（信号与信息处理专业论文）基于vxworks的统一网络管理平台开发.pdf

分类号t p 3 0 2 1密级 公开 重庆邮电大学硕士学位论文 论文题目基于v x w o r k s 的统一网络管理平台开发 ( 题名和副题名) 英文题目t h ed e s i g no fu n i f i e dn e t w o r km a n a g e 硕士研究生 王虎 指导教师程方副教授 学科专业信号与信息处理 论文提交日期 竺2 ：垒：墨! 论文答辩日期至1 2 ：! ：! 论文评阅人 查鱼盎塑盘i 壶堕氇蔓睡 孤：鱼生蠢煎 主壶由f 包太茎 答辩委员会主度盘自吞鱼煎至盘逵簋整熙九 2 0 0 7 年5 月1 0 日 重庆邮电大学硕士论文 摘要 嵌入式系统开发是当今自动化控制领域的热点，其中包括硬件设计和 软件设计两部分，本文针对电力调度网络现有的组网方式的不足，介绍了 如何利用嵌入式系统实现一个统一网络管理平台，该统一网络管理平台首 先实现了将多路串行传输数据复用至一条e 1 链路中，提供了更加灵活的 组网方式并提高了数据传输的实时性、安全性和稳定性。接着介绍了如何 利用a r m 9 处理器设计统一网络管理平台中的核心设备中心站复用设备， 实现了多达1 6 路的e 1 链路中的串行数据与以太网数据帧之间的直接转 换，并针对高速数据传输中可能产生的存储空间不足的问题，提出了利用 a r m 9 高达2 0 0 m i p s 的处理能力，使用数据压缩算法在不提高设备成本的 前提下解决该问题，并进行了仿真验证。最后针对中心站复用设备设计b s p 文件( b o a r ds u p p o r tp a c k e r - - - - 板级支持包) ，成功移植了w i n d r i v e r 公司 的v x w o r k s 嵌入式实时操作系统，并在该操作系统上开发管理通信协议， 实现了中心站对于中心站复用设备运行状态的实时监测以及控制，并对其 进行调试，验证了协议的有效性和稳定性。该统一网络管理平台在我国电 力调度领域中是首次提出，具有创新性，对于今后的电力网扩展与重组有 一定的指导意义。 关键字：e l ，a r m ，数据压缩，b s p , v x w o r k s 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ed e s i g no ft h ee m b e d d e ds y s t e mc o n s i s t e so fh a r d w a r ea n ds o f e w a r e i st h ef o c u si nt h ea u t o m a t i cf i e l d t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e sh o wt od e s i g na u n i f i e dn e t w o r km a n a g e m e n tp l a t f o r mt h a ta i m sa tt h ed i s a d v a n t a g eo ft h e c u r r e n te l e c t r i cp o w e rs c h e d u l i n gn e t w o r k f i r s t l y , t h i su n i f i e dn e t w o r k m a n a g ep l a t f o r mc a n t r a n s f e rd a t ac o m p o s e do fm u l t i p l es e r i a ld a t ab ye l l i n k ， e n h a n c i n gt h ec a p a b i l i t i e so fr e a lt i m ep e r f o r m a n c e 、s t a b i l i t ya n ds e c u r i t yi n t h i sw a y t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e sh o wt od e s i g nt h ec o r ed e v i c eo ft h en e t w o r k m a n a g ep l a t f o r m c e n t r a ls t a t i o nm u l t i u s i n gd e v i c eb a s e do na r m 9 ，w h i c h c o u l dt r a n s f o r mt h es e r i a ld a t ai n16l i n ei n t oe t h e r n e tf r a m ed i r e c t l y s i n c e t h eh i g hs p e e dd a t at r a n s f e rm a yb r i n gs o m ep r o b l e m ：l a c ko fm e m o r y , w e h a v et oc h o o s ed a t ac o m p r e s sb a s e do nt h ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c eo fa r m 9 w i t h o u ti n c r e a s i n gc o s t ，a n da l s op r o v et h ev a l i d i t yo ft h i sa r i t h m e t i cb y s i m u l a t i o n a te n do ft h ew o r k ，w ed e s i g nt h eb s p ( b o a r ds u p p o r tp a c k e r ) f i l e b a s e do nt h i sd e v i c et om a k et h ee m b e d d e dr e a l t i m e o p e r a t i o ns y s t e m v x w o r k sw h i c hi s s u e db yw i n d r i v e rc o m p a n yr u n n i n go nt h ec e n t e rs t a t i o n m u l t i u s i n gd e v i c e ，a n dm a n a g ep r o t o c o li sd e s i g n e dt o m o n i t e rt h er u n n i n g s t a t u sa n da d ju s tt h er u n n i n gp a r a m e t e r so ft h ed e v i c e w eh a v et e s t i t s v a l i d i t ya n ds t a b i l i t y t h i su n i f i e dn e t w o r km a n a g ep l a t f o r mp r e s e n t e dh e r ei s t h ef i r s to n ei nt h ee l e c t r i cp o w e rs c h e d u l i n gf i e l di no u rc o u n t r y ，w ec o u l ds a y ， i ti si n n o v a t i o n a l ，a n da l s oh a st h ei n s t r u c t i o n a lf o n c t i o nf o re l e c t r i cp o w e r n e t w o r ke x p a n s i o na n dr e c o m p o s i t i o n k e y w o r d s ：e l ，a r m ，d a t ac o m p r e s s i o n ，b s p , v x w o r k s 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 重医 邮电盔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己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名： 王1 乳签字日期：p - 7 年月t 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庆邮虫太堂有关保留、使用学位论 文的规定，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。本人授权重废邮电盔堂可以将学位论文的 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：王瓦t - 导师签名：码了 学位论文作者签名： 王瓦 导师签名：a j 签字日期：纠年，, e lze t 签字日期：矽1 年6 月乙e 1 1 i 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 论文背景 第一章绪论 在我国由于电力一次设备( 发电机组等) 相对落后，且电力网错综复 杂，因此大面积更换一次设备不具备可行性，一次设备的运行状态，运行 负荷完全处在无监控状态下，所带来的后果就是2 0 世纪8 0 年代之前我国 常常出现大面积长时间且具有突发性的停电，为人民生活带来了极大不 便，唯一的解决方法就是由经验丰富的自动化控制工程师参考多年的用电 记录进行分析判断何时机组需要分流，停机但随着人民生活水平提高， 家用电器的丰富，特别是大功率家电的大面积普及，这种方法显然无法应 对越来越复杂的用电状况，为了改变这种状况，我国选择了大力发展电力 二次设备，也就是继电保护设备以及电力调度系统，这些设备所起到的作 用就是实时分析发电机组运行状况，在用电高峰之前进行分流，在极端状 况下让部分机组停机以防止一次设备遭到致命损坏，嵌入式技术因此正式 进入了电力控制行业，成为一次电力设备的守护神。 电力调度是电力行业现今最核心的业务，电力调度系统由调度中心和 调度终端( r t u ) 两大部分组成。