（电力系统及其自动化专业论文）基于linux实时多任务操作系统故障录波器的研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于l i n u x 实时多任务操作系统故障 录波器的研究t 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究 j ：作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中f i 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我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：塑坠 日 期：皇盥垒：! ! 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的舰定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅：学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：塑坠导师签名： 日 期：兰! ! 生：! ! ：兰z曰期， 丝建丕 丛! 12 华北电力大学硕十学俺论文 第一章绪论 1 1 故障录波器在电力系统中的意义 随着电力系统的发展以及输电容量，电压等级的不断提高，输电故障造成的损 失也越来越大，因此高质量高可靠性输电成为当前电力系统发展的重要目标。同时， 由于电力网络规模的扩大化、复杂化以及全国范围电网互连趋势的到来，使得电力 系统的行为变的越来越复杂，一些原有的假设条件和简化模型的适用性都存在很大 的局限性。因此，丰富详尽的现场实测数据，特别是在电力系统发生故障或处于非 正常状态运行情况下，这些电力系统的实时数据将具有非常重要的价值。这就要求 有。一种装置在系统发生故障时能准确记录系统在故障前和故障后的电流、电压的变 化波形，以及有关开关量的变位顺序和波形，用来分析故障原因、确定故障性质、 寻找故障点并为分析继电保护装置动作的正确性提供确切的定量数据。 故障录波器是电力系统主要的二次设备之一，用于记录电力系统发牛的动态过 程，以及对电力系统动态过程进行分析并检验电力系统其它自动化设备在动态过程 中的动作行为是否正确。电力系统的故障录波器是常年投入监视电力系统运行状况 的一种自动记录装置。它可蚍记录因短路故障、系统振荡、频率崩溃、电压崩溃等 大扰动引起的系统电流、系统电压及其导出量，如系统频率、有功、无功的全过程 变化现象，同时还记录继电保护与安全自动装置的动作行为。性能优良的故障录波 器对保证电力系统的安全可靠运行具有非常重要的作用。进入8 0 年代后，微机故 障录波器在电力系统中得到了广泛的应用，录波器的故障记录已经成为分析事故发 生原因，帮助寻找故障点，迅速处理事故，特别是分析继电保护动作行为的依据。 目前它己成为电力系统自动化及系统管理的重要组成部分。 12 故障录波器在电力系统中的作用 1 ，f 确分析事故的原因并研究对策 一个电力系统往往连接着广大地区的多个发电厂和变电所，当系统发生事故 时，除继电保护和自动装置动作切除故障外，还需尽快查明故障原因，以便确定防 止事故的对策。但是如无故障录波，就不可能得到可靠的直接数据，因此，在分析 事故时，不得不进行假设或推测，这样常常前后矛盾，难以解释。特别是当保护装 旨发，卜拒动或误动而扩大了事故时，情况就更加复杂。同时，再加之发生事故时， 现场值班人员忙于处理事故，未能正确地记录继电保护和自动装置的动作情况，就 会给分析事故增加困难甚至造成混乱。而当有了故障录波时，通过录取的各故障波 1 华北电力大学硕士学位论文 形图的对照显示，可以准确地反映故障类型、相别、故障电流、电压的数值以及断 路器的跳合闸时问和重合是否成功等情况，这样就可以一确分析和确定事故的原 因研究有效的防止措施，从而减少以至避免再发生类似事故。 2 1 卜确评价继电保护和自动装置的工作 当电力系统发生事故时，继电保护装置虽然动作跳闸，切除了故障，但有时可 能出现儿套保护装置同时动作的情况，其中有的保护装置是正确动作，而有的则可 能是误动作。如无故障录波分析而单凭保护屏上的信号继电器来表示故障情况，当 保护屏上的信号继电器发生异常，例如信号继电器卡住或拒动时，甚至有些地方还 发生过保护装置检验后忘投信号电源的情况，以至线路发生瞬时性故障时，保护装 置虽动作e 确动作跳闸并重合成功了，但保护屏上的信号继电器却毫无表示，如同 保护装置从未动作过。因此，仅凭保护装置的信号表示，有时并不能正确评价继电 保护和自动装置的工作。相反有了故障录波，通过对录波信息的分析就可以下确评 价或校验继电保护装置工作的正确性。特别是当发生转换性故障时，更需要通过对 录波信息的分析来正确评价继电保护和重合闸装置的工作情况。 3 帮助寻找故障点 根据资料统计，在超高压线路上，接地故障约占9 5 左右。每次事故发生后， 一般均需及时巡线找到故障地点并进行处理，以保证线路安全供电。对于长线路， 特别是经过山区的长线路，例如些大型水电站的出线，一般均经过较长的山区， 而山区往往交通不便，巡线非常困难，劳动强度很大。如无故障录波提供故障点信 息，即使交通方便的平原地区，遇到恶劣天气时发生故障，全线巡线也很辛苦。