（电力电子与电力传动专业论文）基于嵌入式系统的船舶电站自动控制装置研究与设计.pdf

英文摘要 r e s e a r c ha n dd e s i g nf o ra u t o m a t i cc o n t r o lo fm a r i n ep o w e rs y s t e m b a s e do ne m b e d d e ds y s t e m a b s t r a c t 愈像ed e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i ca n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y , n o wt h e a u t o m a t i o no fp o w e rs y s t e mi si nt h ea c c e l e r a t e dp r o g r e s st o w a r dan e ws t a g eo f d i g i t a l i z a t i o n ，i n t e g r a t i o n ，s t a n d a r d i z a t i o na n di n t e l l i g e n t i z a t i o n 。t h ea u t o m a t i o no f p o w e rs y s t e mi st h ek e yl i n ki ni m p r o v i n gt h er e l i a b i l i t ya n dc o n t i n u a n c eo ft h ew h o l e p o w e rs u p p l y , s oi ti sv e r ys i g n i f i c a n tf o rr e s e a r c h i n gt h ea u t o m a t i o no fp o w e rs y s t e m 。 t h eo d g m a t a k e st h em a r i n ep o w e rs y s t e ma sr e s e a r c ht a r g e t i nt h i sa r t i c l e ，p r o p o s e s t oc o m b i n et h ee m b e d d e ds y s t e mw i t ht h ed s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o oc o n t r o l t e c h n i q u ei na i le f f o r tt of u l f i l lt h eo p e r a t i o n sr e q u i r e db yt h ea u t o m a t i cp a r a l l e la n dt h e f r e q u e n c ya n dl o a da u t o m a t i cc o n t r o lf o rm a r i n ep o w e rs y s t e m i nt h i sp a p e r , t h er e a l t i m eo p e r a t i o ns y s t e mi sd e s c r i b e da n dp o r t e dt ot h ep l a t f o r m b a s e do nt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7t h a tp r o d u c e db yt ic o o nt h ep l a t f o r m ，t h es y s t e mc h i e f l y c o m p l e t e st h ed a t as y n c h r o n i z a t i o nc o l l e c t i n g , r e g u l a t i n ga n dc o n t r o l l i n go ft h ep o w e r s y s t e ma n df u l f i l l st h ef u n c t i o no fa u t o m a t i cs h u t d o w na n df r e q u e n c ya n dl o a dc o n t r 0 1 t oc a r r y 。o u tt h ed a t ae x c h a n g eb e t w e e nt w oc o n t r o l l e r sb yu s i n gc a nf i e l d b u sw h i c h h a v et h ea d v a n t a g e so fh i g hr e l i a b i l i t ya n dh i g hs p e e dt r a n s m i s s i o n ，a n dt oi m p r o v et h e c e l e r i t ya n dv e r a c i t yw i t ht r m st r a n s f o r mi n t e g r a t i o nc h i p t h es t r o n g e rt h ef u n c t i o