（电路与系统专业论文）基于ARM和CAN总线的电缆沟道监测系统设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 本文设计了一种基于a r m 7 的电力电缆沟道监测系统，该监测系统能够对电 缆沟道起到防盗、防火、防潮等安全监测作用。本课题采用的嵌入式硬件是基于 a r m 7 架构的l p c 2 2 9 2 芯片；同时针对市场上种类繁多的实时操作系统，本课题 选用的是内核小，易剪裁，移植性好源代码公开的实时操作系统h c o s i i 并且使 用c a n 总线进行数据传输。c a n 总线是现场总线的一种，它能有效地支持分布 式控制或实时控制，具有高性能和高可靠性的特点，现已形成国际标准。 本课题简要介绍了电力电缆沟道监测系统的特点与研究背景，讲述了设计电 缆沟道监测系统时所采取的总体设计思想与框架结构。之后介绍了a r m 7 处理器 和c a n 总线的特点和功能，然后详细论述了整个系统硬件电路设计。在对实时 操作系统c o s i i 作了介绍之后，详细说明了将g c o s i i 移植到l p c 2 2 9 2 硬件 平台的具体实现过程。最后提出了基于c a n 总线和a r m 7 微控制器实现的电缆 沟道数据采集控制系统的软件设计。 实际测试表明，该系统能够稳定运行，并且能够实现对电缆沟道的实时监测， 数据采集以及安全警报等功能，满足电力电缆在线监测系统的要求。 关键词：a r mi i c o s - i ic a n 总线电力电缆沟道监测 a b s t r a c t a b s t r a c t w es t u d yt h em o n i t o rs y s t e mf o rc a b l et r e n c hb a s e do na r m 7 ，w h i c hc a r lb eu s e d f o rt h ep r o t e c t i o na g a i n s tt h et h e f t ，t h ef i r ea n dt h eh u m i d i f i c a t i o n t h ee m b e d d e d h a r d w a r et h a tt h i ss u b je c ta d o p t si sp h i l i p sl p c 2 2 9 2c h i pb u i l tu po nt h eb a s i so f a r m 7 t ot h ev a r i o u sr e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e mo nt h em a r k e t ，t h eo p e r a t i n gs y s t e m t h i ss u b j e c ts e l e c t si st h ef r e er e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e mw i t ho p e ns o l l r c ec o d e i t c o s 1 1w h o s ek e r n e li se a s yt ou s e t h ec a n b u s i su s e df o rt h ed a t at r a n s m i s s i o n ， w h i c hi sa l s oo n eo ft h ef i e l d b u st h a ts u p p o r t st h ed i s m b m e dc o n t r o la n dt i m ec o n t r o l ， a n dh a sb e c o m ea ni n t e r n a t i o n a ls t a n d a r df o rf i e l d b u sd u et oh i g hc a p a b i l i t ya n d r e l i a b i l i t y i n t r o d u c i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dr e s e a r c hb a c k g r o u n da b o u tt h i sk i n do f a p p a r a t u s ，t h ep a p e rf i r s td e m o n s t r a t e so u ro v e r a l ld e s i g ni d e aa n ds t r u c t u r ea b o u tt h e m o n i t o rs y s t e mf o rp o w e rc a b l et r e n c h d e s c r i b i n gt h ec h a r a c t e r i s t i ca n dt h ef u n c t i o n o ft h ea r m 7a n dc a n b u s ，w et h e nd i s c u s st h ed e t a i l so fd e s i g n i n ga b o u th a r d w a r e c i r c u i t a f t e