（计算机应用技术专业论文）基于s3c2440的井下多功能电子保护器的研究.pdf

摘要 摘要 磁力和馈电开关均为适用于含有爆炸性气体( 甲烷) 和煤尘的煤矿井下供电 系统中的关键设备，它们的性能优劣直接影响到企业的安全生产和生产效率。随 着当前煤炭工业的快速发展、煤矿井下机械化和自动化程度的提高，对矿井供电 的连续性、可靠性和安全性提出了越来越高的要求。针对上述两种矿用井下电子 保护器的特点及应用场合，笔者提出了一种基于嵌入式系统高性能的多功能电子 保护器。 本课题将当前主流的嵌入式系统技术引入到新型保护器的设计中，通过对煤 矿企业井下供电系统的特点、磁力和馈电开关保护器的工作原理以及以$ 3 c 2 4 4 0 ( 删9 2 0 t ) 为处理核心的嵌入式系统的研究，实现了总体网络拓扑结构的设计 和新型电子保护器硬件电路的设计。通过分析比较，首先移植了嵌入式l i n u x 操 作系统，并开发出了基于q t 技术的系统显示界面：再进一步实现了模数转换器 部分驱动程序、实时数据处理和故障处理、远程控制模块的设计以及程序的编写； c l i e n t s e r v e r 结构的网络通信模块的加入，实现了矿井地面监控主机与井下各相 关设备间的快速有效的通信，使其兼具实时保护控制和远程监控的特点。最终实 现了一个功能全面、性能先进、界面友好的新型矿用电子保护器。 通过系统的硬件结构设计、实验以及软件编程、调试，完成了所设计的多功 能电子保护器应具备的各种性能要求，达到了保护装置的各项设计指标。在嵌入 式系统的客户端软件和监控主机服务端软件的操作下，实现了两者之间的快速可 靠的远程通信。 图4 8 个表2 个 关键词：嵌入式系统；$ 3 c 2 4 4 0 ；磁力开关：馈电开关 分类号：( 1 2 ) ； a b s t r a c t m i n ef e e d e rs w i t c ha n dm a g n e t i cs w i t c ha r ea l lt h ek e y e q u i p m e n t st h a ta p p l i e da t c o a l m i n ew h e r ef u l l yb l o w i n gg a sa n dc o a l d u s t t h e i rp e r f o r m a n c e sd i r e c t l y i n f l u e n c e 、i t l lt h es a f ea n dt h ee f f i c i e n c yo ft h ec o r p o r a t i o n sp r o d u c t i o n a c c o m p a n y w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ec u r r e n tc o a l i n d u s t r ya n dt h eh i g h e rl e v e l so ft h e c o a l m i l l e sm e c h a n i z a t i o na n da u t o m a t i z a t i o n , t h e r ea r eb r i n gf o r w a r dh i g h e ra n d h i g h e rd e m a n d sw i t ht h ec o n t i n u i t i e sr e c u r i t y a n ds a f e t yo ft h em i n e s p o w e r s u p p l i e s i na l l u s i o nt ot h ec h a r a c t e r sa n dt h ea p p l i e ds i t u a t i o no ft h et w ot y p em i n e s e l e c t r o n i cp r o t e c te q u i p m e n tt h a tm e n t i o n e du p w a r d , t h ea u t hd e s i g n e dab a s e d e m b e d d e ds y s t e mh i g h - p o w e r e da n dm u l t i f u n c t i o n a le l e c t r o n i c a lp r o t e c te q u i p m e n t t h i sp r o j e c th a si n t r o d u c e de m b e d d e ds y s t e mt h a tc u r r e n t l yb r o a da p p l i c a t i o nt o t h ed e s i g no ft h en e wt y p ed e v i c e v i ar e s e a r c ht h ec h a r a c t e r so fc o a l m i n e u n d e