有 了故障录波器，不仅可以利用所录波形图迅速判明故障类型和相别，而且还可以利 用录波信息提供的零序短路电流值，较准确地计算出故障地点，这样就缩小了巡线 范嘲，大大减轻巡线的劳动强度，同时有利于迅速寻找故障点消除故障，及时恢复 供电，减小经济损失。 4 发现继电保护和自动装置缺陷，以便于改进和完善 在发电机组和超高压线路上装设的继电保护和自动装置接线回路的设计上，虽 然经过认真细致的研究，仍可能有不合理或考虑不周的地方，这些问题在做各种模 拟试验时甚至在运行中都不容易发现，但在电力系统发生事故时，就会造成装置的 拒动或误动。如无故障录波，这类问题有时很难发现，很难及时改f ，结果就可能 重复发生类似的误动或拒动现象。有了故障录波，利用录波信息，经过分析，就可 以发现装置中潜在的缺陷和问题，及时消除并改进装置的接线。 5 发现次设备缺陷，及时消除隐患 在电力系统中，有的一次设备例如高压断路器存在缺陷，平常很难发现，而这 2 华北电力大学硕十学位论文 j 缺陷将在不同程度上危及电力系统的安全运行。在我国某电力系统中，曾从故障 录波装最所录波形图中发现：a p f 型断路器断不开电容电流，导致头问多次点弧， 结果使快速重合闸重合不成功：b b 一2 2 0 型断路器断电时间缩短，去游离时间不足 而造成重合闸重合不成功；有的断路器断开时产生过电压导致电弧重燃，经检查发 现触头烧损和消弧室并联电阻烧坏；还曾经发现有的断路器合闸时多次跳跃。因此， 通过对所录波形图的分析，可以及时发现这些隐患并予以消除，使电力系统能够安 全稳定地运行。 6 提供转换性故障和非全相运行再故障资料 在电力系统运行中，机组内部或同一线路上有时在很短时间内可能会发生由一 种类型故障转换为另一种类型故障的现象。例如由于发电机外壳接地，发电机容易 发生单相接地，如不及时处理则可能发展为匝间短路或相间短路故障；在使用综合 重合闸时，当发生单相接地故障时，故障相两侧跳开后，在非全相运行过程中可能 又发生故障。由于这些情况是发生在很短时间内，值班人员很难及时发现，主控室 f j 的仪表也很难反映出来，如无故障录波就很难了解这些情况，也很难判断继电保 护和自动装置能否适应此种情况。我国故障录波器投入运行以来，积累和提供了许 多这方面的资料，从这些资料中，可了解线路故障时的故障类型转换和非全相运行 过程再次发生事故的情况、特点和时问等等。 7 了解系统运行情况，迅速正确地处理事故 联接众多发电厂和变电站的电力系统，当发生事故后，继电保护装置动作，有 时跳丌一回或几回线路，有时还可能联动切除某个发电厂的发电机组，严重的甚至 可能造成地区电力系统崩溃。有了故障录波器，从所录波形图的电气量变化曲线中， 就可清楚地了解系统的运行情况并迅速判明事故原因，及时正确地处理事故，迅速 地恢复供电，缩短停电时间，减小经济损失。 8 实测系统参数 电力系统中有的元件如变压器、架空输电线，可用试验方法测得其参数。但有 的元件如y y y ( 全星型) 变压器的零序阻抗，因是非线性值，故其参数很难用一 般试验方法测得；若有故障录波器，我们即可利用故障录波装置在故障时记录的电 气量( 零序电流和零序电压) 来实测全星型变压器的零序阻抗值，并且从所录波形 图上也可直接看到由于零序阻抗非线性而造成的零序电压波形的畸变。因此在系统 故障时录波信息提供的全电流、全电压、功率和相序电流、相序电压等数值，不仅 可核对系统参数和短路电流计算值的正确性，而且可实测某些难以用普通试验方法 得到的元件参数，以便及时修萨有关参数，为整定计算和判断故障点提供可靠数据。 9 分析研究系统振荡问题 华北电力人学硕十学位论文 电力系统由于动态稳定破坏、静态稳定破坏、非同期合闸未能拖入同步及发电 机失磁等原因均可能引起系统振荡。当系统发生振荡时，发电厂或变电所内的仪表 虽有摆动反映，但不能体现具体数据，更不能显示一些参数的变化规律。而故障录 波器所录波形图则可提供系统振荡从发生、失步、同步振荡、异步振荡和再同步的 全过程以及振荡周期、电流、电压等参数的特征和变化规律。因此，利用录波信息， 可帮助分析和研究系统振荡问题，以确定处理方法，缩短振荡时间，实现快速再同 步，尽快平息振荡。同时，从系统振荡过程的分析研究中，可提供设计和改进继电 保护装置的依据。 1 0 研究电力系统内部过电压 电力系统由于故障和操作常常引起内部过电压。内部过电压一般可分为谐振过 电压、操作过电压和弧光接地过电压。谐振过电压是由系统电感和电容组成的谐振 电路，当满足一定的条件，就可能激发持续时间较长的铁磁谐振过电压。操作过电 压主要是操作高压断路器时改变了系统参数，产生电磁振荡暂态过程而引起的。弧 光按地过电压则是由间隙性接地电弧引起的。很多内部过电压的发生具有随机性 质，难以预测和准确计算。内部过电压一旦发生常常造成严重后果。而过电压的出 现，有的持续时间较长，有的持续时间则较短，特别是伴随电力系统故障的持续内 部过电压，具有突发事故性质，既不能事故前作好试验准备，也难以事故后模拟， 因此很难得到发生内部过电压时的真实数据。而利用故障录波或按特殊要求加快了 记录速度的故障录波，即可记录下发生内部过电压时的波形曲线。为分析研究系统 内部过电压问题，为确定限制内部过电压的措施提供依据，以保证电力系统的安全 运行。 1 。