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1、应用新型嵌入式系统设计电力通信管理机 金丹 上海电力学院 Adopt new Embedded System to upgrade the Communications Processor Jindan Shanghai University of Electric Power Abstract The Communications Processor is an important apparatus in the electric automation system, which is the interface device between the communication net a
2、nd the monitoring units. The work of the Communications Processor includes protocol conversation and interface matching、 data collecting. The Communications Processor generally adopts two design methods (Single chip + assemble language; Industrial Personal Computer + VC+ language). How to use the ne
3、w embedded system to design the apparatus is discussed in this paper. Two typical modes are emphasized here. No.1 type adopts ARM chip + uClinux operating system. Owning to the low power loss, small volume and low price, this mode has the highest performance/cost ratio. No.2 type adopts PC/104 main
4、board + WinCE operating system. Though its volume and price is higher relatively, the design processing is easy and development cycle is short. This paper puts forward a method of using the new embedded system to design the Communications Processor, which has high performance/cost ratio and practica
5、bility. Key words: embedded system PC/104 ARM Communications Processor 摘 要 通信管理机是电力自动化系统中的重要设备。通信管理机是通信网与监测设备之间的接口设备，承担规约转换和接口匹配、数据汇总 2 项任务。目前通信管理机的设计有 2 类（单片机汇编语言；工控机 VC+语言）。本文采用新型嵌入式系统设计通信管理机，提出两种设计方案。第 1 种采用 ARM 芯片 +uClinux 操作系统设计 ,ARM 芯片功耗低、体积小、价格低，该方案性价比最高。第 2 种采用 PC-104 主板 +WinCE 操作系统设计，体积、价格稍
6、高，但软硬件设计简单，开发周期短。本文提出的采用新型嵌入式系统设计通信管理机的方案，性 价比高，实用性强。 关键词：嵌入式系统 PC/104 ARM 通信管理机 引言 安全性与稳定性是电力系统最重要的考核指标，在电力自动化进程中采用的新技术必须成熟与完善。作为电力自动化系统中通信链路的核心，电力通信管理机一般采用传统的单片机或工控机设计。随着新型嵌入式系统在工控领域的不断发展与大量应用，其优势受到广泛认可，技术也逐步成熟与稳定。采用嵌入式系统设计电力通信管理机，可实现性能与成本的双重飞跃。 一、 通信管理机 一般的，电力自动化系统由主站监控软件、通信网络、各种监测设备组成。由于监测设备 数量众
7、多且不尽相同，通信网络也可采用光纤、电台、局域网、 GPRSGSM （ General Packet Radio Service 通用无线分组业务 Global System for Mobile Communications 全球移动通讯系统 ） 等多种方式，各种不同的监测设备与通信设备之间通信规约及接口都不同，有些不能直接匹配，因此需要一种接口设备上下协调。 通信管理机作为通信网络与监测设备之间的接口设备承担着两项任务：规约转换与接口匹配、数据汇总。 规约转换与接口匹配：采集监测设备的数据，并将该数据转换 为与通信设备相匹配的规约格式。以合适的通信接口（ RS232、以太网口、 2M 数字
8、接口等）分别与监测设备与通信设备连接。 数据汇总：监测设备数量众多，但是通信线路一般只有一条，通信管理机负责将所有的监测数据统一打包汇总。 随着自动化系统功能的不断增强，对通信管理机处理速度与功能的要求也越来越高。系统结构图如图 1 1 所示： 1 1 系统结构图 二、通信管理机设计现状 目前电力通信管理机的设计大致有两类： 1、 硬件采用单片机设计，软件采用汇编语言编写 采用这 种设计方式，硬件成本低，设备体积小。但是，由于程序采用汇编语言编写，软件的灵活性、可扩充性、可移植性较差。同时，作为处理器核心的单片机芯片，无法提供高速率运算。随着电力自动化系统功能的不断完善，对通信管理机性能的要求
