LabVIEW在继电保护故障信息处理系统开发中的应用.pdf

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1、浙江大学硕士学位论文LabVIEW在继电保护故障信息处理系统开发中的应用姓名：林震宇申请学位级别：硕士专业：电力系统及其自动化指导教师：吴为麟20060201浙江大学硕士学位论文Y87 6 1 6 1摘要为提高电网散障分析能力及保护装置、故障录波器的管理水平，提出了继电保护及故障信息处理系统，该系统由子站系统与主站系统组成，子站系统接收保护装置及故障录波器中的数据，同时将数据上传给主站系统；主站系统接收由子站系统上传的数据分类显示、管理，并提供录波数据分析等高级应用。本文首先介绍监测保护装置中必要组成部分压板投切状态的管理系统。该系统包括监控主站和监控子站两部分。子站系统采用嵌入式子站模式，通

2、过利用先进的1 6 3 2 位R j S C 处理器S 3 C 4 4 B O X 和常用的l O M b i 如以太网控制芯片良T L 8 0 1 9 A S 实现信号采集和以太网通讯功能：主站程序则采用图形化的编程语言L a b V I E w，利用L a b V I E w 提供的T c P I P 通讯节点、图形处理节点、数据库节点和报表节点实现基于以太网的数据传输、数据处理存储和报表打印等功能。通过介绍该系统的开发过程说明虚拟仪器理论以及图形化的编程语言L a b V I E W在继电保护故障信息处理系统以及其他相关产品开发中的广泛应用前景。最后本文还针对电力系统中日益增多的数据提出

3、数据压缩的论点，将图像压缩领域嵌入式零树编码算法引入到电力系统中，提出一种压缩率可变的数据压缩方法，从而减轻电力系统中数据存储和传输负担。关键字：继电保护故障信息处理系统L a b v I E w网络通讯数据压缩浙江大学硕士学位论文A b s t r a c tT h em a n a g 锄e mi n f o m l a t i o ns y s t e mf o rp r o t e c t i V er e l a y i n ga I l df a u l tr e c o r d e ri si n t r o d u c e dt oi m p m v em e1 e V e l

4、o ff a u I ta I l a l y s i sa n dt h ed e v i c em a l l a g e m e m T h es y s t c mi sc o I 玎p r i s e do f s u b s t a t i o ns y s t e ma n dm a s t e rs y s t e m T h ef o m l e ra r eI i n k e dt om ep r o t c c t i、，er e l a y i n ga n df 砌tr e c o r d e ra n ds e n dt h ed a t at ot h eh o

5、s ts y s t e ms i m u l t a n e o u s I y；m eh o s tS y s t e md i s p l a y sa n dm a n a g e st 1 1 eo b t a i n e dd a t a lp r o v i d e st b ea d v a I l c e da p p l i c a t i o n s，s u c ha sr e c o r d e rd a t aa n a l y s S M o n i t o r i l l gs y s t e mo fr e I a y i l l gp l a t e，an e

6、 c e s s a r yc o m p o n e n ti np m t c c t i v er e I a y 曲ge q l l j p m e 玎t，i si n t r o d u c e d T 1 1 i ss y s t e mc o n t a i n St、V op a r t s：也em a s t e rs y s t e ma 1 1 dt h es u b s 枷o ns y s t e m s T h es u b s t a t i o ns y s t e mc h o o s e se m b e d d e dm o d e l A d v a n

7、c e d1 6 3 2b i t s S Cp r o c e s s o ra n dE t h e m e tc o n 虹o l l e rR 1 L 8 0 1 9 A Sa r ea d o p t e dt oc a r r yo u ts i g n a lc o l l e c 廿o na n dE 1 h e m e tc o m m u I l i c a t i o n G r a p h j cp m 伊锄m m gl a l l g u a g e-L 曲V I E Wi su s e da sn l em a s t e rs y s t e mp r o g r

8、 a m m i n gl a n g u a g e T h eV I ss u c ha s，T C P I Pc o m m u n i c a t i o nV I s，g r a p h j c sV I s，d a t a b a s eV I sa I l dr e p o r tg e n e r a t i o nV I s，b r i n gu s a1 0 to fc o n v e l l i e n c et or c a l i z et h ef u l l c t i o n so fE m e m e td a t a订a r l s m i s s i o

