[硕士论文精品]基于arm的智能控制器的设计

摘要在国内新的电力市场形势的变化下，配电网自动化尤其是配电网自动化中的无功补偿和配电数据监测在电力企业中的重要性越来越显著。另一方面，我国电力供需矛盾趋于缓和，电力负荷控制系统的控制功能变得很少使用，造成了资金、资源的很大浪费。为了使这些资源更有效地服务于配电网自动化建设，在充分整合电力负荷控制系统原有硬件资源的基础上，开发了基于ARM的智能控制器来实现对电网的无功补偿和配电监测，对原有的数据资源进行了进一步的开发利用。本论文主要完成了以下几个方面的工作L、研究电网数据采集方法、高速数字信号处理算法、智能无功补偿算法2、研究基于GPRS的分布式网络结构及国家电网公司通信协议电力负荷管理系统数据传输规约2004的实现3、研究基于高性能嵌入式系统的终端软、硬件平台的实现关键词智能控制器；嵌入式系统；UCOSIIUNDERTHENEWCIRCUMSTANCEOFELECTRICPOWERMARKET,DISTRIBUTIONSYSTEMANDITSAUTOMATION，ESPECIALLYTHEPOWERCOMPENSATIONANDTHEGRIDDATARECORDINTHESYSTEM,BECOMEMOREANDMORESIGNIFICANTNOWADAYS，THECONFLICTBETWEENPOWERSUPPLYANDDEMANDTENDSTOHERELEASEDTHELOADCONTROLSYSTEMSINSTALLEDINTHEDISTRIBUTIONSYSTEMSWITHALARGEAMOUNTOFINVESTMENT，ONCEPLAYEDANIMPORTANTROLEINPEAKLOADCLIPPINGINTHEPASTDECADE，NOWARCALMOSTLERUNUSED，CAUSINGASIGNIFICANTWASTEOFMONEYANDRESOURE圮SINORDERTOMAKEEFFECTIVEUSEOFTHESEIDLERESOURCES，UNDERTHEREINTEGRATEDTHEEXISTINGHARDWAREINLOADCONTROLSYSTEMS，ANEWPOWERSUPPLYOPERATIONANDMANAGEMENTSYSTEMWASDEVELOPEDBASEDONTHEEXPLOITATIONOFTHEORIGINALDATACOLLECTEDFROMTHELOADCONTROLSYSTEMTHEMAJORACHIEVEMENTSOFTHEPAPERCANBEDIVIDEDINTOTHREEPARTSANDSUMMARIZEDASFOLLOWS1、RESEARCHGRIDDATACOLLECTING，FASTSIGNALPROCESSINGARITHMETICANDINTELLIGENTPOWERCOMPENSATIONARITHMETIC2、RESEARCHTHENETARCHITECTUREBASEDONTHEGPRSANDTHEREALIZATIONOFTHENATIONALGRIDSCOMMUNICATIONPROTOCOL3、RESEARCHTHEHARDWAREANDSOFTWAREPLATFORMBASEDONTHEHIGHCAPABILITYEMBEDDEDSYSTEMKEYWORDSINTELLIGENTCONTROLUCOSII；EMBEDDEDSYSTEM湖北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所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。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后果由本人承担。论文作者签名仓霆，7日期加1年月1日学位论文使用授权说明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，即按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以允许采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存学位论文；在不以赢利为目的的前提下，学校可以公开学位论文的部分或全部内容。保密论文在解密后遵守此规定作者签名舍旁指导刻醴轹咚漆才日期矿9L1日期加7S。第一章绪论第一章绪论11配电监测及无功补偿控制器现状电力网络元件及负荷的阻抗主要是电感性的，如变压器、输电线、异步电动机等设备。这些负荷自然功率因数约为06O8，如果不对其进行无功补偿直接接入电网，用电负荷所需要的无功功率全靠发配电设备经长距离传送供给，势必加入电网负载、电压降和线路损耗，因此一般常用电容器作无功补偿。电力系统补偿与无功功率平衡是保证电压质量的基本条件，有效地控制和合理地进行无功补偿，不仅能保证电压质量，而且提高了电力系统运行的稳定性与安全性，降低电能损耗，充分发挥经济效益。此外对电网配电数据进行监测，利于对整个电网进行控制和对供电网络进行分析改进。