3 故障录波分析的发展状况 131 故障录波器的发展过程 故障录波器是电力系统发生故障及振荡时能自动记录各个模拟量、开关量数据 的一种装置，正常情况下不启动或只进行数扫描，发生故障或振荡时进行录波，并 记录故障前后全过程的电压、电流、功率变化及继电保护动作情况等，从而为分析 事故提供科学依据。因此，这种装置对提高系统安全运行水平极为重要。 故障录波器目前己有三代产品。第一代是机械一油墨式故障录波器，现已被淘 汰；第二代是机械一光学式故障录波器，目f j 仃运行使用的也已很少；第三代是微机 一数字式故障录波器，由于硬件设计灵活经济，性能优越，广泛被国内各电厂、变 电站采用，是故障录波器当今发展的主流。 微机一数字式故障录波器由于其功能强、可靠性高等优点，一出现便备受青睐。 4 华北电力大学颐士学位论文 故障录波器的出现大大提高了电力网络的监测运行水平，采用单片机和微机技术极 大地提高了故障录波器的准确性和可靠性，丰富了其功能，方便了运行人员，对电 厂、变电站的微机监测，提高安全运行水平，有广阔的应用莳景。 1 3 2 故障录波器当前存在的问题 进入9 0 年代以来，随着个人计算机技术的飞速发展，其在工业控制领域的应用 也h 益广泛，工业p ci f 以其可靠的性能、丌放的结构、品种繁多的软件平台、优 良的性能价格比受到工业界的重视。同时计算机网络技术的发展，也使电力系统变 电站、电厂之删的信息联网成为可能，通过联网，工作人员在中心凋度所就可以调 出各变电站故障录波器记录的信息快捷、方便地进行分析。 由于众多新技术的采用，当前微机型故障录波器在性能上有了很大提高，以往 故障录波器所存在的问题如：数据传输速率低，缺少在线数据分析功能，没有在线 定值修改功能等已基本得到解决。目前故障录波器普遍采用下位机、中层机和上位 机二部分构成，这利，设计结构复杂，硬件冗余度高。而且当中层网络连接失败时， f 位机无法将故障录波数擐上传至上位机，容易造成故障录波数据的丢失。另外， 在分析软件的设计上，目前普遍的是基于w i n d o w s 操作系统或d o s 操作系统作为开 发平台，其中w i n d o w s 操作系统，系统容量过于庞大，对硬件要求过高，不适合应 用于嵌入式工控机中，它的稳定性比较差经常会出现死机的情况，而且正版软件价 格昂贵，使的丌发成本过高。d o s 操作系统虽然价格低廉系统容量小，但其功能相 对较弱，特别是网络功能很差，因而无法满足现代电力系统对故障录波器的要求。 1 33 故障录波器的未来发展趋势 针对现在使用的故障录波器的不足之处，目前的研究方向主要集中在两个方 面：一方面是研制新一代高性能的微机式故障录波器：另一方面是开发现有录波器 的网络通信功能，借助于信息共享来提高录波数据的处理能力。在研制新型故障录 波器时，许多最新的计算机技术和最新的集成芯片得到应用。将嵌入式系统应用于 电力系统故障录波器，将故障录波系统的性能进一步提高。主要表现在以下几个方 面： i 具有较高的数掘测量的精度和数掘采集速度。主要从硬件和软件两个方面考虑， 在硬件上，可选用分辨率为1 6 位的a d 转换器和高速高精度d s p 芯片；在软件上， 减小滤波算法误差关键是消除非周期分量的影响，现在有一种将差分和傅氏变换相 结合的算法具有很高的可靠性和准确度；谐波分析算法比较多，一般多采用f f t 法， 快速抗混叠的f a f t 算法和减少泄露误差的加窗一插值技术，关键是在编程时如何有 效快逑地实现这些复杂的算法。还有一个需要重视的问题是故障非周期分量引起的 华北电力大学硕士学位论文 r a 饱和问题，在不能改变现有一次配鼍的情况下考虑能否从算法上减小误差。 2 保证装置在任何状况下的准确启动。故障录波器的启动判据很多，如果整定得 不好，就会出现拒动或系统稍有波动就启动的情况，为此在整定时可咀参照保护整 定的方法，以求达到较高的准确性和可靠性。 3 j h 有强大的网络功能和通信能力。从硬件上要求录波器装置具有多个r s 一2 3 2 及 r s 一4 8 5 接口，可与当地的监控系统或专用处理器通信，内置m o d e m 能与远方调度中 心通信，同时提高远传技术规范，采用数据压缩以提高传输容量。必要时要具备局 域网、光纤通信。 4 捌有丰富的后台分析能力。进行后台分析的基础是对时时钟精确，为此应采用 c , p s 。它可将时间误差减小到5 0 n s 以下。开发了故障数据综合分析软件。对提高单 端故障定位的原理和计算方法进行了研究。故障测距的精度是影响后台分析能力的 关键技术，采用双端数据测距是提高定位精度的方法。 另外，随着微机保护装置的迅速发展，将录波装置与保护装置融为一体的方案 也是一个发展方向。以基于高速总线的保护系统为例，它将数据采集、管理、录波、 保护等功能由多个c p u 主板分别实现，而且各c p u 主板能够通过高速总线共享采集 数据和存储空间。由于信息共享消除了硬件的重复设置因此，装置的性能价格比 得到提高。但目前还不能由保护装置取代录波装簧。 在故障录波分析技术方面，新型故障录波装置应具有较强的在线数据处理能 力，能对录波数据及时进行分析处理，在录波结束后自动打印出详细的录波数据分 析报告，而对录波波形则可按需要召唤打印。装置由以故障录波为主转为以电能质 量检测与分析为主。随着网络通信功能的加强和g s p 等新技术的应用，录波装置可 实现精确的相位测量，并对系统稳定性做出及时准确的分析与预测。对于故障录波 器应该具备精确的故障定位能力，同时，由于采样速率的提高和数据存储容量的扩 大，故障录波器也可以实现高频录波和分析。 