9、n，d a：t ap r o c e s s i n g，d a t ad e p o s i t i o na I 通r e p o r tg e n e f a t i o n T h i ss y s t e mi l l u s 订a t e st h eb r i g h tm t w eo ft 1 1 ea p p l i c 撕o no fV i m a lI n s e n t st h e o r ya 芏】dG r a p M cp r o g r 黝i n gl a n g u a g e L a b V I E Wt om 雒a g e m e n ti n f o

10、n n a t i o ns y s t e mf o rp r o t e c t i v er e l a y i n ga n df 轧l tr e c o r d e ra n di t sr e l a t e ds y s t e m A tl a s t，ar a t i ov a r i a b l ec o m p r e s s i o nt e c h I l i q u c，b a s e do ne m b e d d e dz e m t r e ew a v e l e ti m a g ec o d i I 培，i nt h ei n t e r e s to

11、fr e l e 嬲i n g 血ed a t ap r e s e r v a t i o na 1 1 dt r a n s p o n a t i o nb u r d e n，i sp r o p o s e da n da p p l i e dt om eg r o w m ge l e 础cp o w e rs y 甜e md a t aK e y w o r d s：r e k l yp r o t e 而o n 锄df a u l ti n f o 册a t i o n$s t 啪L a b V I E Wn e 咐o r k c o m m 呵c a t i o nd 扫旺

12、ac o m p r e s s i o n浙江大学硕士学位论文第一章继电保护故障信息处理系统1 1 前言【l-3 1大力发展电网的继电保护故障信息处理系统(简称继电保护信息系统)是国家电力公司九五规划中的重要大纲项目。继电保护故障信息处理系统(R e l a yP r o t e c t i o n F a u l t I n f o r m a t i o n S y s t e m)经成为国内电力系统研究的一个重要题目。该课题有两个难点，一是统一电厂和变电站端继电保护故障信息处理子站系统将各个厂家不同装置的通信接口、通信规约和数据规约的问题，第二就是在调度端建立继电保护故障信息数据库及相

13、关高级应用的问题。为了满足电力系统安全、稳定、高效生产的需求及电力企业运营走向市场化的需求，许多新的通信设备、系统，例如数字程控、A T M、S D H、光纤环路等纷纷涌入电力系统中，然而也造成电力通信网中设备种类的复杂化。技术的发展使某些传统观念发生了根本的改变，计算机网络技术与通信技术相互交融。传统通信网络的交换、传输等领域引入了路由器、网络交换、A T M 设备等计算机网络设备。某些传统的通信业务通过计算机网络实现，例如I P 电话等。电力通信业务已从调度电话、低速率远动通道扩展到高速，数字化、大容量的用户业务，例如计算机互联网、广域网，视频传送等。电力通信网的结构也已从单-1 1 务于

14、调度中心的简单星形方式发展到今天多中心的网状网络，以保证能为日盏增长的电力信息传输需求服务。此外，由于网络规模的限制，电力通信网实际上是一个小而全的网络。小是指网络的数据传输量不大；全是指作为通信网所有环节一样不少。由于规模的原因，电力通信网的管理传统上一直都是不分专业统一管理，每一位通信管理维护人员都必须管理包括网络中传输、交换、终端各个环节上的设备，还包括电源、机房、环境等网络辖助设备，同时还要管理电路调配等网络业务。电力系统行政划分的各级都设置电力调度，电力通信网又被人为的划分成不同级别、不同隶属关系的网络。宏观上来说，电力通信网可分为主干网和地区网两类，主干网分国家、网局、省局、地区4

15、 级，地区网又分为地区、县2 级。各级别的网络根据隶属关系互联，各行政单位所属的网络管理、维护关系独立。而浙江大学硕士学位论文且由于传统的原因，上级网络的设备维护工作多由通信设备所在地区的下级网络的通信管理人员负责。网络设备管理与维护分离，集中运行，分散维护。面对这样一个复杂的网络和这样一些苛刻的管理要求，唯一的也是十分有效的方法就是建立具有综合业务功能、综合接入功能的电力通信网络管理系统。早期的电力通信网管理方式简单，设备的功能单一、智能化水平低，自动化管理表现为监控系统具有监视通信设备运行状态，实时通告设备的告警和运行异常信息，远程实时控制设备的主、备切换等功能。随着电力通信网的发展，作为