no fm a r i n ep o w n e rs y s t e mi s ，t h em o r ec o m p l i c a t e dt h e p r o g r a mi s t h ec o m p l e xp l a no fp r o g r a m si n c r e a s e sd i f f i c u l t ya n dp e r i o do fe x p l o i t u r e a n dm a n m a d em i s t a k e si nt h ep r o g r a m m ep r o c e s s ，s oa r ma tt h i s ，t h i sp a p e rm a i n l y r e s e a r c h e s t h em e t h o do fp o r t i n ge m b e d d e ds y s t e mt ot h ep r o c e s s o la n dw h i t e s p r o g r a m m eo nt h ep l a t f o r mo f 隧c o s i io p e r a t i o ns y s t e m i to b t a i n ss a t i s f y i n gr e s u l t s b ya n a l y z i n gc a p a b i l i t yo fo p e r a t i o ns y s t e ma n dd e b u g g i n gi nt h el a b o r a t o r y k e yw o r d s ：m a r i n ep o w e rs y s t e m ；e m b e d d e ds y s t e m ；t z c o s - l l ；d s p 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文：基王遨基丕统的盥自旦鱼塑自塾控生鉴置婴宜皇逡盐：。除论 文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经 公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：彳2 荻 必年3 月群日 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“大连海事大学研究生学位论文提交、版 权使用管理办法”，同意大连海事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。本人授权大连海事大学可以将本学 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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密d ( 请在以上方框内打“v ”) 论文作者签名： 日期： 导师签名： 萜年罚 基于嵌入式系统的船舶电站自动控制装置研究与设计 第1 章绪论 1 1 课题来源与应用前景 随着电力电子技术和计算机技术的不断发展，船舶自动化系统得到飞速发展， 一；： 现正朝着数字化、集成化、网络化、标准化、智能化的方向发展。其发展主要经 历了以下几个阶段：6 0 年代，4 m a - - 一2 0 m a 模拟信号的广泛应用，促成了过程控 制体系( a c s ) ；7 0 年代到8 0 年代，数字计算机进入过程控制领域，出现了集中控 制，即集散控制系统( d c s ) ；之后，随着各种智能传感器、变送器、执行器、数据 交换机和网络技术的日益成熟，数字化到现场的呼声日益增高，一种新的过程控 制系统体系结构觋场总线控制系统( f c s ) 已经呈现在我们眼前【。 船舶电站自动化的优点有：维持电站供电的连续性和可靠性，增强船舶运行 的生命力；提高船舶电站供电质量；改善船员工作条件，减轻值班强度；提高劳 动生产率，提高船舶运行的经济指标1 2 1 。 我国是船舶制造、维修、运输的大国，船舶制造及相关市场空间巨大，而我 国在船舶主要控制产品的国产化方面的发展与我国的船舶制造业的规模不相适 应，国产化的科技含量的产品市场需求迫切，潜力巨大，所以船舶电站自动控制 装置的研究与设计具有很高的应用价值。 随着各种微机控制系统在各领域中应用的不断深入，对其系统本身的各方面 性能提出了越来越高的要求，使应用软件朝着系统化方向加速发展。在传统的系 统设计中，大多采用单任务的顺序机制。应用程序是一个无限的大循环，所有的 事件都得按顺序执行，与时间相关性较强的事件靠定时中断来保证。这种方式编 程的优势在于程序较为直观，程序代码相对较少；这种单任务机制的弱点在于， 当系统功能较为复杂时系统的稳定性差，开发难度高，在程序编写中人为出现的 错误增多，为调试带来很大不便。因此支持多任务并行运行的嵌入式系统现在被 广泛应用到工业控制的各种系统中。 本课题即来源于大连市经济委员会项目“网络化船舶电站自动控制装置”，采用 嵌入式系统技术，在控制芯片中移植操作系统，并在操作系统的平台上对实现船 第1 章绪论 舶电站控制的复杂功能进行研究与设计。 1 2 嵌入式系统简介 目前嵌入式系统国内普遍认同的定义：嵌入式系统是以应用为中心，以计算 机技术为基础，并且软硬件可裁减，适用与应用系统，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。