随着技术的不断发展，未来一代故障录波器将以微机式为主流，通过采用通信， 计算机，自动化、网络等众多新技术，新型的故障录波器应在数据处理速度和存储 容量卜有较大提高，并具有较强的在线数据处理能力和数据通信能力。 1 4 本论文的工作 第一章分析故障录波器的应用现状，发现当前故障录波器存在的问题，明确该 课题的研究意义；第二章介绍嵌入式系统和嵌入式l i n u x 操作系统的概念和特点， 以及本课题所采用的嵌入式p c 1 0 4 和嵌入式l in k l x 操作系统的具体配置；第三章 针刘当阿故障录波器所存在的问题，结合现场实际需要，提出- i t 新型的录波器方 华北电力大学硕十学位论文 案，具体介绍该方案的硬件结构设计；第四章将系统地介绍故障录波器软件设计和 实现功能，以及故障录波器数据分析系统所采用的算法；第五章总结性的论述该系 统的整体特点以及将来有待改进的方面。 华北电力火学硕士学慰论文 2 1 嵌入式系统 第二章嵌入式系统应用 随着数字信息技术和网络技术的高速发展，我们已经进入数码时代。建立在其 基础上的嵌入式系统已经广泛地渗透到科学研究、工程设计、军事技术、商业文化 艺术、娱乐业以及人们的同常生活等方方面面。嵌入式系统蕴含着巨大的市场需求， 可广泛应用与移动计算设备、网络设备、信息电器、工控设备、车载设备、仪器仪 表等场合。随着国内外嵌入式产品( 如车载电脑、机顶盒等) 的进一步丌发和推广， 嵌入式技术越来越和人们的生活紧密相关。 2 ，1 1 嵌入式系统回顾 在很早以前，嵌入式这个概念就已经存在了，嵌入式计算机的真正发展是在微 处理器问世之后。1 9 7 1 年1 1 月，i n t e l 公司成功地把算术运算器和控制器电路集 成在一起，推出了第一款微处理器i n t e l 4 0 0 4 ，其后各厂家陆续推出了许多8 位、 1 6 位的微处理器。以这些微处理器作为核心所构成的系统，广泛地应用与仪器仪表、 医疗设备、机器人、家用电器等领域。微处理器的广泛应用形成了一个广阔的嵌入 式应用市场，计算机厂家开始大量地以插件方式向用户o e m 产品，再由用户根据自 己的需要选择一套适合的c p u 板、存储器板以及各式t o 插件板，从而构成专用的 嵌入式计算机系统，并将其嵌入到自己的系统设备中。 为灵活兼容考虑，出现了系列化、模块化的单片机。人们可以不必从选择芯片 开始设计一台专用的嵌入式计算机，而是只要选择各功能模块，就能够组建一台专 用计算机系统。2 0 世纪8 0 年代各种总线层出不穷，随着微电子工艺水平的提高， 集成电路制造商丌始把嵌入式应用中所需要的微处理器、i o 接口、a d 、d a 转换、 串行接r j 以及r a m 、r o m 等部件统统集成到一个v l s i 中，从而制造出面向i o 设计 的微控制器，也就是我们所称的单片机，成为嵌入式计算机系统异军突起的一支新 秀。其后发展的d s p 产品则进一步提升了嵌入式计算机系统的技术水平，并迅速地 渗透入到消费电子、医用电子、智能控制、通信电子、仪器仪表、交通运输等各种 领域。2 0 世纪9 0 年代，在分稚控制、柔性制造、数字化通信和信息家电等巨大需 求的牵引f ，嵌入式系统进一步加速发展。2 l 世纪无疑是一个网络的时代，使嵌入 式计算机系统应用到各类网络中去也必然是嵌入式系统发展的重要方向。 21 2 嵌入式系统的定义 嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应 华北电力大学硕十学位论文 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，它将操 怍系统和助能软件集成于计算机硬件系统之中，简单的晚就是系统的应用软件与系 统的硬件一体化，类似于b i o s 的工作方式，具有软件代码小，高度自动化，响应 速度快等特点。特别适合于要求实时的和多任务的体系。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和各个行业的具体应用相结合后的产物。 纵观嵌入式技术的发展，大致经历了以下4 个阶段： 1 第阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，同时具有与监测、伺 服、指示没备相配合的功能。这种系统大部分应用于一些专业性极强的工业控制系 统中，一般没有操作系统的支持，通过汇编语言编程对系统进行直接控制，运行结 束后清除内存。这阶段系统的主要特点是：系统结构和功能都相对单一，处理效 率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口。由于这种嵌入式系统使用简便、价格 很低以前在国内工业领域应用较为普遍，但是己经远远不能适应高效的、需要大 容量存储介质的现代化工业控制和新兴的信息家电等领域的需求。 2 第二阶段是以嵌入式c p u 为基础。以简中操作系统为核心的嵌入式系统。这一 阶段系统的主要特点是：c p u 种类繁多，通用性比较弱：系统开销小，效率高：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 要束控制系统负载以及监控应用程序运行。 3 ，第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。