16、新一代通信网基础的智能化设备出现后，产生了网元管理系统的应用在通信网的运行管理过程已随处可见。随着通信设备智能化水平的提高和通讯业务需求的增长，通信组网的灵活性越来越大、通信网的规模也越来越大、网络管理系统应运而生。1 2 继电保护及故障处理信息系统的结构及功制4 1继电保护信息系统是电网故障分析和保护信息处理的完整解决方案。它利用计算机和网络通信技术，实时收集系统运行和故障的信息，并通过对系统的故障信息进行综合分析，使调度管理部门及时了解电网故障情况，为分析事故、故障定位和整定计算工作提供科学依据，以做出正确的分析和决策，来保证电网的稳定运行。继电保护信息系统是由主站系统和子站系统组成的分布

17、式系统。分布式包括以下含义：(1)数据分布：按照管理功能和应用分布进行部署；(2)管理分布：2 2 0K V 以上继电保护设备由省调直接管理，其他继电保护设备由所属地调管理；f 3)信息处理分布：原则上系统建立了“数据库服务器一通信服务器一子站”的3 层数据处理结构。(4)应用分布：基于管理分布而确定；1 3 继电保护信息子站系统结构及功能1 4 1继电保护信息子站系统，主要负责收集、分析和显示变电站内保护正常运行2浙江大学硕士学位论文1 5 2 系统信息流向分析及传输系统结构分析子站向主站系统上传信息的方式分为主动上传信息和根据主站调用信息命令上传信息两种。绝大部分信息流是采用从子站向主站传

18、送，主站只有少量轮询信息向子站发送。因此传输通道应当优先保证各子站向主站传送数据的速率不低于2 M b i t s，保证继电保护信息系统对故障的快速响应能力。至于是采用省调一子站，还是省调主站一地调主站一子站模式，应该按照数据分布与信息处理分布来加以综合考虑。原则上应是省调主站一子站模式以及地调主站一子站模式两种模式。2 2 0K V 及以上变电站继电保护信息系统，应具有向多主站(省调主站、地调主站甚至网调主站)传送信息的功能，是单子站多主站系统信息传送模式。1 5 3 继电保护信息网络传输系统及其特点结合现有调度运行管理体制，利用光纤x浙江大学硕士学位论文信息定义的标准化等问题成了故障信息系

19、统项目实施中的主要问题，或者说决定故障信息系统效用体现的基础在于对于不同设备、型号、不同信息定义模式的装置进行信息分类、处理的有效性和一致性。现代信息技术的发展使得数字式保护和故障录波器具有极强的数据处理功能，但作为故障信息信息系统主要数据来源的保护和故障录波器等设备对装置内部监视信息、电网运行信息、装置动作信息的不同处理，以及时间同步实现方式上的差异，数据输出格式的不同，造成了各装景信息未实现规范整合前，各种I E D装置在电网故障中所反映的信息体现了“孤立事件”的特点，信息只能分散、局部地描述电网故障状况，这表明目前各种保护和故障录波器等I E D 设备对于信息处理的规范性远不能满足电网故

20、障分析、信息处理有效性的要求，也从另一侧面说明了故障信息系统建设的必要性。1。7 课题背景本课题将通过介绍监测保护装置中必要组成部分压板投切状态的管理系统开发过程，详细说明应用虚拟仪器理论进行系统开发的过程。进而展示将由美国国家仪器公司(N a t i o n a lI n s t r u m e n t s)提出的虚拟仪器(V i r t u a lI n s t r u m e n t s，简称v t)理论，以及该公司开发的图形化的编程语言L a b V I E W(L a b o r a t o r yV i r t u Mi n s t r u m e n tE n g i n e e