目前传统的低压无功补偿设备的状况为1采集单一信号，采用三相电容器，三相共补这种补偿方式适用于负荷主要是三相负载电动机的场合，如果当前的负载主要为居民用户，三相负荷很可能不平衡。那么各相无功需量也不同，采用这种补偿方式会在不同程度上出现过补或欠补。2投切开关多采用交流接触器，其缺点是响应速度较慢，在投切过程中会对电网产生冲击涌流，使用寿命短。3无功控制策略控制物理量多为电压、功率因数、无功电流。投切方式为循环投切、编码投切。这种策略没有考虑电压的平衡关系与区域的无功优化。4通常不具备配电监测功能，无法对配电数据进行处理分析。5终端软件升级需对电网断电并将终端从变压器等控制节点取下进行升级，或者直接更换软硬件系统升级。12本课题的意义使用配电监测及无功补偿控制器可以带来良好的经济和社会效益【L捌1可提高供电质量湖北人学硕十学位论文信息时代的到来，要求不问断供电的计算机设备越来越多，给供电提出了更高的要求。停电或限电会导致减产，而忽然的停电则会危害工厂的重要设备。落后的人工配电方式，在城乡都是不适用的。只有实现配电站的自动化即后台控制系统可对配电终端进行实时查询和数据分析、配电终端可对故障自动记录并上报，才可能最大限度地提高供电质量，满足人们日常生活工作与生产的需要。实现配电站自动化可提高供电的可靠性。实现配电站自动化，可减少故障次数，缩小事故范围，缩短事故时间，为恢复供电、快速分析、诊断、报告事故原因提供有效的依据。2降低网损率的经济效益可以用最优的方案，现场控制无功电容器组的投切，就地保持系统的无功平衡，提高配电变压器总负荷的功率因数，降低技术线损。对电网进行无功补偿，在配电站上安装无功补偿电容器，无功以就地补偿为主，使用电设备消耗的无功得到补偿，提高电网功率因数，从而降低电网线损率。根据国内配电自动化系统运行的成功经验，通过电压和无功优化控制，可以降低网损率3左右。3设备管理的经济效益配电自动化系统的效益还在很大程度上体现在配电设备管理上。比如设备检修，如果没有相应的配电自动化监控管理系统，所有设备按一定期限定期检修，其工作量巨大，耗费大量人力物力，配电管理系统的使用可以使设备检修的针对性更强。变故障修为状态修，变人工巡检为自动故障保修，减轻维护人员的劳动强度；减少操作人员；增强电力系统的免维护性。通过对负荷的监控，合理分配负荷，还可以最大限度地保护供电设备投资。有利于提高设备的安全和健康水平，延长使用寿命。4环保及社会效益高剂量的电磁辐射还会影响及破坏人体原有的生物电流和生物磁场，使人体内原有的电磁场发生异常。值得注意的是，不同的人或同一个人在不同年龄阶段对电磁辐射的承受能力是不一样的，老人、儿童、孕妇属于对电磁辐射的敏感人群。人体长期处于强电场的辐射下，能导致引发多种疾病。瑞典斯德哥尔摩的卡洛林斯卡大学的科学家们对43万多名长期居住在高压线附近的居民进行调查研究后，明确指出电磁波与癌症，尤其2第一章绪论是脑瘤和儿童白血病有直接的联系。美国加州大学流行病学教授萨维兹通过为期两年对年轻白血病患者追踪研究而得出结论长期暴露在低频辐射中会增加儿童患癌症的机率；美国杜兰大学谢协清教授经过实验所发表的专题报告称极低频脉动电磁场是造成血癌、孕妇流产、死胎、畸形儿的主要原因之一；另外尚有许多学者、专家强调低频电磁、低频辐射，乃是人类癌症、生殖病变、遗传障碍形成的主要原因之一。采用配网自动化系统，将减少值班员、运行工，检修工，可将一线从业人员拉出到发生职业病的可能范围以外，减少输配电系统职工的发病率，减轻企业的医疗负担，提高生活质量。13本论文主要工作及创新点概括的说本论文主要有以下几个方面的工作【34】L、研究电网数据采集方法、高速数字信号处理算法、智能无功补偿算法72、研究基于GPRS的分布式网络结构及国家电网公司通信协议电力负荷管理系统数据传输规约2004的实现。3、研究基于高性能嵌入式系统的终端软、硬件平台的实现。本论文基于对一套配电监测及无功补偿控制器的设计实现。首先设计了基于ARM7的嵌入式硬件平台；然后编写了基于实时操作系统UCOSII的终端软件；最后对系统进行了联合调试，从已完成的成果看，该设计实现了预定目标。该设计的创新性在于采用了高效实用的数字信号处理算法、新型的智能分相补偿技术、稳定高性能的嵌入式硬件。终端软件基于实时操作系统编制，响应时间快和稳定性高，并结合当前快速发展的无线网络技术，通过GPRS网络实现远程集中控制和数据采集分析。3湖北人学硕十学位论文21通信方式选择211方案选择第二章系统总体设计配电监控及无功补偿控制器作为整个系统的节点必须通过网络连接到远程系统主站来实现统一控制。具体实现可采用以下三种通信方案【56】L、使用专用有线局域网络。通过铺设各控制节点到主站的有线网络实现，优点是传输速度快、可靠性高。缺点就是初始投资巨大，加上很多监控节点处于野外，铺设线路难度很大。目前无产品采用此种通信方式。2、使用抄表机定期将数据导入到远程主机，由远程主机对数据进行分析处理。具体实现可由工作人员定期持抄表机采集各控制节点数据，若节点过高在塔上等可通过串口透传模块实现短距离无线数据传送。该方案优点是初始投资小，运作成本低。缺点就是可靠性较差、无实时性、无法主动上报、对监控数据反应慢、无法实现实时控制。目前有部分产品采用此种方案。3、使用GPRS网络实现数据传送。