框图。如图所示数字式相位比较器把取自系统的电压信号 图2 1 频率同步数字锁相装置框图 的相位和频率与锁相环输出的同步反馈信号进行相位比较。在信号失步时，数字式 相位比较器输出与二者相位差和频率差有关的电压，经滤波后控制并改变压控振荡 器的频率，直到输入频率和反馈信号频率同步为止。一旦信号锁定，便将跟踪输入 信号频率变化，保持二者的频率同步，输出同步信号去控制对信号的采样和加窗函 数，这种方法的实时性较好。 2 栅栏效应 在非整周期采样，即采样频率不是信号频率的整数倍时，即使信号只含有单一 频率，d f t 也不可能得出信号的准确参数，这一现象通常叫做栅栏效应。插值算法 可消除栅栏效应引起的误差。对于不是周期波形的频谱分析，加窗法的窗口加宽可 减少频谱泄漏。由于巧不能无限加宽，所以可用改变窗函数的办法来减少泄漏，例 如汉宁窗函数、哈明窗函数等。 浙江大学硕士学位论文第二章电力谐波检测及分析计算 2 2 2 加窗法 傅立叶变换分析法产生的频谱泄漏主要是矩形窗边界的突变特性造成的，它的急 剧变化将在频域内引入高频分量。如果用边缘变化平缓的其他窗函数来代替矩形窗， 可以使频谱的旁瓣效应减弱，从而减少频谱分析时的泄漏误差。在谐波测量中，矩 形窗、海宁窗和多尔夫一切比雪夫( d 0 1 p h c h e b y s h e v ) 窗是常用的。 其中，矩形窗时间函数为：w ) ：1 ，”= 一譬，一1 ，o ，1 ，i n ，n 为偶数 【0 ，其他 频谱函数为( w ) ：s i n - n _ w 万t _ 2 ，矩形窗的优点在于主瓣比较集中，且有负旁瓣， 具有较高的频率分辨率，但泄漏现象严重。瞻“ 海宁窗定义栅炉0 5 + 0 5 e o s 器，一竿娜竿。 l 0 ，其他 海宁窗可看作三个不同幅值及相移的矩形窗的叠加，负旁瓣可以相互抵消，并 且能量有效的集中在主瓣内，消去高频干扰和泄漏，缺点是主瓣宽度加大一倍。 多尔夫一切比雪夫( d o l p h - - c h e b y s h e v ) 窗的离散形式定义为： ( ，) ：( - 1 ) c o s n a r c c o s f l 了c o i s ( 丁7 r r n 一) ，0 r n - 1 ，式中，是整数，是窗函 c o s h n a r c c o s h ( 口) 一一 数离散采样点数目，而卢= c o s h - 导ra r c c o s h ( 1 0 。) o 这种窗函数可以在旁瓣幅度峰值一定的条件下，满足主瓣宽度最窄的特性，而 且这种窗的所有旁瓣幅度是相等的，可以对谐波进行有效分析。 为了得到好的频谱分析精度，窗函数频谱的旁瓣幅值要小且主瓣宽度要窄，因 旁瓣小可减少频谱泄漏误差，主瓣窄可提高频谱分辨率。一般情况下频谱分析精度 和分辨率两个指标是互相矛盾的。目前分析谐波单独使用窗函数的并不多，通常是 结合插值算法处理的。插值算法可以消除栅栏效应引起的误差。“” 2 2 3 小波变换检测法 傅立叶变换能获得各次谐波分量，但它无法获知谐波出现的时间。即傅立时变 浙江大学硕士学位论文第二章电力谐波检测及分析计算 换有个明显的缺点：在频域可以完全局部化，而在时域却完全无局部性。而小波变 换检测法在时域和频域同时都具有局部性，因此通过小波变换对谐波信号进行分析 可以获得所对应的时间信息。 小波变换由于在时一频域同时具有良好的局部化性质，所以它可以根据信号不 同的频率成分来自动调节取样密度，从而可以很好的处理信号突变等情况。但其应 用于谐波检测时也存在固有的缺陷，主要体现在窗口能量不集中，出现频率混迭现 象。要减少因频域分析造成的误差，就必须找到分频严格，能量集中的小波函数， 但目前这种理想的小波函数还未出现。同时由于小波函数是基于频带的概念，因此 在谐波提取中，往往无法提出单一的频率。而且数据经小波变换后得到的是小波系 数，而不是频谱值，缺乏直观眭。“ 2 2 4 改进f f t 检测方法 目前各种各样的所谓的改进的f f t 算法，其原理不外乎是利用d f t 定义，进 行各种差值运算，然后再化成f f t 的形式。相当于f f t 的计算结果进行修正，可以 有效的提高计算精度。比较常用的两种方法是：基于线性插值原理的改进f f t ，即 l f f t ( l i n e a r - i n t e r p o l a t i o n - b a s e df a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ) 和快速抗混叠傅立叶变换， 即f a f t 。 