（计算机应用技术专业论文）基于嵌入式web服务器的电网远程监测的研究与实现.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 对电网的实时远程监测是保证电网正常、可靠运行的一个重要措施。随着嵌 入式技术和网络技术的不断发展，通过将嵌入式监测设备接入t m t e m e t 网络进行 电网远程监测正逐步取代传统的监测方案。 本文提出一种基于b s 模式的电网远程监测方案，该方案采用a r m 7 微处 理器来构建嵌入式w e b 服务器，具有较强的信息灵活性和异地访问性。 在硬件设计上，采用基于a r m 7 的s 3 c 4 4 b o x 作为嵌入式w e b 服务器的处 理器；扩展以r t l s 0 1 9 a s 为核心的网络接口电路，实现了系统的i n t e m e t 网络 接入；并摒弃了传统的直流采样技术，采用同步交流采样技术设计了电网数据采 集电路，使褥采样数据精确、可靠，从而能够准确、实时地对电网运行情况进行 监测。 在软件设计上，为满足系统监测任务复杂性的需要，采用嵌入式实时操作系 统肛c o s i i 对系统进行有效的任务调度和管理，移植了轻量级t c p i p 协议栈 l w i p ，开发了嵌入式文件系统，构建起系统的软件平台。 在此基础上，进一步实现了电网远程监测系统应用软件的开发。通过对标准 h t t p 协议的裁剪以及对嵌入式网关接口技术的研究，设计并实现了嵌入式w 曲 服务器软件，使得远程中心可以直接通过浏览器对电网运行情况进行实时监测。 为了使系统能够在电网运行异常时提供报警信息，还设计了基于s m t p 协议的邮 件报警程序。 最后，利用c i s 模式具有良好的交互性和传输速度的特点，进一步开发了 c s 模式下的系统应用软件，弥补了b s 模式的不足之处。c s 模式下。通过设 计u d p 数据包重传机制对u d p 传输的可靠性进行改进，并以嵌入式监测设备为 客户端、远程监测中心p c 机为服务器端开发了相应的客户端和服务器端程序， 使监测中心可以与监测现场进行灵活的交互。 实验证明，无论是在b s 还是c s 模式下，系统均具有实时性强、可靠性 高的特点。同时，由于兼具两种监测模式，系统可以根据应用需要工作于某种模 式，所以具有使用方便、灵活的特点。 关键词：电网远程监测，嵌入式w e b 服务器，同步交流采样，l w i p ，嵌入式文 件系统 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t 1 1 l er e a l - t i m er e m o t cm o n i t o rt ot h ee l e c t r i cn e t w o r ki s 肌i m p o r t a n tm e a s u r et o e n s u r ei t sn o r m a la n dr e l i a b l er u n n i n g w i t ht h ec o n s t a n td e v e l o p m e n to fe m b e d d e d t e c h n o l o g ya n dn e t w o r kt e c h n o l o g y , t h em o n i t o rm e t h o db yc o n n e c t i n ge m b e d d e d m o m t o rd e v i c et ot h ei n t e m e tg r a d l l a l l yt a k e st h ep l a c eo f t h et r a d i t i o n a lm e t h o d b a s e do nb sm o d e ，t h ep a p e rp u t sf o r w a r dan e wm e t h o dt or e a l i z et h er e r n o t e m o n i t o rt ot h ee l e c t r i cn e t w o r kb ya p p l y i n ga r m 7m i c r o - p r o c e s s o rt ob u i l dt h e e m b e d d e dw e bs e r v e lnh a st h ea d v a n t a g eo ff l e x i b l ei n f o r m a t i o na n do u t - o f - t o w n b r o w s e i nt h eh a r d w a r ed e s i g n , t h es y s t e ma p p l i e dm i c r o - p r o c e s s o rc h i ps 3 c 4 4 b o x w i t ha r m 7c o r e 鹊t h ep m c e s s o ro ft h ee m b e d d e dw e bs e r v e l i no r d e rt or e a l i z et h e l u t e m e tc