21、 r i n g)引入到电力系统继电保护故障信息处理系统的开发中的广阔前景，为继电保护故障信息处理系统开发提供了一种新的可供选择的实现方法。1 7 1 压板在电力系统中的使用情况继电保护及自动装置回路中的压板是变电所二次设备中应用较广泛的元件。通过压板连片的打开或连接，可以实现相应的保护及自动装置停用或投运。随着电网规模的不断扩大，电压等级较高的输电线路的主保护由过去的一套发展到了几套，保护压板(保护连片)由十几个发展到了几十个，压板的投退方式也由单一的投1 端发展到投2 3 端，压板与压板之间的联系随处可见。保护装置的投退操作往往需要有一系列的压板，而各压板之间的操作还有一定的逻辑顺序关系。

22、以压板回路的接线正确、合理与否，涉x浙江大学硕士学位论文第二章虚拟仪器与L a b V I E W2 1 虚拟仪器的概念m 1 2】虚拟仪器起源于2 0 世纪7 0 年代，M 公司已经在M a c i n t o s h 计算机上推出了L a b V I E w 2 0 以前的版本。对虚拟仪器和L a b V I E w 长期、系统、有效的研究开发使得该公司成为业界公认的权威。虚拟仪器指在计算机平台上，用户根据需求来定义和设计仪器的测试功能，其实质是充分利用计算机的最新技术来实现和扩展传统仪器的功能。“软件就是仪器”(S o f t w a r eI sI I l s t n l m e m

23、s)，最本质地刻画出虚拟仪器的特征。虚拟仪器通过应用程序将计算机与功能模块结合，充分利用计算机存贮、运算功能，并通过程序对硬件采集到的输入信号进行分析和处理，用户通过计算机强大的图形环境和在线帮助，建立界面(虚拟仪器式软面板)，完成对“仪器”的控制、数据分析、存储与输出显示，从而大幅度降低仪器的价格、改变传统的使用方式，提高仪器的功能和使用效率，使用户可以根据自己的需要通过编制软件来定义和改进它的功能，用计算机来实现信号的采集与控制、信号的分析与处理、结果的表达与输出，完成测试。其功能比以微处理器为核心的智能仪器更为强大。目前，虚拟技术在电子测量、工程设计和自动检测系统中均已得到广泛应用，虚拟

24、仪器技术成为测控技术的主要技术是必然趋势。被信数数测号据据采虚拟仪器呻集一对调处面板显示卡象理理图2 1 虚拟仪器的解决方案现阶段，虚拟仪器已经发展成为具有G P I B、P C D A Q、V x I 和P X I 等几种体系结构的开放技术，尽管v 还很少用于现代电子测量，但随着硬件的改善，c P u速度的提高及专家系统的迸一步完善，将来必会构成射频与虚拟测试仪器。从目前看，虚拟仪器主要由总线设备、信号处理、数据采集卡、G P I B 接口卡、V P 浙江大学硕士学位论文设备、计算机、虚拟软件加上其它的硬件设备等组成，它的发展取决于三个重要因素：计算机是发展的动力；软件是发展和改进的主率；高

25、质量的A D 采集卡及调整放大器与传感器是发展的关键，未来的v I 完全可以覆盖计算机辅助测试(C A T)的全部领域，V I 前景十分光明，基于计算机的全数字化虚拟测量分析，是采集分析的未来目前在这虚拟仪器领域内，使用较为广泛的计算机语言是美国N I 公司的L a b V I E W。L a b V I E w(L a b o r a t o r y n L l a li n s t 煳e n tE n g i n e e r i n g)是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。L a b V I E W 集成r 与满足G P

26、 I B、v x I、R S 一2 3 2 和R S 一4 8 5协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用T C P，I P、A c t i v e x等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。图形化的程序语言，又称为“G”语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或流程图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，L a b V I E w 是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系

27、统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。利用L a b v I E W，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的3 2 位编译器。像许多重要的软件一样，L a b V I E w 提供了W i n d o w s、I 烈、L i n u X、M a c i n t o s h的多种版本。2 2L a b V I E w 的运行机制1 2。1 4 J2 2 1L a b E w 应用程序的构成由L a b v I E w 编写的程序由前面板、流程图和图标连结器三个部分组成。2 2 1 1 前面板(f h n tp a n e I)前面板是用户交互界面