电力调度监控自动化系统可以通过分散 的各个远端采集单元r t u 采集电网中的信息，实现实时数据采集、电网实 时运行状况的监视与显示、远程控制与调节、事故报警、越限变位报警、 数据计算统计、工作信息查询、事故追忆等功能，这样可以帮助调度员及 时了解、掌握电力设备情况，监控电网信息，通过对电力设备信息的实时 掌控可以优化资源配置，更有效的利用和配置有限的电力资源。电力调度 自动化系统是帮助电力系统运行调度人员实时掌握电网运行状况，并及时 合理地调度系统运行的有力工具，它能大大提高电网运行的经济效益与减 轻调度人员和各分站运行人员的劳动强度。 作为电路调度系统的承载网，电力调度数据网的首要要求就是可靠、 稳定、安全，保证调度自动化系统对电网的监控能够准确、不间断的进行。 同时电力调度数据网必须是一个高实时性网络，能够提供有保证的尽量短 的数据延时。 当i j 的组网方式见图1 1 ： 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 圈i 1 当前组网方式 变电站终端设备的串行数据线接1 2 1 与一个四线m o d e m 相连，在中心站 也有一个四线m o d e m 与变电站的m o d e m 对应。这样，通过一对四线m o d e m 就可以实现变电站终端设备与中心站设备之间的通信，这种组网方案有以 下弊端： 1 四线m o d e m 为模拟接口，易受到外界干扰，从而造成传输数据错误。 同时缺少必要的保护措施。非常容易损坏( 如静电，雷击，机房感应电等 可能对其产生的破坏) 。 2 四线m o d e m 的信号一般不能通过s d h ，a t m 等网络传输，必须增加一 套转接设备，这样不但会增加通道延时。也会增加发生故障的概率。 因此当前的组网方式已经不能满足电力调度网对数据的安全、稳定、 可靠及实时性的要求，我们需要一种新型的组网方式和技术来解决该问 题。 新型组网方式及设备见图1 2 ： 。一_ 中心 以 站 太 由 复用心 设备 网 站 服 务 器 图1 2 新型组网方式和设备 当前，s d h 组网方式在电力系统己被普遍采用，基本上每个变电站都 有富余的2 me 1 通道，利用e 1 通道作为电力调度自动化数据专用通道具 有如下优点： l 可以使调度自动化数据与其它数据有效物理隔离，使数据传输的安全性 和可靠性得到了保证 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 2e 1 通道的时间延迟为微秒级，这又保证了系统的实时性 使用专用的e 1 通道组网的优点决定其在未来几年内将成为电力调度 自动化数据传输的主要组网方式。 在此组网方式中，虚线框中设备为过渡设备，该设备实现串行数据到 e l 通道的复接功能，从长远看，变电站的终端设备将直接使用e 1 接口作 为传输方式而不是一般的串行接口，虚线框中的设备将不再需要，中心站 数据复用设备实现多个e l 通道中串行数据与以太网数据的相互转换以及 中心站复用设备与中心站服务器之间的数据交换。 该项目的创新点不仅在于提供了一种新型的组网方式为电力调度网络 的数据传输提供了更好的实时性、稳定性和安全性。中心站复用设备还实 现了多个e 1 通道中串行数据与以太网数据相互转换的功能，如果使用现 有的技术设备必须通过一个p c m 复用设备和一个多串口服务器才能完成 e l 通道时隙中数据与i p 数据包相互转换的功能。 该项目中使用的主要技术为，基于a r m 的嵌入式系统搭建，v x w o r k s 操作系统移植以及基于v x w o r k s 的网络编程技术。其中基于a r m 的嵌入 式系统搭建既中心站复用设备的设计和管理通信协议的实现是本文的讨 论重点。 1 2 嵌入式系统概述 在计算机技术和信息技术高速发展的今天，计算机和计算机技术大量 引用在我们的日常生活中。现在计算机早已超过早期计算机的概念，广泛 应用的嵌入式计算机( e m b e d d e dc o m p u t e r ) 便是其中一个。嵌入式计算 机或者叫做嵌入式系统，源于2 0 世纪6 0 年代，是一种不被用户察觉的专 用计算机l i j 。 嵌入式系统，很能给出其确切定义，多指深藏于工业系统、武器系统 或者一些机电仪表的设备、消费类电子产品内部，完成一个或多种特定功 能的计算机系统，是软硬件紧密结合体【2 1 。类似与b i o s 的工作方式。具 有软件代码小，高自动化，响应速度快等特点，特别适合要求实时的和多 任务的应用体系。 这些专用计算机系统是以嵌入式计算机为技术核心，围绕应用系统的 功能、可靠性、成本、体积、功耗等要求来严格开发设计。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特定的应用程序等四个 部分组成，用于实现对其它设备的控制( c o n t r 0 1 ) 、监视( m o n i t o r ) 、或管 重庆邮电人学硕七论文 第一章绪论 理( m a n a g e m e n t ) 等功能。 以上所提及的都是嵌入式系统中的硬件部分，其实嵌入式系统开发是 由硬件开发和软件开发两部分组成了，这两者是紧密且不可分的，为了更 高效的开发嵌入式系统软件开发效率，嵌入式操作系统应运而生，下文中 将对嵌入式微处理器和嵌入式操作系统做简要介绍。 