基于ARM的无线GPRS电力负荷控制系统.pdf

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1、西安电子科技大学硕士学位论文基于ARM的无线GPRS电力负荷控制系统姓名：吕晶申请学位级别：硕士专业：软件工程指导教师：文爱军;程战20070101摘要国内电力市场的开放给电力公司带来了新的挑战。各家电力公司都在寻求提高公司效率，增加客户、改善服务的方案。在此竞争的舞台上，采用先进技术的自动抄表和负荷管理系统成为一个强有力的工具。它可以加强企业内部管理，加强对电网负载能力的控制。集软硬件于一体的一整套电力负荷控制系统就成为满足当前市场需求、顺应国家电力改革的解决方案。本文提出了主站以N E T 2 0 0 3 为平台，负控终端C P U 采用A R M 3 2 位的L P C 2 2 1 4

2、芯片、使用嵌入式实时操作系统z C O S I I的一整套系统方案。主站与负控终端之间采用G P R S 通讯方式，时时在线，反应速度快，而且按流量收费，有效降低成本；负控终端下可以连接支持多种协议的电力终端设备，解决了兼容不同通信协议的问题。本文还研究了电力负荷预测算法，并给出了一种电力负荷短期预测算法的详细分析。实践证明，基于A R M 的电力负荷控制系统运行稳定可靠，达到了预期的效果和设计要求，有利于配电网络运行的安全性和经济性管理，对加强用电管理和提高电网供电质量起到了积极的作用，同时大大节约了电力能源，有效地缓解了用电压力。关键词：负荷控制协议分析负荷预测A R MG P R S#C

3、 O S A B S T R A C TD e r e g u l a t i o no fe l e c t r i c i t ym a r k e t sa r o u n dC h i n ai sp u s h i n gp l a y e rt of a c ec o m p e t i t i o n P o w e rC o m p a n i e sa r et h u sl o o k i n gf o rw a y st oi m p r o v et h e i re f f i c i e n c ya n dt og a i nC l i e n t Sp r e

4、f e r e n c ea n dc o n f i d e n c e T a k i n ga d v a n t a g eo ft h et e c h n o l o g i c a li n n o v a t i o n，A u t o m a t i cM e t e rR e a d i n g(A M R)a n dE n e r g yM a n a g e m e n tS y s t e m s(E M S)c a nb eav i t a lt o o li ns u c hac o m p e t i t i v es c e n a r i o T h i s

5、t o o lc a nm a k et h eP o w e rC o r p o r a t i o nt oe n f o r c et h ep o w e rl o a dc o n t r o la n dt h ec o m p a n y Sm a n a g e m e n t T h es o l u t i o nf o rt h ep o w e rl o a dc o n t r o lw h i c ht o g e t h e rw i t hs o f t w a r ea n dh a r d w a r eb a s e dO nA R Ma n dG P

6、R Sm e e t st h ed e m a n do ft h ec u r r e n tm a r k e ti nt h ep o w e rl o a dm a n a g e m e n t T h i sp a p e rg i v e saw h o l es y s t e ms o l u t i o nw h i c ht h em a s t-s t a t i o nb a s e sO n N E T 2 0 0 3a n dt h el o a dc o n t r o lt e r m i n a lb a s e so nL P C 2 2 1 4a n

7、d#C O S I I T h ec o m m u n i c a t i o nm o d eo ft h em a s t s t a t i o na n dt h el o a dc o n t r o lt e r m i n a li sG P R S，w h i c hi so n l i n ee v e r yt i m e，r a p i d l yr e a c t i v es p e e da n dc h a r g e sb yt h ed a t af l o wt ol o w e rt h ec o s t T h i sp o w e rl o a dc

8、 o n t r o lt e r m i n a ls o l v e st h ep r o b l e mo fh o wt oc o m m u n i c a t ew i t hd i f f e r e n tc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sa n dp r o v i d e sl o t so fp o w e rm e t e r sw h i c hh a v ed i f f e r e n tc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s T h ep a p e ra l s