借用通信运营商的GPRS网络实现数据的实时传送，优点是实时性、可靠性高，初始投入成本低；缺点是每个节点每月都需向通信运营商支付一定数额的通信费用。综合比较上述三种方案，考虑到系统的性能及成本要求，方案三是最优方案。本设计选择GPRS通信方式实现终端与主站之阃的通信。212GPRS技术及其在配电系统中的应用GPRSGENERALPACKETRADIOSERVICE是通用分组无线业务的简称，采用的是基于GSM系统的无线高速数据分组传输技术，目前理论传输速率为115KBPS。GPRS业务于2002年7月开始在国内移动通信业推出，第一期工程在全国东部16个省的25个城市开通并进入试商用。试商用的GPRS系统能够提供传输速率为3050KIPS的分组业务。GPRS的出现，很大程度是为多媒体、互联网通信服务，将从根本上改变原有的GSM的基于话音服务。4第二章系统总体设计GPRS基本原理是，当用户上传或下载互联网数据时，系统不是利用当时承载服务所采用的电路连接，而是利用分组将数据在网络中传送，达到多用户问对网络资源的共享，同时网络运营机构还可以最大限度地使用现有GSM设备避免了GSM设备投资的浪费。另外，数据传送使用GPRS，而语音传送使用GSM，使下载资料和通话可以同时进行。为此，它不但可以为GPRS用户提供GSM移动电话通信的所有功能，更为突出的是为GPRS用户提供了一种更快捷，更方便，更便宜，更持久的移动上网方式。GPRS目前被认为是移动通信从第二代向第三代过渡的重要一环。GPRS网络在数据链路上相当于无线IP网络。在网络上两台主机要实现直接通信不通过中转的必要条件是至少有一台主机口地址具有固定性和唯一性。由于GPRS通讯模块启动接入网络时所获得的是一个随机的口地址，即每次启动获得的M地址不同，因此服务器必须有固定IP地址若无法实现该要求，可通过申请域名的方式将服务器与固定域名绑定。22控制器平台系统设计控制器平台该项目拟实现以下功能L、配变运行数据采集功能可采集三相电压电流含零序、三相有无功功率、三相总有无功功率、有功电量、无功电量、功率因数、视在功率、开关状态等参数。2、谐波监测功能可计算出L16次之内的A、B、C三相及总电压电流谐波幅值，对电能质量进行动态监测与纪录。3、无功补偿功能具有无功补偿控制器功能，就地控制最多9组电容器投切；支持全部平衡补偿、分相补偿、平衡分相补偿；自动智能投切，也可以远方控制投切和现场手动投切。4、数据储存与统计功能记录整点时各相电压、电流含零序、有功功率、无功功率、功率因数、电容器组投切状态等参数。记录每天各相电压、电流含零序、有功功率、无功功率、功率因数等参数的最大值、最小值。数据可储存半年。5湖北人学硕十学位论文统计全月各相电压、电流含零序、有功功率、无功功率、功率因数等参数的最大值、最小值。统计计算电压合格率、供电合格率三相不平衡率、谐波等技术指标。三相过压，欠压累计时间、三相电流越上限的累积时间、三相电流最大最小值及其出现时间、电流过流起止时间及本次越限极值、三相电压最大最小值及其出现时间、电压越上下限起止时间及当次越限极值、相标记。电容器组投切记录记录最近100条，上电记录记录最近100条等。5、越限报警功能可设置定值越限报警，事故报警，记录，清除和复位。6、系统参数的设定、更改系统参数可以在主站远程修改或在现场修改。修改参数须先输入密码。参数在主站有备份，更换设备后可恢复参数。7、通讯功能终端与主站采用GPRS通讯，数据以主动上报、实时数据、历史数据查询等方式上传到主站。为实现上述功能设计下述高性能的软硬件平台硬件平台，采用ARM7为主控制器；14位8路高速AD和互感器进行采样；64M的NANDFLASH做配电监测数据存储；预留GPRS模块接口、若干继电器控制电容投切。软件平台，基于实时操作系统UCOSII平台编制。主要包括F丌处理程序；配电监测数据库管理程序；国家电网通信标准实现程序；无功补偿控制程序；相关底层驱动程序17,S,91。23硬件系统组成硬件平台，采用PHLIPSARM7LPC2292为主控制器；外扩256KBSRAM做数据存储；14位8路高速AD和互感器进行采样；64M的NANDFLASH做配电监测数据存储；预留GPRS模块接口、若干继电器控制电容投切FJO,H,12。系统功能框图如下6第二章系统总体设计区。图21系统功能框图系统框图如上所示，CPU和各模块的具体连接实现方式为L、14位AD通过ARM的数据、地址总线接入；位于ARM的BANK3区。2、64MNANDFLASH通过ARM的数据、地址总线接入；位于ARM的BANKI3、256KBSRAM通过ARM的数据、地址总线接入；位于ARM的BANK0区。4、GPRS通信接13通过ARM的串口接入；通过MAX3232提供标准RS232接口。5、输入、输出接口通过ARM的数据、地址总线接入；位于ARM的BANK2区。6、液晶显示模块通过通过ARM的数据、地址总线接入；位于ARM的BANK3区。键盘通过ARM12C口接入。7湖北人学硕士学位论文24软件系统组成软件基于UCOSII操作系统。采用驱动层、数据传输层、应用层的层次结构。软件系统框图如下所示14,261图22软件系统框图25配电监控系统总体结构及智能控制器系统级特性整个配电系统由智能控制器和后台服务器组成。