ri n t r o d u c i n gt h er e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e mr t c o s - i i ，t h er e s e a r c h e x p l a i n st h ec o u r s eo ft r a n s p l a n t a t i o ne x h a u s t i v e l y a tl a s t ，t h ep a p e rp i c t u r e st h em a i n d e s i g nf o rt h es o t h v a r eo ft h em o n i t o rs y s t e mb a s e do nt h ec a n b u sa n da r m 7 ， w h i c hi su s e df o rd a t aa c q u i s i t i o nf r o mt h ec a b l et r e n c h t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n ti n d i c a t et h a tt h em o n i t o rs y s t e m w o r ks t a b l y , t h ef u n c t i o nf o rr e a lt i m em o n i t o r i n g ，d a t aa c q u i s i t i o na n da l a r mi s i m p l e m e n t e d ，t h ee x p e c t e dr e q u i r e m e n to ft h ep r o j e c ti ss a t i s f i e d k e y w o r d s ：a r mp c o s - c a n b u st h ec a b l et r e n c hm o n i t o r 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究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 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。 申请学位脸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：螬矗日期2 竺! ：三： ! 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 生在校攻读学位期间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攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论 本人签名 导师签名 年解密后适用本授权书。 日期地! ：三! l 望 日期盈耸：圣：坦 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 伴随着我国经济的快速发展，电力行业得到的前所未有的发展。电力电缆作 为一种输电设备，由于其本身的优点，在现代化城市电网建设中得到广泛应用。 目前大多数城市市区主要的配电线路，新建、改建的1l o k v 输电线路基本上采用 了电缆供电，且增长迅速。城市电网电缆化程度是衡量城市电网技术经济水平的 重要标志，亦是促进城市文明化进程迅速向前迈进、改善人类生活环境的必要手 段。 特别是最近三十年来，国内外电力电缆制造技术迅速发展，电缆产品质量显 著提高，微孔，杂质的尺寸和含量以及线芯偏心度等技术指标得到严格控制【1 】。随 着电力供应市场的繁荣，全球电力电缆投运回路的数量迅猛增涨，铜芯电力电缆 逐步取代铝芯电力电缆、x l p e 绝缘电力电缆已经取代油纸绝缘电力电缆并逐步 取代p v c 绝缘电力电缆和充油电力电缆，且电压等级也越来越高，目前己发展到 5 0 0 k v 。 西安市城市供电输电电缆近年正逐渐从架空线改为电力电缆，电缆沟道作为 电缆线路的通道，其建设速度逐年加快，建设里程逐年递增，以后更会大规模展 开。大多数地下电缆沟道内电缆密集，环境恶劣，除供电负荷的正常变化之外， 在供电紧张季节，经常会有设备和电缆超负荷运行，这样在电缆局部和接头处会 发生过热现象，以致电缆绝缘层由于温度过高逐渐焦化、燃烧，引起电缆着火事 故。据不完全统计，全国近十年来发生因电缆着火蔓延成灾的重大事故逾百起， 累计烧毁电缆3 2 万米。恢复重建工作耗资大、费时长，直接、间接经济损失巨大。 尤其盗窃电缆事件更是屡禁不止，直接造成经济损失巨大。电力电缆沟道为 了维护方便每隔5 0 米会建一个人井供维护和检修之用，由于井盖一般都同时用作 路面，因此闭锁和管理困难。电缆工区内就发生过不法分子擅自钻入电缆沟道中 盗窃电缆或割切电缆屏蔽层的事件，两次盗窃事件直接经济损失4 0 0 多万元。并 且西安现阶段的地下电缆沟道通风系统不是很完善，而且环境比较密闭，尤其在 炎热、潮湿甚至积水的情况下容易积聚甲烷、一氧化碳、硫化氢等可燃、有毒、 有害气体。