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件 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、监视或管理等目标。 嵌入式系统的出现己经有3 0 多年的历史，嵌入式系统技术也经历了几个发展 阶段，大致可以分为下面4 个阶段p - s ： 第一阶段是以单芯片( 比如微控制器) 为核心、一般没有操作系统支持的系统。 这种系统主要用于工业控制系统中，为了达到高效控制，一般使用汇编语言编写 程序。这一阶段的主要特点是：系统结构和功能相对单一、处理效率低、存储容 量较小、也没有丰富的用户接口，但是使用简便、价格低。随着控制工业的现代 化以及信息家电的新起，对处理器的速度、存储空间等提出了较高要求，这种系 统显然远远不能适应新的要求。 第二阶段：以嵌入式c p u 为基础、简单操作系统为核心的嵌入式系统。c p u 种类繁多，通用性比较差；系统开销小，效率高；一般配备系统仿真器，操作系 统具有一定的兼容性和扩展性；应用软件较专业，用户界面不够友好；系统主要 用来控制系统负载以及监控应用程序运行。 第三阶段：通用的嵌入式实时操作系统阶段，以嵌入式操作系统为核心的嵌 入式系统。能运行于各种类型的微处理器上，兼容性好；内核精小、效率高，具 有高度的模块化和扩展性；具备文件和目录管理、设备支持、多任务、网络支持、 图形窗口以及用户界面等功能；具有大量的应用程序接n ( a p i ) ；嵌入式应用软件 丰富。 第四阶段以i n t e r a c t 为标志，这个阶段正处于快速发展期。前面的几个阶段一 般采用各种控制总线组成分布式网络，随着i n t e r n e t 的迅猛发展，i n t e r a c t 技术与 信息家电、工业控制等结合日益紧密，嵌入式设备与i n t e r a c t 的结合代表着嵌入式 基于嵌入式系统的船舶电站自动控制装置研究与设计 系统技术的发展方向。 嵌入式系统具有以下特点【3 5 1 - ( 1 ) 嵌入式系统通常是面向用户、面向产品、面向应用的。嵌入式c p u 与通 用型的最大不同就是嵌入式c p u 大多工作在为特定用户- 群设计的系统中。它通常 ： i i 都具有功耗低、体积小集成度高等特定，能够把通用c p u 中许多由板卡完成的任 务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化。 ( 2 ) 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业 的具体应用相结合的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、 高度分散、不断创新的知识集成系统。 ( 3 ) 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效的设计，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。这样才能在具体应用中对处理器的选择 更具有竞争性。 ( 4 ) 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也和具体产品 同步进行，因此嵌入式产品一旦进入市场，就具有较长的生命周期。 ( 5 ) 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固化在储存 芯片或单片机中，而不是存储在磁盘等载体中。由于嵌入式系统的运算速度和存 储容量仍然存在一定程度的限制；另外，由于大部分嵌入式系统必须具有较高的 实时性，因此对程序的质量，特别是可靠性有着较高的要求。 ( 6 ) 嵌入式系统本身不具各自举开发能力，即使设计完成以后用户也是不能 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。 ( 7 ) 嵌入式应用系统通常是由应用领域的专家开发，而不是由计算机方面的 专家开发。 1 3 课题研究内容 随着船舶自动化装置功能的不断增强，其软件的复杂度也大大增大，给系统 的维护和新功能的扩展带来了极大的不便。嵌入式实时操作系统在功能复杂、系 统庞大的应用中显得愈来愈重要。 基于以下优点本文采用嵌入式系统技术，在处理器中移植操作系统：首先， 第1 章绪论 嵌入式实时操作系统提高了系统的可靠性。在控制系统中，出于安全方面的考虑， 要求系统起码不能崩溃，而且还要有自愈能力。不仅要求在硬件设计方面提高系 统的可靠性和抗干扰性，而且也应在软件设计方面提高系统的抗干扰性，尽可能 地减少安全漏洞和不可靠的隐患。实时操作系统管理的系统，各种干扰可能只是 ；： 。 引起若干进程中的一个被破坏，系统监视进程用来监视各进程运行状况，遇到异 常情况时采取一些利于系统稳定可靠的措施，如把有问题的任务清除掉。第二， 提高了开发效率，缩短了开发周期。在嵌入式实时操作系统环境下，开发一个复 杂的应用程序，通常可以按照软件工程中的解耦原则将整个程序分解为多个任务 模块。每个任务模块的调试、修改几乎不影响其他模块。商业软件一般都提供了 良好的多任务调试环境。在控制芯片中嵌入操作系统，打破了传统的前后台超循 环编程方式，使功能程序代码更加简单，功能扩展更加方便。第三，减少了人为 的编程错误，提高了调试效率。