1 2 1 嵌入式微处理器与外围硬件设备 为了适应各方面的需求，嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r s ) 体系也经历了一个从c i s c 到r i s c ；位数从4 位、8 位、1 6 位、3 2 位到 6 4 位：寻址空间从6 4 k b 到1 6 m b 、4 g b 甚至更大；处理速度从0 1 m i p s 到2 0 0 0 m i p s ；处理器的功耗也有了明显的降低：集成度进一步提高【3 1 。同 时，产生了嵌入式微控制器( e m b e d d e d m i c r o c o n t r o l l e r s ) 的概念，嵌入式微 控制器通常在一个硅片上集成了c p u 、定时器、中断控制器、i o 接口， 串行口、看门狗、存储器和其它专用功能( 如a d 、d a 、p m w 口、c a n 口和网络口等) ，这也就是为什么本节把嵌入式微处理器和外围硬件设备 放在一起讨论的原因。 我们现在常常提起的单片机、d s p 、a r m 、p o w e rp c 都属于微处理 器的范畴，他们都拥有r i s c 架构的一般特点，如具有大量寄存器，绝大 多数操作都在寄存器中进行，相对于c i s c 架构的x 8 6 处理器寻址方式简 单，同时采用固定长度的指令格式，但是他们依然有着很多不同，如各自 不同的指令集和硬件架构。 单片机往往在片上集成了一定容量r o m ，r a m ，具有较完备的i o 接 口，只需要接上输入输出设备，时钟电路，电源就可以组成一个具有完备 功能的简单系统，但是处理速度相对较低，指令集也较简单，所以它追求 的目标是整体化、小型化和廉价，往往用于完成简单的工业流程控制。 d s p 芯片用于数字信号处理范畴，一般来说都是采用片外扩展r o m 、 r a m 和各种外设接口的方式，他的指令集中往往包括6 4 x 6 4 位指令( 相 对于a r m 的长乘指令具有更短的运算周期) ，点乘指令，且都遵守上饱和 的原则为数字信号处理提供了更便利更快速高效的手段。d s p 往往用于 磁盘控制器、数码相机、手持电话、调制解调等方面，采用d s p 的好处是 将一些复杂的数字处理过程交给d s p 处理，这样可以大大减少系统内c p u 的数目，同时可以提高效率，并使编程简单化，但是在用于一般的音频视 频处理或对于数据精确度要求不高的场合时，d s p 相对高昂的价格和系统 重庆邮电人学硕七论文 第一章绪论 组建的附加支出( 毕竟d s p 不能完全代替c p u 的作用，因此往往在硬件 系统中还需要添加额外的嵌入式微处理器) 使得它的性价比不是那么能够 让人接收。 而a r m 芯片确切的说因该是使用a r m 技术i p 核的微处理器，a r m 公司其实既不生产芯片也不销售芯片，它只出售芯片技术授权，a r m 相 使用了优化的哈佛结构，多级流水线架构，m m u 机制从而具有了更高的 性能和功效。由于a r m 公司是出售i p 授权的，购买授权的芯片开发厂商 在使用某一特定版本的a r m 处理器时，他们可以生产只具有单一a r m 核 心而不具备任何其它模块的芯片，也可以根据需要任意的加载需要的功能 模块，如i r 模块，看门狗，甚至是无线网络模块，当然往往在实际生产 中都是按照第二种方式来的，这保证了芯片厂商可以在极短的时间内开发 出针对不同需要的不同版本的微控制器。由于a r m 公司专心于芯片的开 发，使得a r m 的产品线异常的丰富，同时还提供了很多变种芯片，如支 持增强的d s p 功能的a r m v 5 t e 核心，支持j a z e l l e 技术的a r m v 5 t e j 核 心等等，使得a r m 的应用领域得到了极大的扩展。 综上所述可见a r m 在嵌入式微控制器领域虽然不具有最佳的性价比， 也不具有d s p 那样在某些领域无可比及的性能优势，但是它凭借着高度的 可扩展性和通用性以及均衡性已经成为了嵌入式系统开发硬件系统搭建 中一个重要的选择。 1 2 2 嵌入式操作系统 我们现在所提及的嵌入式操作系统往往是特指实时多任务操作系统 ( r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m 。r t o s ) ，过去一个嵌入式系统中应用程序所控 制的外设和执行的任务不多，采用一个主循环和几个顺序调用的子程序模 块即可满足要求。随着嵌入式系统性能的大幅度提高，一个嵌入式系统同 时控制、监视很多外设，还要求对于外部事件实时响应，各个任务之间还 有多种信息需要传递，如果还用一个主循环和若干子程序来解决会存在两 个问题。其一是某一中断可能得不到响应或者处理时间过长，这对于一些 对实时要求很严格的控制场合是不允许的。例如，微控制器同时接收几个 通道的并行或串行数据通信时，由于某一通道通信时间过长，其它通道会 来不及响应而丢失数据，如果某一通道的数据对于整个系统极为重要，这 种数据丢失可能带来的影响是致命的。其二是系统任务多，要考虑的各种 可能性也多，各种系统资源如果调配不当，就会发生死机，降低软件的可 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 靠性。显然以上两个问题要靠一个主程序和几个子程序解决是极其困难 的。