智能控制器负责对相应配电线路实施监测及控制并采集、储存电网数据；后台服务器负责处理智能控制器采集数据，并可S第二二章系统总体设计实时修改智能控制器设置及远程操作电容器的投切。智能控制器和后台服务器通过GPRS网络进行通信，通信协议严格遵守国家电网公司标准通信协议。本文只涉及智能控制器的设计，下面阐述智能控制器系统级特性L、支持SETAND脚特性；智能控制器设置后无需后台远程服务器控制也可单独运行，其启动及运行均不依赖通信线路状态及远程服务器命令2、支持国家电网公司标准通信协议；智能控制器可广泛支持符合该协议的远程后台控制系统，符合标准即可实施接入及控制3、智能控制器之白J无互连关系，但处于同一配电系统内的智能控制器需保证地址的唯一性；控制器与远程后台服务器之间符合星形总线控制结构图23系统总体结构图9湖北人学硕十学位论文31主控制器模块第三章智能控制器硬件实现主控制器模块采用PHLIPSARM7LPC2292；LPC2292是一款基于1632位ARM7TDMIS，并支持实时仿真和跟踪的CPU，并带有256K字节KB嵌入的高速FLASH存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用16位THUMB模式将代码规模降低超过30，而性能的损失却很小【13,14,15L。LPC2292采用144脚封装、极低的功耗、多个32位定时器、8路10位ADC、24路高级CAN通道、PWM输出以及多达9个的外部中断。这款微控制器特别适合自动化、工业控制、医疗系统、访问控制和故障容限维护总线等应用领域。其内部可用GPIOS范围为76脚外部存储区到112脚单片。由于内置了宽范围的串行通信接口，它们也非常适合于通信网关、协议转换器、嵌入式软件调制解调器以及其它各种类型的应用。主要性能特点如下32位机，内置片内乘法器；16KB片内SRAM256KB片内FLASH程序存储器，128位宽度接EL加速器可实现高达60MIIZT作频率；可加密全球首个实现可加密的ARM微控制器；通过片内BOOT装载程序实现在系统编程ISP和在应用编程IAP。512字节行编程时间为LMS。单扇区或整片擦除时间为400MS；EMBEDDEDICERT可实现断点和观察点。当使用片内REALMONITOR软件对前台任务进行调试时，中断服务程序可继续运行；214路互连的CAN接口。带有先进的验收滤波器，另有2路UART16C550。高速LLC400KBITS及2路SPI总线；8路10位AD转换器，转换时间低至2441盥；10第三章智能控制器硬TI实现2个32位定时器带4路捕获和4路比较通道、PWM单元6路输出、实时时钟和看门狗向量中断控制器。可配置优先级和向量地址；多达112个通用IOLA可承受5V电压1，9个边沿或电平触发的外部中断引脚；CPU工作晶振最大为60MHZ，并内嵌片内可编程锁相环PU，；片外晶振频率范围130MIIZ；两种低功耗模式，空闲掉电；通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒；外设功能可单独使胄皂禁止，实现功耗最优化；双电源CPU操作电压范围165195VI8V士015、1；IO操作电压范围3肛36V30V士LO，可承受5V电压。湖北人学硕学位论文图31LPC2292系统框图采用此款芯片基于以下考虑1、CPU性能先进。芯片采用32位ARM7TDMIS核；支持高达60MIPS的指令吞吐量并带有片内乘法器，能够满足高速数字信号处理及复杂控制的需求。2、寻址能力强。片外提供4BANK寻址；每BANK寻址范围16MB；能够满足系统多样化的外扩需求。第三章智能控制器硬什实现3、支持IAP。片内固化BOOTBLOCK提供IAP功能函数，可方便实现IAP功能需求。4、接口丰富。提供12C、串口、CAN等接口，可方便实现和多种外设互连需求。CPU及其最小系统如下图32CPU最小系统框图CPU板将电源板送入的12V电源使用线性电源转换模块7805转换产生5V电压提供给两个低压差U帕芯片生成CPU所需的33V和18V电压。CPU采用110592M的外部晶振，经片内的PLL倍频后产生55M的系统时钟提供给ARM7核使用。256KB的数据存储器提供系统运行时所需的内存区；程序则存放于片内256KB的程序存储器中。完成上述连接后，CPU最小系统便可稳定运行起来。湖北人学硕十学位论文32数据采集模块数据采集模块的主要工作为采集电网电压电流数据。采集分两步，首先由电流、电压互感器将电网上的强电流、电压信号转换为低电压信号；然后使用高速AD对此低电压信号进行采样，并将采集数据送入CPU进行处理【16,17,18。321电压、电流互感器电压互感器是一种电压变换装置。它将高电压变换为低电压，以便用低压量值反映高压量值的变化。因此，通过电压互感器可以直接用普通电气仪表进行电压测量。由于采用了电压互感器，各种测量仪表和保护装置不直接与高电压相连接从而保证了仪表测量和继电保护工作的安全，也解决了高压测量的绝缘、制造工艺等困难。此外，由于电压互感器的二次侧均为10伏使得测量仪表和继电器电压线圈制造上得以标准化。