2 3 f i r 数字滤波器的设计 为了提高分析的精度，降低对模拟抗混叠滤波器的技术要求，在数据处理时进 行数字滤波是十分重要的，也是基本处理算法。尤其是在实际的电网运行当中，干 扰源比较多，对采集的信号进行数字处理是非常有必要的。与模拟滤波器相比，数 字滤波器可以更好的满足滤波器对幅度和相位特性的严格要求，能够避免模拟滤波 器所无法克服的电压漂移、温度漂移和噪声等问题。用嵌入式处理器实现数字滤波 除了具有精确度高、稳定性好不受环境影响等优点外，还具有灵活性好的优点，可 以通过修改滤波器的参数十分方便的改变数字滤波器的特性。 本课题研究采用了f i r 数字滤波技术对采集的信号进行数字滤波。f i r 滤波器 在数字滤波器中具有以下几个优点：“” 浙江大学硕士学位论文第二章电力谐波检测及分析计算 ( 1 ) 可以在幅度特性随意设计的同时，保证精确、严格的线性相位； ( 2 ) 由于f i r 滤波器一般为非递归结构，所以在有限精度运算下，不会出现递归 型结构中的极限振荡等不稳定现象，误差较小： ( 3 ) 由于f i r 滤波器的单位脉冲响应h ( r 1 ) 是有限长序列，因此f i r 滤波器没有 不稳定的问题； ( 4 ) f i r 滤波器可以采用f f t 算法实现，从而提高运算效率。 本实验系统初步拟定进行以测量o 一1 9 次谐波为目的，进行了单项电压谐波的 测量实验，试验中信号的采样频率为3 2 0 0 h z ，对采集的信号进行了6 4 点的f f t 运 算，可以较为精确的对2 0 次以内的谐波进行了频谱分析，下面介绍f i r 数字滤波器 的设计方法，其具体的设计过程如下： ( 1 ) 信号频率为5 0 h z ，谐波的测量范围为o 1 9 次； ( 2 ) 采样频率为f = 3 2 0 0 h z ，即每周期采样6 4 点； ( 3 ) 截至频率工= 1 0 0 0 h z ，阻带频率l = 1 6 0 0 h z ； ( 4 ) 采用对称型f i r 数字滤波器。 采用窗函数法，需要对理想特性的傅立叶级数进行截断来得到滤波器的计算系 数。根据设计数据选用h a m m i n g 窗，其低通滤波器的阻带最小衰减为5 4 d b ，过渡带 宽度为a c o = 8 7 r n ，其中为窗口长度。根据谐波的测量要求，保证o 1 9 次谐波 频域的平直特性，滤除3 2 次以上的谐波成分，所以选定1 0 0 0 1 6 0 0 h z 作为过渡带， 滤波器的截至频率为1 0 0 0 h z ，即截止角频率以= 5 x 1 6 。 ( 1 ) 理想矩形频率特性( 上l ( g ”) = e - j a ml 脚 q i ) 的冲击响应序列h a r t ) 为 伯) = 去e 毗脚) e j “d c o = 等 上式表明吃( 聆) 是以口为中心的偶对称无限长序列，为得到线性相位，令 扣训n - 1 愀炉管 浙江大学硕士学位论文 第三章基于a r m 的嵌入式系统总体规划和设计 3 1 。1 嵌入式系统设计的传统方法 通常在单片机系统的开发应用中，是按照瀑布式开发流程进行的。其工作模式 简单，任务的划分协调及人员安排、物质材料的分配管理都比较容易。开发过程是 从硬件到软件的流水线式进行。 传统的嵌入式系统开发采用的是硬件开发与软件开发分离的方式，如图3 2 所 示。这种方法虽然也可改进硬件软件性能，但它是各自独立进行的，不一定使系统 综合性能达到最佳。虽然在系统设计的初始阶段考虑过软硬件的接口问题，但因为 软、硬件分别开发，各自部分的修改和缺陷很容易导致系统集成出现错误。由于设 计方法的限制，这些错误不但很难定位，而且对它们的修改往往会涉及整个软件结 构或硬件配置的改动。显然，这是灾难性的。“ 图3 2 传统的嵌入式系统设计方法 3 1 2 嵌入式系统协同设计技术 为了避免上述问题，一种新的开发方法应运而生软硬件协同设计方法。典 型的软硬件协同设计过程如图3 3 所示。首先，应用独立于任何硬件和软件的功能 性规格方法对系统进行描述，其作用是对硬件软件统一表示，便于功能的划分和综 合；其次，在此基础上对硬件、软件的功能模块进行分配。这种功能分配是从系统 功能的限制条件和要求出发，依照算法进行的。