r g r o u n dp o w e rs u p p l y i n g ，t h ew o r k i n gt h e o r i e so ff e e d e rs w i t c ha n dm a g n e t i c s w i t c ha n dt h e s p e c i a l e m b e d e ds y s t e mt h a tb a s e do nt h e m i c r o p r o c e s s o r s 3 c 2 4 4 0 ( a r m 9 2 0 t ) ，i m p l e m e n t st h ew h o l en e t w o r kt o p o l o g i cs t r u c t u r ea n dn e wt y p e e l e c t r o n i c a lp r o t e c t i n gd e v i c e sh a r d w a r ec i r c u i t s d e s i g n i n g b ya n a l y z i n g a n d c o m p a r i n g ，f i r s tt r a n s p l a n tt h ee m b e d d e dl i n u xo p e r a t i o ns y s t e ma n dd e v e l o ps y s t e m s g r a p h i ci n t e r f a c ew h i c ha d o p t e dq tt e c h n o l o g y , t h e ni m p l e m e n t sa d c d r i v e rp r o g r a m , r e a l t i m ed a t ap r o c e s s ，f a i l u r ep r o c e s sa n dr e m o t ec o n t r o lm o d u l e s d e s i g n i n ga n d p r o g r a m m i n g c l i e n t s e r v e rs t r u c t u r en e t w o r kc o m m u n i c a t i o nm o d u l ep r o v i d er a p i d a n de f f e c t i v em e a s u r et h a tc o m m u n i c a t e 淅t l lm o n i t o rp ca n du n d e r g r o u n de q u i p m e n t s ， e n a b l et h ed e v i c eh a sr e a l - t i m ep r o t e c t i o na n dr e m o t e - m o n i t o r i n gf e a t u r e s e v e n t u a l l y r e a l i z e dac o m p r e h e n s i v ef u n c t i o n s ，c a p a b i l i t i e sa d v a n c e d ，a n df r i e n d l yi n t e r f a c en e w t y p em i n ee l e c t r o n i c a lp r o t e c t i o nd e v i c e b y t h e s y s t e m s h a r d w a r es t r u c t u r e d e s i g n ，e x p e r i m e n t a n ds o f t w a r e p r o g r a m m i n g ，d e b u g g i n g ，a c c o m p l i s h e dv a r i o u sc a p a b i l i t yd e m a n d so fm u l t i f u n c t i o n a l e l e c t r o n i c a lp r o t e c t i v ee q u i p m e n t , a n da c h i e v e de a c ht a r g e to ft h ed e s i g n u n d e rt h e c l i e n ts o f t w a r eo ft h ee m b e d d e ds y s t e ma n dt h es e r v e rs o f t w a r eo ft h er e m o t em o n i t o r p cc o n t r o l ，r e a l i z e dt h e ya r er a p i da n dr e l i a b l er e m o t ec o m m u n i c a t i o n 安徽理j 人学硕士学位论文 f i g u r e 4 8t a b l e2 