如果这些可燃气体不能够及时排放，很容易引起电缆沟道爆炸事件， 不仅造成电缆损坏，直接经济损失巨大，更为危险的是，如果通风不当，可燃、 有毒、有害气体对负责检查的工作人员的生命安全也构成了威胁。 电力电缆沟道线位普遍选在城市市政主干人行道上，特别是变电站、开闭所、 2 基于a r m 和c a n 总线的电缆沟道监测系统的设计 客户配电室一般均连接有电缆沟道出入口。因此，电缆沟道管理水平的高低不但 直接影响电力电缆的安全运行，广大客户的安全用电，也直接影响着行人、沟道 周边单位和个人的生命和财产安全。 截至目前，西安地区电缆沟道长度约为1 1 0 公里。供电局电缆二工区负责电 缆沟道运行管理的班组有三个，电缆沟道专责巡检人员仅9 人。管理方式仍采用 人工周期性的巡检、维护。巡检间歇期内，电缆沟道处于无人监测、无人管理的 空白期，此种方法效率太低，而且如果沟道出现情况，工作人员也不一定能够及 时反映状况。 因此需要研制一套高效及时的电缆沟道检测系统，采用现在流行的通信手段 对电缆沟道环境和安全状况进行实时监控传输，能够全程2 4 小时监测，状态显示， 安全提示，事件分析统计，并且最重要的是能够避免检查人员经常到第一线进行 检查工作，工作安全性得到显著提高。通过此设备使供电局电缆工区对电缆沟道 的管理由人工周期巡检，事后补救式转变为全时全程监测、人工周期维护和事件 应急反应处理式相结合的管理模式。稳定供电质量，使经济效益得到显著提高， 将事故隐患消除在萌芽状态，提高时效性，降低火灾及可燃气体引起爆炸概率。 1 2 电力电缆现状 电缆的使用，早在1 5 0 年前就已经开始。最初用于电讯和炸矿方面。1 8 1 2 年 俄国科学家雪令格第一个试验成功用橡皮带绝缘的电缆埋在涅瓦河底来引爆炸 矿。此后英、美、德各国也相继创造了一些不同形式的原始电缆。1 8 4 2 年横跨美 国纽约港的水底电缆投入使用，1 8 8 6 年横越大西洋的水底电缆投入使用。1 9 2 6 年在蒙特利尔和p h i l a d e p h i a 的电缆的电压等级达到6 6 k v , 1 9 2 7 年在米兰电缆的电 压等级达到7 0 k v , 1 9 3 6 年在巴黎电缆的电压等级达到2 2 0 k v ，1 9 5 2 年在瑞典电缆 的电压等级达到3 8 0 k v 。最近几年在加拿大和美国电缆的电压等级分别达到 5 2 5 k v 和5 3 5 k v 。 在我国，自1 9 5 1 年国产6 k v 油纸绝缘电力电缆问世以来，不到2 0 年，我国 第一条2 2 0k v 电缆就投入运行，而到1 9 8 2 年，充油电缆的电压等级已发展到 5 0 0 k v 我国x l p e 电力电缆的制造和推广应用起步较晚，1 9 7 0 年我国正式投产 1 0 3 5 k v 交联电缆，1 9 8 5 年广州、南京等城市首先引进1 1 0 k vx l p e 电力电缆 以后，相继在发电厂、变电站和抽水蓄能电站先后引进2 2 0 ，3 3 0 ，5 0 0 k vx l p e 电力 电缆。1 9 9 0 年第一条国产1 1 0k vx l p e 电力电缆线路在首钢投入运行，1 9 9 6 年 国产2 2 0 k vx l p e 电力电缆通过技术鉴定，并于2 0 0 0 年中期通过长期老化试验( 预 鉴定试验) 和产品鉴定，逐步推厂应用【2 3 1 。 目前日本、美国和欧洲的水平最高。近年来，我国交联电缆生产线己超过1 0 0 第一章绪论 多条，其中三分之一可以生产高压交联电缆。由于局域网改造的需要，从1 9 9 9 年开始，中压交联电缆年需求量已达3 5 0 0 0 0 k m 。因此设计研发一套完善，有效， 安全，及时性强的电力电缆沟道监测系统具有十分重要现实和经济意义。 1 3 课题来源及内容 电力电缆沟道远程监测是近年来迅速发展并受到电力系统有关部门日益关注 的一个研究领域，它的发展和采用，对电力系统安全运行具有重要意义。电力参 数监测系统主要有以下三种：便携式在线监测结构形式、集中式在线监测结构形 式、分层( 级) 式分布多c p u 结构形式。其中，分层( 级) 式分布多c p u 结构形式 是最常用的结构。关于电力参数监测的研究虽然很多，但是目前电力参数测试仪 器大多存在如下三个问题：首先在硬件上多采用8 位单片机，这就造成了测试精度 较低，仪器体积比较庞大等缺点：第二在软件上大部分都没有引入嵌入式实时操作 系统，随之引起了开发难度大，功能简单，升级困难等问题：第三在传统的分层( 级) 式分布多c p u 结构中，采用传统的r s 4 8 5 技术来进行数据的传输，而当今的趋 势是三网合一，即随着高速以太网的普及，从经济角度考虑，用以太网与c a n 或者l o n w o r k s 等现场总线相结合的通信方式，而且采用以太网通过t c p i p 协议可以使设备接入i n t e r n e t 中，有利于大规模信息的传输和利用。 此项目是基于西安电力电缆沟道监测系统建设项目。 本课题既不是对国外、国内研究的重复，也不是对国内外目前开展研究作的 简单改进。而是针对西安电力局的具体要求，研制一种以电缆沟道防盗，防火， 防爆为主要目标的电缆沟道环境监测和高压干线电缆运行状态( 初期主要是温度) 监测的分层( 级) 式分布多c p u 结构的监测系统。达到对电缆沟道全程、实时状态 的集中显示，监测和报警的功能。 本课题负责完成工作有：整体方案设计，论证，芯片选型，整体硬件电路设 计，焊接与调试，在l p c 2 2 9 2 硬件平台上对g c o s 进行的移植，c a n 通信实 现，a d 数据采集处理。