o n n e c t i n g ，t h es y s t e ma l s oe x t e n d e dt h en e t w o r kc i r c u i tb a s e do nt h e e t h e m e tc o n t r o lc h i pr t l 8 0 1 9 a s i no r d e rt or e a l i z er e a l - t i m ea n de x a c tm o n i t o r , t h e s y s t e ma p p l i e dt h es y n c h r o n o u sa c s a m p l i n gi n s t e a do f t h et r a d i t i o n a ld cs a m p l i n g t od e s i g nt h ed a t a - c o l l e c t i o nc i r c u i to f t h ee l e c t r i cn e t w o r k ，w h i c hm a d et h es a m p l i n g d a t ap r e c i s ea n dr e l i a b l e i nt h ea s p e , c to fs o f t w a r ed e s i g n ，t om e e tt h en e e d so f c o m p l i c a t e dm o n i t o rt a s k s ， t h es y s t e ma d o p t e dt h ee m b e d d e dr e a l - t i m eo p e r a t i o ns y s t e mk e m e li t c o s - i it oc a r r y o u te f f e c f i v et a s k - s c h e d u l ea n dt a s k m a n a g e m e n tt ot h es y s t e m , a n db a s e do nw h i c h , t h es y s t e mp o r t e dal i g h tw e i g h tt c p i ps t a c kl w i p i na d d i t i o n ，t h ee m b e d d e df i l e s y s t e mw a sd e v e l o p e ds oa st ob u i l dt h es o l , r a r ef o u n d a t i o no f t h es y s t e m b a s e do nt h es o f t w a r ef o u n d a t i o n , t h es y s t e mf u r t h e rd e v e l o p e dt h ea p p l i c a t i o n s o f t w a r eo ft h er e m o t em o n i t o rs y s t e m b yc l i p p i n gt h es t a n d a r dh t t pp r o t o c o la s w e l la ss t u d y i n ga n d i m p l e m e n t i n gt h ee m b e d d e dg m e w a yi n t e r f a c e ( e g i ) ，t h es y s t e m r e a l i z e dt h ed e s i g no ft h ee m b e d d e dw e bs e r v e rs ot h a tt h er e m o t em o n i t o rc o u l d r e a l - t i m em o n i t o rt h er u n n i n gs i t u a t i o no ft h ee l e c t r i cn e t w o r kw i t ht h eb r o w s e r a t t h es a m et i m e ，i no r d e rt op r o v i d et h ew a r n i n gm e s s a g ew h e nr u n n i n gf a u l t so ft h e e l e c t r i c a ln e t w o r kh a p p e n e d , t h es y s t e ma l s od e s i g n e dt h ee m a i lw a r n i n gp r o g r a m b a s e do ns m t p p r o t o c 0 1 f i n a l l y , t h er e m o t es y s t e mb a s e do nc sm o d ew a sa l s oi m p l e m e n t e dd u et ot h e f a c tt h a tt h ec sm o d eh