电流互感器是一种电流变换装置。它将高压和低压大电流变成电压较低的小电流供给仪表和继电保护装置并将仪表和保护装置与高压电路隔开。电流互感器的二次侧电流均为5安，这使得测量仪表和继电保护装置使用安全、方便，也使其在制造上可以标准化。本系统使用某型立式穿芯小型精密交流电压电流通用互感器，主要使用方法如下1、作电压互感器使用时作为电压互感器作用时是一种电流型电压互感器，典型应用如图三。C6固I吁虢固胁，1112ILRM坍NZCL300DURF1LF图33电压互感器典型应用2、作电流互感器使用时作电流互感嚣应用时，用户只要在中心孔穿L匝母线作为输入线圈，其次级有两种应用方法，如下图所示14第三章智能控制器硬件实现12耕VZI加LR傅200C；12RRR【“N图34电流互感器典型应用本项目中电压互感器使用如图三右图所示接法；电流互感器使用图四右图所示接法。使用双电源运放把互感器输出的电流信号转换为电压信号，并送入高速AD进行转换。共使用4路电压互感器和4路电流互感器，分别采集A、B、C三相电压、电流和零线电压、电流。322高速、高精度AD转换器为实现上述八路互感器采样要求，需要AD支持以下特性4、有不少于八路采样通道5、采样电压、电流时最好各相能满足同时采样。需要支持八路同时采集电压、电流或至少四路电压、电流分时采集同时采样。6、为满足系统各项指标的精度要求，AD的采样精度要尽可能高14位以上。7、为满足系统LOOMS以内的响应速度，需要AD有足够高的采样速度20KSPS4路。并带采样保持电路确保高速信号的稳定采样。为实现上述要求，选用14位8路高速AD转换芯片MAXL25，MAXL25是美国MAXIM公司生产的一种八通道高速14位模数转换器件，它采用了逐次逼近转换技术，其内部集成了一个八通道的多路开关，一个具有14位分辨率的D转换器，四个同步采样保持器，一个可编程序列发生器，两组14路的模数转换结果可以补码的形式存放于四个14位RAM中。MAXL25的八路输入通道均有士17V的输入故障保护电路。此器件需要5V的双极性供电，其采样电压的范围是5V5V，广泛应用于电机控制，系统监控及数字信号处理等领域之中，非常适合基于单片机的数据采集系统应用。潮JB人学硕十学位论文MAXL25的主要特点如下八个模拟量输入通道即八种转换工作模式和一种节电模式。模数转换器的转换时白J为3ITS；模拟量输入电压范围为5V5V。参考电压可选用器件内部提供的25V，也可选用外部参考电压。内部集成一个可编程序列发生器。时钟频率为0IMHZ16MHZ。具有高速并行的单片机或微处理机接口。323数据采集部分系统框图图35数据采集部分系统框图第二章智能控制器硬件实现33数据存储模块智能控制器的一个重要功能就是配电监测，要求对电网各种数据进行采集保存，为后台分析提供依据。另外液晶显示模块需要大容量存储器实现标准汉字库HZKL6的存储。为实现此需求，需要有大容量、可反复擦写的存储芯片8,19,20。本系统采用三星公司的NANDFLASH芯片K9F2808UOB，支持十万次擦写，容量16M。K9F2808是SAMSUNG公司生产的128MB16MX8位NANDFLASH存储器。该存储器的工作电压为2736V，内部存储结构为528字节X32页1024块，页大小为528字节，块大小为16KB512字节；可实现程序自动擦写、页程序、块擦除、智能的读写和擦除操作，一次可以读写或者擦除4页或者块的内容，内部有命令寄存器。该器件按功能可以划分为存储阵列、输入输出缓冲、命令寄存器、地址译码寄存器和控制逻辑产生。其中，命令寄存器用来确定外部设备对存储器进行操作的类型；地址译码寄存器用于保存被访问的地址并产生相应的译码选通信号。主设备通过8位IO端口分时复用访问器件命令、地址和数据寄存器，完成对芯片内存储器的访问。K9F2808读写和擦除操作的实现对于KGF2808的操作主要有页读取和页编程操作。图3是NANDFIASH的标准页读取时序图。具体的页读取操作如下发命令阶段，在片选信号CE有效的情况下，首先命令允许信号CLE有效，此时写入信号WE有效，芯片准备好信号RB置高，表示准备好；同时向IO口发送读操作命令OXOO或OX01，表示是读操作。发地址阶段，此时片选有效，地址允许信号ALE有效，写入信号WE保持有效，连续发送4个地址字；K9F1208的地址寄存器接收到地址值后，RB信号将维持“忙”一段时间，此后RB变为准备好状态。最后是数据输出阶段，每次读有效信号置低有效时，将会输出一组数据。如此往复直到所有数据输出完毕。工E。，1、。一穗_3程、八八八八厂一ALE3厂飞髓弋厂、。厂、厂嚣匦炫焚致匹卜仁XC埔、厂厂图36NANDFLASH页读标准时序17潮北人学硕士学位论文图38是NANDFLASH的标准页编程时序图。具体的页编程操作如下发命令阶段，向IO口发送页编程操作第一个命令字OXSO，表示是页编程操作。发地址阶段，连续发送4个地址字，K9F2808的地址寄存器接收到地址值后，等待接收数据；当数据总线发送数据后，K9F2808连续接收数据，直到接收到页编程的第二个命令字0X10，即结束等待接收数据的状态RB信号将维持“忙”一段时间，此后RB变为准备好状态。