因此嵌入式实时操作系统的产生是必然的，嵌入式实时操作系统是一 段在嵌入式系统启动后首先执行的背景程序，用户的应用程序是运行与 r t o s 之上的各个任务，r t o s 根据各个任务的要求进行资源管理、消息管 理、任务调度、异常处理等工作。各个任务都有一个优先级，r t o s 根据 优先级动态地切换各个任务，保证对实时性的要求。工程师在编程序时， 可以分别编写各个任务，不必同时记住所有任务运行的各种可能情况，这 不但大大减少了编写程序的工作量，而且也减少了出错的可能性h 】。 实时多任务操作系统以分时方式运行多任务，看上去却好像是多任务 “同时”运行实时系统虽然没有统一的定义，但是一个好的实时操作系统 需要具备以下功能( 必须的担不是充分的) ”j ： 多任务和可抢占的。 任务具有优先级。 操作系统具备可预测的同步机制。 支持多任务间的通信。 操作系统具备消除优先级转置的机制 存储器优化管理。 操作系统的( 中断延迟、任务切换、驱动程序延迟等) 行为是可知的 和可预测的，这是指在全负荷的情况下，最坏反应时间可知。 实时时钟服务。 中断管理服务。 r t o s 最关键的部分是实时多任务内核，它的基本功能包括任务管理、 定时器管理、存储器管理、资源管理、事件管理、系统管理、消息管理、 队列管理、信号量管理等，这些管理功能是通过内核服务函数交给用户调 用的，也就是r t o s 的a p i 。 r t o s 的引入，解决了嵌入式软件开发标准化的难题。随着嵌入式系 统开发中软件比重不断上升、应用程序越来越大，由于基于r t o s 开发出 的程序具有较高的移植性，可以实现9 0 以上的设备独立，一些成熟的通 用程序可以作为专家库程序推向社会，进一步推进了r t o s 的发展。 1 3 组织结构 本文分为五章，各章内容安排如下： 第一章“引言”，简单介绍了嵌入式系统概念，组成，说明了本文的研 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 究内容。 第二章“基于a r m 9 的中心站复用设备系统搭建”，首先介绍了基于 a r m 9 的三星$ 3 2 4 1 0 芯片规格，特性，然后根据设备功能需求选择r o m ， r a m ，外部模块( 以太网模块) ，设计原理图。最后对硬件系统进行测试 第三章“基于v x w o r k s 嵌入式操作系统的管理协议设计”首先介绍 v x w o r k s 操作系统功能，特点，然后分析网络管理协议所需要实现的功能， 最后使用v x w o r k s 的a p i 函数设计实现管理协议。 第四章“管理协议测试”，移植并运行v x w o r k s 操作系统，对网络通 信协议进行测试仿真，证明协议的完备性，可靠性以及强壮性。 第五章“结束语”，得出结论，并说明需要进一步完善的工作。 1 4 本章小结 本章介绍了嵌入式系统的概述，以及组成结构，说明了统一网络管理 平台的设计背景和总体框架，指明了主要研究开发内容。 - 堑塞塑皇盔堂亟堡塞复三掌基量a r m 9 的中心站复用设备系统搭建 第二章基于a r m 9 的中心站复用设备系统搭建 按照中心站复用设备的功能，硬件系统因该由c p u 控制模块( 微处理 器单元，r o m ，r a m ) ，电源电路，e i 接口模块，串行数据处理模块组成， 功能框图如图2 1 所示：本章节重点讨论c p u 控制模块的设计 2 1e 1 接口模块 图2 1 系统功能框图 ； c 箱i 梗i 块 ： 该模块功能为实现1 6 路符合g 7 0 3 建议e 1 接口的h d b 3 码型数据与 串行数据码流的转换。该模块由两片带有8 路e l 线性接口单元及8 路e 1 成帧器的芯片组成，两片芯片实现将从1 6 路e 1 接口接收到的h d b 3 码型 的2 m 数据转换为1 6 路s t b u s 总线输出，同时将输入的1 6 路s t b u s 总线数据经转换后从e l 接口输出。 e 1 具有以下特点 7 , 8 , 9 1 ： 一条e 1 是2 0 4 8 m 的链路，用p c m 编码。 一个e 1 的帧长为2 5 6 个b i t ，分为3 2 个时隙，一个时隙为8 个b i t 。 每秒有8 k 个e 1 的帧通过接口，即8 k 2 5 6 = 2 0 4 8 k b p s 。 每个时隙在e 1 帧中占8 b i t ，8 * s k = 6 4 k ，即一条e l 中含有3 2 个6 4 k b s 时隙。 重庆邮电大学硬士论文第二章基于a r m 9 的中心站复用设备系统搭建 e 1 的帧结构分为成帧，成复帧与不成帧三种方式，在成帧的e l 中第 0 时隙用于传输帧同步数据，其余3 1 个时隙可以用于传输有效数据；在成 复帧的e l 中，除了第0 时隙外，第1 6 时隙是用于传输信令的，只有第1 到1 5 ，第1 7 到第3 l 共3 0 个时隙可用于传输有效数据：而在不成帧的e 1 中，所有3 2 个时隙都可用于传输有效数据。在本系统的设计中使用不成 帧的方式，所有的时隙都用于数据传输数据验证以及数据发送源的确定 由h d l c 控制器完成。 s t - b u s 基本原理： s t b u s 是一种传输数字信息的高速同步串行通信总线，总线接口所 需信号有帧同步信号、位时钟信号和串行数据信号。