a st h ea d v a n t a g eo fg o o di n t e r a c t i o na n dh i g ht r a n s l a t i o n s p e e d ，w h i c hc a nm a k eu pt h es h o r t a g eo ft h eb sm o d e o nc sm o d e ，t h es y s t e m i m p r o v e dt h er e l i a b i l i t yo ft h eu d pt r a n s m i s s i o nb yd e s i g n i n gt h er e s e n d i n g n 江苏大学硕士学位论文 m e c h a n i s mo ft h eu d pp a c k a g e ，a n dd e v e l o p e dt h es o f t w a r eo ft h ec l i e n tw h i c hw a s a c t e db yt h em i c r o - p r o c e s s o rs 3 c 4 4 b o x , a tt h es a m et i m e ，t h es y s t e ma l s od e v e l o p e d t h es o f t w a r eo ft h es e r v e rw h i c hw a sa c t e db yt h ep cs ot h a tt h em o n i t o rc e n t e rg a l l i n t e r a c tw i t ht h em o n i t o rt e r m i n a lf l e x i b l y t h ee x p e r i m e n t sr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mh a st h ea d v a n t a g eo f h i g hs t a b i l i t y a n dr e a lt i m ep e r f o r m a n c ew h e t h e ro hb sm o d eo ro nc sm o d e a tt h es a m et i m e ， t h es y s t e mi sp o w e r f u lb e c a u s ei th a st h ea d v a n t a g eo fb o t hm o d e ss i n c ei tc a r la l t e r b e t w e e nt h et w om o d e sa c c o r d i n gt ot h en e e d so f d i f f e r e n tc i r c u m s t a n c e s k e yw o r d s ：e l e c t r i cn e t w o r k , r e m o t em o n i t o r , e m b e d d e dw e bs e r v e r , s y n c h r o n o u s a c s a m p l i n g ，l w i p ，e m b e d d e df i l es y s t e m n i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 士。 保密口在 年解密后适用本授权书 本学位论文属于一 不保密口 学位论文作者签名： 2 0 0 7 年月，j 闩 ， 呈 违谤 指导教师签名： 2 0 0 7 易月乡同 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 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。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：呈健勾 日期：2 0 0 7 年二月。，日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 随着国民经济的发展，人们对电力需求不断加大，电力事业得到了迅速的发 展，电力系统和电网的规模日益扩大。同时，由于电力系统中接入了大量的非线 性负荷( 如电力电子装置、电气化铁路、电弧炼钢炉等等) ，一系列电能质量问 题也随之面生，如电压和频率的不稳定，谐波污染严重，f 司时三相不平衡、波动 以及闪变等问题也越来越严重。因此，在电网运行过程中，实时的对远程电网的 各项运行参数( 包括三相电压、三相电流、功率、频率、谐波、三相不平衡度以 及波动和闪变等) 进行监测以了解电网的运行状况，确保电能的充分利用以及电 网安全、高效的运行已经势在必行。 电网远程监测是电网调度自动化的一个重要组成，是计算机技术、网络技术 和监控技术的结合，实现对电网的主动监视、测量、自动控制和保护，以及与调 度通信等综合性的自动化功能 1 l t z l 。