最后总线上发出读状态命令字OXTO，则K9F2808的命令寄存器接收并响应该命令，向IO口发送表示操作成功的状态数据0X00或表示操作失败的状态数据OXOD。CLE八厂II。1K。，。一砚、厂U1厂乙、厂旷ALE_一一一。贬_、厂翟甄蓖粥溪园匡H】0D堪H宙岳啪、厂图37NANDFLASH页写标准时序NANDFLASH芯片K9F2808UOB共16M，分为1024块。实际存储配电监测数据时根据NANDFLASH的结构特点，将每天的数据存在NANDFLASH的一块中，一天占用一块，半年数据存储共需183块。另外HZKL6标准汉字点阵库的存储需要200块左右，剩下600多块可用作临时数据的存储。13第三章智能控制器硬件实现34通信模块点阵字库数据区临时数据区配电监测数据区临时数据区一。，。，。，。；。，。；。，。J图38NANDFLASH存储数据区分配为实现该智能控制器与远端控制中心的通信，需使用GPRS通信方式。系统提供了标准的RS232接口来实现GPRS通信模块的接入。通信模块采用的市场上已成熟的GPRSDTU系列透传模块，不独立开发。所有GPRS功能如协议解析、数据收发均由DTU完成，系统按操作串口的方法实现数据的透传1771捌。系统采用深圳宏电的H7710GPRSDTU，其有如下特点1透明数据传输。直接提供RS232422485接口，为用户的数据设备提供透明传输通道湖北人学硕十学位论文2无需后台计算机支持。普通GPRSCDMAMODEM通常需要附着在PC机上虚拟拨号上网，利用PC机的资源进行数据收发和协议转换，H7710GPRSCDMADTU内置自动网络连接和协议处理模块，无需后台计算机支持。3点对点、点对多点、对等、实时数据传输。可以实现点点、点多点、中心多点的对等数据传输，传输时延一般小于1秒。4永远在线。一开机就能自动附着到GPRS或CDMALX网络上，并与您的数据中心建立通信链路，随时收发用户数据设备的数据。5按流量计费。一直在线，按照接收和发送数据包的数量来收取费用，没有数据流量的传递时，不收费用。6高速传输。通常，GPRS理论带宽可达1712KBPS，实际应用带宽大约在40100KBPS，在此信道上提供TCPIP连接；CDMALX理论带宽可达300KBS，目前的实际应用带宽大约在100KBS左右双向对称传输。GPRSCDMALX移动数据网络的信道可提供TCPIP连接，可以用于INTERNET连接、数据传输等应用。刀组网简单、迅速、灵活。H7000移动数据通信系统可以不依赖于运营商交换中心的数据接口设备，通过MTEMCT网络随时随地的构建覆盖全中国的虚拟移动数据通信专用网络。35输入输出控制模块该模块主要用于实现对电容器投切的控制，电容器的投切由继电器控制，共有十路继电器分别控制一路共补电容器和九路分补电容器。对这些继电器的控制使用数据总线对固定地址读写的方式实现而非使用独立IO对每个继电器进行控制，这样能有效的节省IO资源。考虑到数据总线的分时复用及外部投切控制电路的干扰，需要对数据总线输出的信号进行锁存并对内外控制电路实现光电隔离F231。第二章智能控制器硬件实现36显示、键盘模块显示模块使用192X64点阵液晶显示器控制器使用T6963，键盘模块使用ZLG7290进行按键扫描和键值检测。液晶显示器位于ARM系统的外部总线上，ARM以读写片外寄存器的方式对液晶进行操作；键盘控制器则位于ARM的12C总线上，ARM以操作12C器件的方式来读取键值731。T6963C控制器是显示模块的核心，该控制器最大的特点是具有独特的硬件初始值设簧功能。显示驱动所需的占空比系数、驱动传输的字节数行及字符的字体选择等均由引脚电平设置。这样T6963C的初始化在上电时就已经基本设置完成，在软件设计时可以将主要精力用于显示界面的设计上。以下就从控制部和接口部重点介绍T6963C的电路特性。控制部是T6963C控制器的核心，它由振荡器、时序控制电路、工作方式设置寄存器及电路、内部字符库CGROM及光标控制电路、显示存储器管理电路、运算电路和各种功能电路组成。控制部通过振荡器外接晶体振荡器产生振荡脉冲，经时序控制电路产生T6963C的工作时钟脉冲序列。内部工作状态可由控制部引脚电平设冕。接口部由指令锁存器、数据锁存器、数据缓冲器、状态寄存器以及数据控制电路、数据栈区等组成，用于接收计算机信息及向计算机发送信息和显示数据，完成计算机与T6963C内部寄存器及显示存储器的存取操作，及计算机操作时序与T6963C内部工作时序的转换。计算机每次对T6963C操作时，接口部的锁存器保留了计算机发来的指令代码或显示数据，并立即封锁了接口部的对外电路，将后续的处理过程转换到T6963C控制部的工作时序上，直到处理完成后释放接口部的对外电路，等待计算机的下一次访问。因此计算机在每次访问T6963C之前都要读出接口部状态寄存器的内容，并加以判断，以确定当前对T6963C的访问是否允许。MCU单片机对显示存储器的访问实质上都是通过T6963C控制器进行的，通常分两步进行1送地址指针，读写显示数据CDO；2送地址指针，送操作指令CDD。由于LCM是一种慢速器件，一次读写操作的时间达毫秒级，跟不上MCU的访问速度，因此，在写命令或读写数据之前应先检查本次操作能否进行，即先判断T6963C片内一个8位的状态寄存器相应位是否准备好，只有LCM准备好了，才可以进行新的写操作。