这一阶段系统的主要特点 是：嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好；操作系统内 核精小、效率高，并且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口 ( a p i ) ，开发应用程序简单；嵌入式应用软件丰富。 4 第四阶段是以基于i n t e r n e t 为标志的嵌入式系统，这是一个f 在迅速发展的阶 段。目莳大多数嵌入式系统还孤立于i n t e r n e t 之外，但随着i n t e r n e t 的发展以及 i n t e r n e t 技术与信息家电、工业控制技术等结合日益密切，嵌入式设备与i n t e r n e t 的结合将代表着嵌入式技术的真正未来。 2 1 3 嵌入式系统的特点 嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件和嵌入式软件系统组成，它是 集软硬件于一体的可独立工作的“器件”。嵌入式处理器主要由个单片机或微控 制器( m c u ) 组成。相关支撑硬件包括显示卡、存储介质( r o m 和r a m 等) 、通讯设备 等。嵌入式软件是实现嵌入式系统功能的关键，它包括与硬件相关的底层软件、操 作系统、图形界面、通讯协议、数据库系统、标准化浏览器和应用软件等，对它的 华北电力人学硕十学位论文 要求也和通用计算机不同： 软件要求固态化存储 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都固化在存储器j 占 片或荦片机本身中，而不是存储于磁盘等载体中。 软什代码质量、可靠性要求高 尽管半导体技术的发展使处理器速度不断提高、片上存储器容量不断增加，但 在大多数应用中，存储空间仍然是宝贵的，还存在实时性的要求。为此要求程序编 写和编译工具的质量要高，以减少程序二进制代码长度、提高执行速度。 系统软件的高实时性是基本要求 在多任务嵌入式系统，对重要性各不相同的任务迸行统筹兼顾的合理凋度是保 证每个任务及时执行的关键，单纯通过提高处理器速度是无法完成和没有效率的， 这种任务调度只能由忧化编写的系统软件末完成，因此系统软件的高实时性是基本 要求。 归纳起来嵌入式系统的特点主要有以下几点： 1 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术以及电子技术与各个行业的具 体应 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。 2 嵌入式系统通常是面向用户、面向产品、面向特定应用的。嵌入式系统中的c p i z 与通用型c p u 的最大不同就是前者大多工作在为特定用户群设计的系统中。通常， 嵌入式系统c p u 都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用c p u 中许多 有板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于整个系统设计趋于小型化。在对嵌 入式系统的硬件和软件进行设计时必须重视效率，去除冗余，针对用户的具体需求， 对系统进行合理配置，才能达到理想性能。与此同时，系统设计还受市场供求关系 的影响。嵌入式处理器的发展也体现出稳定性，一个体系一般要存在8 一1 0 年的时 蚓。一个体系结构及相关的片上外设、开发工具、库函数、嵌入式应用产品合在一 起，可以构成一套复杂的知识系统。 3 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，其升级换代也是和具体产品同步进 行的。因此嵌入式系统产品一旦进入市场，就具有较长的生命周期。 4 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都固化在存储器芯 片或单片机中，而刁i 是存贮于磁盘等载体中。由于嵌入式系统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， 1 0 华北屯力人学硕士学位论文 融此对程序的质量，特别是可靠性，有着较高的要求。 j 嵌入式系统本身并不具备在其上进行进一步开发的能力。在设计完成以后用 ，。如果需要修改其中的程序功能，也必须借助于一套丌发工具和环境。 6 通用计算机的丌发人员通常是计算机科学或者计算机工程方面的专业人士，而 嵌入式系统丌发人员却往往是各个应用领域的专家，这就要求嵌入式系统所支持的 丌发工具易学、易用、可靠、高效。 总体看来，嵌入式系统具有便利灵活、性能价格比高、嵌入性强等特点，可以 嵌入到现有任何信息家电和工业控制系统中。从软件角度来看，嵌入式系统具有不 可修改性、系统所需配置要求较低、系统专业性和实时性较强等特点。 21 4 嵌入式p c 1 0 4 p c 1 0 4 是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线，是由美国加州的 a m p r o 公司1 9 8 0 年首先开发的，近年来在国际上广泛流行。1 9 9 2 年被i e e e 协会定 义为ie e e p 9 9 6 1 。