目前应用比较广泛的电网远程监测通信方式 主要有电力线载波通信、光纤通信、无线电通信以及i n t e m e t 网络通信几种方式。 电力线载波方式由于受到电力网络的阻抗特性和衰减的影响，不适合于远距 离的通信，同时受噪声的干扰比较大，误码率较高，因此数据传输的质量不高； 光纤通信具有频带宽、传输速率高、抗干扰性较强且传输距离远的特点，比较适 合上层通信的要求，但由于其安装结构受限制且成本过商，不适合于广泛应用； 无线电通信适用于用户分散且范围广的场合，在某个频点上以散射通信方式进 行，但是无线电通信需申请频点使用权，且易受外来e 皇波的干扰以及相邻波道之 间的干扰【3 1 1 4 1 5 1 6 。 由于i n t e = r n ! e t 具有开放性、共享性、平等性、低廉性和交互性的特点，因此 在日常生活中已经变得非常普及。基于i n m m c t 的远程监控系统能够实现跨地域 数据共享，具有数据传递快捷和交互性强的特点，从而使得监控技术朝着网络化、 分布性和开放性的方向发展。 随着嵌入式微处理器技术的迅猛发展，嵌入式设备与i n t c r n e t 之间的联系交 得越来越紧密，嵌入式设备网络化、互联化也将是大势所趋。实现嵌入式监控设 备的i n t e w n c t 接入，将嵌入式技术、网络技术、通信技术以及控制技术融为一体 构建嵌入式远程监控系统，是目前研究和应用的热点之一。 嵌入式w e b 服务器( e m b e d e aw e bs e r v e r , e w s ) 是指将w e b 服务器引入到现 场监控设备中，以相应的硬件平台和软件系统为支持，将传统的监控设备转变为 以t c p i p 为底层通信协议、w e b 技术为核心的基于互联网的网络监控设备口肚】【9 l 。 江苏大学硕士学位论文 与传统的w e b 应用相比，e w s 系统简化了系统结构，将信息采集和信息发布都 集成到现场的监控设备中。由于w e b 技术的开放性和独立平台特性，因而大大 降低了软件系统和通信系统的设计，提高了监控能力。 系统中，采用三星公司3 2 位a r m 7 核微处理器s 3 c 4 4 b o x 作为系统硬件平 台，引入嵌入式实时操作系统弘c 0 s i i 作为系统软件平台以构建嵌入式w e b 服 务器，实现对电网运行状况的实时监测。与传统的电网远程监测相比，系统更能 够适应监测中多任务以及实时性、复杂性、稳定性的需求，因此具有十分重要的 意义和应用价值。 1 2 国内外研究现状和发展趋势 远程监控技术是国内外研究的前沿课题，国内外许多机构和高校都展开了积 极的研究【1 0 】【l l 】。 在国外，很多国际组织如m i m o s a ( m a c h i n ei n f o r m a t i o nm a n a g e m e n to p e n s y s t e m a l l i a n c e ) 等，纷纷通过网络进行设备监控与故障诊断咨询以及技术推广工 作。同时很多大公司都纷纷在他们的产品里加入i n t e m e t 功能，如n a t i o n a l i n s t r u m e n t 公司在它的l a b v i e w 和l a b w i n d o w 里加入了网络通讯处理模块。 在国内，很多高校都对远程监控技术展开研究，其中西安交通大学研制的大 型旋转机械计算机状态监测系统及故障诊断系统、华中科技大学开发的汽轮机工 况监测和诊断系统、哈尔滨工业大学的微计算机化机组状态监视与故障诊断专家 系统等都已经取得了先进的研究成果。 对于嵌入式远程监控来讲，如何实现嵌入式设备的i n t e m e t 接入是关键，目 前，针对不同类型( 字长) 的嵌入式处理器一般采用不同的方法来实剐1 2 】【1 3 1 1 1 4 1 ： 1 针对8 1 6 位的嵌入式微控制器( m c u ) ，由于受处理速度和资源的限制， 如果直接通过扩展硬件网络接口电路并实现软件t c p a p 协议栈，则实时性很难 得到保证，因此一般采用以下两种方法实现i n t e r n e t 的间接接入。 ( 1 ) 采用专用网络+ p c 网关的形式 通过一些现场总线( 如c a n 、r s 。2 3 2 或l o nw o r k s 等) ，将嵌入式设备组成 专用网络，并与p c 机相连，再由p c 机将数据发送到i n t e r a c t 上实现信息交换。 此时，必须预先在p c 机上完成协议转换，因此p c 机实现网关的功能。通过这 种方式进行网络连接，由于必须通过p c 机网关来完成协议转换，因此，使用受 到了一定的限制。 ( 2 ) 采用微控制器+ 虚拟软件包的形式 这种方案由微控制器与固化了t c p i p 协议栈的芯片组成网络应用的核心。 由于固化了协议栈，应用程序可以直接实现i n t e m e t 网络的接入，因此具有硬件 2 江苏大擘硕士学位论文 电路简单的特点，但是该方案对存储空间和微控制器的处理速度要求较为严格。 2 对于3 2 位嵌入式微处理器( m p u ) ，由于其处理速度较快且资源丰富， 一般采取扩展硬件网络接口电路，同时开发相应的协议软件进行i n t e r n e t 的直接 接入。 