T6963C的状态字由8个标志位组成，其含义如下SO指令读写状态；SL数据读写状态；S2数据自动读状态；S3数据自动写状态；S4未用；S5控制器运行检测可能性；S6屏读屏拷贝出错状态S；7闪烁状态检测。在计算机写指令或一次读21潮北大学硕学位论文，写数据时，SO和SL要同时有效，即”准备好”状态；当计算机使用自动读写功能时，S2或S3将取代和S1作为”忙“标志位，此时计算机就要判别它是否有效；S6标志是考察T6963C屏读或屏拷贝指令执行情况的标志位。S5和S7表示控制器内部运行状态，在具体应用中不会用到它们。MCU对LCM的控制是通过写入不同的指令实现的。T6963C的指令分为无参数指令、单参数指令、双参数指令。ZLG7290是广州周立功单片机发展有限公司的数码管显示驱动及键盘扫描管理芯片。能够直接驱动8位共阴式数码管或“只独立的LED，同时还可以扫描管理多达“只按键。其中有8只按键还可以作为功能键使用，就像电脑键盘上的CTRL、SHILL、ALT键样。另外ZLG7290B内部还设置有连击计数器，能够使某键按下后不松手而连续有效。采用12C总线方式，与微控制器的接口仅需两根信号线。该芯片为工业级芯片，抗干扰能力强，在工业测控中已有大量应用。特性如下直接驱动8位共阴式数码管1英寸以下或64只独立的LED；能够管理多达“只按键，自动消除抖动，其中有8只可以作为功能键使用；段电流可达20MA，位电流可达100MA以上；利用功率电路可以方便地驱动1英寸以上的大型数码管；具有CIJ烁、段点亮、段熄灭、功能键、连击键计数等强大功能；提供有LO种数字和21种字母的译码显示功能，或者直接向显示缓存写入显示数据不接数码管而仅使用键盘管理功能时，工作电流可降至LMA与微控制器之间采用12C串行总线接口，只需两根信号线，节省IO资源；工作电压范围3355V工作温度范围4085；封装D口24窄体，SOP24。37电源模块如上所述系统模块众多，各模块电源需求也各有差别，具体有如下需求L、CPU模块需要33VIO电压，18V内核电压2、AD采样模块需要5V、5V电压3、继电器模块需要12V电压第三章智能控制器硬什实现4、其他模块电压需求都在上述范围内系统设计时采用从220V电源直接取电然后进行各电压的转换，最终获取上述所需电压241。具体转换如下图38时钟模块图39电源系统框图本控制器系统有如下时钟需求L、CPU模块需要110592M时钟2、日历芯片PCF8563需提供32768K时钟3、AD采样模块需8M时钟根据上述各模块主要器件资料，借鉴各芯片成功使用案例，对L、2分别使用普通无源晶振，对3使用有源晶捌捌。湖北人学硕十学位论文第四章智能控制器软件平台实现41实时操作系统UCOSII411系统简介在开发嵌入式系统时，一般选择基于ARM和UCOSII的嵌入式开发平台，因为ARM微处理器具有处理速度快、超低功耗、价格低廉、应用前景广泛等优点。将UCOSII移植到ARM系统之后，可以充分结合两者的优势如果一个程序在一个环境罩能工作，我们经常希望能将它移植到另一个编译系统、处理器或者操作系统上，这就是移植技术移植技术可以使一种特定的技术在更加广泛的范围使用，使软件使用更加灵活，不局限于某一条件。UCOSII是由JEANJLABIOE先生编写的完整的可移植、固化、裁剪的占先式实时多任务内核。UCOSII的源代码完全开放，这是其他商业实时内核无法比拟的。它是针对嵌入式应用设计的，在设计之初就充分考虑了可移植性，它的大部分源代码都是用高可移植性的ANSIC编写的。OCOSII可以移植到从8位到“位的不同类型、不同规模的嵌入式系统，并能在大部分的8位、16位、32位、甚至64位的微处理器和DSP上运行。由于UCOSII是一个实时操作系统，所以如果将它嵌入到ARM处理器上，就能够进一步简化ARM系统的开发【11,17】。梧一。代码O_CORECO_IRSKCOFMELULLCOSQ。EOSSEMCOSTINIE。CO_II。COS_RABOG。C图41UCOSII系统框图第四章智能控制器软件平台实现412UCOSII移植方法UCOSII的文件系统结构包括核心代码部分、设置代码部分、与处理器相关的移植代码部分。结构如上图所示，其中最上边的软件应用层是UCOSII上的代码。核心代码部分包括7个源代码文件和1个头文件。功能分别是内核管理、事件管理、消息队列管理、存储管理、消息管理、信号量处理、任务调度和定时管理。设置代码部分包括2个头文件，用来配置事件控制块的数目以及是否包含消息管理相关代码。而与处理器相关的移植代码部分则是进行移植过程中需要更改的部分，包括1个头文件OSCPUH，1个汇编文件OSCPUAS和1个C代码文件。实际上将UCOSII移植到ARM处理器上，需要完成的工作主要是以下三个与体系结构相关的文件OSCPUH，OSCPUC以及OSCPUAS。L、OSCPUH的移植文件OSCPUH中包括了用群DEFINE语句定义的与处理器相关的常数、宏以及类型。移植时主要修改的内容有与编译器相关的数据类型的设定；用蒯E劬E语句定义2个宏开关中断；根据堆栈的方向定义OSSTKGROWTH等。