而网络，系统控制等其他软件部分由项目组其他工作人 员完成本课题不进行详细阐述，论文主要完成了内容如下： 第一章，在简要介绍电力电缆发展与现状的基础上概述本课题研究背景，意 义以及课题来源和内容。 第二章，整体系统设计概要，介绍了系统的总体设计框架，包括方案的设计 和论证，设计要求以及芯片选择等工作，简述c a n 通信特点。 第三章，硬件设计，其中包括整体硬件系统的总体框架、核心器件介绍，控 制芯片配置电路，c a n 接口电路电路，传感器信号采集电路，电流信号转电压信 号等系统外围电路及整个系统硬件设计。 4 基于a r m 和c a n 总线的电缆沟道监测系统的设计 第四章，嵌入式操作系统g c o s i i 的移植，这章主要从两方面介绍，首先， 介绍了嵌入式操作系统g c o s i i ；其次，根据我们用到的实际a r m 7 芯片 l p c 2 2 9 2 ，介绍嵌入式操作系统g c o s i i 的移植要点。 第五章，上位机与下位机之间c a n 通信实现，即在i _ t c o s 上操作系统上实现 了c a n 通信驱动的开发。重点介绍了传感器数据采集处理，及数据在c a n 总线上 的收发。 第六章，结束语，对课题研发的工作进行了总结，指出了系统设计中存在的 问题和有待改善的地方。 第二章系统整体方案设计 第二章系统整体方案设计 2 1 方案设计介绍 本课题设计的是一种分层( 级) 式分布多c p u 结构形式的电力电缆沟道监测 系统，该技术是利用现代工业控制和网络技术，实现对多个分散的电力沟道的安 全状况和温度等现场信号的实时测量和传输控制及远程显示等功能，并将其应用 于实际的工业铡8 控系统中。有利于及时了解工业系统各个检测点的工作状态从 而保证系统安全正常高效的运行。 该监测系统按照结构功能可分为三个层次，分别为：下位机信号采集层上 位机数据处理层，网络服务层。其结构如图2 1 所示 图21 电力电缆沟道监测系统结掏囝 下位机信号采集层：该层控制芯片是飞利浦公司的l p c 2 2 9 2 ，它内部嵌有 a r m 7 微处理器。并且在此芯片上移植g c o s - i i 操作系统。这一层主要职责就是： 当有小偷进入沟道，百位机产生预警信号给上位机，即防盗功能，并且具备防潮， 防爆，防毒等功能，所以电缆沟道这一层还要具备具有防爆，防毒等功能传感器 组成，包括：电缆沟道的侵入传感器，巴赞陶道温度和一氧化碳传感器，沟道水 6 基于a r m 和c a n 总线的电缆沟道监测系统的设计 位传感器，有毒气体( 甲烷) 传感器，温度传感器，烟雾传感器等。下位机信号采 集层主要负责采集各种传感器反馈信号如的安全预警，有毒气体浓度，水位高度 等电缆沟道信息，并将信号装换成适合a d 转换的信号，比如电流信号转电压信 号。之后再将转换后数据通过c a n 总线传到上位机。 上位机数据处理层：上位机是一个将c a n 总线与疋网之间的连接通信的设 备，该层的控制芯片也是由飞利浦公司的l p c 2 2 9 2 ，不过在这层不接传感器，取 而代之是网络连接模块，液晶接口，键盘，以及c a n 通信模块。这层除了与下 位机之间进行c a n 通信有关功能外，并将从下位机得到的电力沟道信息显示在 l c d 上供电力站的工作人员查看，工作人员还可以通过键盘设置系统参数。上位 机数据处理层还需要将c a n 总线上的所有监测点传来的检测信号按照时间先后 顺序组织成d 包，在p 链路畅通的情况下发送给中心的通讯服务器。如果p 链 路不通就将接收到的数据暂存在上位机中，一旦监测到i p 链路畅通，将暂存的数 据发给中心的通讯服务器。这样就能够保证在p 通讯链路暂时断掉后，监测数据 不会丢失。同时上位机还需要定时应答通讯服务器的询问命令保证与服务器连接 网络正常。上位机放置在电力站工作点，供值班人员监测，而下位机由于与传感 器相连起监测沟道传输数据信息作用，因此布电力线时将下位机一并放在电力沟 道内。 网络服务器层：这层主要由网络通信服务器和数据服务器组成。将电缆沟道 信息、传感器信息和报警信号等进行整理、存储并按照业务逻辑和要求的格式与 地理信息系统( g i s ) 的数据复合，然后以w e b 的方式发布呈现给授权管理系统 的人员和供电局各级领导。完成系统的管理和维护等。包括数据库服务器，g i s 系统，应用服务器，管理机等。由于网络部分由项目组其他工作人员工作人员完 成，本论文不进行过多阐述。监测系统的数据采集框图如图2 2 所示。 第二章系统整体方案设计 7 图2 2 数据采集总体框图 2 2 系统设计要求 通过与供电局电缆工区领导的深入交流，了解电缆工区沟道巡检的实际工作 情况，以及供电局对电缆沟道监测的迫切需求，本课题旨在研制一种以电缆沟道 防盗、防火、防爆为主的电缆沟道环境监测和高压干线电缆运行状态( 初期主要 是温度) 监测系统。达到对电缆沟道全程、实时状态的检测、报警和集中显示的 功能。 防盗：搭建该监测系统最重要目标，通过对电缆沟道内部安装防盗传感器， 对沟道内部移动、散发热量物体发出警报提示。对可能的电缆盗窃事件做出提示 和预防。 防潮：由于电力电缆沟道位于地下，长期处于封闭状态，排水系统也不是很 完善，大量雨水很容易淤积在电缆沟道内部，如果不能够及时排除，很容易形成 安全隐患。