（电力电子与电力传动专业论文）嵌入式隧道照明控制器的研究和设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i no r d e rt og u a r a n t e et h et r a v e ls e c l l r i t yi nt u n n e l ，t h ec o n s i d e r a t i o ne a c h d e s i g n i n gp a r a m e t e ri sa c c o r d i n gt ot h em a x i m u mv a l u e t h ed e n s i t ya n dp o w e ro f l a m p sa n dl a n t e r n si nt h et u n n e la r cd e t e r m i n e db yt h eg r e a t e s tb r i g h t n e s sa n dt h e h i g h e s td r i v i n go f t h ew h o l ey e a r t h e r e f o r e ，e a c hs e c t i o no f l e n g t ha n dt h ed e g r e e o fi l l u m i n a t i o na l s oi sa tt h ec o n d i t i o no fm a x i m u mv a l u e i nt h et u n n e ll a m p sa n d l a n t e r n sy e a ra t eo p e n e du s u a l l ya n dc o n s u m et h em a s s i v ee l e c t r i c a le n e r g y c u r r e n t l y ，m o s to ft h et u n n e l | i g h t i n gu s e dt h em e t h o d so f m a n u a lc o n t r o lt o s w i t c ha n di n s p e c t ，b u tt h i sm e a n sh a sa l lk i n d so f p r o b l e m sw h i c h 辨b r o u g h tb y m a n - m a d ef a c t o r s w h i l es o m em o n i t o r i n gf a c i l i t i e si n s t a l l e di nt h ei m p o r to f t a n n e l , w h i c ht h et u n n e ll i g h t i n gc a nb ec o n t r o l l e d ，b u tl i g h t i n gc o n t r o ls y s t e mi so n l ya s m a l lp a r ta saw h o l e t h ee n t i r es y s t e mi se x p e n s i v e ，e s p e c i a l l ys o f t w a r e ，w h i c hi s o f t e ne q u i v a l e n tt ot h eh a r d w a r e e v e ns o ，l i g h t i n gc o n t r o li sn o ts a t i s f a c t o r y m o r e o v e rt h eh a r d w a r eh a st h ep o o rp e r f o r m a n c ei nw i t h s t a n d i n gd i s t u r b s a ss u c h , t h i sp a p e rd e s i g n e dan e we m b e d d e dc o n t r o l l e rf o rt h ec o n t r o lo ft u n n e lr i g h t i n g w h i c hi se m p h a s i z e do nt h ef l o wo f c a r sw h i tt h eo u t s i d e1 i g h ti n t e n s i t y f i r s t l yt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f t h ee m b e d d e ds y s t e mw a si n t r o d u c e di nt h i s p a p e r t h eh a r d w a r ei n c l u d e sp r o c e s s o r m i c r o p r o c e s s o r , m e m o r y p e r i p h e r a l d e v i c e sta n df op o r t sa n ds oo i lt h ec o r ei st h ee m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r t h e e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mi