我们知道，i e e e p 9 9 6 是p c 和p c a t 工业总线规范，从 p c 10 4 被定义为i e e e p 9 9 6 1 就可以看出，p c 1 0 4 实质上是一种紧凑型的 ie e e p 9 9 6 1 其型号定义和p c a t 基本一致，但电气和机械规范却完全不同，是一 种优化的，小型堆栈式结构的嵌入式控制系统。 随着计算机技术的飞速发展，计算机嵌入式越来越受到业界的关注。p c 1 0 4 e e e 国际标准广泛满足了嵌入式领域的要求，正在迅速成长为主流的嵌入式计算机。该 系统计算机一般采用超大规模、极低功耗的a s c i 、c m o s 、i c 电路，综合了高抗干 扰电磁兼容技术、高抗震的叠层栈接技术，超小型高精度多层板技术，高精密双面 s m t 技术。由于其体积小、功能强、可靠性高、温度范围广等特点，广泛地应用于 通讯、医疗、电子、机械等行业，及智能仪器仪表、便携式设备、数据采集等各个 方面。 p c 1 0 4 总线产品在软件上与p c a i 、完全兼容。而在硬件上与p c a t 主要存在 着以下儿方面不同： 夺小尺寸结构，标准模块的机械尺寸为：3 6x3 ，8 英寸( 9 6x9 0 m m ) ； 夺堆栈式，“针”、“孔”总线连接，即p c 1 0 4 总线模块之间总线的连接是通过上 层的针和下层的孔相互咬和相连，有极好的抗震性； 夺4 m a 总线驱动既可使模块正常工作，低功耗，减少元件数量； 夺自我堆栈式连接，无须母板。 p c 1 0 4 有两个版本，8 位、1 6 位分别与p c 和p c a t 相对应，p c 1 0 4 p u s 华北电力大学硕士学位论文 则与p ( ：l 总线相对应。在p c 1 0 4 总线的两个版本中，8 位p c 1 0 4 共有6 4 个总线管 脚( 单列双排插针和插孔) ，1 6 位6 4 十4 0 = 1 0 4 个总线管脚( 双列双排插针和插孔) ， 其有效信号线和控制线完全与“p c ”“p c a t ”兼容。p c 1 0 4 p l u s 为单列三排1 2 0 个总线管脚，有效信号线和控制线和p c i 总线完全兼容。与我们的计算机一样，一 个计算机主板可以同时拥有p c a t 和p c i 总线，个p c 1 0 4c p u 模块则可以同时 捌有p c 1 0 4 和p c 1 0 4 p lu s 总线。 实际上对于不同工业领域的应用，p c 1 0 4 生产商集成了不同类型的模块，结合 本系统的应用，我们选用了盛博科技嵌入式计算机有限公司的 s c 6 d s p t ( s y s c e n t r e m o d u l e ) 模块。盛博科技是国内首家国际化嵌入式计算机公司， 它推出的高品质的嵌入式p c 模块广泛地应用于各种高可靠的智能设备中。 s c m s p t 是一种高度集成、自栈结构、i b m p c a t 兼容的p c 1 0 4c p u 模块。 它被设计成可方便与其他周边设备及模块构成完整系统的核心部件。其在板不仅包 含了一般p c a t 机的母板、一二块扩展板的功能，更为嵌入式控制扩展了特有功 能。它的超小尺寸、单+ 5 v 供电、宽工作温度范围，超低功耗，以及一系列针对嵌 入式应用的功能扩展使s c m s p t 可独立作为一台p c a t 引擎，或与其他p c 1 0 4 模 块一起构成嵌入式和便携式应用的理想方案。 s c m $ p t 是一款真正的“a l l i n o n e ”的c p u 模块，其c p g 是片x 8 6 兼容的 6 4 位处理器，运行速度最高可达到3 0 0 m h z ，在板包含了所有的p c a t 兼容的d m a 控制器、中断控制器及定时器、r o m b 1 0 s 、4 m 至1 6 m 字节的d r a m 及键盘、喇叭接 口；在板的外部接口包括一个p c a t 兼容的双向并行口、两个1 6 5 5 0 兼容的r s 2 3 2 串行口、一个用外界后备电池支持实时时钟。s c m s p t 与p c a t 标准完全兼容，在 i b m p c 上运行的众多软件全部能在以s c m s p t 为基础的系统中运行。使用该模块在 性能上、速度上己完全满足本系统的要求。考虑到价格因素，采用主频速度为2 0 0 l t h z 的c p l ，可以大幅度减少系统的功耗，增加了系统的可靠性。 改模块能与众多的盛博显示接口、磁盘控制接口、通讯接口及网络接口等扩展 模块配合使用，这些模块能支持标准软硬盘驱动器，包括小型计算机接口( s t s c ) 设 备，显示接口能支持各种l c d 及t f t 显示屏。 s c m s p t ( p c 1 0 4 模块) 具体功能概述如下： 夺x 8 6 兼容6 4 位处理器，支持m m x i 。