k e y w o r d s ：$ 3 c 2 4 4 0 ，e m b e d e ds y s t e m ，m i n ef e e d e rs w i t c h , m a g n e t i cs w i t c h c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ( 1 - 2 ) 插图 插图 图1 嵌入式系统组成结构8 图2a r m 7 与a r m 9 流水线操作对比12 图3 系统功能总体结构图一1 8 图4 硬件开发平台结构图1 9 图5 相电流检测电路2 0 图6 相电压检测电路一2 1 图7 电网频率跟踪框原理图2 2 图8 同步方波变换及锁相环倍频电路2 2 图9a d 转换器及触摸屏内部功能结构图2 3 图10 开关量输出电路图2 4 图1 1 开关量输入电路图2 5 图12 $ 3 c 2 4 4 0 功能结构图2 5 图13c s 8 9 0 0 a 芯片引脚图2 7 图1 4c s 8 9 0 0 a 芯片主要引脚连接图2 8 图15f l a s h 结构图2 9 图16f l a s h 接口电路图3 0 图17s d r a m 内部结构图j 3l 图18s d r a m 接口电路图3l 图l9 按键内部电路阻3 2 图2 0n e cn l 2 4 3 2 h c 2 2 2 2 bl c d 电路结构图3 3 图2 1l c d 接口电路图3 4 图2 2b o o t l o a d e r 所处的层次位置3 6 图2 3v i v i 运行流程图3 7 图2 4l i n u x 内核代码分布一3 8 图2 5 内核配置主菜单4 0 图2 6 设备驱动分层示意图4 1 图2 7 设备驱动在内核中挂接、卸载及系统调用过程4 2 图2 8r e a d 入口点函数程序流程图4 3 图2 9 系统多线程间调度4 5 图3 0 线程状态图4 6 v i i 安徽理。l ：人学硕+ 学位论文 图31 系统运行总体流程4 6 图3 2 信号和槽连接示意图4 8 图3 3q t 设计器主界面4 8 图3 4 系统主显示界面4 9 图3 5 系统参数设计界面5 0 图3 6 中断服务子程序流程图5 1 图3 7 数据处理流程图5 2 图3 8 故障处理流程图5 3 图3 9 井下与地面远程监控通信模型一5 4 图4 0t c p 的段格式5 5 图4 1 三段式握手5 6 图4 2u d p 的报文格式5 6 图4 3 使用u d p 协议进行s o c k e t 通信流程5 7 图4 4u d p s o c k e t 通信任务流程5 8 图4 5 服务端系统主界面5 9 图4 6 连接到同一服务器上的多客户图一5 9 图4 7 地面监控主机u d p 通信工作流程6 1 图4 8 电参量数据表结构6 2 v i | 1 表格 表格 表1f o 模式端口分配表2 7 表2 s t n - l c d 与t f t - l c d 的性能比较3 3 i x 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及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 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 塞徼堡王太堂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 表示谢意。 学位论文作者签名：塞垒垒 日期：巫4 年j 月j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞徼垄王太堂有保留、使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 塞徼理王太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽理工大学 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，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位 论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：累角殇 签字日期： 7 年乡月罗日 导师签名： 扎签字日期：如1 年名月c c 日 引言 引言 随着煤矿企业生产规模的不断扩大，对生产安全的重视程度也日益提高，而 和煤矿井下安全生产密切相关的是井下的供电系统。而其中的起电路保护作用的 馈电开关和磁力开关对煤矿企业的供电系统的安全运行起到了举足轻重的作用。 馈电开关作为煤矿井下供电系统的核心配电设备，其关键作用就是当馈电回路发 生断路、过负荷、漏电的情况下，可以自动地切断故障电路，避免火灾和爆炸事 故。而磁力开关主要用于远方控制交流频率为5 0 h z 的三相鼠笼型感应电动机的起 动和停止。 