sak i n do f o p e r a t i n gs y s t e ms o f t w a r ew h i c h 啪s u p p o r t t h ea p p l i c a t i o n ，i ti st h ev e r yi m p o r t a n tc o m p o s i t i o no ft h ee m b e d d e ds y s t e m t h i s s y s t e mh a ss e l e c t e di _ t c o s - i io p e r a t i n gs y s t e mw h i c hc a n 娜p p o r tt h es o u r c ec o d e n 圮t u n n e li l l u m i n a t i o nc o n t r o l l e rw h i c hu s e st h ee m b e d d e dt e c h n i q u ei st h eg o r e o fc o n t r o ls y s t e m t h et u n n e lc o n t r o ls y s t e ma l s oi n c l u d e st h es e n s o rs y s t e m ，t h e p o w e rc o n t r o ls y s t e m ，t h eb y p a s ss y s t e ma n d s oo n t h ed i f f e r e n tp h o t o s o u r c ew e r e c a r r i e do nt h ec o m p a r i s o ni nt h ep a p e r b e c a u s et h eo l dp h o t o s o u r c ed e l a y sl i g h t i n g a n dc a nn o ts u i tt h er e a l - t i m ec o n t r o l ，t h e r e f o r et h en e wp h o t o s o u r c e - l e dl a m p w h i c hc a ns u i tt h er e a l t i m ec o n 仃o lw a ss e l e c t e di nt h i sp a p e r t h ed i f f e r e n tp h o t o s o u r c ew e r ec a r r i e do nt h ec o m p a r i s o ni nt h ep a p e r ，a n df i n d s 武汉理工大学硕士学位论文 t h er e a l - t i m ec o n t r o lt h en e wp h o t o s o u r c e ra l s oh a sc o m p a r e dt h ed i f f e r e n t e x a m i n a t i o nv e h i d e sm e t h o da n dc h o s e no n ek i n do fr e l i a b l ei n d u c t e dc o i lo f v e h i c l e ss e n s o r 1 1 l i sp a p e ra l s or e s e a r c h e dt h ee m b e d d e ds y s t e m a c c o r d i n gt ot h e r e l e v a n tp e r f o r m a n c ei n d i c a t o r sa n dt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no fe m b e d d e di n d u s t r i a l c o n t r o l l e r ，i td e s i g n e dt h eh a r d w a r eo fc o n t r o l l e ra n da c h i e v e dt h ed e s i g n i n go f h a r d w a r ep l a t f o r m ，i n t e r f a c em o d u l e ， a n a l o g - d i g i t a lc o n v e r s i o nm o d u l e ， d i g i t a l - a n a l o g c o n v e r t e rm o d u l e ，t h el c dm o d u l ee m b e d d e da r m 7 m i c r o c o n t r o l l e rc o r eo f t h ed e s i g no f , ac o m p l e t ed e s i g n ，w h i c hi su s e de m b e d d e d a r m 7m i c r o c o n t r o l l e ra sac o r e a c c o r d i n gt ot h en e e d so f s o f t w a r e , i td e s i g n e dt h eo v e r a l ls t m e t u r eo f s o f t w a r e d e s i