帧同步信号主要有类 型0 和类型1 两种：类型0 的同步脉冲仅出现在帧的开头，总线上各部件 将之作为重要参考信号并由此决定何时开始接收或发送数据流；类型l 的 同步脉冲需要维持一个完整的时隙周期( e p8 个位时钟周期) ，在此期间部 件也要接收或发送信息数据，这种同步方式较少应用。s t - b u s 定义了4 种标准时钟频率，即1 6 3 8 4 m h z 、8 19 2 m h z 、4 0 9 6 m h z 和2 0 4 8 m h z ，其 中每一种时钟频率均可作为部件的内部时钟，不过任意时刻只能选择其 一，自适应系统在设计时采用了自动选择模式。除频率2 0 4 8 m h z 外，其 它时钟频率总是数据速率的两倍，即支持最大数据速率为8 1 9 2 m b p s 。如 果s t - b u s 数据速率为2 0 4 8 m b p s ( 与e l 链路速率相同) 那么时钟可以 是2 ，0 4 8 m h z 或4 0 9 6 m h z 。一个完整s t - b u s 的帧周期为1 2 5 m s ，而每帧 又根据数据速率分为几种不同的时隙总数。但是，为了与e 1 信号的时隙 相对应，e l 终端采用每帧3 2 时隙的信号方式。工作流程为当出现类型0 同步脉冲后在数据采集周期中使用2 0 4 8 m h z 或4 0 9 6 m h z 时钟信号从各 个接口单元读取数据，在数据发送周期s t - b u s 将数据发送给e l 接口电路， 完成向e 1 信。- 3 的转换【l 。 在中，t l , 站复用设备中集成了s t - b u s 数据总线接口模块( 由接收模块， 发送模块和控制模块组成，控制模块完成对s t - b u s 数据总线与接口单元 的数据交换的控制) ，主要出于以下原因，e l 复用设备中需要集成s t - b u s 数据总线接口模块。 1由于有多路串行数据接入e l 复用设备，需要对多路串行数据( 电力网数 据采集设备通过r s 2 3 2 接口接入e 1 复用设备) 进行排队，然后再统一 与e 1 信号进行转换。通过将不同串行接口单元的i o 信号接到s t - b u s 接口控制模块，使用控制模块来控制收发时序，并决定该接口单元收发 数据在s t - b u s 中所占用的时时隙位置及数目。 重庆邮电大学硕士望文 第二章基于a r m 9 的中- t h , 站复用设备系统搭建 2 由以上对于e 1 线路的介绍( e 1 中每时隙速率为6 4 k b s ) ，同时充分考 虑到r s 2 3 2 接口传输的数据最高速率为1 9 2 0 0 b s ，显然如果一旦接收 到串行数据就立刻转变为e 1 信号并发送，将不能充分利用e l 线路的 资源并使得中心站复用设备需要频繁的处理接收到的e l 信号，因此需 要s t - b u s 数据总线收接口模块确定何时开始接收多路串行数据信号 然后转换为e 1 信号发送( 当然这还需要考虑合理安排缓冲区的大小以 存储s t - b u s 总线数据) ，这样可以在一定程度上达到对e l 线路资源的 最大利用率。 2 2 串行数据处理模块 该模块功能为：完成1 6 路2 0 4 8 m b s 串行数据流帧格式成帧以及解帧， 并与c p u 模块进行数据交换。该模块由2 套8 路h d l c 数据流接口的h d l c 控制器组成，实现将从e l 接口模块传输来的1 6 路s t - b u s 总线数据解 h d l c 数据帧，并放入内部缓冲区供c p u 读取，同时将凹u 传输过来的 数据组成h d l c 数据帧，从s t - b u s 数据总线发送给e 1 接口模块。 h d l c 是面向比特的链路控制规程，这些协议的特点是所传输的一帧 数据可以是任意位，而且它是靠约定的位组合模式，而不是靠特定字符来 标志帧的开始和结束，故称”面向比特”的协议。正是因为我们加入了h d l c 控制器( 相应的该控制器在e 1 复用设备中同样存在) ，因此我们可以选择 不成帧的e 1 组帧方式，将帧同步以及数据效验、数据来源确定的工作交 由h d l c 完成。 表2 ih d l c 基本帧结构 l 起始地址 地址数据控制数据信息数据帧效验序列结束标志i 0 1 1 1 1 1 1 08 b i t s8 b i t s 8 b i t s 1 6 b i t s 或3 2 b i t s0 1 1 1 1 1 1 0 h d l c 的一帧信息包括以下几个场( f i e l d ) ，所有场都是从最低有效位开 始传送。 1 h d l c 标志字符 h d l c 协议规定，所有信息传输必须以一个标志字符开始，且以同一 个字符结束。这个标志字符是0 1 1 1 1 1 1 0 ，称标志字符( f ) 。从开始标志到 结束标志之间构成一个完整的信息单位，称为一帧( f r a m e ) 。所有的信息 是以帧的形式传输的，而标志字符提供了每一帧的边界。接收端可以通过 搜索”0 1 1 1 1 1 lo “来探知帧的开头和结束，以此建立帧同步 2 地址数据和控制数据 重压堕皇盔堂亟堡塞箜三童基于a r m 9 的中心站复用设备系统搭建 在标志字符之后，可以有一个地址数据( a d d r e s s ) 和一个控制数据 ( c o n t r 0 1 ) 。