系统中采用3 2 位a r m 7 微处理器s 3 c 4 4 b o x ，由于其采用三级流水线结构， 处理速度较快并且具有丰富的片内资源，因此，采取扩展以网卡芯片r = 】凡8 0 1 9 a s 为核心的网络接口电路，同时引入t c p i p 协议栈来实现系统的网络接入。 尽管监控系统已经由单机监控过渡到网络监控，但是，目前仍然存在着一些 问题，主要表现为网络通信技术在传输的数据量、编程的灵活性和安全性方面的 不足以及网络通信中多种结构并存等问题。目前，越来越多的公司正在这方面投 入研究。 1 。3 课题的主要研究内容和工作 本课题为基于嵌入式w e b 服务器的电网远程监测的研究与实现。从进入课 题以来，在导师的指导下，主要完成了以下工作： ( 1 ) 设计嵌入式w e b 服务器硬件电路。根据电力系统监测的指标和要求，采 用同步交流采样技术，设计嵌入式w e b 服务器的电网数据采集电路模块，实现 对电压、电流、频率、谐波等电能质量指标的测量：以s 3 c 4 4 b o x 微处理器为核 心，设计嵌入式w e b 服务器的核心模块。 ( 2 ) 在s 3 c 4 4 b o x 微处理器上引入嵌入式实时操作系统i _ t c o s - i i 作为系统软 件平台，研究并移植l w i p 网络协议栈，开发网卡驱动程序，实现系统的i n t e r n e t 网络接入。同时根据课题需要，对标准d o s 系统下的f a t l 6 文件系统进行分析 以及改进，使其能够适合嵌入式应用，并针对n a n d f l a s h 存储芯片，设计嵌入 式文件系统。 ( 3 ) 在构建软件平台的基础上，设计基于b s 模式的电网远程监测应用软件。 在该系统中，设计了数据采集计算模块、s m t p 报警模块，并通过对标准h t t p 协议的裁剪，以及对嵌入式网关接1 2 1 技术的研究，完成嵌入式w e b 服务器主处 理进程的设计，最终实现了电网远程监测系统。 ( 4 ) 针对b s 模式的不足之处，设计c s 模式下电网远程监测系统应用软件 以满足不同的监测需求，同时对u d p 协议传输的可靠性问题进行研究与改进。 1 4 论文的结构安排 论文一共分为六章，按照从硬件到软件的结构顺序进行撰写，为方便阅览， 给出了每一章的安排，如下： 江苏大学硕士擎位论文 一 第一章 绪论 对课题的研究背景、研究意义以及国内外研究现状作介绍，同时介绍了课题 的主要任务和工作。 第二章电网远程监测系统硬件平台的设计 对系统硬件电路作介绍，包括以s 3 c 4 4 b o x 微处理器为核心的外围扩展模块 以及电网数据采集模块的设计。 _ 第三章系统软件平台的搭建 介绍了系统软件平台的搭建过程，包括扩展t c p p 协议栈以及嵌入式文件 系统的实现。 第四章基于嵌入式w e b 服务器远程监测系统软件的设计 对系统应用软件的设计作介绍，包括数据采集处理模块、电子邮件报警模块 以及嵌入式w e b 服务器模块的实现。 -第五章 c s 模式下远程监测的实现 介绍了c s 模式下的监测系统软件设计，同时针对u d p 协议的可靠性问题 提出改进。 _第六章 总结与展望 对系统进行总结，同时对今后的工作进行展望。 1 5 本章小结 本章为论文的绪论部分，对课题研究的背景、目的意义以及国内外的研究 发展现状进行了阐述，同时介绍了课题的主要工作，最后，为方便论文查阅，给 出了本论文的结构安排。 4 江苏大学硕士学位论文 第二章电网远程监测系统硬件平台的设计 电网远程监测系统硬件平台主要包括电网数据采集电路模块和基于a r m 7 微处理器的嵌入式w e b 服务器核心电路模块。数据采集电路对电网信号进行采 集；嵌入式w e b 服务器核心电路对数据采集进行控制并对采集的数据进行分析 计算处理，并将电网参数以w e b 页面的形式返回给远程监测中心。 2 1系统总体硬件结构 基于嵌入式w e b 服务器的电网远程监测系统的结构如图2 1 所示： 图2 1 电网远程监测系统结构框图 图中的嵌入式w e b 服务器电路由数据采集电路和嵌入式w e b 服务器核心电 路组成，如图2 2 所示。嵌入式w e b 服务器以a r m 7 内核微处理器芯片为处理 器，同时构建基于微处理器的最小系统1 1 5 1 。最小系统由保证微处理器能够稳定运 行所必需的基本电路所组成，包括a r m 7 微处理器、电源电路、晶体振荡电路、 复位电路以及j t a g 调试接口电路 1 6 1 1 1 7 1 。电源电路向微处理器及其外围扩展模 块提供3 3 v 或5 v 的工作电压，晶体振荡电路为微处理和扩展模块提供了工作 时钟，系统中，微处理器的最高工作频率为6 6 m h z 。复位电路用于系统的上电 复位( 硬复位) ，当系统出现异常时，通过复位电路复位来提高系统的可靠性。 l 以太网接口模块l 上l 一徽搿 圃圃 图2 2 以a r m 7 微处理器为核心的嵌入式w e b 服务器硬件结构图 为了构建一个完整的嵌入式w e b 服务器，在a i l m 最小系统的基础上还需要 扩展外围接1 ：3 模块，包括以太网接口模块，人机交互模块、外围存储模块等【1 s l l l 9 1 。 