在嵌入式实时操作系统环境下，各个任务可以独 立编写、调试，单个任务的程序代码相对较短。在任务代码编写过程中，由于受 其他任务代码的影响很小，大大减少了因为程序复杂导致的人为编程错误。 本课题从硬件和软件两方面入手展开系统的设计工作。在硬件设计方面主要 做了以下工作： ( 1 ) 设计核心控制器d s p 及其外围的硬件电路，采用单独的e e p r o m 存储系 统的控制参数。 ( 2 ) 对船舶电站控制装置的信号采集装置进行了详细设计，采用滤波电路改善 电压和电流采集信号的波形，使用专用集成芯片将电压和电流交流信号转换成直 流信号，使信号采集更加简单、可靠。 ( 3 ) 采用c a n 总线的方式，在电站控制器之间进行数据通信，实现数据共享， 并为该装置今后组网，成为现场总线控制系统的一部分做好准备。 ( 4 ) 以单片机8 9 s 5 2 为控制器，通过异步串行通信与d s p 通信，搭建液晶控 制面板。 在软件设计方面主要做了以下几项工作： ( 1 ) 采用嵌入式系统技术，在电站控制芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 中移植c o s i i 基于嵌入式系统的船舶电站自动控制装置研究与设计 操作系统。 ( 2 ) 在操作系统的平台上，编写船舶电站的各个功能任务，对任务的划分和任 务间相互调度进行了详细的研究。在并车任务的设计中，对常用频差电压测相位 差的方法进行改进，利用d s p 芯片捕捉端口，使发电机和电网相位差过零点的捕 i 。： 捉更为简便；在调频调载任务的设计中，采用软件实现积差控制法，有效解决调 节控制器的多次振荡。 ( 3 ) 在操作系统平台上，对功能任务完成的实时性、可靠性进行调试，得出相 应的结果，并对其功能可扩展性进行分析。 ( 4 ) 对采用操作系统的编程方式与超循环的编程方式进行比较、分析。 第2 章系统总体设计 第2 章系统总体设计 船舶电站自动化是机舱自动化的重要组成部分，是实现机舱自动化，进而实 现全船自动化的必要条件之一。 船舶电站自动控锄装置通常包括以下功能【自7 1 ： ( 1 ) 发电机组在接到启动指令后，实现自动启动； ( 2 ) 启动成功后，自动投入电网； ( 3 ) 电网电压的自动调节和频率的自动调节； ( 4 ) 同步发电机的自动准同步并车及并联运行发电机组间有功功率和无功功 率的自动分配； ( 5 ) 按电站负荷情况实现对部分负载的自动切除或自动投入； ( 6 ) 重载询问； ( 7 ) 负载转移和过剩机组( 或者故障机组) 自动解列，自动停机； ( 8 ) 运行参数的控制，显示以及故障的监视处理。 本章的主要内容是讨论如何从总体上设计硬件和软件来实现以上目的。此外， 嵌入式处理器和嵌入式操作系统分别是硬件层和软件层的核心，本章也将对如何 选取两者进行详细的分析研究。 2 1 系统总体结构 船舶电站自动控制装置主要分为硬件层、软件层。硬件层主要由d s p 处理器 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 、e e p r o m 、信号采集、模拟量输入输出、串口通信、c a n 收发 器、单片机8 9 s 5 2 、液晶屏、键盘和时钟、i o 接口等电路组成。船舶电站自动控 制装置处理器由主处理器- - d s p 处理器喇s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 和辅处理器一单片机 8 9 s 5 2 组成。主处理器主要完成船舶电站的信号采集、自动并车、调频调载、自动 解列、报警处理等控制功能；辅处理器主要创建一个良好的人机接口，该人机接 口由液晶显示、键盘、报警灯和时钟芯片组成。d s p 与单片机之间通过异步串行 通信进行数据传输，各个d s p 之间采用c a n 总线的传输方式，完成功率信息的 交换，用于多机并联运行的负载分配。其硬件层整体框架图如图2 1 所示。软件层 基于嵌入式系统的船舶电站自动控制装置研究与设计 由系统层和应用层组成。系统层包括嵌入式操作系统c o s - i i 内核、系统的启动 程序和驱动程序。应用层包括实现船舶电站各个功能的程序，如待启动任务、启 动任务、单机运行任务、准同步并车任务、双机运行任务、解列任务、信息采集 任务、控制参数储存任务，通信任务等。 键盘j 同单片机a t 8 9 s 5 2p 1 l c d 显示 时钟电路ii i l s 2 3 2 信号采集电路同嵌入式处理器同e k p r o m 电源吲t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 吲s d r a m 嵌入式处理器 喇$ 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 图2 i 系统整体结构图 f i g 2 。1f r a m eo ft h ew h o l es y s t e m 2 2 处理器及嵌入式操作系统选择 从硬件方面讲，嵌入式系统的核心部件是嵌入式处理器，它的功能和性能直 接影响着整个系统，它的选择制约着外部器件的选择，也影响系统软件的设计。 处理器的选择根据各种控制器的特点和船舶电站的总体功能需求来决定。 