g na n da n a l y z e dk e r n e lo fp c o s 1 1w h i c hi st h ee m b e d d e dr e a l - t i m eo p e r a t i n g s y s t e mk e r n e l ，i m p r o v e dt h ed e f i c i e n c i e so fi n t e r r u p ta n dc l o c kh a n d l i n gi a c o s - i i s y s t e mw a ss u c c e s s f u l l yt r a n s p l a n t e dt ot h ea r mm i c r o p r o c e s s o r i tt e s t e dt h e f u n c t i o n so ft h es y s t e mm o d u l e st h r o u g ht h es c h e d u l i n go fc o r r e s p o n d i n gt a s ka n d c o m p l e t e dt h ef u n c t i o no f v a r i o u sm o d u l e si n t e r f a c e t h ea p p l i c a t i o nf u n c t i o l ll i b r a r y w a sb u i l d e dw h i c hw a sc o n v e n i e n tt ot r a n s p l a n t a t i o na n da p p l i c a t i o no f t h ec o d e s k e yw o r d s ：e m d e d d e d ：t u n n e ll i g h t i n g ：a r m ；t r a n s p l a n t a t i o no fo p e r a t i n g s y s t e m ：p c o s 一 i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的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。尽我所知，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，也不包含为获得武汉理工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 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 签名： ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题概述 1 1 1 课题的来源 第1 章绪论 国家现正大力倡导发展循环经济，建设环境友好型社会。为贯彻落实党的 十六大和十六届五中全会以及中央经济工作会议精神，考虑到湖北省高速公路 隧道较多，无人值守，为了降低能耗，隧道管理部门希望有一种控制器能对隧 道照明进行有效控制。武汉理工大学远程控制与智能诊断研究所在嵌入式控制 领域有较为丰富的经验，因此我们研究所承担了研制隧道照明控制器的任务。 主要是完成控制器的设计，实现隧道照明的合理控制。 1 1 2 课题的提出 隧道照明通常分为入口段、过渡段、中间段和出口段等四个段来设计，各 段的长度和照度( 1 】【) 是依据全年行车安全要求来确定的。隧道内各段的灯具功 率和灯具分布密度，是以全年洞外最大亮度和最高行车时速来确定的。设计时， 对于如天气、车速、车流量等参数是按最大值考虑，因此，各段照明的长度和 照度也始终是处于最大值状态。每段的灯具按功能又分为应急灯、全日灯和加 强灯三种。应急灯除在停电时用作应急照明外还兼作全日照明，全日灯2 4 小时 不问断工作，加强灯根据洞口不同的亮度来开启。隧道内不同区域的亮度要求 各不相同，它们和洞外亮度、交通流量、洞内废气的多少、行车速度、灯具的 养护周期等诸多因素有关，甚至与路面的材料和洞壁的装修材料有关【”。 此外，由于夜间电压波动较大，灯具耗电不但增加，而且更易损坏，这就 意味着维护成本增加。 针对以上问题，本学位论文选择“隧道照明节能控制器”作为研究方向，隧道 内照明的节能不是简单地开关某些灯具，而是要求建立在行车安全基础上的最 大限度节能，隧道内灯具能够根据需要自动控制启停或调压，最大限度降低能 源消耗。 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 3 课题研究的意义 随着我国经济的繁荣、城市的发展，以及城市的亮化工程的实施。数以万 计的路灯在美化我们的城市，使我们的生活灯璧辉煌，但同时大量的电费也随 之产生，成为国家一个沉重的包袱，而且大量的电力能源的浪费与目前国内一 直宣传的环保节能相违背。据不完全统计：照明耗电在各个国家的总发电量中 占有很大的比例。目前，我国照明耗电大体占全国总发电量的1 0 1 2 ，2 0 0 1 年 我国总发电量为1 4 3 3 2 5 亿千瓦小时( 度) ，年照明耗电达1 4 3 3 2 5 - 1 7 1 9 9 亿度， 相当于三峡水力发电工程年发电能力( 8 4 0 亿度) 的两倍左右1 2 1 。为此，照明 节电，具有重要意义。 目前，国家电力紧缺，电费涨价，电力成本已经成为企业的项重要支出， 从宏观和微观考虑，节约用电都是大势所趋。 