以太网接口模块通过扩展一片以太网控制芯片r t l s 0 1 9 a s 来实现w e b 服务器 江苏大学硕士学位论文 的i n t e r a c t 接入，从而完成基本通信功能。通过扩展外围存储模块包括r a m 、 r o m 以及n a n d - f i a s h 芯片，构建了系统的代码存放空间和数据存放空间，实 现了嵌入式w e b 服务器的存储空间支持。人机交互模块由键盘输入电路与l c d 输出显示电路构成，键盘电路用于现场设置电网参数并且由l c d 显示电路将所 监测的电参数( 电流、电压等等) 现场显示出来。 另外，系统还扩展了外围的硬件报警电路模块，当电网运行参数出现异常时， 能够提供及时的声、光报警措施。 数据采集电路模块由电流( 电压) 互感电路、方波发生电路( 即整形电路) 、 倍频锁相电路、低通滤波电路、采样保持电路、多路选择电路以及a d 转换电 路几个模块组成，如图2 3 所示。其中，电流( 电压) 互感电路负责将交流信号 转化成合适的交流小信号，通过采用交流采样的方法，由整形电路和倍频锁相电 路组成的频率跟踪电路以一定的采样频率对采样保持电路进行控制，实现对一个 周期内的交流小信号( 三相电压、电流信号) 的均匀采样，并由a d 转换电路 将离散的采样信号转变成a r m 微处理器可识别的数字量，由a r m 微处理器对 转换后的数据进行处理并且通过快速傅丽叶变换( f f t ) 算法计算出基波有效值 以及各次谐波含量。 r 1r h 整形电路l 刮倍频锁相电路l 一黼 引鋈l j 堡埘型 殿务器控制信号 图2 3 数据采集电路硬件结构框图 2 2 嵌入式w e b 服务器的核心电路的设计 系统中采用三星公司的a r m 7 内核微处理器芯片s 3 c 4 4 b o x 作为嵌入式 w e b 服务器的处理器，同时以该处理器为核心进行了外围存储空间的扩展，构建 了w e b 服务器的核心电路【2 0 】。 2 2 1 胩耵内核微处理器$ 3 c 4 4 b o x 三星公司的s 3 c 4 4 b ：) x 是目前应用比较广泛的基于a r m 7 t d m i 内核的片上 系统( s o c ) ，该芯片功能强大，是三星公司为手持设备和一般类型应用提供的高 性价比和高性能的微控制器解决方案。s 3 c 4 4 b o x 采用全新的s a m b a i i 总线结 江苏大学硕士学位论文 构，除了具有a r m 7 t d m i 核的基本功能，同时在片内扩展了丰富的外围功能模 块，使设计者能够不需要再考虑复杂的外围时序电路，从而加快产品的开发，进 行低成本的嵌入式设计【2 。s 3 c 4 4 b o x 内部体系结构如图2 4 所示。 图2 4s 3 c 4 4 b o x 微处理器内部体系结构框图 s 3 c 4 4 b o x 的片内外围功能模块包括：8 k 的c a c h e ( 可作为指令数据 c a c 眦或片内s r a m 用) 、外部扩充存储器控制器( 用于在外部地址空间进行 存储器扩展，如r a m 、r o m 等) 、4 个d m a 通道、2 个带握手协议的u a r t 以 及一个同步串行i o 口( s i o ) 、1 个多主的i 2 c 总线控制器、1 个i i s 总线控制器、 5 个脉宽可调制( p w m ) 定时器以及一个内部定时器和一个看门狗定时器、1 个 具有日历功能的实时时钟( r t c ) 以及一个锁相环( p l l ) 时钟发生器、1 个8 路l o 位a d 转换器、1 个l c d 控制器，同时提供了7 1 个通用可编程i o 口以及 8 个外部中断源。通过提供全面的、通用的片上外设，大大的减少了系统中除处 理器外的硬件电路配置，从而降低了系统的成本。 2 2 2 , 5 3 c 4 4 0 x 处理器的外围存储空间扩展 由于s 3 c 4 4 b o x 微处理器芯片内部仅仅有g k 的c a c h e 存储资源，远远不能 满足系统开发的要求，而构建一个高效的存储系统是w e b 服务器硬件实现的基 础，因此有必要进行芯片外部存储空间的扩展。 s 3 c 4 4 b o x 采用单一的平板存储地址空间，最大支持2 5 6 m 字节空间，将这 2 5 6 m 字节空间分为8 个b a n k 来进行管理，每个b a n k 最大空间为3 2 m 字节 7 江苏大学硕士学位论文 空间( b 舢叮k 0 支持最大2 8 m 字节外接存储器，另外的4 m 字节空间被系统保留， 作为特殊功能寄存器地址) 。其中b a n k 0 b a n k 5 支持r o m 和s r a m ，b a n k 6 和b a n k 7 支持r o m 、s i u m 、d r a m 、s d 蝴。s 3 c 4 4 0 b x 通过引脚 n g c s 0 n g c s 7 的片选信号来进行对b a n k 的选择：如引脚n g c s o 为低电平时 选择b a n k 0 ，引脚n g c s l 为低电平时选择b a n k l ，依此类推。通过地址线 a 叻r o a d d r 2 4 来选择每个b a n k 中的相应单元，同时通过存储控制器和特殊功能 寄存器来对每个b a n k 进行配置。