目前嵌入式处理器可以分为4 类，即嵌入式微处理器( e m b e d d e d m i c r o p r o c e s s o ru n i t ，e m p u ) 、嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 、嵌 入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，e d s p ) 和嵌入式片上系统 ( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 【3 】o ( 1 ) 嵌入式微控制器( ( m c u ) 又称为单片机，它一般将c p u 、存储器( 少量的 第2 章系统总体设计 r a m ，r o m 或两者都有) 、总线、定时器计数器、i o 口等各种必要的功能模块 封装在同一集成电路里，是工业控制中的主流产品。代表性的产品包括8 0 5 1 、 m c s 9 6 、6 8 k 系列等。 ( 2 ) 嵌入式微处理器( ( m p u ) 的基础是通用计算机中的c p u 。在应用中，一般 7。； ：i 是将微处理器装配在专门设计的电路板上，在母板上只保留和嵌入式相关的功能， 这样可以满足嵌入式系统体积小和功耗低的要求。目前的嵌入式处理器主要包 括：p o w e r p c ，m o t o r o l a6 8 0 0 0 ，a r m ，m i p s 系列等。 ( 3 ) 嵌入式数字信号处理器( d s p ) 是专门用于信号处理方面的处理器，在系 统结构和指令算法方面作了特殊设计，具有很高的编译效率和指令执行速度，在 数字滤波、谱分析、图像处理分析等领域被广泛使用。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 提供了适 用于工业控制领域的一些特殊功能，如看门狗电路、s p i 、s c i 和c a n 总线控制器 等，从而使它可广泛应用于工业控制领域。 ( 4 ) 嵌入式片上系统( s o c ) 的特点是实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片 内嵌入操作系统的代码模块。除了个别无法集成的器件之外，整个嵌入式系统大 部分均可集成到一块或几块芯片中，应用系统电路变得很简洁，不仅减少了体积 和功耗，而且提高了可靠性和设计生产效率。 船舶电站控制器需要有1 1 个模拟量输出，8 个模拟量输入，9 路a d 转换，串 行通信接口，总线接口，以及快速的运算速度。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 是t i 公司推出的 一款定点d s p 控制器，它采用了高性能静态c m o s 技术，使得供电电压降为3 3 v ， 减小了控制器的功耗；4 0 m i p s 的执行速度使得指令周期缩短到2 5 n s ( 4 0 m h z ) ， 从而提高了控制器的实时控制能力；集成了3 2 k 字的闪存、2 5 k 的r a m 、5 0 0 n s 转换时间的a d 转换器，片上事件管理器( e v ) 提供了可以满足各种电机的p w m 接口和i o 功能。d s p 区别于一般通用微处理器或单片机，是因为它根据数字信 号处理的要求，采用了特殊的软硬件结构。大多数通用c p u 所采用的程序和数据 储空间统一的冯诺伊曼结构，取指令和取数据都访问同一个存储器，数据吞吐量 低：t m s 3 2 0 系列d s p 芯片在基本哈佛结构的基础上做了改进，使其可以流水线 操作，并行处理( 2 4 ) 条指令，这样减少了指令执行的时间，从而增强了处理器的 基于嵌入式系统豹船舶电遂自动控锖l 装置研究与设计 处理麓力。由于其集成了大量的存储器、布尔处理器、复杂逻辑门阵列及特殊算 法功能块，可以高速处理大量数据甚至轻而易举地完成模糊控制或自适应控制等， 所以是未来工鲎嵌入式系统的发震方向l 蚓。根据上述船舶电站的需求和d s p 控制 芯片的众多优点，本设计选择了t i 公司的1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为系统的主处理器。 ， 一： + 2 靛软佟方面讲，。操作系统是嵌入式系统的核心部分。国内外较为有名的嵌入 式操作系统有w i n d o w sc e 、w i n d o w sx pe m b e d d e d 、v x w o r k s 、n u c l e u s 、p a l mo s 、 s y m b i a no s 、e m b e d d e dl i n u x 、- # c o s i i 帮h o p e n 等。其中。p a l mo s 主要应用于 掌上电脑，s w n b i a no s 主要应用于智能手机，下面对主要应用子工业的嵌入式系 统傲简要介绥： 1 w i n d o w s 傀：w i n d o w sc e 是微软开发的3 2 位嵌入式操作系统，是从整体 上为有瑕资源酶平台设计豹多线程、完整优先权、多任务的操作系统。它的模块 化设计允许它对于从掌上电脑到专用的工业控制器的用户电子设备进行定制一此 外还具有多媒体能力、良好的网络和通信支持等特点，其基本内核需要至少2 0 0 k 的r o m 。 。 2 v x w o r k s ：v x w 破是美国风河公司( w i n dr i v e rs y s t e m ) 的一个实时操作系 统。