28、，这一界面上有用户输入和显示输出两类对象，具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控制量(c o I 血0 1)和显示对象(i n d i c a t o r)。图2 2所示是一个随机信号发生和显示的简单V I，图2 2 是它的前面板，上面由一个图1 0浙江大学硕士学位论文2 2 1 3 图标琏接器(i c o n c o n n e c t o r)V 1 还具有层次化和结构化的特征。一个V I 既可以独立运行，也可以作为子程序(s u b V I)，被其他V I 调用。图标连接器在这里相当于图形化的参数。图标是子V I 在其他程序框图中被调用的节点表现形式，用户还可以根据需要编辑节点图标；而连接

29、器则表示节点数据的输入输出口，就象函数的参数。2 2 2L a b V I E W 的操作模板在利用L a b V I E W 编程时，还应特别注意它提供的操作模板，包括工具模板、控制模板和函数模板。所有编程中需要实现的操作都由这些模板提供。2 2 2 1 工具模板(T o o l sP a l e t t e l该模板提供了各种用于修改、连接、修饰和调试V I 程序的工具。当从模板内选择了任一种工具后，鼠标箭头就会变成该工具相应的形状。当从W i n d o w s 菜单下选择了S h o wH e l pW i n d o w 功能后，把工具模板内选定的任一种工具光标放在流程图程序的子程序

30、(S u bv i)或图标上，就会显示相应的帮助信息。2 2 2 2 控制模板(C o n t r o lP a l e t t e)该模板是提供在前面板编程时需要调用的节点。该模板用来给前面板设置各种所需的输出显示对象和输入控制对象。每个图标代表一类子模板。控制模板如图2 4 所示，它包括如下所示的一些子模板。子模板中包括的对象。图2 4 控制模板浙江大学硕士学位论文1 5浙江大学硕士学位论文第三章信息处理系统子站设计和开发子站包括：信号发生、信号采集、信号传输三个部分3 1 信号发生模块为了改进现行继电保护装置压板状态只能通过人工方式检测的缺点，首先需要对现行运行的电力系统中继电保护装置中

31、的压板进行改造，为压板添加辅助触点，实现判断压板的投切状况的功能。压板本身依然串联在保护回路中，另外添加的辅助节点则可以通过其输出的电信号反映压板运行状态。当压板投入运行时辅助触点输出高电平信号，压板退出运行时辅助触点输出低电平信号。那么就可以通过外围电路判断辅助触点的电平来得到压板投切的状态信息。3 2 予站信号采集模块信号采集是由基于S 3 C 4 4 B O X 的子站系统来实现的。S 3 C 4 4 B O X 是S a r n s u n g公司为手持设备和一般类型应用推出的1 6 3 2 位R I S C 处理器。该款微处理器采用了A R M 7 T D M I 内核，O 2 5

32、r t m 工艺的C M O S 标准宏单元和存储编译器。A R M 7 T D M I 体系结构的特点是它集成了T h u m b 代码压缩器，片上的I C E 断点调试支持，和一个3 2 位的硬件乘法器。它的低功耗精简和出色的全静态设计特别适用于对成本和功耗敏感的应用。S 3 C 4 4 B O X 还采用了一种新的总线结构，即S A M B A I I(三星A R I v lC P U 嵌入式微处理器总线结构)。S 3 C 4 4 B O X 提供了丰富的内置部件，包括：8 K Bc a c h e，内部S R A M，L C D 控制器，带自动握手的2 通道U A R T，4 通道D

33、M A，系统管理器(片选逻辑，F P E D O S D R A M 控制器)，复用P W M 功能的5 通道定制器，F O 端口，R T C，8 通道1 0 位A D C，I I C B U S接口，I I S。B U S 接口，同步S I O 接口和P L L 倍频器。S 3 C 4 4 B O X 通过提供全面的、通用的片上外设，大大减少了系统电路中除处理器以外的元器件配置，从而最，J、化系统的成本。1 6浙江大学硕士学位论文图3 1：S 3 C 4 4 B O X 内部结构图本子站系统信号采集模块采用9 位输入输出端口F 中的G P F 0 一G P F 7 的8 个引脚作为信号输入端