过去，我国一直是低等级公路较多，公路隧道很少，长大隧道更是难见到， 对隧道照明缺乏深入研究。隧道照明自动控制这一领域节能手段不多。本项目 拟采用嵌入式芯片控制系统，重点考虑车流量的影响因素，对隧道灯光进行智 能控制，达到了节能和延长灯泡寿命的双重目的。此外，本项目不但可以应用 在隧道领域，还可以广泛应用到其他照明系统中。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国内外灯光节能控制方式概况 ( 1 ) 半夜灯隔盏亮控制方案 在上世纪7 0 年代，由于美日韩等国经济的高速发展，曾经导致过一次严重 的能源危机，在当时，日本曾使用过路灯隔盏亮控制技术，即上半夜灯全亮， 后半夜，隔盏关闭，实现节能。 这种控制方式，采用特殊布线实现，但由于电力供应是三相线，而要实现 1 2 的功率控制，可能会导致电力变压器的三相不平衡。 ( 2 ) 传统电磁按时段换档控制方案 目前，市场上大部分照明节能产品，都采用传统电磁换档技术，这种产品 大约在2 0 0 3 年下半年进入市场。其中也有公司试图采用碳刷无级自藕方式控制， 由于碳刷烧毁严重，导致主变压器燃烧，没有成功的产品。因此现在的产品均 2 武汉理工大学硕士学位论文 是接触器中途换档方式，通过一个自耦变压器铁心，根据输入电压的高低，连 接变压器各抽头，将电网电压降低5 、l o 、1 5 、2 0 v 等几档，从而达到降压节电 的目的。当电网电压波动时，调控装置的输出电压也会上下波动，这样照明电 压处在波动状态，无法起到对电光源的保护作用。当电网电压升高时，节电率 不是最佳状态；而电网电压降低时，可能出现欠电压现象，造成灯具无法正常 点亮，反而降低灯具寿命。由于接触器电流的切断，导致闪断故障，冲击电网， 冲击灯具，容易灭灯，烧灯，在节电率高的档位切换时，灭灯烧灯严重，线路 末端过低，灯点燃困难。 ( 3 ) 传统电磁固定降压控制方案 由于其核心部件是一个多抽头的变压器，变压比是固定的，一般副边有三 到五个降压抽头，分别降5 v 、i o v 、1 5 v 、2 0 v 3 1 ，一旦接线端固定，降低电压 就是固定值，只要开灯就降压。由于固定降压，不需要高亮度照明的后半夜， 由于电网电压升高，灯具反而更亮。 ( 4 ) 可控硅斩波控制方案 采用可控硅斩波原理，通过控制晶闸管( 可控硅) 的导通角，将电网输入 的正弦波电压斩掉一部分，从而降低了输出电压的平均值，达到控压节电的目 的。 但该调压方式存在一致命缺陷，由于斩波，使电压无法实现正弦波输出， 还会出现大量谐波，形成对电网系统谐波污染，危害极大，不能用在有电容补 偿电路中。( 现代照明设计要求规定，照明系统中功率因数必须达到0 9 以上， 而气体放电灯的功率因数在一般在o 5 以下，所以都设计用电容补偿功率因数) 在国外发达国家，已有明文规定对电气设备谐波含量的限制，在国内，北京、 上海、广州等大城市，已对谐波含量超标的设备限制并入电网使用。 ( 5 ) 单灯电磁调压分布式控制方案 变感抗式镇流器通过中间抽头和变换开关的方式来改变镇流器的阻抗，从 而达到改变灯管功率来进行调光【4 】。这种调光方式最关键的问题是必须解决开关 的快速切换问题，用普通开关( 如交流接触器) 在切换时，因切换速度不够快，会 产生熄灯现象。这在一些场所是不允许的，即使允许，灯熄灭后降功率启动和 多次启动对灯的寿命影响较大。所以必须采用电子开关或是电流过零技术的快 速机械开关，保证灯切换功率时不会熄灭。变感抗式镇流器只能是定功率一级 或二级调光，不能连续调光。由于存在切换，除引起灭灯，故障率高，维修成 武汉理工大学硕士学位论文 本高外，新镇流器的成本以及改造工程成本也十分高 1 2 2 国内外隧道灯光控制技术概况 目前，受到线路布线回路的限制，隧道实现照明自动控制的非常有限。隧 道的照明大多采用人工操作管理，通常是常明灯，在某些地区，夜间几乎没有 车经过隧道，而隧道灯却不能自动关闭因此，目前这种传统设计与使用的隧 道照明系统存在着大量电能浪费问题。不仅如此，由于人为因素，还会影响交 通系统的正常运行。 尽管有些隧道设计了控制系统，硬件大多依靠进口，采用集散式控制，但 可靠性差，效率低，而且管线长，投资高，易遭受雷击。软件也依赖进口，价 格昂贵，基本相当与硬件的价格。照明控制只是其中一小部分，控制方式简单， 又不适合国情。国内的设计由于缺乏理论依据，控制效果十分有限；有些控制 软件，操作复杂，限于用户工作人员的技术现状，系统的控制效果不能充分发 挥。 1 3 嵌入式技术介绍 嵌入式系统一般指非p c 系统，有计算机功能但又不称之为计算机的设备或 器材。它是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用 系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。简单 地说，嵌入式系统集系统的应用软件与硬件于一体，类似于p c 中b i o s 的工作 方式，具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于要求实 时和多任务的体系【5 】嘲。嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入 式操作系统及应用软件系统等组成，它是可独立工作的“器件”。