它的操作系统内核专门为实时嵌入式系统开发而设计，可以为程序员提供高 效的实时多任务调度、中断管理，实时的系统资源管理以及任务闻通信。良好的 持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境，使它在嵌入式实时操作 系统领域逐渐占据一席之地，被广泛应用在通信、军事、航空航天等高精尖技术 及实时性要求极高的领域中。 3 嵌入式l i n u x ：l i n u x 是一个成熟而稳定的操作系统，但它并非专为实时系 统丽设计。嵌入式l i n u x 就是将目前流行的l i n u x 进行剪裁、修改，使之能应用于 实时系统的一类操作系统。目前有很多种嵌入式l i n u x ，比较主要的有r tl i n u x 和# c l i n u x 。r tl i n u x 设计了一个高效的可抢先的实时调度核心，丽把l i n u x 作为 此核心优先级最低的一个进程运行。比c l i n u x 是一个源码开放的操作系统，它是 l i n u x 的一个变种，针对嵌入式应用的特点作了较大的简化和修改，有稳定、移植 性良好、优秀的网络功能等特点，因而特别适用于嵌入式应用。 第2 章系统总体设计 4 肛c i o s i i ：i l c o s i i 是一种免费、公开源代码、结构小巧、具有抢占式可剥夺 实时内核的实时操作系统，总是执行就绪队列中优先级最高的任务。具有执行效 率高、占用空间小、可剪裁、实时性能优良、移植性好和可扩展性强等特点，最 小内核可编译至2 k b 。 ，； 在这些系统中，v x w o r k s 、w i n d o w sc e 等是商用型操作系统，该种操作系统 稳定、可靠，有完善的技术支持和售后服务，但往往价格昂贵，另外这些系统功 能复杂，需要处理器的配置比较高，增大了移植的困难，所以这些系统对于初次 开发嵌入式系统并不适宜。肛c o s 则是免费的操作系统，内核源代码全部公开， 网上相关资源也比较丰富，其次其内核很小对于d s p 2 4 0 7 更容易移植。嵌入式操 作系统p c o s i i 还具有以下特点1 1 0 l ： 1 提供源代码：北京航空航天大学出版社出版的嵌入式实时操作系统 p c o s i i ( 第二版) 提供了m c o s i iv 2 5 2 的所有源代码，并提供了详细的注解。 2 良好的移植性：# c o s i i 源代码绝大部分都是用移植性很强的a n s i c 写 的，与微处理器硬件相关的部分是用汇编语言写的。汇编语言写的部分已经压到 最低限度，以使# c o s i i 便于移植到其他的处理器上。只要该处理器具有堆栈指 针，具有c p u 内部寄存器入栈、出栈指令，就能移植# c o s i i 。 3 可裁减性：可以根据功能的需要选择# c o s i i 中需要的系统服务，删去不 必要的功能，节省储存空间。 4 可剥夺性：# c o s i i 是完全可剥夺性的实时内核，即# c o s i i 总是运行就 绪条件下优先级最高的任务。大多数商业内核也是可剥夺性的，# c o s i i 在性能 上可以于商业型相媲美。 5 可确定性：绝大多数# c o s i i 的函数调用和服务的执行的时间具有可确定 性。用户能够知道m c o s i i 的函数调用和服务执行了多长时间，且除了函数 o s t i m e t i c k 0 和某些事件标志服务，c o s i i 系统服务的执行时间不依赖于用户应 用程序数目的多少。 6 稳定性和可靠性：# c o s i i 的每一种功能、每一个函数及每一行代码都经 过了考验和测试，并于2 0 0 0 年7 月获得了美国联邦航空管理局的安全认证，这说 蒸予嵌入式系统的船舶电皓自动控碡l 装置研究与设诗 明了# c o s - i i 在稳定性和安全性等方蘧都符合较高要求。 7 可扩展性：g c o s i i 没有提供输入输出管理文件系统网络之类的额外服务， 但是由亏：l , c o s i i 的可移植性和开源性，用户可以自己添栩所需的各种服务。 基于# c o s - i i 操作系统的上述优点，本设计选用该系统作为移植到船舶电站 一： 处理器芯片的操作系统。 第3 章系统硬件电路设计 第3 章系统硬件电路设计 本章主要介绍系统硬件电路的工作原理和设计方法，该系统硬件部分主要包 括：处理器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 及其外围电路、电源电路、信号采集电路、模拟输 入输出电路、通信电路和液晶控制屏电路等。 3 1 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 及其外围电路设计 本设计采用美国1 1 公司生产的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 处理 器作为控制芯片，t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列是1 r i 公司继第二代定点d s p 处理器和第三 代定点t m s 3 2 0 c 5 x 之后出现的一种底价格、高性能的定点d s p 芯片，特别适合 应用与工业控制，现在已经逐渐代替单片机成为工业控制的主流芯片。 