完成硬件、软件功能划分后，需要 对划分结果做以评估。其中方法之一是性能评估，另一种方法是对硬件、软件综合 之后的系统依据指令级评价参数做出评估。如果评估结构不满足要求，说明划分方 案选择不合理，则需要重新划分硬件、软件模块；如此重复到系统获得一个满意的 浙江大学硕士学位论文 第三章基于a r m 的嵌入式系统总体规划和设计 硬件、软件实现为止。 图3 3 嵌入式系统软硬件协同设计方法 这种方法的特点在于协同设计、协同测试和协同验证上，充分考虑软硬件的关 系，并在设计的每个层次上加以测试验证，使之尽早发现解决其中的问题，避免最 后灾难性错误的出现。系统协同设计与传统设计相比有两个显著的区别： 描述硬件和软件使用统一的表示形式。 硬件软件划分可以选择多种方案，直到满足要求。 显然，使用这种设计方法对于具体的应用系统而言，更容易获得满足综合性能 指标的最佳解决方案。“ 3 1 3 系统需求分析和概要设计 开发人员在系统开发前期通过项目需求分析确定需要完成的任务。由于嵌入式 系统应用需求中最为突出的一个特点是注重应用的时效性，故在需求分析的过程中， 采用成熟、易于二次开发的系统有利于节省时间，以最短的时间面向用户。 系统需求分析建立以后，需要建立完整的系统功能模型，并根据现有的系统结 构库对系统模型进行设计。通常在系统功能模型和系统结构模型之间可以通过建立 一个映射层，来完成从功能需求到结构模型之间的转化。在映射层上完成的任务主 要是选择映射的方式，考虑在性能和应用需求环境等方面的因素。 系统需求分析的结果是建立一个功能需求库，将所有的需求综合在一起，包括 系统所需要的功能，输入和输出，需要达到的运行速度和效率等。映射过程结束之 后，就在映射层建立了整个系统的结构模型。该模型也分成软件和硬件两个部分， 2 2 浙江大学硕士学位论文 第三章基于a r m 的嵌入式系统总体规划和设计 在系统结构的实现中软硬件协同开发，共同进行完成开发过程。 3 1 4 系统硬件开发 在进行系统的硬件开发时，首先要根据具体的项目要求和应用条件，选择合适 的嵌入式处理器，其速度、接口、体积、功耗等都满足需要，且应当选择配套有较 好的i d e ( 集成开发环境) 的芯片厂商，以便于后续进行的开发和调试工作，应用 良好的开发工具往往可以达到事半功倍的效果。 选好处理器后应当搭建硬件开发平台，通常是制作或购买开发板。开发板具有 各种基本的外围设备和接口。开发板上软硬件丌发调试通过后，再根据实际应用需 求对一些设备和接口器件进行裁剪，制作最后的硬件电路。 3 1 5 建立交叉开发环境与软件编码 一般来说嵌入式系统是一个资源受限的系统，因此通常采用的解决办法是首先 在通用计算机上编写程序，然后再通过交叉编译生成目标平台上可以运行的二进制 代码格式，最后下载到目标平台上的特定位置上运行。这就是使用交叉开发环境 ( c r o s sd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ) 的方法。交叉开发环境是指编译、链接和调试 嵌入式应用软件的环境，它与运行嵌入式应用软件的环境有所不同，通常采用宿主 机目标机模式。 嵌入式系统的交叉开发环境通常包括交叉编译器、交叉调试器和系统仿真器。 其中交叉编译器用于在宿主机上生成能在目标机上运行的代码，而交叉调试器和系 统仿真器则用于在宿主机与目标机间完成嵌入式软件的调试。 系统的软件编码包括编写硬件底层的驱动程序和完成具体功能的任务代码等， 但如果使用了嵌入式操作系统，除了驱动程序外，还应包括系统移植代码、基于操 作系统的任务程序或应用软件的编写，有时还需要修改或编写适合自己需要的系统 a p i ( 应用程序接口) 等。” 3 1 6 系统交叉编译和连接及其交叉调试 完成嵌入式软件的编码之后，需要通过编译和链接来生成可执行代码，由于开 浙江大学硕士学位论文第三章基于a r m 的嵌入式系统总体规划和设计 发过程大多数在使用i n t e l 公司x 8 6 系列c p u 的通用计算机上进行的，而目标环境 的处理器芯片为a r m 系列处理器，这就要求在建立好的交叉开发环境中进行交叉编 译和链接。 其中交叉编译器和交叉链接器是能在宿主机上运行并且能生成目标机上直接运 行的二进制代码的编译器和链接器。