嵌入式系统是将 先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各个行业的具体应用相结合后的 产物，这一点就决定了它是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的 知识集成系统。经过几十年的发展，嵌入式系统已经在很大程度上改变了人们 的生活，工作和娱乐方式，而且这些改变还在加速。 1 3 1 嵌入式系统的硬件和软件介绍 4 武汉理工大学硕士学位论文 嵌入式可以划分为硬件和软件两部分，硬件一般由高性能的处理器和各种 接口电路组成，软件一般由实时操作系统和其他运行的应用软件构成，软件和 硬件之闯由中间层( b s p 板，板极支持包) 连接。 1 3 1 1 嵌入式系统的硬件 嵌入式系统的硬件部分，包括处理器微处理器、存储器及外设器件和的 端口、图形控制器等，核心是嵌入式微处理器嵌入式系统有别于一般的计算 机处理系统，它不具备像硬盘那样大容量的存储介质，而大多使用e p r o m ， e e p r o m 或闪存( f l a s hm e m o r y ) 作为存储介质。 嵌入式处理器可以分为三类：嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r op t o e a s $ o t u n i t ，e m p u ) ，嵌入式微控制器( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) ，嵌入式d s p ( d i g i t a l s i g n a lp r o o e s s o r ) 。嵌入式微处理器就是和通用计算机对应的c p u 目前嵌入式 处理器主要包括：p o w e rp c 、m o t o r o l a 6 8 0 0 0 、a r m 系列等等1 7 j 。 嵌入式微控制器又称为单片机，顾名思义，就是将整个计算机系统集成到 一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集 成r o m e p r o m 、r a m 、总线、总线逻辑、定时计数器、w a t c h d o g 、i o 、串 行口、脉宽调制输出、a d 、d a 、f l a s hr a m 和e e p r o m 等各种必要功能和 外设。微处理器是目前嵌入式系统工业应用的主流。微控制器的片上外设资源 一般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。嵌入式微控制器目前的品种 和数量最多，比较有代表性的通用系列包括8 0 5 1 ，p 5 1 x a ，6 8 3 0 0 和数目众多 的a r m 芯片等。 嵌入式d s p 专门用来对离散时间信号进行极快的处理计算，提高编译效率 和执行速度。在数字滤波、f f t 、谱分析、图像处理的分析等领域有广泛的应用。 嵌入式d s p 处理器比较有代表性的产品是t e x a si n s t r u m e n t s 的t m s 3 2 0 系列 和m o t o r o l a 的d s p 5 6 0 0 0 系列。嵌入式微处理器一般具备4 个特点：( 1 ) 对实时 和多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而 使内部的代码和实时操作系统的执行时间减少到最低限度；( 2 ) 具有功能很强的 存储区保护功能，这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软 件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有 利于软件诊断；( 3 ) 可扩展的处理器结构，以能迅速地扩展出满足应用的高性能 的嵌入式微处理器；( 4 ) 嵌入式微处理器的功耗必须很低，尤其是用于便携式的 武汉理工大学硕士学位论文 无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，功耗只能 为m w 甚至p w 级。 据不完全统计，目前全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1 0 0 0 种，流 行的体系结构有3 0 多个系列。其中8 0 5 1 体系占多半，生产这种单片机的半导 体厂家有2 0 多个，共3 5 0 多种衍生产品，仅p h i l i p s 就有近1 0 0 种。现在几乎每 个半导体制造商都生产嵌入式处理器，越来越多的公司有自己的处理器设计部 门。嵌入式处理器的寻址空间一般从6 4 k b 到1 6 m b ，处理速度为o 1 m i p s 到 2 0 0 0 m i p s ，常用封装8 到1 4 4 个引脚嗍。 1 3 1 2 嵌入式操作系统介绍 从某种意义上说，没有操作系统的计算机( 裸机) 是没有用的。在嵌入式应用 中，只有把c p u 嵌入到系统中，同时又把操作系统嵌入进去，才是真正的计算 机嵌入式应用。由于程序代码会越来越庞大，需要管理的外设越来越多，只有 拥有嵌入式多任务操作系统，拥有稳定工作的硬件基础，开发工作重点才能由 原来的硬件的调试、软件的d e b u g 转变为对于实际应用系统的性能提高、智 能化软件的编写。此外，只有在一个完整的、具有统一编成规范的操作系统基 础上，使用高级语言开发出的应用程序，才可能具有良好的可移植性，才可能 被重复利用。 嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式 系统( 包括硬、软件系统) 极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动 软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等b r o w s e r o 嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点，如能够有效管理越来越复杂的 系统资源；能够把硬件虚拟化，使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中 解脱出来；能够提供库函数、驱动程序、工具集以及应用程序。与通用操作系 统相比较，嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态 化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。 一般情况下，嵌入式操作系统可以分为两类，一类是面向控制、通信等领 域的实时操作系统，如w m d r i v e r 公司的v x w o r k s ， i s i 的p s o s ，q n x 系统 软件公司的q n x ，a t i 的n u c l e u s 等；另一类是面向消费电子产品的非实时操 作系统，这类产品包括个人数字助理( p d a ) 、移动电话、机顶盒、电子书、w e b p h o n e 等【4 1 。 6 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 微内核结构 大多数操作系统至少被划分为内核层和应用层两个层次。内核只提供基本 的功能，如建立和管理进程，提供文件系统，管理设备等，这些功能以系统调 用方式提供给用户。 大多数嵌入式操作系统采用了微内核结构，内核只提供基本的功能，如任 务的调度，任务之间的通信与同步，内存管理，时钟管理等。其他的应用功能 比如网络功能，文件系统，g u i 系统等均工作在用户态，以系统进程或函数调 用的方式工作，因而系统都是可裁减的，用户可以根据自己的需要选用相应的 组件。 ( 2 ) 任务调度 在嵌入式系统中，任务即线程。大多数的嵌入式操作系统支持多任务。多 任务运行的实现实际是靠c p u 在多个任务之问的切换、调度。每个任务都有其 优先级，不同的任务优先级可能相同也可能不同。任务的调度有三种方式：可 抢占式调度，不可抢占式调度和时间片轮转调度。 目前，大多数嵌入式操作系统对不同优先级的任务采用基于优先级的可抢 占式调度法，对相同优先级的任务则采用时间片轮转调度法。 对于基于优先级的系统而言，可抢占型实时操作系统是指内核可以抢占正 在运行任务的c p u 使用权并将使用权交给进入就绪态的优先级更高的任务，是 内核抢了c p u 让别的任务运行。不可抢占型实时操作系统使用某种算法并决定 让某个任务运行后，就把c p u 的控制权完全交给了该任务，直到它主动将c p u 控制权还回来 9 1 。中断由中断服务程序来处理，可以激活一个休眠态的任务，使 之进入就绪态；而这个进入就绪态的任务还不能运行，一直要等到当前运行的 任务主动交出c p u 的控制权。使用这种实时操作系统的实时性比不使用实时操 作系统的系统性能好，其实时性取决于最长任务的执行时间。不可抢占型实时 操作系统的缺点也恰恰是这一点，如果最长任务的执行时间不能确定，系统的 实时性就不能确定。可抢占型实时操作系统的实时性好，优先级高的任务只要 具备了运行的条件，或者说进入了就绪态，就可以立即运行。也就是说，除了 优先级最高的任务，其他任务在运行过程中都可能随时被比它优先级高的任务 中断，让后者运行。通过这种方式的任务调度保证了系统的实时性，但是，如 果任务之间抢占c p u 控制权处理不好，会产生系统崩溃、死机等严重后果。 ( 3 ) 硬实时和软实时 武汉理工大学硕士学位论文 实时系统是指能在确定的时间内执行其功能并对外部的异步事件做出响应 的计算机系统。其操作的正确性不仅依赖于逻辑设计的正确程度，而且与这些 操作进行的时间有关。“在确定的时间内”是该定义的核心也就是说，实时系统 是对响应时间有严格要求的。实时系统对逻辑和时序的要求非常严格，如果逻 辑和时序出现偏差将会引起严重后果。 实时系统有两种类型：软实时系统和硬实时系统。软实时系统仅要求事件 响应是实时的，并不要求限定某一任务必须在多长时间内完成，只要求各任务 运行得越快越好。而在硬实时系统对系统响应时间有严格要求，不仅要求任务 响应要实时，而且要求在规定的时间内完成事件的处理。一旦系统相应时间不 能满足，就可能会引起系统崩溃或致命的错误，一般在工业控制中应用较多。 通常，大多数实时系统是两者的结合。实时应用软件的设计一般比非实时 应用软件的设计困难。实时系统的技术关键是如何保证系统的实时性。实时多 任务操作系统是指具有实时性、能支持实时控制系统工作的操作系统。其首要 任务是调度一切可利用的资源完成实时控制任务，其次才着眼于提高计算机系 统的使用效率，重要特点是要满足对时间的限制和要求。实时操作系统具有如 下功能：任务管理( 多任务和基于优先级的任务调度) 、任务间同步和通信( 信号 量和邮箱等) 、存储器优化管理( 含r o m 的管理) 、实时时钟服务、中断管理服务。 实时操作系统具有如下特点：规模小，中断被屏蔽的时间很短，中断处理时间 短，任务切换很快。 ( 4 ) 内存管理 针对有内存管理单元( m m u ) 的处理器设计的一些桌面操作系统，如 w n d o w s ，l 讯j ) ( ，使用了虚拟存储器的概念。