该系统当水位超过预定值时，能够及时发出警报。 防爆：对电缆沟道内的天然气、沼气、一氧化碳等可燃性气体的浓度进行监 测，当浓度超过安全范围后，发出超限报警。 防毒：为了监测工作人员进入沟道后有安全工作环境，监测系统需要对电缆 沟道内部的二氧化碳、硫化氢等有毒有害气体浓度进行监测并实时传输记录，超 出安全范围，发出警报提示。 2 3 1a r m 概述 2 3a r m 处理器简介 由于电缆沟道监测系统上位机与下位机的核心控制芯片都采用基于a r m 7 架构的l p c 2 2 9 2 芯片，所以有必要先对a r m 做简要介绍。a r m ( a d v a n c e dr i s c m a c h i n e s ) ，既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是一类微处理器的通称， 还可以认为是一种技术的名字。1 9 9 1 年a r m 公司成立于英国剑桥，主要出售芯 片设计技术的授权。目前，采用a r m 技术知识产权( i p ) 核的微处理器，即我们通 常所说的a r m 微处理器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系 统、无线系统等各类产品市场，基于a r m 技术的微处理器应用约占据了3 2 位砒s c 微处理器7 5 以上的市场份额，a r m 技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。 a r m 公司是专门从事基于r i s c 技术芯片设计开发的公司，作为知识产权供 应商，本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯 基于a r m 和c a n 总线的电缆沟道监测系统的设计 片，世界各大半导体生产商从a r m 公司购买其设计的a r m 微处理器核，根据 各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的a r m 微处理器芯 片进入市场。目前，全世界有几十家大的半导体公司都使用a r m 公司的授权， 因此既使得a r m 技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持，又使整个系统 成本降低，使产品更容易进入市场被消费者所接受，更具有竞争力【4 瑚。 2 3 2a r m 7 简介【6 捌 a r m 7 t d m i s 处理器是a r m 通用3 2 位微处理器家族的成员之一。a r m 处理器具有优异的性能，但功耗却很低，使用门的数量也很少。a r m 结构是基 于精简指令集计算机( r i s c ) 原理而设计的，指令集和相关的译码机制比复杂指令 集计算机要简单得多。a r m 微处理器在较新的体系结构中支持两种指令集：a r m 指令集和t h u m b 指令集。其中，a r m 指令为3 2 位的长度，t h u m b 指令为1 6 位 长度。t h u m b 指令集为a r m 指令集的功能子集，但与等价的a r m 代码相比较， 可节省3 0 , - - 4 0 以上的存储空间，同时具备3 2 位代码的所有优点，这样的简化 实现了： 高的指令吞吐量 出色的实时中断响应 小的、高性价比的处理器宏单元 a r m t t d m i s 处理器使用流水线来增加处理器指令流的速度。这样可使几 个操作同时进行，并使处理和存储器系统连续操作。 流水线使用3 个阶段，因此指令也分3 个阶段执行。 取指 译码 执行 3 阶段流水线如下图所示。 a r m p c p c 4 p c 8 t h u m b p c取指 p c 一2 译码 p c 4执行 指令从存储器中取出 对指令使用的寄存器进行译码 从寄存器组中读出寄存器，执行移位 和a l u 操作寄存器写回到寄存器组 注：程序计数器( p c ) 指向被取指的指令，而不是指向正在执行的指令。 在正常操作过程中，在执行一条指令的同时对下一条指令进行译码，并将第 三条指令从存储器中取出。 第二章系统整体方案设计 2 3 3a r m 7 特点 a r m 7 t d m i s 处理器使用了冯诺依曼( v o nn e u m a n n ) 结构，指令和数据共 用一条3 2 位总线，只有装载、存储和交换指令可以对存储器中的数据进行访问。 数据可以是8 位字节1 6 位半字或者3 2 位字，字必须分配为占用4 字节，而半字 必须分配为占用2 字节。 体积小、低功耗、低成本、高性能 支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位1 6 位器 件 大量使用寄存器，指令执行速度更快 大多数数据操作都在寄存器中完成 寻址方式灵活简单，执行效率高 指令长度固定 a r m 处理器共有3 7 个寄存器，被分为若干个组( b a n k ) ，这些寄存器包括： 3 1 个通用寄存器，包括程序计数器( p c 指针) ，均为3 2 位的寄存器。 6 个状态寄存器，用以标识c p u 的工作状态及程序的运行状态，均为3 2 位。 同时，a r m 处理器又有7 种不同的处理器模式，在每一种处理器模式下均 有一组相应的寄存器与之对应。