9、or e s e a r c h e s t h ep o w e rl o a df o r e c a s t i n ga n dg i v e sa na n a l y s i so fas h o r tf o r e c a s t i n ga l g o r i t h m I np r a c t i c e，t h ee l e c t r i cp o w e rl o a dc o n t r o lt e r m i n a lb a s e do nA R Mr u n sr e l i a b l yt oi m p r o v i n gm e e t st

10、h ed e m a n d so fu s e r s I ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c es a f e t ya n de c o n o m i c a lo p e r a t i n gl e v e lo fd i s t r i b u t i o nn e t w o r ka n de n h a n c i n gt h ee n e r g ym a n a g e m e n ta n dp o w e rs u p p l yq u a l i t y,a tt h es a m et i m e，e f f e c t

11、 i v e l ye c o n o m i z ee n e r g y,a l l e v i a t i n gt h ep r e s so fc o n s u m ee l e c t r i c i t y K e y w o r d：L o a dc o n t r o lP r o t o c o la n a l y s i sL o a df o r e c a s t i n gA R MG P R St C O S-I I西安电子科技大学学位论文独创性(或创新性)声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研

12、究成果。尽我所知，除了文中特另t l D N 以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它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做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。本人签名：西安电子科技大学关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期问论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采

13、用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。本人签名：量!墨导师签名：邀日期兰里丑：三!第一章概述第一章概述1 1 研究背景和意义对电力负荷进行控制的想法，是伴随着电力工业的产生和发展而同时出现的。早期的供电，用电量最多的是照明负荷，除晚上高峰以外，其它时间负荷很少。很多人想了多种方案来鼓励用户白天多用电，以便电站和电网设备能得到更充分的应用。五十年代，最早提出音频控制的英国，转而采用分散的定时开关控制分时计费电能表，而欧洲大陆各国却广泛地发展和应用了集中的音频控制。而早期的音频脉冲控制系统使用旋转式发电机向电网注入控

14、制信号，由电容电感谐振滤波器分离信号电网，由于谐振曲线不够尖锐，接收灵敏度和选择性都不够，不能可靠地避开电网高次谐波及其它干扰带来的扰动【。七十年代初，信号发生器、接收器基本上都电子化了，并且逐步应用了计算机技术，使性能和可靠性都有了很大的进步和提高。我国于七十年代末开始研制和应用分散型控制装置，同时开始了集中系统的研究。1 9 7 7 年末，在有关领导考察了欧洲的音频控制情况后，国内开始了搜集这方面的资料，同时开始了音频和工频波形畸变等集中控制装置的研究工作。1 9 8 1 年前后，先后研制了我国第一代音频和工频电力负荷控制系统装置。同时为了吸取国外研制和使用电力负荷的技术经验，北京、上海、

15、沈阳等城市，先后从西德B B C 公司和瑞士Z e l l w e g e ru s t e r 公司引进了音频负荷控制系统设备及其制造技术。到1 9 9 8 年，全国已有6 0 多个市和县，规模不等的使用了各种类型的电力负荷装置。另一方面，当前我国电力抄表基本上都是人工来完成，即由抄表人员挨家逐户查抄电表。这种落后的方式，是与当今高度发展的科技水平不相称的，特别是随着一户一表制的推广，抄表人员的劳动繁重性可想而知，不仅需要大量的人力、物力，同时到居民住宅内抄表也可能引发诸多问题，给用户带来不便，此外人工抄表还容易产生人员腐败问题。而且由于采集数据的时间跨度大、采集数据的准确度也较低，使得电力

16、管理部门无法做到同时集中抄表，从而不能准确反映实际线损，无法将线损和公共用电公平分摊到每一用户，不能做到电网负荷的实时监测、预测及控制。最近几年，电力市场面临着国家产业结构调整和国有企业改制的非常时期，企2基于A R M 的无线G P R S 电力负荷控制系统业拖欠电费十分严重。研究和解决“电费难收 的问题，不得不成为电力企业当前的首要问题。我们可利用负控系统，给欠费用户限定相应用电指标，发送催费通知单，并限定交费时间，通过终端的声、光告警提醒，督促用户尽快交纳拖欠的电费。在用户不愿配合的情况下，可按法律程序对其实施遥控停电操作。鉴于目前国内负控系统和抄表系统的现状，整合当前用户的需求，浙江温