9、也越来越高。采用这一设计方式，无论在硬件或软件上都无法满足要求。 2、 硬件采用工控机，软件采用 VC+编写 采用工控机作为硬件设备，既能够提供很好的处理速度，又适于恶劣的工作环境，物理稳定性好。软件采用 VC+编写，可实现复杂的软件功能，模块化、面向对象化的设计保证了软件系统的灵活性、可扩充性与可移 植性。这种设计能够很好的满足电力自动化系统的要求。但是，成本过高，体积过大。一般的，采用工控机的硬件成本是采用单片机成本的 10倍以上，而且多为 19 英寸 4U 箱体设计，较为笨重。 三、新型嵌入式系统介绍与比较 对嵌入式系统的一种定义是“ 嵌入到对象体系中的专用计算机系统 ”。“ 嵌入性 ”
10、 、 “ 专用性 ” 与 “ 计算机系统 ” 是嵌入式系统的三个基本要素。嵌入式系统按形态可分为设备级（工控机）、板级（单板、模块）、芯片级（ MCU (Micro Controller Unit 多点控制单元 )、 SoC（ System on Chip 片上 系统 ） ）。从以上定义中不难看出，目前的通信管理机也是一种典型的嵌入式系统应用。但是，这种应用已经不能适于整个自动化系统发展的要求，需要采用新型的嵌入式系统更新这种设计。 1 1、 硬件 目前较多使用的嵌入式系统硬件有 ARM（ Advanced RISC Machines 高级精简指令微处理器） 芯片与 PC/104 主板。 2
11、1.1、 ARM 芯片 ARM 处理器是一种 16/32 位的高性能、低成本、低功耗的嵌入式 RISC （ Reduced lnstruction Set Computing 精简指令集 ） 微处理器。目前最为流行 的当属 ARM7 和ARM9 两 个系列。随着人们对系统功能提出 片上系统 更高的要求， ARM7 在高端应用中已经显得力不从心，性能更加强劲的 ARM9 处理器逐渐占据了高端产品市场。 ARM9系列微处理器具有以下特点： 5 级整数流水线，指令执行效率更高。 支持 32 位 ARM 指令集和 16 位 THUMB（拇指）指令集。 支持 32 位的高速诉 AMBA（ Advance
12、d Microcontroller Bus Architecture 高性能嵌入式系统的总线标准 ）总线接口。 全性能的 MMU(Memory Management Unit 存储器 管理单元 )，支持 Windows CE、 Linux 等主流的嵌入式操作系统。 支持数据 Cache 和指令 Cache，具有更高的数据和指令处理指令。 3 1.2、 PC/104 主板 PC/104 是工业嵌入式板卡 较多采用 的一种规格。 采用 PC/104 规范的主板，再配以微软的操作系统，用户就可以非常容易地实现编程和扩充标准的外围设备。这些标准的外围设备包括视频接口、存储设备、键盘、网络接口、串口、并
13、口、数据采集模块以及其它的一些特殊设备，比如看门狗定时器，永久性记忆功能模块以及 SSD（ solid state disk固态硬盘） 等，众多厂商可以为用户提供这些设备。另外，结构上的加固型设计使得PC/104 系统可以应用到强振动及强撞击等恶劣的应用环境。凭借着低廉的软件开发成本，优秀的开发工具，便利的可升级性， PC/104 成为了嵌入式系统开发者最喜欢的选择。 1.3、比较 ARM 芯片与 PC/104 主板相比较，具有功耗低、体积小、价格低的优势。但是，ARM 嵌入式系统开发中涉及到 ARM 仿真器与 ARM 编译器的使用，编译后的最终程序需要导入芯片中。对于没有相关开发经验的工程师
14、，熟悉 ARM 芯片开发需要一定的时间，设计周期也自然会 延长很多。此外， ARM 芯片规格较为固定，其各种配置不能灵活改动，也是制约它应用的一个因素。 4 PC/104 主板能够很好的与 Windows 系统兼容，其开发过程与普通 PC 机的开发几乎没有差别，可以最大程度的降低开发难度、缩短开发周期。其模块化的配置方式使其成为 低成本、高可靠性、能迅速配置成产品的结构化模块。 与 ARM 芯片相比，功耗高、体积大、价格高是它的缺点。 2、 操作系统 目前，嵌入式系统常用的操作系统有 Vxworks、 Linux、 Windows。 2.1、 Vxworks Vxworks 因出现较早， 实
15、时性很强，内核 很小 ，可靠性较高等，所以在北美 应用很广泛。 特别是在通信设备等实时性要求较高的系统中，几乎非 Vxworks 莫属。 Vxworks的很多概念和技术都和 Linux 很类似，主要是 C 语言开发。但 Vxworks 因价格很高，所以 自一般应用中很少采用这种操作系统。 5 2.2、 Linux Linux 是一种免费、开源的操作系统，因此其 支持软件多 ，可用资源丰富。 目前应用在嵌入式领域的 Linux 系统主要有两类：一类是专为嵌入式设计的已被裁减过的 Linux系统，最常用的是 uClinux（不带 MMU 功能），目前 占较大应用份额，可 应用在 ARM7上；另一类
16、是 应用 在 ARM9 上， 将 Linux 的 内核移植在其上，可使用更多的 Linux 功能 。缺点是 一般开发人员不太 熟悉 Linux，开发难度 较 大。 6 2.3、 Windows WinCE 出来只有几年时间，但目前已占据了很大市场份额 。 由于 WinCE 开发都是大家熟悉的 VC+环境，所以 对于一般的开发人员 都不会有多大难度，这也是 WinCE 容易被人们接受的原因 。 开发环境方便快速，微软的强大技术支持， 使得 WinCE 开发难度远低于嵌入式 Linux。 此外， WinCE 与 WindowXP 及 Win2000 的同族性，保证了原来在 PC 机上开发的程序可以很容易的移植到嵌入式系统中。 7 四、通信管理机设计 结合当前电力通信管理机的应用现状与嵌入式系统的技术发展现状，给出两种设计方案：采用 ARM 芯片设计 +uClinux 操