如在基于a r m 体系结构的g c c 交叉开发环境中， a r m - l i n u x g c c 是交叉编译器，a r m 一1 i n u x i d 是交叉链接器。目前嵌入式的集成开发 环境都支持交叉编译和交叉链接。编写好的嵌入式软件经过交叉编译和交叉链接后 生成两种类型的可执行文件：用于固化的可执行文件和用于调试的可执行文件。“ 嵌入式软件经过编译和链按后即进入软件调试阶段。此时调试器仍然运行在宿 主机的通用操作系统之上，但被调试的进程却是运行在基于特定硬件平台的嵌入式 操作系统中，调试器和被调试进程通过串口或者网络进行通信，调试器可以访问、 控制被调试进程，读取或改变被调试进程的当前状态，并可查看和修改目标机上内 存单元、寄存器以及被调试进程中变量值等。这种调试方法叫做交叉调试( c r o s s d e b u g ) ，又常被称为远程调试( r e m o t ed e b u g ) 3 1 7 系统设计原则及扩展性 在系统硬件功能模块设计中，为了使设计更加合理，确保测量的精度，以获得最 佳的设计效果，应注意以下几个设计原则：“ ( a ) 在硬件电路的设计上应该留有余地，以考虑将来扩展和修改的需要。 ( b ) 使用功能更加完善的芯片，可大大简化设计电路，使系统的精度和可靠性 得到了保证。通过正确选用高性能的接口芯片，提高系统的可靠性，并使设备留 有升级的余地。 ( c ) 以软件代硬件。原则上，在实对性允许的条件下，能够用软件完成的功能 就不要用硬件，这样不仅仅节省了成本，而且也提高了系统的可靠性。 ( d ) 嵌入式系统应用的工业现场一般环境非常苛刻，所以尽量采用h c m o s 工艺的 低功耗的芯片，有利于减低自身发热，同时减轻电源负担，增加系统的无故障使用 时间，这也是提高系统可靠性的措施之一。 ( e ) 软件设计中引入嵌入式r t o s ，可使得软件设计简单化、结构化、模块化。 浙江大学硕士学位论文第三章基于a p n i 的嵌入式系统总体规划和设计 操作系统和可能运行的程序要求，选择具有适合内存的芯片。 ( 3 ) 对时钟的要求 系统时钟决定了a r m 芯片的处理速度。a r m 7 的处理速度为0 9 m i p s m h z ，常见 的a r m 7 芯片系统主时钟为2 0 m h z - 1 3 3 m h z ，a r m 9 的处理速度为1 1 m i p s m h z ，常见 的a r m 9 的系统主时钟为i o o m h z - 2 3 3 m h z ，a r m i o 最高可以达到7 0 0 m h z 。此外，不同 芯片对时钟的处理不同，有的芯片只有一个主时钟频率，这样的芯片可能不能同时 顾及u a r t 和音频时钟的准确性，如c i r r u sl o g i c 的e p 7 3 1 2 等；有的芯片内部时钟 控制器可以分别为c p u 核和u s b 、u a r t 、d s p 、音频等功能部件提供不同频率的时钟， 如p h i l i p s 公司的s a a 7 5 5 0 等。 ( 4 ) 接口和外围设备的要求 在不同应用场合，需要使用不同的接口和外围设备，而选用的芯片必须带有或 便于扩展这些接口。例如，若要开发p d a 产品，就要考虑l c d 接口，键盘接口等； 如果涉及音频应用，就可能使用i i s 或s p i 等接口：而一般的芯片都要带有g p i o ( 通 用输入输出) 、u a r t 、a d 、d a 接口。通常还要考虑的接口有u s b ，i i c ，i r d a ，p w m 等。此外，l c d 控制器、r t c ( r e a l t i m ec l o c k ) 、中断控制器等也是选择芯片是常 常要考虑的因素。 3 2 3 r i s c 体系结构 传统的c i s c ( c o m p l e xi n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ，复杂指令集计算机) 结构 存在固有的缺点，即在c i s c 指令集的各种指令中，其使用频率却相差悬殊，大约有 2 0 的指令会被反复使用，占整个程序代码的8 0 ，而余下的8 0 的指令却不经常 使用，在程序设计中只占2 0 ，显然，这种结构是不太合理的。