然而，目前我国馈电开关及磁力开关的研发水平相对落后，远程智能监控 水平低下，已从一定程度上制约了我国煤炭工业的发展。为此，研发出高水准、 高可靠性、高适应性的新型多功能电子开关势在必行【l 】。 本课题中新型多功能电子开关的研究主要的难点主要有两处：一是如何将馈 电和磁力开关的功能集成到同一个嵌入式系统设备中：二是如何实现通过井上监 控主机和井下嵌入式设备进行通信，以实现对井下各用电设备实施快速有效地监 控。由于馈电开关和磁力开关分别应用于不同的场合，对电路出现的过流、短路、 欠压、三相不平衡等的判断具有不同的参数，设计中的多功能保护器可以通过启 动参数的设置，使其灵活地实现上述各自的功能，并且可手动调节各项参数，真 正实现“一机多用、随调随用”，极大地提高了设备使用的灵活性和通用性。当前 煤矿井下电气设备的通信多采用r s 4 8 5 和r s 2 3 2 方式，存在通信质量差，传输速 度慢，传输距离受限缺点，使设备问远程监控的能力受到很大的制约。随着嵌入 式系统的发展，尤其是体积小、低功耗、低成本、高性能的a r m 系列微处理器 的广泛使用，将其应用于井下设备的设计中，可十分方便地扩展系统的各项功能。 借助于现有井下的通信网络和通信协议及软件的支持，可设计出基于t c p i p 协议 的具有远程通信功能的嵌入式电子保护开关。 本课题的研究为成功解决将馈电与磁力开关功能集成化以及井下嵌入式设 备远程通信的难题进行了积极的探索，促进了煤矿企业井下供电安全、提高生产 效率和井下嵌入式设备的通信方式的革新，系统设计的成功一方面必将产生巨大 的社会效益和经济效益，另一方面也为井下供电系统中的电子保护器进一步的发 展开拓了思路【i 2 。 第章绪论 第一章绪论 1 1 煤矿井下供电与安全 1 1 1 井下供电及用电设备的特殊性 煤矿井下是一个特殊的工作环境，有易燃、易爆可燃性气体和腐蚀性气体， 潮湿、淋水、粉尘大、电网电压波动大、空间狭小、机电设备启动频繁、可能发 生冒顶和片帮事故等【2 8 1 。因此，井下矿用设备都不同于一般的电气设备，其具有 如下特点： 1 电气防爆。煤矿井下具有瓦斯和煤尘，当其浓度达到爆炸浓度时，若工作 在该环境中的电气设备产生危险电弧、电火花或局部高温，就会发生燃烧和爆炸。 因此，用于煤矿井下爆炸性环境的电气设备必须是防爆型电气设备，避免电气设 备所产生的电弧、电火花和高温引起瓦斯和煤尘爆炸。 2 防护性好。煤矿井下除了具有甲烷、一氧化碳等易燃易爆性气体外，还有 硫化氢等腐蚀性气体，矿尘大、潮湿、有淋水。因此矿用电气设备的防护性要好， 具有防尘、防潮、防腐、防霉等防护措施。由于井下有时会发生冒顶和片帮等事 故，碰撞和挤压电气设备及电缆，因此，矿用电气设备应耐机械冲击。 3 电网电压波动适应能力强。地面电网电压的波动范围一般为9 0 0 o - - - 1 1 0 ， 而煤矿井下电网电压的波动范围可达7 5 1 1 0 。 4 过载能力强。采、掘、运等电气设备启动频繁，井下机电硐室和巷道的温 度较高，散热条件差。因此矿用电气设备要有足够的过载能力。对于井下可能发 生的突水事故，还需要有较大的排水能力和供电系统。 5 保护功能强。煤矿井下潮湿、空间小，这就增大了人体触电的可能性。因 此矿用电气设备和供电系统应使人身不能触及或接近带电导体，具有完整、可靠 的保护接地网，在高、低压供电系统装设漏电保护系统及装置，对人身经常触及 的电气设备要用较低的电压等级。为防止漏泄电流引起电雷管爆炸，还应减小电 气设备对地的漏泄电流；此外为防止电网过流引起电气火灾等事故，应装设过流 保护装置。 6 可靠性高。主要通风机、局部通风机等设备或供电系统的故障会引起瓦斯 集聚，在一定条件下会造成瓦斯和煤尘爆炸口8 3 们。 3 安徽理工人学硕士学位论文 1 1 2 煤矿井下电路常见故障及保护 由于煤矿井下空间狭小潮湿，矿井电网多为电缆供电，各种用电设备及电缆 在使用中由于受到挤压、碰撞使导致绝缘部分损坏，极易导致短路、触电、漏电 等故障，此外漏电及过载也极易引发爆炸及火灾等灾害。本课题主要针对上述各 种电气特征进行分析，并提出相应的保护方法。 1 短路保护 短路是指供电系统中不等电位的导体在电气上被短接。短路的基本类型有三 相短路、两相短路、单相短路、单相接地短路和两相接地短路等，其直接影响着 井下供电的安全性、可靠性和连续性。 2 漏电保护 漏电是指在电网对地电压的作用下，电流沿电网对地的绝缘电阻和分布电容 流入大地，这一电流称为电网对地的漏电电流、简称漏电。漏电产生的原因主要 有空间狭小，工人工作时劳动工具易将电缆损坏；井下潮湿且电气设备绝缘老化 引起绝缘电阻下降，接线板潮湿也可能会造成漏电。 漏电故障会给人身和矿井的安全造成很大的威胁：漏电电流超过5 0 m a 时， 可能引发电火花并由此导致其它意外事故：而当人身触及漏电设备外壳时，流经 人身电流超过3 0 m a 的极限电流，就有伤亡的危险1 3 1 1 。 3 过载保护 过载又称为过负荷，是指实际流过电气设备的电流既超过其额定电流，又超 过了允许的过流时间。电动机等电气设备过载运行时会因损耗增加而发热，时间 一长，使绝缘老化，甚至会烧毁电动机。 