s 3 c 4 4 b o x 对存储空间的管理可以用图2 5 表 示。 缝蝴嫱戳谬嚣一 l 墓。宋磐。镳 蛔翱u | 髓| ：， ” o 甜 6 c s 6 ( b a n k6 ) 2 8 f 埔? 3 强；来镘用， 。 s d r “ 数据区 r 蚋存空间 代码区 分配情况 l 功缓存区 共2 5 6 1 可访问空$ i 瞅备空间 、 6 c s 5 ( b a n k5 ) ：蹦 。 来、 j e t h e r n e t1 ；”f k 。二- m 朱使用 g c s 3 ( b a n k3 ， 磊槲 g c s 2 ( 1 k n k2 ) n a n d 吓l a s h 扩g c s i o h 血n ”5 。 敦s 来使厨、 特殊功能寄存器砌i 空间分配情况 b o o t l o a d e r 空问 g 岱0 ( b a n k0 ) o 锄i 中断异常处理矢量袭 r 咖空间 ， f 图2 5s 3 c 4 4 b o x 存储器空间映射以及分配图 图2 5 同时给出了系统中微处理器外围存储空间的分配情况。b a n k o 和b a n k 6 为存储器扩展空间，分别扩展了r 例存储器和内存r 枷存储器，其中r o m 芯片占 用b a n k o 的部分扩展空间，存放着系统的启动代码和中断异常处理向量表；r a m 芯片位于b a n k 6 的部分扩展空间，且按照系统中的功能分为三个区：程序代码下 载区、数据堆栈区以及l c d 刷新显示内存缓冲区。b a n k l 到b a n k 5 为系统的i o 设备扩展存储空间，在本系统中，分别用b a n k 2 和b a n k 5 作为系统的n a n d f l a s h 芯片和以太网芯片的外围扩展存储空间，其余空间作为备用空间。 2 。2 3n 州d _ f l a s h 存储器及其外围扩展电路 系统中，通过在s 3 c 4 4 b o x 微处理器的外围地址空间扩展一片n a n d - f l a s h 芯片来存储采集的电网数据。同时作为实现嵌入式服务器的硬件支持，通过在该 芯片上构建嵌入式文件系统使服务器能够提供标准的w e b 文件服务。 系统中扩展的n a n d f l a s h 芯片为三星公司的k 9 岔8 0 8 u o c 2 2 1 。该芯片容量大 8 江苏大学硕士学位论文 小为1 6 m ，占用微处理器的外围扩展存储空间的b a n k 2 空间，其阵列组织结构如 图2 6 所示。 圈2 6k 9 也8 0 8 u o e 的阵列组织结构 在炒q 8 0 8 u o e 中，页( 行) 是最基本的组织单位，每页中包含有5 2 8 个字 节( 列) ，其中5 1 2 个字节用于存放数据，1 6 个字节为冗余字节，用于存放芯片 信息( 坏块信息、e c c 校验码等等) ，位于列地址的5 1 2 - - - 5 2 7 。每3 2 个页构成一 个块( b l o c k ) ，整个芯片一共有1 0 2 4 块，共有1 6 k 冗余字节。系统中s 3 c 4 4 b o x 微处理器外围扩展n a n d ，f l a s h 芯片k 9 1 2 8 0 8 u o c 的接线原理图如图2 7 所示。 圈2 7n a n d - f l a s h 芯片接线原理图 图2 7 中仅仅给出了n a n d f l a s h 芯片使用到的引脚，其余未使用的引脚没 有给出。i o 【o 7 1 8 个端1 2 1 为芯片的数据输入输出端口，用来输入指令、地址 以及数据，并在读操作的时候输出数据。c l e 和a l e 引脚分别为命令锁存和地 址锁存引脚。并分别由s 3 c 4 4 b o x 的通用端口c ( g p c ) 的g p c i l 和g p c i o 端 口的输出信号来进行控制，当需要对n a n d f l a s h 进行命令地址锁存操作时， 9 江苏大学硕士擘位论文 需将端口c 数据寄存器p d a t c 中的g p c i l 和g p c i o 对应的位置l ，使g p c i l 和g p c i o 输出高电平，从而使能锁存操作。r e 和w e 分别是芯片的读写使能信 号且低电平有效并由$ 3 c 4 - 4 8 0 的读写控制信号和b a 埘( 2 片选信号g c s 2 来共 同控制，其中片选信号g c s 2 用以使微处理器当前对n a i d f l a s h 芯片进行片选， 而读写控制信号用以使能f l a s h 芯片的读写操作。芯片中的c e 引脚为芯片使能 引脚，由通用口c 的g p c i 5 端口输出信号进行控制，因此，要使能n a n d f l a s h 芯片，必须将p d a t c 寄存器中g p c i 5 对应的位置0 ，使g p c i 5 端口输出低电 平，从而使能芯片。 2 2 4 s d p , a u 存储器及其外围扩展电路 与n a n d f l a s h 存储器相比，s d r a m 不具有掉电保护数据的特性，但其存 储速度大大高于n a n d f l a s h 存储器，且具有按位进行读写操作的特性。因此， s d r a m 在系统中主要用作程序的运行空间、数据及堆栈区。