34、。实现信号采集功能关键是处理好信号隔离。由于S 3 C 4 4 B O XI O 口输入电压允许范围为：3 O V 3 6 V，压板辅触点由于输出电平过高不能直接接到O 口上，另外为了使本装置与现场仅保持信号联系，不直接发生电的联系，也需要引入隔离技术。3 2 1 光电隔离技术常见隔离技术有：光电隔离、变压器隔离和继电器隔离等。本系统采用较为常用的光耦隔离技术。光电隔离是由光电耦合器来完成的。光电耦合器是7 0 年代发展起来的新型电子元件，是以光为媒介传输信号的器件。其输入端配置发光源，输出端配置受光器，输入和输出在电气上完全是隔离的。开关量输入电路接浙江犬学硕士学位论文入光电耦合器后，由于光

35、电耦合器的隔离作用，使夹杂在输入开关量中的各种干扰脉冲都被挡在回路的一端。除此之外，还能起到很好的安全保障作用，因为在光电耦合器的输入回路和输出回路之间有很高的耐压值，达5 0 0 V-1 K V，甚至更高，由于光电耦合器不是将输入侧和输出侧的电信号进行直接耦合，而是以光为媒介进行间接祸合，具有较高的电气隔离和抗干扰能力。光电耦合器之所以在传输信号的同时能有效地抑制尖脉冲和各种噪声干扰，使通道上的信号噪声比大为提高，主要有以下几方面的原因：(1)光电耦合器的输入阻抗很小，只有几百欧姆，而干扰源的阻抗较大，通常为1 0 5 1 0 6 Q。据分压原理可知，即使干扰电压的幅度较大，但馈送到光电耦合

36、器输入端的噪声电压会很小，只能形成很微弱的电流，由于没有足够的能量而不能使二极管发光，从而被抑制掉了。(2)光电耦合器的输入回路与输出回路之间没有电气联系，也没有共地；之间的分布电容极小，而绝缘电阻又很大，因此回路一边的各种干扰噪声都很难通过光电耦合器馈送到另一边去，避免了共阻抗耦合的干扰信号的产生。f 3)光电耦合器可起到很好的安全保障作用，即使当外部设备出现故障，甚至输入信号线短接时，也不会损坏仪表。因为光耦合器件的输入回路和输出回路之间可以承受几千伏的高压。(4)光电耦合器的响应速度极快。其响应延迟时间只有1 0 p s 左右，适于对响应速度要求很高的场合。3 3 基于以太网的子站数据网

37、络传输模块随着计算机网络通信技术的发展及网络通信可靠性的提高，以太网(主流网络)己延伸至变电站，基于T C P I P 以太网技术的各种系统和装置己广泛应用于电力系统的监控、通信等领域，变电站之间己具备了通过网络实现互相通信的条件。各变电站可以根据信息传输需要决定采用专用高频或光纤通信信道或者局域网来实现信息传输。目前关于嵌入式以太网的设计方案不是很多，而且大多是基于单片机或D S P的，两者都存在要外扩很多外设的问题，并且前者速度太慢，后者成本太高，这在一些对设各尺寸要求很高的场合是不适用的。本设计中，采用了基于A R M 内浙江大学硕士学位论文核的微处理器S 3 C 4 4 B O X 与

38、】0M b i f f s 以太网控制芯片R T L 8 0 1 9 A S 相结合的嵌入式子站模式。R T L 8 0 1 9 A S 芯片是高度集成以太网控制器，它能够简单的解答即插即用N E 2 0 0 0 兼容适配器，具有以下特点：R T L 8 0 1 9 A S 软件兼容；支持p n p 自动捡方式：支持以太网和I E E E 8 0 2 31 0 B a s e 5，1 0 B a s e 2，1 0 B a s e T；软件兼容8 位和1 6 位的N E 2 0 0 0；支持跳线和无跳线两种模式；支持全双工以太网到两倍频带宽：支持三种电平下降方式：睡眠模式，功率下降有内部时钟运