17、州晨泰电器仪表集团决定开发出新一代的负荷控制系统。这套新的负荷控制系统整合了电力负荷控制、低压电力抄表两大功能于一体。本人在晨泰公司西安研究所实习阶段，有幸参与本系统的开发，承担了协议分析和负荷预测部分，并对协议分析和负荷预测算法进行了较深入的研究。现整理出来，供大家参考，希望能起到抛砖引玉的目的，为我国的电力负控和集抄事业做出更大的贡献。1 2 国内外研究现状国外从2 0 世纪3 0 年代开始，就应用负荷控制技术了。英国最早采用开关钟切换电度表，分别统计峰谷电费。2 0 世纪4 0 年代，西欧一些国家应用了音频控制装置。法国、联邦德国、瑞士等国家大量使用音频电力负荷控制，并很快向世界其它地区

18、发展。东欧的匈牙利、亚洲的日本相继引进音频控制设备的生产专利，马来西亚、阿拉伯各国也逐渐使用音频控制技术进行电力负荷控制。美国在世界性石油危机以后，为减少调峰油耗，才开始重视电力负荷控制技术。1 9 7 5 年，装用了第一套音频电力负荷控制系统，此后引进西欧的生产技术，开始音频控制设备的生产，接着又研制发展了无线电电力负荷控制技术和电力线载波负荷控制技术。发达国家使用电力负荷控制装置，已有六十多年的历史，是在不缺电的情况下发展起来的。目前国际上已有几十个国家采用了电力负荷控制技术，安装使用的终端已有几千万台，控制的总负荷约占世界发电总装机容量1 0 以上。电力负荷控制技术在国际上已成为一项具有

19、大量使用经验的成熟的实用技术。发达国家使用这项技术主要目的是改善电网负荷曲线，削峰填谷，提高电网运行的经济性、安全性和发电设备投资的效益，推迟电力设施的建设投资。国外正把注意力从一般的负荷控制转向配电自动化、需求管理和对电力市场的技术支持。更加注意采集用户的用电数据，进行自动远程抄表，同时进行负荷控制。国内市场，由于最近两年国家着力对电力市场进行改革，提倡国际接轨，趋势也是向着集抄和负控一体化的方向发展的I 引。第一章概述1 3 论文目的和意义电力负荷控制具有巨大的经济效益和社会效益1 5 l：1 对用户的效益(1)防止拉闸限电，便于安排生产。全面实行负荷控制后，高峰负荷时，通过事先安排削减峰

20、荷，一般停用的是可中断的供电负荷，用户的主要生产用电将得到保证，不超用就不会限制。这样就便于安排生产，不致像无计划拉闸限电时那样毫无准备；(2)按需量控制和实现分时电价，用户受益。实行分时电价，可以刺激用户削峰填谷，将使用户支付的电费下降，对用户来说也是有利的，尤其是对电费占成本份额较高的炼铝、电石、电炉钢等用户；(3)可以多用电。在电力系统全面实现负荷控制，将高峰负荷压低后，用户的用电水平可以增加，将能帮助增加生产。2 对发电的经济效益(1)协助解决调峰问题。我国电力系统目前缺调峰机组，四大电网峰谷差都已超过4 0 0 万K W，夏季水电大发不应调峰，冬季水电不足调峰能力又不够，致使许多大型

21、火电机组被迫参与调峰。负荷控制能削峰填谷，有利于协助解决调峰问题：(2)有利于提高发电经济性。发电机组轻载和满载效率都不高，实行负荷控制后，负荷曲线平坦，机组可以经济负载运行，可提高发电经济性；(3)有利于提高发电的安全性。发电机组负荷变动大或频繁的启、停操作，增加了设备磨损，将缩短设备使用寿命。调峰运行可能产生汽机喷嘴、叶片袭纹损坏，使汽缸转子裂纹，使锅炉厚壁部件裂纹等不安全因素。负荷控制有利于缓解这些问题。3 对供电的经济效益【1 4】(1)降低线损。由于线路损失与负荷电流的平方成正比，控制了峰荷，提高了负荷率，使最大负荷下降，将能降低供电系统的损耗，累计起来也是很可观的数目；(2)可以多