4 缺相保护 供电线路或电气设备一相线断开时称为断相，正在正常运转的三相电动机或 电气设备发生断相就会造成缺相运行。我国煤矿井下电网普遍采用中性点不接地 的运行方式，一旦电气设备在运行中发生缺相故障则三相就会出现严重的不平衡， 设备在运行中可导致无功电流上升、功率因数降低。 5 欠压、过压保护 在正常情况下，配电线路和开关设备等对地绝缘，只承受相电压。由于种种 原因，电网的电磁能量发生突变，造成电压异常升高，出现危及设备绝缘的电压 称为过电压，而电压过低则称为欠电压。 欠压保护是指当电网电压下降至额定电压的7 5 时，保护延时跳闸。在正常 4 第一章绪论 供电过程中，苦电压下降，额定负载下易引起过电流，造成电气设备烧毁。 过电压可分为大气过电压和内部过电压两种。煤矿井下的过电压主要是内部 过电压，供电系统中的误操作、一相接地和短路故障等都是引起内部过电压的直 接原因【41 1 2 6 - 2 7 1 。 1 1 - 3 当前井下用电设备电子保护器的现状 1 磁力起动器的应用及现状 煤矿井下供电系统的发展与采掘技术的进步密切相关，随着我国煤矿采掘技 术的发展，1 井下各种机械设备对供电系统提出了更高的要求。为适应煤矿生产发 展的客观需要，要求磁力起动器的结构形式、控制方式、保护性能等不断改进和 发展。 5 0 年代，我国研制出q c 系列磁力起动器，由于其内部接触器是空气式的， 所配的保护只有熔断器和热继电器两种，保护简单，可靠性差。8 0 年代后期，我 国先后研制了j d b 电动机综合保护器和q j z 系列磁力起动器，以真空接触器取代 了空气式接触器。9 0 年代出现的z d b 电动机综合保护器，将单片机控制技术应 用于煤矿井下，可完成电动机的过载、过热、短路、欠压、过压以及漏电闭锁等 保护功能。2 0 0 0 年之后针对起动器产品存在的问题进行了升级改造，采用快开门 结构、真空电器等技术改造措施，使其具有更加全面的保护功能。 国内目前的大多数煤矿井下的磁力起动器仍然功能有限，大多采用模拟保 护，共同点是可靠性不高、功能不够全面。国外矿用控制开关不断更新，但进口 设备成本较高。因此开发高性能磁力起动器保护系统是我国煤矿机电产品发展的 必由之路。 2 馈电开关的应用及现状 矿用隔爆馈电开关适用于含有瓦斯或煤尘等爆炸危险环境的矿井中，作为配 电开关使用，是煤矿井下低压供电系统的重要组成部分。其关键作用就是当馈电 回路发生短路、过载、漏电等故障时，可以自动切断有故障的电路，避免火灾和 爆炸事故。此外，井下的运输、提升设备等均需要隔爆开关的控制和操作，其在 井下的使用量大且分布而广。由于煤矿井下粉尘大、温度及温度高，环境恶劣， 对开关设备的安装使用和维护提出了很高的要求，开关性能的优劣直接关系到井 下的安全生产和生产效率。 目前，国产隔爆馈电开关主要采用继电器控制和熔断器保护。这两种保护元 5 安徽理工人学硕士学位论文 件因本身的离散性，加之整定、更换和检修不便，可靠性较低，而且监控装置体 积大，线路复杂，当被保护系统发生短路、断相、过载及接地等故障时，其有效 保护的结果都将作用于跳闸、切断电源，而不能准确地判断出故障类型，给技术 人员带来了诸多不便，目前使用的馈电开关近二十年来在技术上没有大的突破， 功能也比较单一，在安全性、可靠性、使用性和技术性上存在许多不足难以适应 煤矿生产的需要。【3 2 l 综合来说，存在着几下几方面的不足： 1 ) 安全性、可靠性不高。传统的井下采区变电站多数采用常规的设备，结 构复杂，可靠性不高，自身又没有故障自诊断的能力。 2 ) 不能满足煤矿电力系统快速计算和实时控制的要求。 3 ) 使用维护过程中工作量大，设备可靠性差，不利于提高运行管理水平和 自动化水平。 4 ) 设备通信能力差，不利于进行有效的远程监控与集中管理。 随着我国对煤炭需求量的增大，矿井供电安全可靠性与提高煤炭生产效率的 矛盾越来越突出，因此研发高水平、高性能的网络化的智能开关已势在必行。 1 2 嵌入式系统现状及发展 1 2 1 嵌入式系统的特点及应用 嵌入式系统是在专用领域特定要求下执行的计算机应用系统，不同于通用计 算机系统应用的多功能性和多应用性。嵌入式系统适用于应用系统对功能、可靠 性、成本、体积、功耗等有着严格要求的专用计算机系统。其具有如下特点： 嵌入式系统面向特定应用，通常具有功耗低、体积小、集成度高等特点，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，有利于于嵌入式系统设 计趋于小型化，移动能力大幅增强，跟网络的耦合也越来越紧密。 嵌入式系统的硬件和软件精简且高效率，在保证稳定、安全、可靠的基础上 量体裁衣，去除冗余，在同样的硅片面积上实现更高的性能。 嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或处理器的内部存储器中，从 而提高了执行速度、系统的可靠性和实时性。 嵌入式系统的开发针对具体的应用，两者结合在一起使其升级换代时间周期 相对较长，升级周期和具体应用需要的改变同步。 