即在任意一种处理器模式下，可访问的寄存器包 括1 5 个通用寄存器( r 0 - r 1 4 ) 、1 至2 个状态寄存器和程序计数器。在所有的寄存 器中，有些是在7 种处理器模式下共用的同一个物理寄存器，而有些寄存器则是 在不同的处理器模式下有不同的物理寄存器。 a r m 7 具有7 种处理器模式【8 】： ( 1 ) 用户模式( u s r ) ：这是a r m 中正常程序工作模式。 ( 2 ) 快中断模式( f i q ) ：支持数据传输或数据处理。 ( 3 ) 中断模式( i r q ) ：用于通用中断处理。 ( 4 ) 管理模式( s v c ) ：是操作系统系统用于保护代码的模式。 ( 5 ) 中止模式( a b t ) ：主要是用于支持虚拟内存的保护：在a r m 中没有用到，因 为它没有内存管理单元( m m u ) 。 ( 6 ) 未定义模式( u n d ) ：当执行未定义的指令时进入该模式。 ( 7 ) 系统模式( s y s ) ：与用户模式类似，但具有可以直接切换到其他模式特权。 删7 1 d m i s 处理器结构、内核和功能框图如图2 3 所示： 1 0 基于a r m 和c a n 总线的电缆沟道监测系统的设计 指令译 a d d r 3 i ：0 1 码 0争0 和 地址寄存器 扫控制逻 j 上 描辑 。地址增加器卜 调 试 0 控 寄存器组制 ，玉t k ，b 口口i ；1 牟3 2 位奇仔器 ( 6 个状杰害 - 廉法器l l 桶形敌脚舆i 1_lt r 写数据寄存器 指令管线读数据寄存器 3 2 位a l u 上 t h u m b 指令译码器 - l 。 一一一蔓一一 图2 3a r m 7 t d m i s 内核 2 3 4a r m 微处理器的应用领域 c l k c l e n c f g b i g e n d n m o 1 1 f i o n r e s e t a b o r t l o c k 、恻t e s i z e f l ：0 1 p r o t 1 ：0 1 t r a n s 1 ：0 1 d b g 输出 d b g 输入 c p 控制 c p 握手 到目前为止，a r m 微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域： 1 、工业控制领域：作为3 2 位的r i s c 架构，基于a i 珏i 核的微控制器芯片不 但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用 领域扩展，a r m 微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8 位1 6 位微控制器提 出了挑战。 2 、无线通讯领域：目前己有超过8 5 的无线通讯设备采用了a r m 技术， a r m 以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。 3 、网络应用：随着宽带技术的推广，采用a r m 技术的a d s l 芯片正逐步获 得竞争优势。此外，a r m 在语音及视频处理上进行了优化，并获得广泛支持， 也对d s p 的应用领域提出了挑战。 4 、消费类电子产品：a r m 技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒 和游戏机中得到广泛采用。 5 、成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用a r m 技 术。手机中的3 2 位s i m 智能卡也采用了a r m 技术。除此以外，a r m 微处理器 及技术还应用到许多不同的领域，并会在将来取得更加广泛的应用。 第二章系统整体方案设计 2 4 1c a n 总线的优点 2 4c a n 总线简介 c a n 总线与r s 4 8 5 是目前比较流行的通信网络，它们都是一种半双工通讯 协议，只需要一对传输线即可实现数据的发送或接收。总线包括物理层、数据链 路层和最上层的应用层，而r s 4 8 5 只提供串行通信的最底层协议，即物理层通讯 协议。c a n 总线相比于r s 4 8 5 通讯方式，在实时响应能力、抗干扰性、可靠性 等方面，存在技术优势，但在国内基于历史或者其他的原因，大多数的厂商工程 师在设计产品，工程立项时，第一想到的是应用r s 4 8 5 总线系统。但是，随着社 会的发展，对计算机控制要求越来越高，现场应用的条件越来越复杂，c a n 网 络总线替代r s 4 8 5 网络总线将成为总线发展趋势。 ( 1 ) c a n 控制器工作于多主方式，采用直线拓扑结构，单条网络线路可以连 接到1 1 0 个节点，网络中的各节点都可根据总线访问优先权采用无损结构的逐位 仲裁的方式竞争向总线发送数据，且c a n 协议废除了站地址编码，而代之以对 通信数据进行编码，这可使不同的节点同时接收到相同的数据，这些特点使得c a n 总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强，并且容易构成冗余结构，提高 系统的可靠性和系统的灵活性。而利用r s 4 8 5 只能构成主从式结构系统，通信方 式也只能以主站轮询的方式进行，系统的实时性、可靠性较差。 ( 2 ) c a n 采用非破坏总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息出现冲 突时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地 继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间，尤其是在网络负载很重的情 况下，也不会出现网络瘫痪现象。这就保证不会出现像在r s 4 8 5 网络中，当系统 有错误，出现多节点同时向总线发送数据时，导致总线呈现短路，从而损坏某些 节点的现象。而且c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使 总线上其他节点的操作不受影响，从而保证不会出现像在网络中，因个别节点出 现问题，使得总线处于“死锁”状态。 通过r s 4 8 5 与c a n 总线性能比较可知：r s 4 8 5 网络除了硬件成本开发比 c a n b u s 网络稍具优势外，其他性能方面都没有可比性。在产品更新速度迅速的 今天，如果将产品的上市时间产品的后期维护、软件开发难度等计算在一起， r s 4 8 5 的硬件成本优势也变得不明显，因而用c a n 总线取代r s 4 8 5 总线是一种 比较理想的方案。 1 2 基于a r m 和c a n 总线的电缆沟道监测系统的设计 2 4 2c a n 总线概述 c a n 总线在汽车领域上的应用是最广泛的。世界上一些著名的汽车制造厂 商，如b e n z ( 奔驰) 、b m w ( 宝马) 、p o r s c h e ( 保时捷) 、r o l l s r o y c e ( 劳斯 莱斯) 和j a g u a r ( 美洲豹) 等都采用了c a n 总线来实现汽车内部控制系统与各检 测和执行机构间的数据通信，同时由于c a n 总线本身的特点，其应用范围目前 己不再局限于汽车行业，而向自动控制、航空航天、航海、过程工业、机械工业、 纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展。c a n 己经形成国际标准，并已被公认为几种最有前途的现场总线之一【9 】。 c a n ( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ) 即控制器局域网，是一种多主方式的串行数 据通信总线，现已广泛应用到汽车工业、航空工业、工业控制、自动控制、智能 大厦、电力系统、安全防护等各个自动化控制领域，成为国际上应用最广泛的现 场总线之一。c a n 总线与一般的通信总线相比，具有可靠性高、实时性和灵活 性好的优点，特别适合于工业过程监控设备的互联。 c a n 总线与一般局域网总线通信技术相比有以下优点 1 0 】： 通信方式灵活。c a n 为多主方式工作的总线，任意节点在任意时刻都可 以主动向网络上其它节点发送信息。 总线二值性。总线可以具有两种互补的逻辑值：“显性”和“隐性”。 c a n 总线上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求。 采用非破坏性的总线仲裁技术，当多个节点同时发送信息时，按优先级 顺序进行通信，从而节省总线仲裁时间，避免网络瘫痪。 通过报文滤波可实现点对点、点对多点和广播等通信方式。 最远通信距离可达1 0 k i n ( 传输速率在5 k b s 以下) ，最高通信速率可达 i m b p s ( 通信距离4 0 m 以内) 。 总线上的节点数可达1 1 0 个。 采用短帧格式，每帧最多8 字节数据，传输时间短，抗干扰能力强，检 错效果好。 传输介质可选用双绞线、光纤和同轴电缆。 2 4 3c a n 协议 c a n 系统中数据在节点间发送和接收以四种不同类型的帧出现，其中数据 帧用于将数据由发送节点传至接收节点；远程帧由某节点发送，用以请求具有相 第二章系统整体方案设计 同标识符的数据帧；错误帧由任何检测到总线错误的节点发送，用于标识有错误 发生，使其它节点放弃该帧数据；超载帧用于提供数据帧或远程帧之间的附加延 时f l l j 。 c a n 总线的数值由c a n h 与c a n l 两引脚的差分电压电压差表示。当电压 差大于阈值时，表现为显性，即逻辑o ；否则为逻辑1 ，见图2 4 所示。当显性和 隐性同时发送时，即线与时，总线数值将为0 显性。 图2 4c a n 数值表示 数据帧将数据从c a n 发送器传输到c a n 接收器。数据帧格式如图2 1 所示， 由帧起始、仲裁域、控制域、数据域、c r c 域、应答域和帧结尾7 个部分组成。 如图2 5 所示： 熬措赖 图2 5c a n 数据帧格式 帧起始：帧起始为一个显性位。只有当总线空闲时才允许节点开始发送数 据，所有节点必须同步于首先开始发送的节点的帧起始前沿。 仲裁域：数据帧标准格式的仲裁域由标识符和远程发送请求位( r 1 限) 组 成。在c a n 2 0 a 标准中，标识符的长度为1 l 位，最高7 位不能全为隐 性，从最高位i d l 0 到最低位i d 0 顺序发送。r t r 在数据帧和远程帧中分 别必须为显性和隐性。 控制域：数据帧标准格式的控制域由6 位组成，包括4 位数据长度代码、 l 位标识符扩展位 d e 和1 位保留位r 0 。数据长度代码指出数据域的字 节数，i d e 为显性。数据域：数据域由肛8 个字节的数据组成。 