39、行，功率下降内部时钟停止，通过三电平控制特性，R T L 8 0 1 9 A S 是已知的对网络设备G R E E NPx圃剐隧盆程嚣盾赠匿K墨群林6I露rI富旺霹n匝酩斡抽杈秘q扑r下醪扑杉骚龉浙江大学硕士学位论文的移植相对来说是比较容易的。要使“C O S I I 正常运行，处理器必须满足以下要求：(1)处理器的c 编译器能产生可重入代码。(2)用c 语言就可以打开和关闭中断。(3)处理器支持中断，并且能产生定时中断(通常在1 0 至1 0 0 王z 之间)。(4)处理器支持能够容纳一定量数据(可能是几千字节)的硬件堆栈。(5)处理器有将堆栈指针和其它c P U 寄存器读出和存储到堆栈或内

40、存中的指令。移植工作包括以下几个内容；(1)用#d e f i n c 设置一个常量的值(O S _ C P u H)(2)声明1 0 个数据类型(O s _ c P u H)(3)用拌d e f i n e 声明三个宏(O S _ C P U H)(4)用c 语言编写六个简单的函数(O s P u c c)O S T a s k S 墩h l i t()0 S T 勰k C r e a t e H o o k 0O S T a s k D e l H o o k()0 S 协k S w H o o k 0O S T a s k S t a m o o k()0 s n m e m c k H

41、 o o k()(5)编写四个汇编语言函数(O s _ C P U _-A t A s M)O s s t a r t H i 曲R d y 0O S C 钦S w 0o S I I l t C t x S w 00 s T i c k I S R 03 5 基于T C M P 的网络通信协议的实现3 5 1T C P，I P 协议简介T c P 口这个协议遵守一个四层的模型概念：应用层、传输层、互联层和网络接口层。2 2浙江大学硕士学位论文1、网络接口层：模型的基层是网络接口层。负责数据帧的发送和接收，帧是独立的网络信息传输单元。网络接口层的任务就是将帧放在网上，或从网上把帧取下来。2、互联

42、层：互联协议将数据包封装成i n t e m e t 数据报，并运行必要的路由算法。这里有四个互联协议：(1)网f 啄协议口：负责在主机和网络之间寻址和路由数据包。(2)互联组管理协议I G M P：被I P 主机使用向本地多路广播路由器报告主机组成员。(3)网际控制消息协议I C M P：发送消息，并报告有关数据包的传送错误。(4)地址解析协议越廿：获得同一物理网络中的硬件主机地址。3、传输层：传输协议在计算机之间提供通信会话。传输协议的选择根据数据传输方式而定。这里有两个传输协议：(1)传输控制协议T C P：为程序提供可靠的通信连接。适合于一次传输数据量比较大的情况。并适用于要求得到响应

43、的应用程序。(2)用户数据报协议u D P：提供了无连接通信，且不对传送包进行可靠的保证。适合于一次传输小量数据，可靠性则由应用层来负责。4、应用层：应用程序通过该层访问网络。3 5 2 嵌入式系统的T C P I P 协议栈L w I P l 2 岫2 IL w I P 是瑞士计算机科学院(S w c d i S hI n s t i t u t co fc o m p u t e rs c i e n c e)的A d 锄D u n k e l s 等开发的一套用于嵌入式系统的开放源代码T C P I P 协议栈。L w I P 的含义是L i g h tw e i g h tI P 协议

44、。L w I P 可以移植到操作系统上，也可以在无操作系统的情况下独立运行。为了削减计算和内存消耗，L w I P 裁减了应用程序接口(A P I)的数据拷贝功能。这使L w p 只需要大约4 0 k B 的R O M 和数十K B 的R A M，就能支持完整的T C P I P 协议，适合用于嵌入式系统中。L w I P 让所有通信协议驻留在一个进程中实现，但是与操作系统内核分开，而应用程序可以和通信协议在一个进程中，也可以独立在一个进程中。这种方法的主要优点是方便对不同操作系统平台的移植。L w 工P 由许多模块组成。除了执行T c P I P(I P、I c M P、u D p、T c