图3 it m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 及其外围电路图 f i g 3 1c i r c u i to ft m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 基于嵌入式系统的船舶电站自动控制装置研究与设计 本系统主控制器采用4 0 m i - i z 工作频率，系统外部输入时钟采用1 0 m h z 有源 晶振，使用d s p 自身内制的锁相环倍频到4 0 m h z ，从而减少高频信号干扰、提高 系统可靠性。根据系统调试和系统功能的需要，d s p 2 4 0 7 外围电路设计了j t a g 仿真接口、c m o ss t a t i cr a mi s 6 1 l 、，6 4 1 6 l 、e e p r o m2 4 c 1 6 等。其电路图如 一- 。 图3 1 所示。 i s 6 1l v 6 4 1 6 a 是i s s i 公司的一款s d r a m 产品，容量是1 0 4 8 5 7 6 b i t ( 6 4 k x l 6 ) 。 相关引脚为：c e 为r a m 片选信号，o e 为读信号，w e 为写信号，l b 和u b 分 别为低8 位和高8 位控制信号。其6 4 k 字的储存空间分为两个部分，每个部分占 用3 2 k 字，高地址设置为程序空间，低地址设置为数据控制，由d s p 控制器d s 和p s 信号决定访问哪个空间。r a m 的程序空间只在程序调试时使用，当程序调 试完成，将程序固化到控制器中，该部分存储空间将不在使用。 d s p 方针头采用1 4 根信号线，符合j t a gi e e e l l 4 9 1 标准。j t a g 即联合测试 行为组织，主要应用于电路的边界扫描测试技术和可编程芯片的在系统编程f 1 1 】， 通过它可以直接控f l 争j t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的内部总线及i o t 等，从而达到在线调试的 目的。j t a g 接1 2 1 主要用到t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片的t d i ( 测试数据输入_ ) 、t d o ( 测试 数据输出) 、1 m s ( 测试模式选择) 、t c k ( 钡i j 试时钟信号用v r s t ( 测试复位信号) 几个 引脚j o 一个可靠的复位电路对于d s p f 立用系统来说是必不可少的。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为低电平复位，一般来说有两种复位电路设计方法：专用芯片和r c 电路法。本设 计中采用m a x 7 0 8 s e s a 作为复位芯片，具备上电复位和手动复位两种功能。 m a x 7 0 8 s e s a 是一种微处理器电源监控芯片，可同时输出高电平有效和低电 平有效的复位信号。复位信号可由v c c 电压、手动复位输入、或由独立的比较器 触发。该芯片引脚7 为低有效复位信号输出端，在上电和电源电压超限时均可产 生复位信号，复位信号的脉冲宽度为2 0 0 m s ；引脚1 位手动复位输入，由按键s 1 产生复位信号。 a t 2 4 c 1 6 是a t m e l 公司的1 6 k 容量的e e p r o m 存储器，主要特点是与i i c 总线兼容、1 8 到6 o 伏工作电压范围、可保存数据1 0 0 年等。该芯片用于储存电 第3 章系统硬件电路设计 站控制器设定的全部参数。 i i c 总线是p h i l i p s 公司开发的一个简单的双向两线总线。其主要特点有：只 要求两条总线线路，一条串行数据线( s d a ) ，一条串行时钟线( s c l ) ；每个连接到 总线的器件都可以通过唯一的地址和一直存在的简单的主机从机关系，软件设定 地址，主机可以作为主机发送器或主机接收器；是一个真正的多主机总线，如果 两个或更多主机同时初始化，数据传输可以通过冲突检测和仲裁，防止数据被破 坏；串行的8 位双向数据传输位速率在标准模式下可达l o o k b i t s ，快速模式下可 达4 0 0 k b i t s ，高速模式下可达3 4 m b i t s t 片上的滤波器可以滤去总线数据线上的 毛刺波，保证数据完整性【1 2 1 。 本设计选取采用l l c 总线方式进行数据储存的e e p r o m 有三个原因： ( 1 ) 芯片引脚少，节省电路板面积； ( 2 ) 该芯片只占用控制器三个i 0 口，节省控制器的资源； ( 3 ) 电路设计极为简便，而且很方便的就可以扩展几片e e p r o m 而不需做大的 改动。 其电路图如图3 2 所示： u 75 v v s ( 己姒 w c n c n c g n dn c ： m 2 4 c 1 6 n 6 图3 2e e p r o m 电路图 f i g 3 2c i r c u i to fe e p r o m 3 2 电源电路设计 本系统的输入电源是船舶蓄电池提供的直流2 4 v 电源，系统内部需要直流 2 4 v 、5 v 、3 3 v 、- 5 v 四种电源。2 4 v 电源用于驱动2 4 v 继电器，正负5 v 电源给 运算放大器和电压比较器等c m o s 芯片供电，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 内核需要3 3 v 电 基于嵌入式系统的船舶电站自动控制装置研究与设计 源供电。