22、供电。峰荷降低，负荷率提高，可多供电能，增加供电部门的产4基于A R M 的无线G P R S 电力负荷控制系统值和利润；(3)开展负荷控制必须建立信道，配电自动化可利用负荷控制信道，推进配电自动化技术发展。4 社会效益(1)实行负荷控制后可以不再拉闸限电，因而有利于社会的安定和保持良好的秩序；(2)建立了正常的供用电秩序有利于国民经济发展，促进社会进步。1 4 论文结构安排第一章主要介绍电力负控系统的背景和国内外研究现状，向读者介绍现今负控系统的发展方向，并阐述论文的目的和意义。第二章主要介绍系统方案的选择和平台开发环境简介，对比各种方案的优缺点，指出选择本方案的理由。对本系统选择的方案进行

23、简单的介绍。第三章介绍了一下系统平台是如何搭建的，并给出详细的系统设计方案。对系统所使用的L P C 2 2 1 4 的资源规划、嵌入式操作系统z C O S I I 移植以及整个系统的功能和作用进行了详细介绍。第四章通过对三种不同的协议进行分析，对电力系统存在多种协议并存的局面进行分析对比，指出兼容多种协议的必要性和可能性。并给出解决多种协议并存的办法。第五章介绍了负荷预测的意义的现状，并实现了的一个负荷预测算法进行详细分析。第六章对整个论文进行总结，展示本文的主要工作和工作成果，并指出本文还未完成或可以改进的部分。第二章系统方案选择及开发环境简介5第二章系统方案选择及开发环境简介2 1N

24、E T 平台简介及主站平台选择N E T 平台的理由M i c r o s o f t 致力于开发工具的开发已有2 5 年的历史，其第一个产品是M i c r o s o f tB a s i c，于1 9 7 5 发行。在过去的四分之一世纪里，开发工具的功能得到了令人难以置信的增强。于1 9 9 7 年首次推出的V i s u a lS t u d i o 是一个巨大的进步，它是当时易于为广大开发人员使用的一组工具的模型，而且功能足够强大，能够处理最复杂的开发项目。以此为开端，M i c r o s o f t 致力于创建一个开发工具套件，最后导致形成了今天这一支持多语言和多种开发方式的统一

25、开发环境一N E T。其目标是使开发小组在大型项目的整个开发周期中能够进行分工协作，即使在混合了多种用不同语言编写的组件和使用了多种不同的部署结构的情况下也是如此。N E T 框架是一种新的计算平台，它简化了在高度分布式I n t e r n e t 环境中的应用程序开发。N E T 框架旨在实现下列目标：提供一个保证代码(包括由未知的或不完全受信任的第三方代码)安全执行的代码执行环境。提供一个可消除脚本环境或解释环境的性能问题的代码执行环境。N E T 的核心是公共语言运行时，它管理代码的执行并提供不同的服务。在运行时之上包含了一组可重用类的类库，这些类紧密地与通用语言运行时结合在一起。公共

26、语言运行时是N E T 框架的基础，它管理内存、线程执行、代码执行、代码安全验证、编译以及其他系统服务。也就是在C+，V B，C 撑，当然还有J s c r i p t编译器所暴露出来的运行时函数。这些暴露出来的接口允许你编写在管理执行环境中运行的代码(运行在这种环境中的代码称为管理代码)。运行时处理的事务包括异常处理，安全性，版本控制，交叉语言集成，组件集成，调试，造型，以及内存管理的细节，如创建对象、管理引用。不管是用V B、C 带还是其他N E T 语言编写，所有V S N E T 代码都会编译成中间语言(I n t e r m e d i a t eL a n g u a g e，I

27、L)。当程序运行时，一个实时编译器(j u s t i n t i m ec o m p i l e r，或称为J I T)就把I L 代码编译成机器语言。C L R 提供了前所未有的跨语言集成能力，其中包括跨语言继承代码的能力。所有使用C L R 的语言都使用一个6基于A R M 的无线G P R S 电力负荷控制系统公共类型系统(C o m m o nT y p eS y s t e m)，它使得开发那些多种语言的应用变得更为容易。如图2 1 所示。移凇黝呵獬燃獭黟痧燃獬谬雾獬呵兹鬻嗲二J 二C o m m o nI n t e r m e d i a t eL a n g u a g e