指令集扩展，速度高达2 0 0 l h z 夺s a 显示器接口 夺平板显示器接口支持所有类型l c d 及t f t 平板显示器 夺2 m 内置显存，最大分辨率可达1 2 8 0 * 1 0 2 4 、1 6 7 0 力_ 种颜色 华北电力人学硕b 学位论文 夺内存叮扩展至12 8 m 夺1 6 k b l l 回写缓存 夺支持p c a t 键盘及p s 2 鼠标 夺支持软驱、e i d e 硬盘及c o m p a c t f l a s h 夺一个并行接口、，两个串行接口 夺两个u s b 接口 夺在板1 0 1 0 0 b e s e t 以太网接口 夺16 位立体声，t v 输出 夺w a t c h d o g 看门狗电路 夺 一个3 2 位p c 1 0 4 + 插槽，一个1 6 位p c 1 0 4 插槽 夺标准d m a ，中断定时控制器 夺p c 1 0 4 兼容总线 夺尺寸：9 59 m m + 1 1 5 6 m m + 1 5 m m ( 包括i o 扩展) 2 2 嵌入式l in l j x 操作系统 2 21 l in u x 操作系统的特点 l i n u x 是1 9 9 1 年4 月由芬兰人l i i q u sb e n e d ic tt o r v a l d s 所独立草创的类 u n i x 操作系统，在全世界爱好者的共同努力下，借助于i n t e r n e t ，l i f l u x 历经无数 版本的演进，目前己发展成为一个完整的遵从p o s i x 规范的操作系统，与s y s t e m v 以及b s du n i x 实现了源码级或二进制相容，它是一个真正的多任务、多用户、多 平台系统，支持多处理器，安全可靠，性能卓越。最重要的是l i n u x 不是商业化的 操作系统，它遵循g n u 公共许可协议，源代码全部开放，任何人均可自由获得源码 并进行分析研究。具体特点如下： 1 多任务支持 l i n u x 支持多进程同时执行，进程之间完全独立。 2 多用户支持 l i f l u x 允许多个用户同时在系统上工作。 3 多处理器支持 l in u x 可以在多处理器体系结构上运行，即操作系统可以将任务分布在多个处 华北电力人学硕士学位论文 理器上。 4 跨平台支持 【，in u x 可以在几乎所有常见的硬件体系结构上运行，从p c 机到a lp h a 工作站。 j 按需调入执行 只有实际执行中需要的程序块才会被装入到内存中。在一个进程刚刚建立时， 并不对其分配内存，而是令其使用父进程的内存。知道需要对内存出现写操作的时 候，才将陔进程的内存段复制出来，即“写时复制”。 6 分页机制 虽然l i n u x 中用缓存技术最大化地应用了物理内存，但仍然会出现内存不够的 现象。在这种情况下，l if l u x 将一个不常使用的4 k 字节大小内存页面中的数据置 换到外存上，并将需要的数据页面由外存调入内存中。 7 动态外存缓存 在内存中保留一块空间作为外存操作的缓存，是从m s d o s 时代就已经存在的技 术。l i l 2 u x 中可以动态地调整缓存的大小。 8 共享库支持 库是应用程序运行时所需要调用的子程序集合，l i n u x 中引入了共享库的概念， 或者称动态链接库，即库文件只被读入内存一次，但可以被若干个应用程序共享使 用。 9 p o s i x l 0 0 3 1 支持 l i n u x 自从1 2 版本起就开始支持p o s i x l 0 0 3 1 ，与国际标准接轨使得l i n u x 在界面上具有很强的通用性。 10 多种不同格式可执行文件支持 l i n u x 可以支持所有u n i x 系统中的可执行文件格式，只要e f l l 薹i b c s 2 标准。 1 1 内存保护模式 l i f l u x 中使用处理器提供的内存保护模式来防止用户企图进入内核，从而保证 内核程序的安全可靠性。 12 支持不同种类的文件系统 l i n u x 支持各种各样的文件系统，包括m s d o s 、v f a t 、n t f s 、a f f 、h p e s 及网络 文件系统n f s 等各种文件系统。在l i n u x 中最常使用的是其系统自带的e x t 2 e x t 3 史件系统。 华北电力大学硕士学位论文 l3 t c p i p ，s l i p 和p p p 支持 l i n u x 操作系统可以加入到u n i x 局域网之中去，理论上所有网络协议( 包括n f s 和远程登陆等) 都在l in u x 所支持的范围之内。 222 l in u x 作为嵌入式操作系统的优势 l i n u x 由于自身的优点是非常适合于作为嵌入式操作系统，主要表现为以下几 点： 1 免许可证费用 大多数商业操作系统，如w i nc e ，g x w o r k s 等对每套操作系统均收取定的许 可证使用费用。相对而言，l i f l u x 是一个免费的优良操作系统，公开源代码，只要 不违反g p l 协议，任何人都可以使用、修改和发布l i n u x 。 2 高度稳定性 和目前流行的桌面操作系统相比，l i n u x 是非常稳定和可靠的，并且由于内核 的稳定性使得l i f l u x 在移植到特定平台后与通用平台具有一样的高稳定性，虽然新 平台下的外围设备可能完全不同。 3 移植容易 【if l u x 是一个多平台的操作系统，可以运行子x 8 6 、p o w e rp c 、m i p s 等多种处 理器之上，对嵌入式应用方面这一点尤为重要，据统计个设计优良的嵌入式系统 移植到另一平台只需改动其中的4 代码。同时由于l i r u x 采用的模块机制，使设备 驱动程序几乎不需要修改就可适用于其它平台，方便移植。 4 强大的网络功能 l jn u x 天生就是一个网络操作系统。几乎所有的网络协议和网络接口都己经被 定制在l i n u x 中。