嵌入式系统是专用系统，一般不具有支持用户在自身平台上自行开发嵌入式 6 第一章绪论 软件的能力，需要在设计和开发中实现所有的功能，只有在特定的交叉开发环境 并使用特定的开发工具才能进行修改或开发。 目前，在现代社会生活的各个领域，嵌入式系统越来越发挥着不可替代的作 用，具有非常广阔的应用前景。其应用领域大致可以分为以下几类： 消费电子产品 信息家电产品 家庭智能管理系统 工业控制系统 环境监测 机器人 交通信息管理 军事应用 其他如航空航天医学等领域 1 2 2 嵌入式系统的发展历程 伴随着半导体、微电子和计算机等技术的快速发展及广泛使用，处理芯片的 体积、功耗和性能不断地优化，从2 0 世纪八十年代到现在，嵌入式计算机系统发 生了巨大的变化。其发展过程大致可分为以下几个阶段： 1 早期阶段 在以单片机为核心的嵌入式系统的发展道路中，最开始是将通用计算机系统 中的基本单元进行裁剪后，集成在一个芯片上，构成单片微型计算机。这一时期 的系统结构功能相对单一，处理效率低，存储器容量较小，几乎没有用户接口。 2 中期阶段 随着微电子技术、i c 设计技术的发展，嵌入式系统开始应用到更复杂和更高 要求的环境中，在这一阶段开始将高性能、低功耗的嵌入式c p u 和嵌入式操作系 统应用到系统设计中。 3 成熟期阶段 嵌入式系统软、硬件技术有了很大提升的同时，开始朝着可重复开发和多功 能的方向发展，典型的代表有s o c 和网络应用。 4 未来发展期阶段 未来嵌入式系统的发展趋势对嵌入式软件和硬件的设计提出了更高的要求。 7 安徽理j ：大学硕十学位论文 主要从以下几个方面作进一步的发展： 随着电子工业水平的不断提高，多芯片合成将是一个主要的发展方向，通过 在一块芯片上集成很多毋核，可以极大提高处理器之间的信号传输速度和质量， 同时减少外围器件，优化设计；嵌入式系统的联网成为主流，新的产品设计中需 要配备标准的一种或多种网络通信接口：嵌入式系统不断向小尺寸、低功耗和低 成本方向发展；提供更加丰富的、友好的多媒体人机界面。 2 3 嵌入式系统的组成结构 嵌入式系统通常由嵌入式处理器、嵌入式外围设备、嵌入式操作系统和嵌入 式应用软件等组成。如图1 所示： 嵌入式应用软件 嵌入式撵作系统 圈i 嵌入式系统组成结构 f i g lt h ec o m p o s e o f t h e e m b e d d e ds y s t e m 嵌入式系统由硬件和软件两大部分组成，硬件是整个系统的物理基础，提供 软件的运行平台和通信接口；软件用于控制系统的运行按照用户的要求实现相 关环境的应用。下面分别介绍如下： 1 嵌入式处理器 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器。随着科技的发展，人们 对数字化的要求越来越高，同时先进芯片的设计只新月异。从这两个方而出发， 人们对处理器的性能、速度、存储量、通信能力、功能的多样性、开发的方便程 度及耗电的多少等方面不断提出更高的要求。a r m 处理器就是近年米发展十分 迅猛的一种嵌入式处理器a r m 技术具有很高的功效和性能。根据目前嵌入式 微处理器的发展现状，可以大致将其分成以下几类： 1 ) 嵌入式微处理器 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 r u n i t ) 的基础是通用计算机中的 c p u 。在应用中，将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留与嵌入式应用 有关的功能，这样可以大幅度减小系统的体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特 第一章绪论 殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能上同标准微处理器基本一样，但在工作温度、 抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了增强。与工业控制计算机相比，嵌入式微 处理器具有体积小、重量轻、成本低和可靠性高的优点，但是在电路板上必须包 括r o m 、r a m 、总线接口和各种外设等器件。 2 ) 嵌入式微控制器 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 ) 又称单片机，其将整个计算 机系统集成到一块芯片中。嵌入式微处理器一般以某一种微处理器内核为核心， 芯片内部集成r o m e p r o m 、r a m 、f l a s h 、总线、总线逻辑、定时计数器、看 门狗、i o 、串行口、a d d a 等各种必要的功能模块。与嵌入式微处理器相比， 微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性 提高。 3 ) 嵌入式d s p 处理器 d s p 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行d s p 算法， 编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、f f t 和谱分析等方面，d s p 算法正在大量进入嵌入式领域，d s p 应用正从在通用单片机中以普通指令实现 d s p 功能过渡到采用嵌入式d s p 处理器。 