28、(C I L)缈嬲穆罗?帑懒缈缈嗍黟缈粉雾掰簿紫恸孵黝惭缈错锄张。穸铹黪缈。学罗产生机器执行码图2 1 N E T 应用程序执行的方式此外，运行时的托管环境还消除了许多常见的软件问题。例如：运行时自动处理对象布局并管理对对象的引用，当不再引用时将它们释放。这种自动内存管理解决了两个最常见的应用程序错误：内存泄漏和无效内存引用。尽管运行时是为未来的软件设计的，但是它也支持现在和以前的软件。托管和非托管代码之间的互操作性使开发人员能够继续使用所需的C O M 组件和D L L。由于N E T 平台的这些技术优势，所以我们决定选择它作为我们系统主站的开发平台。另外，选择N E T 平台还有技术之外的

29、另外两个原因：1 N E T 平台的特性决定了它支持多种语言的无缝联合开发，这有利于降低别的厂家的开发人员在我们系统上进行二次开发的难度。兼顾了使用不同开发语言的开发人员的习惯，确保了系统的最大兼容性。2 N E T 平台适合习惯使用V B、V C 的研发人员的平稳过渡，能最大限度的利用公司原有的研发资源，节约公司成本，降低开发风险。2 2G P R S 简介及通讯方式选择G P R S 的理由G P R S 是G e n e r a lP a c k e tR a d i oS e r v i c e 的英文简称，中文称为通用无线分组业务，是一种基于G S M 系统的无线分组交换技术，提供端

30、对端的、广域的无线I P第二章系统方案选择及开发环境简介连接。相对原来G S M 的拨号方式的电路交换数据传送方式，G P R S 是分组交换技术，具有“实时在线”、“按量计费”、“快捷登录”、“高速传输”、“自如切换”的优点。通俗地讲，G P R S 是一项高速数据处理的技术，方法是以“分组”的形式传送资料到用户手上【l O l。在现有的G S M 网络基础上迭加数据交换节点，以提供网络数据通信的功能，其最主要的特性是让人们不必通过有线的网络环境，只要通过具备G P R S功能的无线装置，就可以连上网络，真正达到随时随地取得信息的目的。和一般有线网络相比较，G P R S 多了便利性，由于G

31、 P R S 覆盖面很广，企业用户在外出差时，可以用各种移动设备(N o t e b o o k，P D A)无线连接至I n t e m e t 网络，进行电子邮件收发，文件下载，甚至下达指令让最近的传真机打印出重要文件。用户可以运用G P R S 查询实时库存，线上下单，线上主管签核。各行各业都可将庞大的数据库放在后端机房，通过G P R S 实时查询将必要信息展现在移动设备上，并达到双向互动。虽然G P R S 带来随处可上网的便利性，然而它也有一些尚待克服的缺点：1 网络延迟G P R S 的网络延迟非常的高，其上行的部份会达到4 0 0 m s 1 3 0 0 m s，下行的部份则会

32、达到6 0 0 m s 3 0 0 0 m s。2 不稳定的带宽不稳定的带宽会严重影响资料传递的速度，单一时间内的实际数据传输量，往往远小于其理论值所说的传输值。3 封包遗失相对于有线网络的环境，G P R S 在资料传递的过程中容易造成封包的遗失，因此需要额外的机制(a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t，A R Q)来确保资料的完整性。4 联机中断在无线的环境里，常会有联机中断的情形，如高速移动中，经过隧道或是其它无法接收讯号的地方等等。2 2 1相近方案的选择及优缺点分析在实现电力系统自动化采集的过程中，关于主站和负控终端之间通信通道有以下几种