虚拟内存地址被送到舢， 在这里虚拟地址被映射为物理地址，实际存储器被划分为相同大小的页面，采 用分页的方式载入页面。一个程序在运行之前，没有必要全部装入内存，而是 仅将那些当前要运行的部分页面装入内存运行。 大多数嵌入式系统针对没有m m u 的处理器设计，不能使用处理器的虚拟 内存管理技术，采用的是实存储器管理策略。因而对内存的访问是直接的，它 对地址的访问不需要经过m m u ，而是直接送到地址线上输出，所有程序中访 问的地址都是实际的物理地址；而且，大多数嵌入式操作系统对内存空间没有 保护，各个进程实际上共享一个运行空间。一个进程在执行前，系统必须为他 分配足够的连续地址空间，然后全部载入主存储器的连续空间。 s 武汉理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 内核加载方式 嵌入式操作系统内核可以在f l a s h 上直接运行，也可以加载到内存中运 行。f l a s h 的运行方式，是把内核的可执行映象烧写到f l a s h 上，系统启动 时从f l a s h 的某个地址开始执行。这种方法实际上是很多嵌入式系统所采用的 方法。内核加载方式是把内核的压缩文件存放在f l a s h 上，系统启动时读取 压缩文件在内存里解压，然后开始执行。这种方式相对复杂一些，但是运行速 度可能更快，因为r a m 的存取速度要比f l a s h 高。 由于嵌入式系统的内存管理机制，嵌入式操作系统对用户程序采用静态链 接的形式在嵌入式系统中，应用程序和操作系统内核代码编译，链接生成一 个二进制影像文件来运行 1 3 2 嵌入式系统的发展 1 3 2 1 嵌入式技术的发展 进入2 0 世纪9 0 年代，随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式技术 全面展开。目前已成为通信和消费类产品的共同发展方向。在通信领域，数字 技术正在全面取代模拟技术。在广播电视领域，美国已开始由模拟电视向数字 电视转变，欧洲的d v b ( 数字电视广播) 技术己在全球大多数国家推广。数字音 频广播( d a b ) 也已进入商品化试播阶段。而软件、集成电路和新型元器件在产业 发展中的作用日益重要。所有上述产品中，都离不开嵌入式系统技术。在个人 领域中，嵌入式产品将主要是作为个人移动的数据处理和通信软件。由于嵌入 式设备具有自然的人机交互界面，g u i 屏幕为中心的多媒体界面给人以很大的 亲和力。手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图像已 取得初步成效。 嵌入式系统是先进的计算机技术、半导体技术、电子技术与各行业具体应 用相结合的产物，这一点决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、 不断创新的支持集成系统。调查数据表明，嵌入式系统的市场增长为每年1 8 ， 大约是信息产业市场平均增长率的两倍。目前世界上大约有2 亿台通用计算机， 而嵌入式微处理器有大约6 0 亿个。嵌入式系统产业是二十一世纪信息产业的新 的经济增长点，是计算机市场的重要组成部分。 未来的嵌入式产品是软硬件紧密结合的设备，为了降低功耗和成本，需要 9 武汉理工大学硕士学位论文 设计者尽量精简系统内核，只保留和系统功能紧密相关的软硬件，利用最低的 资源实现最适当的功能，这就要求设计者选用最佳的编程模型和不断改进算法， 优化编译器性斛埘。因此，软件开发人员既要有丰富的硬件知识，又需要发展 先进嵌入式软件技术，如j a v a ，w e b 和w a p 等。 1 3 2 2 嵌入式操作系统的发展 嵌入式系统的出现至今已经有3 0 多年的历史，近几年来，计算机、通信、 消费电子的一体化趋势日益明显，嵌入式技术已成为一个研究热点f l l l 嵌入式 操作系统伴随着嵌入式系统的发展经历了4 个阶段： 第一阶段是无操作系统的嵌入算法阶段，是以单芯片为核心的可编程控制 器形式的系统，同时具有与监测、伺服、指示设备相配合的功能。这种系统大 部分应用于一些专业性极强的工业控制系统中，一般没有操作系统的支持，通 过汇编语言编程对系统进行直接控制，运行结束后清除内存。这一阶段系统的 主要特点是：系统结构和功能都相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几 乎没有用户接口。由于这种嵌入式系统使用简便、价格很低，以前在国内工业 领域应用较为普遍，但是已经远远不能适应高效的、需要大容量存储介质的现 代化工业控制和新兴的信息家电等领域的需求。 第二阶段是以嵌入式c p u 为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。 这一阶段系统的主要特点是：c p u 种类繁多，通用性比较差；系统开销小，效 率高；一般配备系统仿真器，操作系统具有一定的兼容性和扩展性；应用软件 较专业，用户界面不够友好；系统主要用来控制系统负载以及监控应用程序运 行。 第三阶段是通用的嵌入式实时操作系统阶段，是以嵌入式操作系统为核心 的嵌入式系统。这一阶段系统的主要特点是：嵌入式操作系统能运行于各种不 同类型的微处理器上，兼容性好；操作系统内核精小、效率高，并且具有高度 的模块化和扩展性；具备文件和目录管理、设备支持、多任务、网络支持、图 形窗口以及用户界面等功能；具有大量的应用程序接n ( a p i ) ，开发应用程序简 单；嵌入式应用软件丰富1 1 2 l 。 