地址数据用来规定与之通信的次站的地址( 由此确认当前数 据是由那个串行接口单元即那个电力数据采集设备发送的) 。控制数据可 规定若干个命令。h d l c 允许地址数据可为任意长度，控制数据为8 位或 1 6 位。接收方必须检查每个地址字节的第一位，如果为0 ，则后边跟着 另一个地址字节：若为”1 ”，则该字节就是最后一个地址字节。同理，如果 控制数据第一个字节的第一位为0 ，则还有第二个控制数据，否则就只有 一个字节，针对我们的设计意图，可以将地址数据和控制数据确定为8 b i t ， 这以及足够用来区分不同的数据来源了 3 信息数据 跟在控制数据之后的是信息数据( i n f o r m a t i o n ) 。信息数据包含有要传 送的数据。并不是每一帧都必须有信息数据即信息数据可以为0 ，当它 为0 时，则这一帧主要是控制命令 4 帧校验序列 紧跟在信息数据之后的是两字节的帧校序列。h d l c 均采用1 6 位循环 冗余校验码c r c ( c y c l i cr e d u n d a n c yc o d e ) ，其生成多项式为c c i t t 多 项式x 1 6 + x n l 2 + x 5 + 1 。除了标志字符和自动插入的”0 ”位外，所有的信 息都参加c r c 计算。c r c 的编码器在发送码组时为每一码组加入冗余的 监督码位。接收时译码器可对在纠错范围内的错码进行纠正，对在校错范 围内的错码进行校验，但不能纠正。超出校、纠错范围之外的多位错误将 不可能被校验发现。 最后再系统介绍一下数据的传输过程明确统一网络管理平台如何实现 多路串行数据与以太网帧之间的转换。 串行数据发送过程： l 电力数据采集设备将数据通过r s 2 3 2 接口传输至e 1 复用设备的不同 r s 2 3 2 接口。 2e l 复用设备中的h d l c 控制模块将这些串行数据封装成一系列的 h d l c 帧，并明确地址信息以及c r c 。 3e l 复用设备中的s t - b u s 数据总线模块确定何时开始接收多路串行数 据信号( 此时这些串行数据已经被封装为h d l c 帧) ，并将接收到的数 据插入到s t - b u s 相应时隙，然后发送至e 1 接i - q 模块。 4e l 复用设备中的e 1 接i z l 模块使用不成帧的组帧方式将s t - b u s 总线数 据复用至e l 中的3 2 个时隙，并转换为h d b 3 码送入p c m 线路发送。 5 中心站复用设备收到e 1 信号，经处理( 电平转换以及h d b 3 解码等) 重庆邮电大学硕士论文 第二章基于a r m 9 的中心站复用设备系统搭建 后转变为s t - b u s 总线数据，然后送入串行数据处理模块。 6 中心站复用设备使用相应的h d l c 控制器对s t - b u s 总线串行数据进行 解帧，解帧过程为首先进行帧同步确认，然后进行c r c 验证，如果数 据没有错误，则将除c r c 数据，标志字符( 包括开始和结束标志) ，帧 效验序列以外的有效数据放入数据缓冲区供c p u 控制模块使用。 7 中心站复用设备的c p u 控制模块从数据缓冲中读取数据，依次加上t c p 包头、i p 包头、以太网帧头，最后通过r j 4 5 接口发送至中心站监控台 接收过程与以上发送过程相反，处理过程类似，这里就不再赘述了。 2 3c p u 控制模块 该模块功能为：将从串行数据处理模块接收到的数据转换成以太网数 据包并从网络口发送出去，同时将从网络口接收到的有效数据经过格式转 换后发送给串行数据处理模块。该模块采用处理能力达2 0 0 m i p s 的高性能 a r m 9 处理器配置一定容量的r o m 和r a m 及一个以太网控制器。该模 块从串行数据处理模块缓冲区中读取数据，并以具体e l 接口号( o 1 5 ) 作为端口标志( h d l c 帧中的地址场数据决定数据来源，而e l 端口标志 用于决定通过中心站复用设备向电力数据采集设备发送配置、数据获取信 息时通过哪个e l 接口发送数据) ，将数据组成以太网数据包从网络口发送 出去，同时再从以太网接口接收到的数据根据其端口标志传送给串行数据 处理模块的相应h d l c 链路。 本硬件平台的c p u 采用三星的基于a r m 9 2 0 t 内核的$ 3 c 2 4 1 0 a 芯 片r o m 选用a t m e l 公司生产的h y 3 9 v f l 6 0 ，r a m 选用h y u n d a i 的 h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 芯片，以太网控制芯片选用了c i r r u sl o g i c 公司的 c s 8 9 0 0 a 。下面将详细介绍c p u 控制模块的设计。 2 3 1s 3 c 2 3 1 0 a 电路设计 2 3 1 1a r m 微处理器选型 鉴于a r m 微处理器的众多优点，随着国内外嵌入式应用领域的逐步 发展，a r m 微处理器必然会获得广泛的重视和应用但是，由于a r m 微 处理器有多达十几种的内核结构，几十个芯片生产厂家，以及千变万化的 重庆邮电大学硕士论文第二章基于a r m 9 的中心站复用设备系统搭建 内部功能配置组合，给开发人员在选择方案时带来一定的困难，所以，对 a r m 芯片做一些对比研究是十分必要的。 