45、P)协议的模块外，还有一些支持模块，包括操作系统模拟模块、缓冲器和存储器管理模块、网络接口模块、校验和计算模块、应用编程接口模块。浙江大学硕士学位论文L w I P 的特点如下：支持多网络接口下的I P 转发；支持I c M P 协议；包括实验性扩展的u D P(用户数据报协议)；包括阻塞控制、往返时间(r o u l l d t r i pt i m e)估算、快速恢复和快速转发的T C P；提供专门的内部回调接口(r a wA P I)用于提高应用程序性能；可选择的B e r k e l e y 接口A P I(多线程情况下)；新版本中支持P P P；新版本中增加了D 分片的支持；支持D

46、H e P 协议，动态分配I P 地址。3 5 2 1L w I P 协议栈的移植在L、v 口协议栈中协议本身的内容与硬件、操作系统、编译器相关的部份是相互独立，因此L w I P 在H c，0 s 上的实现就是修改这部分文件即可。(1)修改与C P U 或编译器相关的i n c l u d e 文件。(2)修改s y s a r c h 与操作系统相关的部分。与操作系统相关的结构和函数主要可以分为信号量、消息队列、定时器函数和创建新线程函数，下面从4 个部分对移植的过程进行详细地论述。1 1 信号量信号量是一种约定的机制，在多任务系统中普遍使用信号量。由于L w I P 中需要使用信号量进行

47、通信，因此需要事先实现相应的信号量结构体和处理函数。由于u C O S I I 已经实现了信号量的各种操作，并且功能和L w I P 上面几个函数的目的功能是完全一样的，所以只要把C o S I I 的函数重新包装成上面的函数，就可直接使用。2)消息队列消息队列用于给任务发消息。消息队列实际上是邮箱阵列。通过内核提供的服务，任务或中断服务子程序可以将一条消息(该消息的指针)放入消息队列。任务也可以通过内核服务从消息队列中得到消息。L w I P 使用消息队列来缓冲、传递数据报文，因此要实现消息队列结构以及相应的操作函数u c 0 s-I I 实现了消息队列结构及其操作，但是u C O s I

48、I 没有对消息队列中的消息进行管理，因此不能直接使用，必须在u C 0 s I I 的基础上重新实现。具体实现时，对队列本身的管理利用肛c O s 一自己的O s Q 操作完成，然后使用p C O s-I I 中的内存管理模块实现对消息的创建、使用、删除和回收。两部分综合起来形成了L，w I P 的消息队列功能。浙江大学硕士学位论文3)定时器函数L w 口中每个和T C P I P 相关的任务的一系列定时事件组成一个单向链表，每个链表的起始指针存在的对应表项中。移植时需要实现s t n l c ts v st i m e o m s+s v sa r c h t i m e o u t S(v

49、 o i d)函数，该函数返回目前正处于运行态的线程所对应的t i m e o u t队列指针。4)创建新线程函数在c o s 中，没有线程(t h r e a d)的概念，只有任务(T a s k)。它提供了创建新任务的系统A P I 调用O S T a s k C r c a t e，因此只要把O s T a S k C r c a l e 封装一下，就可以实现创建新线程函数。(3)l i k a r c h 中库函数的实现。L w I P 协议栈中用到了8 个外部函数，这些函数通常与用户使用的系统或编译器有关，包括：1 6 位数据高低字节交换；3 2 位数据大小头对调；返回字符串长度；字

50、符串比较；内存数据块之间的相互拷贝；内存中指定长度的数据块清零。3 5 2 2 网络设备驱动程序L w D 的网络驱动有一定的模型，在驱动中主要做的就是实现网络接口的初始化、收、发以及中断处理函数。驱动程序工作在I P 协议模型的网络接口层，它提供给上层(I P 层)的接口函数有：网卡初始化函数、网卡接收函数、网卡发送函数和网卡中断处理函数。R，r L 8 0 1 9 A S 内部按链路数的不同，可以划分为远程D M A 通道和本地D M A两个部分。当主处理器要发送数据时，先将一帧数据通过远程D M A 通道送到R T L 8 0 1 9 A S 中的发送缓冲区，然后发送传送命令。R T L