33、方案可供选择：8基于A R M 的无线G P R S 电力负荷控制系统2 2 1 1 有线网络通信在此方案中，采集到的数据经有线的M O D E M 调制，从负控终端经普通电话线传送给主站。1 系统可行性分析在当前我国广大农村，有线电话已基本普及，所以通过有线的M O D E M 来传输数据的条件是具备的。2 优缺点分析优点：无需重复搭建通信网络，可以直接利用已有的电话网络，有利于节省投资。网络信号稳定，传输效率高。缺点：通常传输电力采集数据是突发的，时间间隔很大，不需要总是在线，所以专门租一条电话网络是浪费的。2 2 1 2W i F i 无线网络通信在此方案中，采集到的数据经w i F i

34、 无线网卡连接到I n t e r n e t，与主机通信1 2 1。1 系统可行性分析在我国的广大农村，多以村庄分布。在一个村庄里，人1：3 分布很稠密，可以建立一个无线局域网。2 优缺点分析优点：网络信号稳定，传输速度快。通过I n t e r n e t 传输价格低廉。缺点：在每一个村庄或某几个位置靠近的村庄都需要建立一个无线网络接入点，需要耗费大量的投资。2 2 1 3G P R S 无线网络通信在此方案中，负控终端接受主站指令或外部突发事件信号后采集电表数据，采集到的数据经G P R S 模块调制，通过G P R S 网络发送到主机。1 系统可行性分析在现阶段，G P R S 网络已

35、经覆盖的很广泛了，除了很少的一些山区和高原地带，大多数的地区都已经有很稳定的信号覆盖了。第二章系统方案选择及开发环境简介92 优缺点分析优点：现有的G P R S 网络已经很成熟，具有“实时在线”、“按量计费”、“快捷登录”、“高速传输”、“自如切换”等优点。不需要另外追加额外的投资，不需要另外架设无线网络接入点，节省成本。缺点：G P R S 网络在联机的速度和稳定性上仍存在着一些问题，传输品质距有线网络仍有一定的差距。2 2 2 方案选择及理由在前面罗列的三种方案中，我们最终选择了第三种方案，即G P R S 网络传输电力数据。理由有：(1)前面的两种方案中，都需要电力公司在每个村庄建立有

36、线或无线的网络接入点，投资浩大；而后一种方案中，只需要使用无线网络提供服务商的G P R S 服务即可，无需重复投资。(2)由于电力系统的数据量偏小，而且传输数据具有突发性和集中性等特点，故不适合用前两种按月收费的方案1 1。而后一种方案，即G P R S 方案是分组交换技术，具有“实时在线”、“按量计费”的优点，有利于节省日后的网络费用。2 3 主控芯片选择A R M 的理由及A R M 芯片简介以前的负控终端中多采用8 0 5 1 单片机，8 0 5 1 单片机是8 位微处理器，片内4 K B程序存储器，片外存储器寻址范围为6 4 K B，支持2 级中断嵌套。如果把电路的控制、外设控制以及

37、数据的后期处理等等诸多任务全部都依靠于这样一种片内资源不算丰富的8 位的单片机，那我们在软件编程的时候复杂程度会非常大，而且对于一个嵌入式系统来说，想实时的对数据进行采集和一系列的处理也将存在一定的困难。如果考虑在该单片机的基础上引入嵌入式操作系统，操作系统所需要的大量的存储空间对于资源相对缺乏的单片机来说无疑是一个负担，因此使用8 0 5 1单片机与嵌入式操作系统搭配来进一步改善系统的性能这条路基本上是行不通的，我们下一步首先要做的就是找一款资源丰富的嵌入式处理器芯片。科技不断进步，单片机在控制方面的优势正在被相对高端的嵌入式微处理器芯片所代替。A R M(A d v a n c e dR

38、I S CM a c h i n e s)是3 2 位的微处理器核，它是由A R M公司研发的，自1 9 8 5 年出现至今已有2 0 多年。在这2 0 多年的发展中，A R M 公1 0基于A R M 的无线G P R S 电力负荷控制系统司采用了口授权的方式，允许其他半导体公司生产基于A R M 核的处理器芯片和产品，而它本身并不直接从事芯片的生产，这种经营方式使得A R M 技术得到了非常快速的推广。目前几乎所有的大半导体公司都结合了自身的优势生产出了各具特色的A R M 芯片，这样就使A R M 技术得到了更多的第三方工具、制造、软件的支持。另外，由于A R M 处理器具有高性能、低功