“ 基于以上的不合理性，1 9 7 9 年美国加州大学伯克利分校提出了r i s c ( r e d u c e d i n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ，精简指令集计算机) 的概念，r i s c 结构将指令长度固 定，指令格式和寻地方式种类减少；优先选取使用频率最高的简单指令，避免复杂 指令；以控制逻辑为主，不用或少用微码控制等措施来达到上述目的。 到目前为止，r i s c 体系结构也还没有严格的定义，一般认为，r i s c 体系结构应 具有如下特点： 采用固定长度的指令格式，指令归整、简单、基本寻址方式有2 - 3 种。 浙江大学硕士学位论文 第三章基于a r m 的嵌入式系统总体规划和设计 大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操作，只有加载存储指令 可以访问存储器，以提高指令的执行效率。 使用单周期指令，便于流水线操作执行。 除此以外，a r m 体系结构还采用了一些特别的技术，在保证离性能的前提下尽 量缩小芯片的面积，并降低功耗： a 可用加载存储指令批量传输数据，以提高数据的传输效率。 b 所有的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行，从而提高指令执行效 率。 c 在循环处理中使用地址的自动增减来提高运行效率。 d 。可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理。 当然和c i s c 架构相比较，尽管r i s c 架构有上述的优点，但决不能认为r i s c 架构就可以取代c i s c 架构。事实上，r i s c 和c i s c 各有优势，而且界限并不那么明 显。现代的c p u 往往采用c i s c 的外围，内部加入了r i s c 的特性，如超长指令集c p u 就是融合了r i s c 和c i s c 的优势，成为未来的c p u 发展方向之一。 3 3a r m 7 的体系结构 3 3 1 a r m 7 体系结构和指令系统的逻辑结构 a r m 7 从一开始就是围绕指令系统来设计体系结构的，存储与总线系统方面采用 冯诺依曼结构，为了进步提高性能，a r m 9 以后的处理器核都采用了哈佛存储总 线结构。采用r i s c 指令系统和哈佛存储结构能够同时满足高性能、低功耗、低成本 的嵌入式应用的要求，是比较合理的体系结构。a r m 7 的体系结构= r i s c 指令系统+ 冯诺依曼存储结构+ 分级存储管理。啪3 作为一种r i s c 体系结构的微处理器，a r m 7 微处理器除了具备r i s c 体系结构的 典型特征，还具备以下特点：“ ( 1 ) 在每条数据处理指令当中，都控制算术逻辑单元( a l u ) 和移位器，以使 a l u 和移位器获得最大的利用率： ( 2 ) 自动递增和自动递减的寻址模式，以优化程序中的循环： 浙江大学硕士学位论文 第三章基于a p d v i 的嵌入式系统总体规划和设计 ( 3 ) 所有指令都可以条件执行，以增大执行数量； ( 4 ) 同时l o a d 和s t o r e 多条指令，以增加数据量； ( 5 ) 3 操作数指令和3 级流水线结构。 另外，译码与控制机构中还包含一些的硬件逻辑，用于将1 6 位t h u m b 代码解码 位对应的3 2 位a r m 代码。因此a p r i l 7 可以用1 6 位的代码来实现3 2 位的性能，从而 实现对代码密度和系统性能的兼顾。 执行机构主要由地址寄存器、地址增值器、寄存器堆、乘法器、桶式移位器和 a l u 五部分组成。地址寄存器内存放当前正在取指的指令地址或者正在访问的数据 的地址，这个地址的副本同时保存在地址增值器和寄存器堆中的程序计数器p c 中， 当需要读取下一条指令时，地址增值器会将当前地址加1 后，写入地址寄存器和p c 中；当需要进行跳转时，a l u 模块计算出跳转地址，并存入p c 中，同时写入地址增 值器和地址寄存器中。存储器堆包含了3 7 个工作寄存器，包括堆栈指针s p 、程序 计数器p c 、链接寄存器l r 、当前状态寄存器c p s r 和备份状态寄存器。为了保证包 含多位移位的指令也能在单周期内完成，专门设计了桶式移位器来实现这个功能。 而a l u 作为算术逻辑运算单元，智能执行基本的加、减、逻辑运算，不能