当系统启动时，c p u 首先从复位地址0 x 0 处读取启动代码，在完成系统初始化后，程序代码一般应调 入s d r a m 中运行，以提高系统的运行速度。同时，系统及用户堆栈、运行数据 也都放在s d r a m 中。 系统中扩展的s d r a m 存储器芯片为h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 1 ，它是一款h y n i x 公 司生产的4 m 字节s d r a m ，它在s 3 c 4 4 b o x 微处理器的外围存储空间扩展接线 原理图如图2 8 所示。 图2 8s d r a m 芯片的硬件接线设计电路图 s d r a m 分为4 个b a n k ，每个b a n k 的存储空间为i m * 1 6 b i t , 整个s d r a m 芯片的容量为4 m 。b a n k 的位址由b a l 、b a 0 引脚来决定，o o 对应于b a n k 0 ，0 1 对应于b a n k l ，1 0 对应于b a n k 2 ，1 1 对应于b a n k 3 。在每个b a n k 中，分别 l o 江苏大学硕士学位论文 由行位址脉冲信号选择r a s 和列脉冲选择c a s 共同寻址。s d r a m 的片选引脚 由s 3 c , 4 4 b o x 专用的s d r a m 片选信号n c s o 来进行片选，所占的空间地址为 o x o c 0 0 0 0 0 0 , - m o c 8 0 0 0 0 0 。 2 2 5 以太网接口电路的扩展 实现s 3 c 4 4 b o x 微处理器的i n t c m e t 网络接入功能是实现嵌入式w e b 服务器 的前提，在本系统中，通过在s 3 c “b o x 微处理器的外围存储空间扩展以以太网 控制芯片r t l s 0 1 9 a 8 为核心的以太网接口电路来实现系统的硬件上网功能。 1 ) 以太网控制芯片r t l 8 0 1 9 a s t 2 4 1 台湾r e a l t c k 公司生产的r t l 8 0 1 9 a s 集成了介质访问控制子层( m a c ) 和物 理层的性能，是一款性能优良、价格低廉的以太网接口芯片，它具有符合e t h e i t l e t 与i e e e 8 0 2 3 ( 1 0 b a s e 5 、1 0 b a s e 2 、1 0 b a s e t ) 标准，全双工，收发可同时达到 1 0 m b p s 的速率，具有支持u r p 、a u i 、b n c 自动检测的特点。 r t l 8 0 1 9 a s 芯片内部提供了1 6 k 的s r a m 来用作芯片发送和接收数据的缓 冲区，地址为0 x 4 0 0 0 - 4 ) x 7 t 登s r a m 以页为单位，每2 5 6 个字节为一页，其中第0 页为p r o m 页，只有3 2 个字节，用来存放芯片的物理地址。通过这种将s r a m 集成 在单片芯片上的设计方法，不仅提高了更多的友好功能，同时节省了s r a m 存储 资源。 r t l 8 0 1 9 a s 共有3 2 个输入输出地址，地址偏移量为0 0 h - 1 f h 。地址o o h m ) f h 共1 6 个地址为寄存器地址，寄存器组一共分为4 页( p a g e ) 包括n e 2 0 0 0 兼容寄存 器组和即插即用寄存器组。地址1 0 h 一1 7 h 共8 个地址为芯片的d m a 地址，可以任 意选择一个d m a 地址来用作芯片的远程d m a 操作( r e m o t ed m a ，指内存数据 缓冲区和网卡芯片数据发送接受缓冲区之间的数据交互过程，由c p u 来完成) 以及本j k d m a 操作( l o c a ld m a ，指网卡内部缓冲区和以太网络之间数据交互 过程，由网卡芯片来完成) 。地址1 8 h 1 f h 共8 个地址为网卡的复位端口，用来实 现对网卡的复位。 2 ) s 3 c 4 4 8 0 x 微处理器外扩r t l 8 0 1 9 a s 的实现 以太网控制芯片r 1 阢8 0 1 9 a s 在s 3 c 4 4 8 0 x 微处理器的外围地址空阃扩展的 连接原理图如图2 9 所示。 r t l 8 0 1 9 芯片提供了三种配置模式：跳线模式和即插即用( p n p ) 模式以及 串行f l a s h 配置方式。由于在嵌入式系统中，网卡芯片一般不经常插拔，因此系 统中配置为跳线方式，通过将网卡芯片的6 5 脚j p 接高来实现。 江苏大学硕士学位论文 图2 9r t l 8 0 1 9 a s 芯片的硬件接线设计电路图 r t l 8 0 1 9 a s 支持8 位或1 6 位数据总线，系统中，为提高系统处理速度，采用 1 6 位数据总线格式( 通过将1 0 c s l 6 脚拉为高电平来实现) ，因而必须将s 3 c 4 4 b o x 的地址线与网卡芯片的地址引脚错位相接( a l 接a 0 ，a 2 接a i ) 。通过将i o s 3 、 i o s 2 、i o s l 、 o s o 弓l 脚均置为低，使基地址为3 0 0 h ，而由于地址线错位a 1 0 参 与了译码，因此有效地址