以下从应用的角度出发，对在选择a r m 微处理器时所应考虑的主要 问题做一些简要的探讨。 a r m 微处理器内核的选择 a r m 微处理器包含一系列的内核结构，以适应不同的应用领域，用 户如果希望使用w i n c e 或标准l i n u x 等操作系统以减少软件开发时间，就 需要选择a r m 7 2 0 t 以上带有m m u ( m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t ) 功能的 a r m 芯片，a r m 7 2 0 t 、a r m 9 2 0 t 、a r m 9 2 2 t 、a r m 9 4 6 t 、s t r o n g a r m 都带有m m u 功能。而a r m 7 t d m i 则没有m m u ，不支持w i n d o w sc e 和 标准l i n u x ，但目前有u c l i n u x 等不需要m m u 支持的操作系统可运行于 a r m 7 t d m i 硬件平台之上。事实上，u c l i n u x 已经成功移植到多种不带 m m u 的微处理器平台上，并在稳定性和其他方面都有上佳表现。 本系统使用了v x w o r k s 操作系统，该商用操作系统提供了良好的硬件 无关性，既可以在没有m m u 单元的a r m 上运行，也可以在带有m m u 单元的高端a r m 上使用，所以说在本系统平台上既可以选择廉价的 a r m 7 t d m i ，也可以选择a r m 9 2 0 t ，或者是更高端的a r m ，究竟选择哪一 款芯片还需要考虑其它的技术指标和系统功能需求、性价比等因素。 系统的工作频率 a r m 7 系列微处理器的典型处理速度为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 13 3 m h z ，a r m 9 系列微处理器的典型处理速度 为1 1 m i p s m h z ，常见的a r m 9 的系统主时钟频率为1 0 0 m h z 2 3 3 m h z ， a r m l 0 最高可以达到7 0 0 m h z 。不同芯片对时钟的处理不同，有的芯片只 需要一个主时钟频率，有的芯片内部时钟控制器可以分别为a r m 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。本系统除了完 成基本的控制技能以外，还需要处理1 6 个e l 口的复用串行数据，串行数 据于i p 包的转换交互功能，在理论极限情况下，运算量还是比较大的，对 于芯片处理速度还是有较高的要求，这也是本系统选用a r m 9 2 0 t 芯片的 主要原因。 芯片内存储器的容量 大多数的a r m 微处理器片内存储器的容量都不太大，需要用户在设 计系统时外扩存储器，但也有部分芯片具有相对较大的片内存储空间，如 a t m e l 的a t 9 l f 4 0 1 6 2 就具有高达2 m b 的片内程序存储空间，用户在设 计时可考虑选用这种类型，以简化系统的设计。在本系统设计中，设备 重医! e 皇盔堂堡主塑 一 璺三童基于叁垦丛9 的中心站复用设备系统搭建 用于实现数掘处理和数据交互功能，需要较大的数据存储空间，需要在片 外扩充存储器，因此我们选择了$ 3 c 2 4 1 0 a 这款不带片内存储空间的芯片， 在这里较大的片内存储空间实际上是对于设备成本的一种无形浪费。 片内外围电路的选择 几乎所有的基于a r m 核的微处理器芯片均根据各自不同的应用领 域，扩展了相关功能模块，并集成在芯片之中，我们称之为片内外围电路， 如u s b 接口、i i s 接口、l c d 控制器、键盘接口、r t c 、a d c 和d a c 、 d s p 协处理器等，设计者应分析系统的需求，尽可能采用片内外围电路完 成所需的功能，这样既可简化系统的设计，同时提高系统的可靠性。本系 统实际上并不需要这么多的相关功能模块，但是考虑到控制模块设计完成 后，希望在今后有新的嵌入式系统设计项目时，该设计方案可以继续使用， 缩短开发时间，使得该次系统开发的效益最大化，因此我们依然选择了具 有较多接口模块的s 3 c 2 4 1 0 a 芯片。 三星公司推出的1 6 3 2 位r i s c 处理器$ 3 c 2 4 1 0 a ，为手持设备和一般 类型应用提供了低价格、低功耗、高性能小型微处理机的解决方案f 】。为 了降低整个系统的成本该芯片提供了以下丰富的内部设备： 分开的1 6 k b 指令c a c h e 和1 6 k b 数据c a c h e m m u 虚拟存储管理 l c d 控制器( 支持s t n & t f t ) 支持n a n df l a s h 系统引导 系统管理器( 片选逻辑和s d r a m 控制器) 3 通道u a r t 4 道p w m 定时器 1 1 7 个通用i 0 端口和2 4 通道外部中断源 具有日历功能的i 汀c 8 通道1 0 位a d c 和触摸屏接口 u s b 主机，u s b 设备 s d 主卡& m m c 卡接口 内部p l l 时钟倍频器。 通过提供一系列完整的系统外围设备，$ 3 c 2 4 1 0 大大减少了整个系统 的成本，消除了为系