在将UCOSLL移植到ARM处理器上时，首先进行基本配置和数据类型定义。重新定义数据类型是为了增加代码的可移植性，因为不同的编译器所提供的同一数据类型的数据长度并不相同，例如INT型，在有的编译器中是16位，而在另外一些编译器中则是32位。所以，为了便于移植，需要重新定义数据类型，如INT32U代表无符号32位整型。TYPEDEFUNSIGNEDINTINT8U，就是定义一个8位的无符号整型数据类型。其次就是对ARM处理器相关宏进行定义，如ARM处理器中的退出临界区和进入临界区的宏定义，退出临界区宏定义撑DEFINEOSEXITCRITICAL0ARMDISABLEINT关中断，进入L临界区宏定义群DEFINEOSENTERCRITICALAR2MENABLEINT0开中断。最后就是堆栈增长方向的设定。当进行函数调用时，入口参数和返回地址一般都会保存在当前任务的堆栈中，编译器的编译选项和由此生成的堆栈指令就会决定堆栈的增长方向，定义为样DEFINEOSSTKGROWTHL，即选用向下增长的方向，ARM本身支持上下两种堆栈增长方式，但ADS编译器只支持向下增长方式，故作此定义。2、OSCPUC的移植OSCPUC的移植包括任务堆栈初始化和相应函数的实现。在这里，共有6个函数OSTASKSTLDNIT，OSSTASKCRCATCHOOK，OSTASKDELHOOK，湖北大学硕十学位论文OS2TASKSWHOOK，OSTASKSTATHOOK，OSTIMELLCKHOOK0其中后面的5个HOOK函数又称为钩子函数，主要是用来对UCOSLL进行功能扩展这些函数为用户定义函数，由操作系统调用相应的HOOK函数去执行，在一般情况下，他们都没有代码，所以实现为空函数即可。而函数OSTASKSTKLNIT对堆栈进行初始化，在ARIVL系统中，任务堆栈空间由高到低依次为PC，LR，R12，RII，RI，RO，CPSR，SPSR，在进行堆栈初始化以后，OSTASKSTKLNIT返回新的堆栈栈项指针。3、OSCPUAS的移植OSCPUAS文件的移植需要对处理器的寄存器进行操作，所以必须用汇编语言来编写。这个文件的实现集中体现了所要移植到处理器的体系结构和UCOSII的移植原理。它包括4个子函数OSSTARTHIGHRDY0，OSCTXSW，OSINTCTXSW0，OSTIEK2ISR0。其中难点在于OSINTCTXSW0和OSTIEKISR0函数的实现，因为这两个函数的实现与移植者的移植思路以及相关硬件定时器、中断寄存器的设置有关。在实际的移植工作中，这两处也是比较容易出错的地方。OSINTCTXSW函数由OSINTEXITOSENTERCRITL2CAL0OSINTCTXSWOSEXITCRITICAUOSINTEXIT退出后，再根据标志位来判断是否需要进行中断级的任务切换。其次是对OSTICKLSR修改。OSTIEKLSR首先在被中断任务堆栈中保存CPU寄存器的值，然后调用OSINTENTER0。随后调用OSTIMETICK0，检查所有处于延时等待状态的任务，判断是否有延时结束就绪的任务。最后调用OSINTEXIT。如果在中断中或其他嵌套的中断有更高优先级的任务就绪，并且当前中断为中断嵌套的最后一层，OSINTEXIT将进行任务调度。如果进行了任务调度，OSINTEXIT0将不再返回调用者，而是用新任务的堆栈中的寄存器数值恢复CPU现场，然后实现任务切换。如果当前中断第四章智能控制器软件平台实现不是中断嵌套的最后一层，或中断中没有改变任务的就绪状态，OSINTEXIT将返回调用者OSTICKISR，OSTICMSR返回被中断的任务。最后就是退出临界区和进入临界区函数。进入临界区时，必须关闭中断，用ARMDISABLEINT0函数实现。在退出临界区的时候恢复原来的中断状态，通过ARMENABLEINT函数来实现。至于进行任务级上下文切换。则是由汇编子程序OSCTXSW实现。42数字信号处理模块该模块主要实现三相线路的高速数据采集及采用与硬件平台相适应的高效快速的数字信号处理算法，满足系统LOOMS响应时间的要求及性能指标中精度要求11,1枷。421N叮算法选择L、直接运算N点FFT1、算法原理设序列点数为N2，L为整数。在把输出按K的奇偶分组之前按N的顺序分成前后两半XN一2J玎JN2N2斗形】形X一J玎J斗形罗】形SO掣删XN2帕彬】彬脚1,2一,NI式中用的是矿，而不是形暑，因而这并不是N陀点DFT由于形”一1，故形”【一1。，可得N121XO沪【缸帕一1缸开2】练KO，L，2，JQI廿形幸砂“杜形吣“神时矿P佗甩“时矿幸帕玎M湖北人学硕十学位论文当K为偶数时，1KL；K为奇数时，一L严一L。因此，按K的奇偶可将XTKY分为两部分。令K2CK2RL；F0，1，,N21N2一JN，2I则X2R【J厅机N2IW2Y,TXNXNN21W，D月0_OX2什1N2【1JH呵一N2W12州N12【1工N哼伽，2】F矿形，IDD式为前一半输入与后一半输入之和的N2点DFTII式为前一半输入与后一半输入之差再与矾之积的N2点DFT。令XIN】【NXNN2X2N【XNXNN2WN0，1，。N21IIIN2一I则X20而甩矿ZR02一LX2R1而甩形麓2R20，1，,N21IV