39、耗、低成本等等的特点，目前已经占据了3 2 位和6 4 位嵌入式处理器的绝大部分市场【9 1。本系统中我们采用的主控芯片是P H I L I P S 公司生产的L P C 2 2 1 4，它是A R M 7 T D M I S 内核，该芯片是一款性价比很高的芯片，尤其要强调的是它具有非常丰富的片内资源：1 6 K B 的片内静态删；2 5 6 K B 的片内F l a s h 程序存储器；8 通道的1 0 位A D 转换器，转换时间低至2 4 4 微秒；外部3 2 位的总线；最高片内P P h a s eL o c k e dL o o p，锁相环)可实现6 0 M H z 的C P U 操作

40、频率；存储器接口可配置4 组存储器，每组容量均可高达1 6 M B；多个串行接1 2，包括2 个U A R T、高速(4 0 0 K b p s)1 2 C 接口和2 个S P I 接口；支持系统编程(I S P)和应用中编程(L 钾)；2 个3 2 位定时器、实时时钟和看门狗；1 1 2 个通用I 0 口；有空闲和掉电两种低功耗模式(更节电，有利于制作便携式仪器)；双电源：C P U 操作电压范围：1 6 5 -1 9 5 V(1 8(1 士8 3)；I 01 3 操作电压范围：3 0 -3 6 V(3 3 x 0 士1 0)。第二章系统方案选择及开发环境简介2 4A D S 开发套件简介A

41、 D S 集成开发环境是A R M 公司推出的A R M 微控制器集成开发工具，英文全称为A R MD e v e l o p e rS u i t e，成熟版本是A D S l 2。A D S l 2 支持A R M1 0 之前的所有A R M 系列微控制器，支持软件调试J T A G 硬件仿真调试，支持汇编、C C+源程序，具有编译效率高，程序库功能强等特点，可以在W i n d o w s 9 8、W i n d o w sX P、W i n d o w s 2 0 0 0 以及L i n u x 上运行。A D S l 2 集成开发环境包括：代码生成工具、集成开发环境、调试器、指令模拟

42、器、A R M 开发包、A R M 应用库。用户一般直接操作的是C o d e W a r r i o rI D E 集成开发环境和A X D 调试器，所以本论文由于篇幅所限仅介绍上面两部分的应用。1 C o d e W a r r i o rI D E 简介C o d e W a r f i o rI D E 集成开发环境集成了A R M 汇编器、A R M 的C C+编译器、T h u m b 的C C+编译器、A R M 连接器，包含工程管理器，代码生成接口等。它主要通过工程项目来组织用户的源文件、库文件、头文件以及其它的输入文件。这些文件可以按照某种逻辑关系进行分组：一个工程项目中还可

43、以包含其它的子工程项目。一个工程项目中至少包含一个生成目标，每个生成目标定义了一组选项，用于生成特定的目标文件。2 A X D 调试器简介A X D 调试器为A R M 扩展调试器(即A R ME x t e n d e dD e b u g g e r)，支持硬件仿真和软件仿真(A R M u l a t o r)。A X D 能够装载映像文件到目标内存，具有单步、全速和断点等调试功能，可以观察变量、寄存器和内存的数据等。A X D 是A D S 的调试器，它独立于前者，属于交叉编译器。其运行在W i n d o w s操作系统下，为A R M 目标板生成运行程序。它功能强大，包含下列基本调

44、试功能：下载目标映像文件到目标系统中，如果目标系统支持，还可以将映像文件烧入到目标系统的F L A S H 中；在目标程序中设置断点，包括程序断点和数据断点；查看和修改断点处处理器状态，查看和修改断点处存储器内容，查看和修改目标程序中标量的值：单步执行目标程序，可以显示反汇编的代码或者源程序代码，可以调试C或C+程序。1 2基于A R M 的无线G P R S 电力负荷控制系统第三章系统平台搭建及设计3 1L P C 2 2 1 4 资源规划L P C 2 2 1 4 是一个基于支持实时仿真和嵌入式跟踪的1 6 3 2 位A R M 7 T D M I S 核的微控制器。对代码规模有严格控制的