4 ) 嵌入式片上系统 随着v l s i 设计的普及化及半导体工艺的迅速发展，可以在一块硅片上实现 一个更为复杂的系统，这就是s y s t e mo nc h i p ( s o c ) 。各种通用处理器内核将作为 s o c 设计公司的标准库，和许多其他嵌入式系统外设一样，成为v l s i 设计中一 种标准的器件，用标准的v h d l 等语言描述，存储在器件库中。用户只需定义出 整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。这样除个 别无法集成的器件以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去， 对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。 2 嵌入式外围设备 嵌入式外围设备指在一个嵌入式硬件系统中，除了中心控制部件( m c u 、 d s p 、e m p u 、s o c ) 以外完成存储、通信、保护、调试、显示等辅助功能的部件。 根据其功能分为以下三类： 1 ) 存储器 存储器用来存储程序和数据。在嵌入式设备应用中，静态易失( r a m 、s 洲) 存储器、动态存储器( d 洲) 、非易失型存储器( r o m 、e p r o m 、e e p r o m 、 f l a s h ) 等各具特点。而闪存( f l a s h ) 由于具有可以擦写次数多、存储速度快、 9 安徽理j ：人学硕士学位论文 容量大及价格便宜等优点得到了广泛的应用。 2 ) 接口设备 目前存在的所有接口在嵌入式领域中都有其广泛的应用，其中尤以r s 2 3 2 接1 2 1 ( 串1 2 1 ) 、i r d a ( 红外线接1 2 1 ) 、s p i ( 串行外围设备接口) 、u s b 接口、e t h e m e t ( 以 太网接口) 和普通并口应用最为广泛。近年来随着消费电子产品的发展，在新产品 的设计中也出现了诸如b l u e t e e c h ( 蓝牙接口) 、1 3 9 4 接口等。 3 ) 显示设备 显示设备是嵌入式设备和用户进行交互的最主要的设备之一。主要包括 c r t 、l c d 和触摸屏等几类设备。 3 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，其具有通用操 作系统的基本特点，两者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。 嵌入式操作主要是以微内核的结构为主，通常必须提供以下功能模块： 内存管理模块：内存管理主要是指动态内存管理功能，通过操作系统提 供的内存分配和释放函数来使用内存，可以让有限的内存被用户程序重复使用。 多任务调度模块：多任务调试模块可以协助实现多个任务同时运行，通 过操作系统本身的任务调度机制，简化程序的设计。 外部硬件的管理：嵌入式系统一般都拥有许多不同的周边系统，操作系 统除了能够高效地驱动这些硬件外，在多个用户程序需要使用同一硬件资源的情 况下，还必须能够协调这些资源以满足每一个应用程序的需求。 从八十年代起，国内外陆续出现了众多各具特点的嵌入式操作系统，其中比 较有代表性的主要有以下几种： 1 ) 州o w $ c e m i c r o s o f tw i n d o w sc e 是一个从整体上为嵌入式应用场合设计的多线程、完 整优先权、多任务、简洁高效的多平台操作系，其模块化设计允许它对于从掌上 电脑到专用工业控制器的各种电子设备进行定制。不足之处是作为一款商业软件， 其价格较高且操作系统源代码没有公开。 2 ) l i n u x l i n u x 是一套以u n i x 为基础发展而成的操作系统，其对配置要求较低，支 持多种处理器。针对嵌入式应用，发展出了u l i n u x 、r tl i n u x 等版本，作为一款 自由软件，其源代码完全公开且所需费用极其低廉。目前，在嵌入式领域l i n u x 1 0 第一章绪论 正获得越来越广泛的应用。 3 )v x w o r k s 美国w m d r i v e t 公司于1 9 8 3 年设计开发的一种实时操作系统，拥有良好的 持续发展能力、高性能的内核以及友好的开发环境，支持多种处理器，广泛应用 于通信、航空、航天、军事等实时性要求极高的领域中，目前其是嵌入式领域中 使用最广泛、市场占有率最高的系统。 4 ) p s o s p s o s 是一个模块化、高性能的实时操作系统，专为嵌入式微处理器设计， 提供了一个完全的多任务环境。 5 ) p a l m o s 3 c o m 公司的p a l mo s 在p d a 市场上占有很大的市场份额，有开放的操作 系统应用程序接口( a p i ) ，可根据需要自行开发所需要的应用程序，在p a l mp i l o t 平台上拥有大量的应用程序。 