l i f l u x 内核在处理网络协议方面设置比标准的u n i x 更具执行效率， 具有更高的吞吐量。 ；良好的开发工具 l i f l u x 提供c 、c + + 、j a v a 以及其他很多的开发工具。更重要的是，爱好者可以 免费获得，并且这些丌发工具设计时己经考虑到支持各种不同的微处理器结构和调 试环境。l j d u x 基于g n u 的工具包，此工具包提供了完整与无缝交叉平台丌发工具， 从编辑器到底层调试，其c 编译器产生更有效率的执行代码。 6 全面的技术支持 对于实际开发过程来说，完善的文档和及时的技术支持是解决实际问题、提高 华北电力人学硕十学他论文 ，i ：发效率所必不可少的。由fl i f l u x 的丌源特性和各方面的优异表现，越来越多的 陧序员深入其中，丌发过程中遇到的任何问题，均可通过i n t e r n e t 得到及时解答。 2 2 3 嵌入式l in u x 操作系统 嵌入式操作系统作为整个嵌入式系统的核心，是实现系统功能的关键，从八十 年代起，圈际上就开始进行一些商用嵌入式系统和专有操作系统的丌发。他们丌发 嵌入式系统已经有二十多年的经验，目前的应用范围也比较广泛。嵌入式【in u x 系 统丌发已经开辟了很大的市场，出现了一批新型的公司参加这方面的竞争，他们利 用自己掌握的用l i n u x 达到嵌入式的方法，吸引投资，开发出成型的产品，如l i n e o 、 t i m e s y s 、f s m l a b s 等：也有一些传统的l i n u x 公司开辟了这方面的研究，如r e d l q a t 、 l i n u x 等；更值得重视的是，一些传统的大公司如i 蹦、s g i 、怕t 。r o j a 、i n e j 等也进行了i 。 n u x 的嵌入式方面的研究和开发；另外还有一些丌发专用嵌入式操作 系统的公司，如l y n x 公司从专用操作系统方向转型到嵌入式l i n u x 系统，并已更 名为l y n u x w o r k s 。 考虑的到和硬件体系相配合同时结合本系统的应用，我们选用了盛博科技嵌入 式计算机有限开发的嵌入式l i n u x 操作系统一s b sl i n u x 。s b sl in u x 是盛博科技丌 发的套专用j 二p c 1 0 4 的产品的操作系统，它集网络应用、图形丌发、编译调试 功能于一体，具有功能齐全、性能稳定、兼容性好、技术支持全面等优点。嵌入式 系统的结构如图2 1 所示。 图2 1 嵌入式系统结构图 华北电力大学硕士学位论文 s b sl i n u x 是由盛博科技自主开发的嵌入式l i d u x 系统，提供完善的硬件驱动， 可以运行在s b sp c 1 0 4 全系列硬件平台，充分发挥硬件的性能。力图给用户提供 基础的软硬件支撑平台，为用户解决底层复杂的技术难题，使用户专注于丌发自己 的应用系统程序。主要的技术特色如下： 1 快速启动 出于从硬件到b i o s 再到操作系统均由盛博科技开发，所以可以根据用户的系统定 制，使系统启动时间达到最短。 2 安全运行 针对突然掉电，不正常关机等对文件系统的影响提出了一系列的解决方案。 3 功能丰富 集成了嵌入式系统常用的软件包。如嵌入式中文图形用户界面、嵌入式w e b 服 务器，并支持嵌入式数据库，以及类似于b o r l a n dc + + 3 0 的集成开发环境。 4 维护方便 可通过r s 2 3 2 4 2 2 4 8 5 串行口、网络口进行串行加载，修改、升级系统。 j 存储方式灵活 支持d i s k o n c h i p 、c o m p a c t f l a s h 、i d ef 1 a s hd js k 、e p r o m 等多种存储。针对 特殊的应用，s b sl i n u x 甚至可以将存储容量缩减到5 1 2 k ，从e p r o m 启动。 6 丰富的调试手段 可以调试用户程序、调试内核，支持本地远程图形界面调试，也可以通过仿 真器调试。 7 提供系列的示例程序的源代码，帮助用户快速进入开发 包括r s 2 3 2 4 2 2 4 8 5 串行口通讯程序、w a t c h d o g 程序、a d 采样程序、驰动程 序的模板、用户订购硬件驱动程序的部分源码等。 8 提供实时版本 中断响应时间小于1 5 u s ，任务切换时间小于3 5 u s 。 作为嵌入式操作系统，不仅要提供满足系统性能要求的响应机制，还要针对嵌 入式系统中磁盘及内存空间较小，处理器速度较慢等特点，最大节省硬件资源，充 分发挥硬件特性，我们根据自身硬件特点及本系统应用的实际需求，定制了自己的 操作系统功能。 b a s eb y s t e m 是保证系统运行的最基本操作系统，保持了与当今流行的r e d h a t 华j 匕电力大学硕士学位论文 l in u x 系统的兼容性。基本的操作系统占用空间小，只有4 - 8 m b y t e ；支持多种存储 介质，町安装在d is k o n c h l p 、c o m p a e t f l a s h 卡上；支持几志文件系统，可保证问 系统存1 币常天闭后能够快速恢复到正常状态；支持硬盘、d i s k o n c h i d 之删的瓦棚 挂接，即如果从硬盘启动，可以访问d o c 上的空阳j ，反之办然；提供广泛的硬件支 持。在b a s es y s t e m 基础上，还可以选择