45、应用可使用1 6 位T h u m b 模式将代码规模降低超过3 0，而性能的损失却很小。由于L P C 2 2 1 4 的1 4 4 脚封装、极低的功耗、多个3 2 位定时器、8 路1 0 位A D C、P W M 输出以及多达9 个外部中断，使它们特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制和P O S 机。通过配置总线，L P C 2 2 1 4 最多可提供7 6 个G P I O。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m o d e m 以及其它各种类型的应用。本系统中的负控终端即相当于协议转换器外加一个有数据存储需求的设备。在利用L P C 2 2

46、1 4 的资源上，主要是利用它的两个1 6 C 5 5 0 工业标准U A R T，它们一个负责对上和主站通信，一个负责对下和各类终端进行通信。从而保证了对上对下物理通道的隔离，满足了协议转换器的要求。L P C 2 2 1 4 中U A R T 特性：1 6 字节收发F I F O寄存器位置符合5 5 0 工业标准接收器F I F O 触发点可为1，4，8 和1 4 字节内置波特率发生器外部静态存储器控制器(E M C)是一个A M B A A H B 从机模块，它为A M B A A H B系统总线和外部(片外)存储器器件提供了一个接口。该模块可同时支持多达4个单独配置的存储器组。每个存储

47、器组都支持S R A M、R O M、F l a s hE P R O M、B u r s tR O M 存储器或一些外部I O 器件。每个存储器组的总线宽度为8、1 6 或3 2 位。E M C 的特性：支持静态存储器映射器件，包括R A M、R O M、F l a s h 和一些外部I O 器件在未锁定存储器子系统中可执行异步页模式读操作第三章系统平台搭建及设计可对突发模式R O M 器件中进行异步突发模式读访问可对高达4 个存储器组进行单独配置，每个存储器组可包含多达1 6 M 字节可对静态R A M 器件的读和写W A I T 状态(高达3 2 个)进行编程可编程外部数据总线宽度(8、

48、1 6 或3 2 位)E M C 的这些特性，为A R M 系统扩充存储容量提供了方便的途径，解决了5 1系统中扩充容量困难的问题。3 2 实时操作系统睨C O S I I在传统的5 1 单片机系统中，因为资源所限往往都没有上操作系统，里面的主干程序是一个简单的无限循环主程序，通过中断来响应主站程序。这可称为前后台系统或超循环系统。循环中调用相应的函数完成相应的操作，这部分可以看成后台行为；中断服务程序处理异步事件，这部分可以看成前台行为。后台也可以叫做任务级，前台也可以叫做中断级。时间相关性很强的关键操作一定是靠中断服务程序来保证的。因为中断服务提供的信息一直要等到后台程序走到该处理这个信息

49、时才能得到进一步的处理，所以这种任务系统在处理的及时性上比实际可达到的要差。3 2 1 C O S I I 的特点比C O S I I 是J e a nJ L a b r o s s e 开发的，一种源代码公开的嵌入式实时操作系统内核。该内核以规模不大的代码实现了抢占式多任务调度、任务间的通信等功能。任务调度算法采用B i t m a p 实现，设计思想十分独特。该内核裁减到最小状态后编译出来的代码只有8 K B 左右，资源消耗非常小，适合于功能不十分强大的C P U M C U 使用。尤为让人感到惊喜的是，该R T O S 的网站上提供了针对近百种C P U M C U 的移植实例，用户只要

50、稍加修改就可以用到自己所使用的处理器上，极大地方便了用户的开发【r 7 1。比C O S-I I 目前已经在世界范围内得到广泛使用，包括诸多领域，如手机、路由器、集线器、不间断电源、飞行器、医疗设备及工业控制等。并且C O S I I 通过了非常严格的测试，得到了美国航空管理局的认证，可以用在飞行器上。因此，C O S-I I 是十分稳定可靠的，可以用于与人性命有关的安全紧要系统。1 4基于A R M 的无线G P R S 电力负荷控制系统J c l C O S I I 内核按照其功能可以划分为任务管理模块、时间管理模块、信号量管理模块、事件管理模块、消息邮箱和队列管理模块和内存管理模块。C