c r c 域：c r c 域由c r c 序列和c r c 界定符组成，界定符为一个隐形位。 1 4 基于a r m 和c a n 总线的电缆沟道监测系统的设计 应答域：应答域由应答间隙和应答界定符2 位组成。所有接收到匹配c r c 序列的节点会在应答间隙用一显性位写在发送器的隐性位上来作出回 应，即以显性位改写发送器隐形位作答。 帧结尾：帧结尾由7 个隐性位组成。 2 4 4c a n 总线仲裁机制 c a n 总线是一种多主总线，当总线空闲时，任何节点均可发送报文，若有两 个以上节点同时发送就会发生总线访问冲突。c a n 总线解决访问冲突的机理是基 于竞争的仲裁【l2 1 。每组报文开头的1 1 位字符为标识符( 这是标准帧，扩展帧则是 2 9 位标识符) ，这个标识符也被称之为报文的优先级。在同一系统中每一个报文 的标识符是唯一的，不可能有两个站发送具有相同标识符的报文。c a n 使用非破 坏性的逐位仲裁规则，借助标识符进行仲裁，从而确保信息和时间均无损失。仲 裁期间，每个节点的发送器都对发送位电平和总线上检测到的电平进行比较，若 相同则继续发送。若发送电平为隐性，而总线电平为显性即发送电平与检测到电 平不一致，则节点退出仲裁，停止发送。数据帧的优先级高于具有相同标识符的 远程帧。 第三章硬件系统总体设计 第三章硬件系统总体设计 3 1 硬件系统总体结构 本系统设计了一种分层( 级) 式分布多c p u 结构形式的电力电缆沟道监测系 统，上位机与下位机之间的通信是通过c a n 总线完成，如图2 2 所示。上位机 与下位机虽然核心控制芯片都是由l p c 2 2 9 2 组成，但是它们的外围电路并不完全 相同。 如第二章所述，下位机主要负责对电缆沟道进行监测，信号转换和数据采集， 以及将采集到的沟道信息通过c a n 总线上传到上位机，所以下位机系统设备硬件 组成有：控制芯片l p c 2 2 9 2 ，c a n 通信模块，j t a g ，f l a s h ，s r a m 存储器， 电源模块，电流转电压模块，传感器及接口电路，如图3 1 所示： 传感器 传感器接 口电路 电源电路 j t a g 接口 电路 晶振电路与 复位电路 a d 转： 换电路： 主芯片 。 a r m 7 s r a m4 m b i t i s 6 1l v 2 5 6 1 6 a ! f l a s h1 6 m b i t s s 1 3 9 v f1 6 0 c a n 通信接口l 一上位机 图3 1 下位机硬件框图 上位机除了与下位机之间进行c a n 通信有关功能外，并将从下位机得到的电 力沟道信息显示在l c d 上供电力站的工作人员查看，工作人员还可以通过键盘设 置系统参数如系统i p 地址，密码等有效信息。这一层还需要将c a n 总线上的所 有监测点传来的检测信号按照时间先后顺序组织成i p 包，在i p 链路畅通的情况 下发送给中心的通讯服务器，所以上位机系统设备硬件组成包括：控制芯片 l p c 2 2 9 2 ，c a n 通信模块，f l a s h ，s r a m ，c f 卡，键盘，液晶l c d ，网络通 信模块，j t a g 等电路组成，如图3 2 所示： 基于a r m 和c a n 总线的电缆淘道监测系统的设计 圈3 2 上位机硬件图 由图可知，上位机与下位机硬件电路有相同部分如控制芯片都是飞利浦的 l p c 2 2 9 2 ，j t a g 下载电路，c a n 通信等部分电路，但是也有不同的外围电路， 下面将详细说明系统主要电路模块。 3 2 系统微控制器配置电路介绍 3 2 1l p c 2 2 9 2 结构 l p c 2 2 9 2 是基于一个支持实时仿真和跟踪的1 6 1 3 2 位a r m 7 t d m i s t m c p u 的微控制器。对代码规模有严格控制的应用可使用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 9 2 1 ”怕1 4 4 脚封装( 其 管脚结构图如图33 所示) 、极低的功耗、多个3 2 位定时器、8 路1 0 位a d c 、2 路c a n 、p w m 通道以及多达9 个外部中断使它们特别适用于汽车、工业控制应 用以及医疗系统和窖错维护总线。通过配置们也非常适台于通信网关、协议转换 器以及其它各种类型的应用： k j l ! 二 悔 f 二丑鼬凹衄删蚯| = | | 贮 。 ： ，畦型音萤： + + 墓i ；匡茎： 雾= ，i 篆藿f f 蚕。一。 磷篷 ”，- - 1 m m m m m l _ m _ 【盯一 一啦一 十“4 第三章硬件系统总体设计 1 7 图3 3l p c 2 2 9 2 结构管脚图 为了防止电源元器件工作时产生的高频噪声，所以在芯片的3 3 v 与1 8 v 电 源管脚上和地之间加上1 0 4 p f 左右的电容，可以很好地滤出电源噪声的影响。 1 6 1 0 3 静态片内r a m 。 外部8 位、1 6 位或3 2 位总线。 通过外部存储器接口可将外部存储器配置成4 组，每组的容量高达1 6 m b 。 8 路1 0 位a d 转换器，转换时间低至2 4 4 9 s 。 2 个3 2 位定时器( 带4 路捕获和4 路比较通道) 、p w m 单元( 6 路输出) 、实 时时钟。 图3 41 p c 2 2 9 2 结