第四阶段是以基于i n t e m e t 为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展的 阶段。目前大多数嵌入式系统还孤立于i n t e m e t 之外，但随着i n t e m e t 的发展以 及i n t e m e t 技术与信息家电、工业控制技术等结合日益密切，嵌入式设备与 l o 武汉理工大学硕士学位论文 i i l _ t e m c t 的结合将代表着嵌入式技术的真正未来。 综上所述，嵌入式系统技术日益完善，3 2 位微处理器在该系统中占主导地 位，嵌入式操作系统已经从简单走向成熟，它与网络i n t 啪c t 结合日益紧密，因 而嵌入式系统应用将日益广泛。 1 4 本文的主要研究内容 基于上文分析，本文对嵌入式隧道照明控制器进行了研究和设计，具体研 究内容包括； ( 1 ) 对国内外嵌入式系统的最新发展作调查研究，包括对目前市场上主流的 嵌入式微处理器和嵌入式操作系统进行了分析和比较，从而确定应用系统中嵌 入式微处理器和嵌入式操作系统的选型。 ( 2 ) 对跟系统开发相关的技术方法进行了学习和研究，研究了嵌入式隧道照 明控制器组成方案及硬件模块设计。首先分析隧道照明系统的总体结构，然后 根据控制的功能需求，设计控制器的总体方案。以嵌入式a r m 7 微控制器为核 心，实现控制器的硬件系统，完成对相关组成模块的硬件电路设计。 ( 3 ) 根据本系统软件设计的特点，进行系统的软件架构设计。详细分析 p c o s 的源代码，在自主开发的硬件平台上移植p c o s 操作系统。在移植 完成后，进行多任务运行测试，掌握肛c ，o s 下的多任务编程方法。 ( 4 ) 设计应用模块，创建应用函数库：主要有内核扩展、l c d 显示、a d 采 样和d a 输出几个模块。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章嵌入式隧道照明控制器的总体设计 2 1 隧道照明控制系统的设计 隧道属于公路的特殊构造物，是公路交通的咽喉地段。所以隧道照明控制 器要操作简单，功耗低，安全可靠，价格适中。控制器内的数据要能够通过打 印机输出，以便相关人员查询。 在隧道入口、出口以及距离入口2 0 3 0 米处各安装一个车辆传感器，检测 有无车辆驶向隧道、是否进入隧道，并且检测该汽车有无离开隧道。光强传感 器检测隧道内和隧道外的光强。这些传感器将上述信号传给隧道照明控制器的 c p u ，由c p u 对信号进行运算处理，如对指定的计数器进行加、减运算；控制 灯具的启停等。单车道的车辆检测的原理图如图2 1 所示。 口 奎 辆 传 感 器 a l 入口1 = 广亡丁_ 亡 丁_ 1 = 厂 啼 隧道 口口 亡 口口口口 口 车光照 辆强明 传传灯 感感具 器器 a 2 b l 光 强 传 感 器 b 2 奎 辆 传 感 器 a 3 图2 1 车辆检测的原理图 每当汽车从车辆传感器上经过进入隧道，隧道照明控制器的计数器会加l 。 汽车驶出隧道，计数器会减l 。当汽车违章调头，经过车辆传感器，计数器减l 。 计数器为0 时，隧道照明控制器会延时关闭或调整l e d 灯的亮度。 武汉理工大学硕士学位论文 隧道照明控制系统包括：车辆传感器、光强传感器、隧道照明控制器、功 率控制系统。隧道照明控制系统图如图2 - 2 所示。 由于多数隧道在夜间几乎没有车通过，所以在夜间无车时，隧道照明控制 器切断l e d 灯电源，有车时接通电源，使l e d 灯在车到来时处于点亮状态，为 司机提供合适的光线。当检测汽车出去后，延时关闭隧道灯光，节约电能。 白天车流量不大的情况下，当检测没有车辆进入隧道时，根据光强传感器 所检测到的洞内外光强差值，在隧道内只开启相应的基本照明，当车辆检测器 检测到车辆将进入隧道时，开启隧道洞口的加强照明，当车辆进入隧道后，则 将车辆前面一段相应距离的加强照明开启，一旦后面无车辆跟进，则将汽车身 后的加强照明关闭。白天车流量较大时，隧道照明控制器将正常开启所有照明 设备。 利用光强传感器还可判断晴天、阴天、白天、晚上，由功率控制系统开启、 关闭或调整灯具光强相应的照明。可对单个的照明进行单控，也可对区域照明 进行群控。控制策略随时可根据实际情况进行修正这样不仅节约大量的电能， 还能保护灯具，降低运营成本。 图2 2 隧道照明控制系统图 2 2 隧道照明控制器的总体方案设计 本设计主要针对隧道照明的开发，硬件总体设计框图如图2 3 所示。主要包 括a r m 微控制器、电源、复位模块、存储器扩展模块、人机交换接口模块( l c d ) 、 a d 转换模块、d a 输出模块、r s 2 3 2 通信模块等。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 3 硬件总体设计框图 主控制器我们选择了飞利浦公司的l p c 2 1 3 1 。传感器部分将车辆经过的信 号、光强等信号通过的模拟数字通道输入到m c u 。l p c 2 1 3 1 包括2 个1 6 c 5 5 0 工业标准的u 越河1 3 】，其中一个作为与功率控制系统的数据传递通讯接口，另 一个作为现场读取数据以及系统维护升级的i s p 接口；人机接口主要是指键盘和 l c d 显示。 2 3 功率控制系统方案 功率控制系统包括继电器、接触器和调压器，由它们控制隧道的照明。 调压器的结构与三相绕线式异步电动机相同，只是它的定、转子绕