6 ) l y n x o s l y n x o s 是一个分布式、嵌入式、可扩展的实时操作系统，遵循p o s i x 1 a 、 p o s i x 1b 和p o s i x 1 c 标准，支持线程概念，提供了2 5 6 个全局用户线程优先级。 7 ) u c o s u c o s 是一个可移植、可剪裁、占先式多任务嵌入式操作系统，核心代码短 小精悍，应用于多种微处理器上。但其功能相对过于简单，并且还有开发调试困 难等问题。 4 嵌入式应用软件 嵌入式应用软件针对特定的专业领域，基于相应的嵌入式硬件平台，能完成 用户预期任务的计算机软件。每种嵌入式软件都有自身独特的应用环境和实用价 值，和变通的应用软件相比也有一定的区别：嵌入式软件要小巧，不能占用过多 的硬件资源；其次要能够尽量优化配置，减小对系统的整体继承性。嵌入式软件 广泛应用于国防、工控、信息家电、商用、办公、医疗等领域。嵌入式软件产业 发展迅猛，已成为软件体系的组成部分。 1 2 4a r m 体系架构 a r m 是a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s 的缩写。其中r i s c 原文是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 ，意为精简指令集计算机。 a r m 架构是基于精简指令集计算机( 砌s c ) 原理而设计的，指令集和相关 安徽理j 人学硕士学位论文 的译码机制比复杂指令计算机( c i s c ) 要简单得多。这样的简化实现了高的指令 吞吐量、快速实时中断响应性能以及高性能的处理器宏单元。 同时，, m l m 也是设计a r m 处理器的公司的简称。a r m 处理器具有优异的 性能，但同时功耗却很低。采用r i s c 架构的a r m 微处理器一般具有如下特点： 1 体积小、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，能很好地兼容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，指令长度固定 在? d l m 处理器的家族成员中，a r m 9 系列微处理器在高性能和低功耗特性 方面表现得十分出色，具有以下特点： 与a r m 7 的3 级流流线相比，a r m 9 具有5 级数据流水线，指令执行效 率更高( 见图2 ) 提供1 1 m i p s m h z 的哈佛结构 支持3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令集 支持3 2 位的高速a m b a 总线接口 全性能的l v i m u ，支持w i n d o w sc e 、l i n u x 、p a h no s 等多种主流嵌入 式操作系统 m p u 支持实时操作系统 支持数据c a c h e 和指令c a c h e ，具有更高的指令和数据处理能力 a r m 7 t d m i a r m 9 t d m i 取指令译码执行 t h u m b 解k 缩；a 跚译码l ir e g 读；移位a l l i ；r e g 写 互 匦丑口回区亟匾圃匿 图2a r m 7 与a r m 9 流水线操作对比 f i 9 2t h ec o n t r a s tb e t w e e na r m 7a n da r m 9 sp r o c e s sc o u r s e 在3 2 位嵌入式领域，, a r m 体系结构具有很高的功效和性能，目前，采用 a r m 技术知识产权核的微处理器，已遍及消费类电子产品、网络系统、无线系 统、通讯系统、工业控制系统等各类产品市场，基于a r m 技术的微处理器应用 已占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的市场份额。a r m 技术正在逐步渗入到 人们生活的各个方面【2 3 1 。 1 2 第章绪论 1 3 多功能电子保护器设想的提出 煤矿等企业中广泛使用的磁力起动器的发展过程经历了从最初的空气接触 器、真空接触器到应用单片机技术的磁力起动器，有了很大的提升，但在可靠性、 功能应用、安全性等方面还有待进一步的完善。而技术上一直没有大的突破的馈 电开关，同样在安全性、可靠性，使用性和技术性上存在许多不足难以适应现代 化煤矿企业生产的需要。 随着微电子技术与嵌入式软件的发展，我们可以将其越来越多新技术、新装 备应用到生产生活中去，以取得重大的经济社会效益。设计中的多功能保护器就 是将嵌入式系统应用到保护器中，取代传统的继电器、仪表等电磁元件，以嵌入 式系统为核心，将数据分析、控制、保护、通讯等功能结合起来，进而实现全面、 系统、高效地对井下电气设备进行保护，既提高了工作效率，又减少了维护工作 量。综合上述情况，提出了多功能电子保护器的设想。 基于嵌入式系统的多功能保护器有如下特点： 1 灵活性强 对于不同原理的保护，如接馈电开关、磁力开关，仅需更改系统的启动参数 即可实现