根据需要要将2 4 v 电源进行转换，转换芯片采用l m 7 8 0 5 、1 1 1 7 3 3 和 l m c 7 6 6 0 三种。l m 7 8 0 5 产生+ 5 v 电源，1 1 1 7 3 3 将5 v 转换成3 3 v 电源，l m c 7 6 6 0 将+ 5 v 转换成一5 v 电源。因为d s p 需要提供数字和模拟两种电源，系统采用两片 1 1 1 7 3 3 芯片分别提供数字和模拟电源，保证d s p 进行a d 转换的精度。其电路 - _ - 图如图3 3 所示： l 1 w 一训中上c 。! l l 鲤l it 沿l lli _ 图3 3 电压转换电路图 f i g 3 3c i r c u i to fv o l t a g et r a n s f o r m 3 3 信号采集电路设计 信号采集的精度和可靠性是系统实现应用功能的重要环节和基础，本系统需 要采集的信号包括：电网和发电机的三相电压值和频率、发电机的三相电流值、 发电机电压和电流的相位差、发电机和电网电压的相位差。 c 1 1 j 一5 图3 4 二阶压控低通滤波电路图 f i g 3 4c i r c u i to fv c v s f i l t e r 第3 章系统硬件电路设计 船舶发电机供电电压为3 8 0 v 或4 4 0 v ，强电和弱电的隔离是必不可少的，信 号采集电路采用原边1 1 0 v 输入、副边5 v 输出的变压器和输入为5 a 、输出为2 5 m a 的电流互感器实现强电与弱电的隔离。低通滤波器是在数据采集中必须具备的前 置电路，主要作用是去除信号中的噪声，本设计采用比较成熟的压控电源型二阶 ：。i 低通滤波器。根据实际经验，为了使工频( 5 0 h z ) 分量能很好的通过，滤波器的 截止频率设置为1 k h z ，其具体的参数查表取得，其电路图入图3 4 所示。 本设计采用p r o t e l d x p 软件进行仿真，验证该电路的滤波效果，其仿真电路模 型如图3 5 所示： a d d v 图3 5 压控电源型二阶低通滤波器仿真模型 f i g 3 5s i m u l a t i o nm o d e lo fv c v sf i l t e r 为了模拟实际情况中出现的一些问题，在信号输入端加入了高频分量和过零 点毛刺。压控电源型二阶低通滤波器仿真结果如图3 6 3 8 所示。 从图3 6 3 8 中，可以看到采集的信号包含有高频分量和一个很大的过零点“毛 刺”。经过一阶v c v s ( 压控电源型二阶低通滤波器) 后( o u t l 点) 高频分量明显消 基于嵌入式系统的船舶电站自动控制装置研究与设计 除了但是“毛刺”处理的不够平滑，在o u t 2 点也就是最后输出点上几乎看不到t 毛刺， 的痕迹了。但是通过观察发现信号的相位发生了偏移，不过可以在编程中进行补 偿。此滤波电路电压增益a w = 1 、等效品质因数q - - 1 2 ，经过滤波器后波形延迟 大约1 3 5 0 。 曼 ；吲帕、k 。f 耐k h 晰i 。 矿| 、 | ) r 1 k r 、 ， i 逸瓦l 、，7 p c - ： 5 脚 4 0 3 d 2 姗 1 d 0 脚 0 2 0 3 删 - 4 d 0 0 5j 0 f i g 3 6i n p u tv o l t a g es i g m a o 0 0 0 m5 o m1 0 0 0 m 1 5 0 0 m柏m n2 5 f l o m3 0 椭葛o 嘶o o m r 峙( 。) 图3 7 经过第一个v c v s 后的输出电压信号 f i g 3 7o u t p u tv o l t a g es i g n a l 。p a s s e dt h ef i r s tv c v s i ” 一i 。j 、 f 一： k e t 皇 入 。i 弋 o s t c b s t k p t r bt $ $ r e s t ( 2 ) o s c t x s w o ：在本移植中，任务级任务切换用软中断i n t 8 实现，o s c t x s w 0 即为该中断的中断服务程序。它先要将当前处理器寄存器压入当前任务的堆栈中， 将当前堆栈指针保存到当前任务的任务控制块中；然后用与o s s t a r t h i g h r d y o 相类 似的方法运行当前处于就绪态中优先级最高的任务。其代码编写如下： o s c t x s w ： c a l li $ $ s a v e o s c t x s w 0 ： c a l l o s t a s k s w h o o k l a r a r 2 ，# _ o s t c b c u r l a r p a r 2 1 a r a r 0 ，宰，a r 0p o i n ta r 0 a tc u r r e n tt c b ，a n ds w i t c ht ou s i n ga r 0 s a l a r l ，半 s a v et h ec u r r e n tt a s k sc u r r e n t ；s t a c kp t ri nt h ec u r r e n tt c b 1 a r a r o ，# _ o s t c b h i g h r d yp o i n tt oo s t c b h i g h r d yp o i n t e r 1 a r a r 0 ，幸 p o i n tt ot h